賀明光，李葆青，莊洲洋

（1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；2.交通運輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

區(qū)域空間結(jié)構(gòu)是在一定時期和地域范圍內(nèi)，各要素通過其內(nèi)在機制相互聯(lián)系、相互作用而形成的空間形態(tài)。該空間形態(tài)既可表現(xiàn)為點、線、網(wǎng)絡(luò)、面域等靜態(tài)要素以不同的組合模式形成的區(qū)域空間布局，也可表現(xiàn)為基于以上要素的流動負載（如人流、物流、信息流、資金流等）。隨著全球化和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，人員、物資、信息、資金在城市間的流動顯著增大，距離對空間關(guān)聯(lián)的約束作用逐漸弱化，傳統(tǒng)的“地理空間”被“流空間”融合[1]，國內(nèi)外研究關(guān)注重點逐漸轉(zhuǎn)移到以流動負載為主的空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式上來，城市群空間結(jié)構(gòu)研究由關(guān)注靜態(tài)的城市節(jié)點等級規(guī)模向關(guān)注動態(tài)網(wǎng)絡(luò)化的城際聯(lián)系功能流轉(zhuǎn)變[2-3]，這些“流”通過各種形式的網(wǎng)絡(luò)通道，體現(xiàn)廣泛的城市群空間網(wǎng)絡(luò)特征。

目前，國內(nèi)外對于區(qū)域空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化特征研究主要分三個方向：（1）以分形理論為基礎(chǔ)計算區(qū)位熵，通過計算基于客貨運輸流[4]、企業(yè)組織結(jié)構(gòu)[5]、專利創(chuàng)新數(shù)量[6]、基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)系等指標(biāo)的關(guān)聯(lián)強度構(gòu)建城市關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，對研究城市進行功能層次劃分，研究空間極化發(fā)展對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及空間結(jié)構(gòu)塑造產(chǎn)生的影響[7-8]；（2）采用引力模型或社會網(wǎng)絡(luò)法分析城市群空間格局的演變[9]；（3）基于拓撲圖論法（如Infomap 等社區(qū)發(fā)現(xiàn)類算法）分析城市群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變[10]，以城市群間和城市群內(nèi)各城市間聯(lián)系路徑的編碼系數(shù)期望值最小為目標(biāo)識別社區(qū)網(wǎng)絡(luò)。還有研究利用UCINET 軟件識別了城市群內(nèi)部城市節(jié)點構(gòu)成的凝聚子群[11-12]。以上方法能發(fā)掘城市群發(fā)展的總體空間特征[13]，也對城市間的交互作用進行了分析[14]，對城市群協(xié)調(diào)性和一體化推進有重要意義。

然而城市群空間結(jié)構(gòu)的研究中還存在一些不足，如針對局部城市間的交互特征仍以聚類分析為主，而對聯(lián)系方向性和研究對象城市本身的關(guān)注不足；針對凝聚子群的分析多基于宏觀指標(biāo)進行聯(lián)系強度測算，忽略了對個體節(jié)點的特征分析和局部優(yōu)化，而這通常是改善區(qū)域協(xié)調(diào)性的關(guān)鍵。針對以上問題，本文提出了一種基于相似流識別的空間結(jié)構(gòu)表示方法：以一段時間內(nèi)有向的動態(tài)交通流表示城市間交互，提取具有相似交通流特征的相鄰城市構(gòu)建區(qū)域組，從而識別城市群內(nèi)部區(qū)域組團間的互動模式和要素供給關(guān)系，挖掘城市群空間結(jié)構(gòu)特征，進一步優(yōu)化城市群交通規(guī)劃及服務(wù)供給，為推動城市群產(chǎn)業(yè)聚集和協(xié)同發(fā)展提供理論支撐。

1 研究假設(shè)

1.1 理論基礎(chǔ)

本研究基礎(chǔ)假設(shè)主要依據(jù)3 個理論：Ricardo的比較優(yōu)勢理論[15]，Tobler 提出的地理學(xué)第一定律[16]和Goodchild提出的地理學(xué)第二定律[17]。

（1）基于比較優(yōu)勢理論，人力、資源等生產(chǎn)要素的不平衡產(chǎn)生了供需關(guān)系；交通流作為人、物資源在區(qū)域間移動的主要載體，能反映出城市群內(nèi)部各區(qū)域組的經(jīng)濟活躍程度和組間生產(chǎn)要素供給關(guān)系。

（2）本研究以地理學(xué)第一定律、第二定律為基礎(chǔ)理論，認為相鄰的城市或區(qū)域大概率存在相似的空間結(jié)構(gòu)，即均與距離較遠的某城市或某區(qū)域存在相似的交互、供需關(guān)系。

1.2 基本假設(shè)

根據(jù)上述理論，本文建模基于以下3點假設(shè)。

（1）生產(chǎn)要素的交互關(guān)系既存在于兩個獨立的城市間，也存在于一組城市與另一組城市之間。

（2）相鄰城市間很可能存在相似的空間結(jié)構(gòu)，即均與某幾個相隔較遠的城市間存在相似的交互關(guān)系。

（3）具有相似空間結(jié)構(gòu)的相鄰城市構(gòu)成區(qū)域群組，能與其他區(qū)域群組形成有向的組間交互，將其定義為起始區(qū)域組和終止區(qū)域組，形成的交通流集合稱為相似流集合。

2 研究方法

2.1 方法概述

本文借鑒Kim 等[18]研究地鐵乘客在區(qū)域間的移動模式時采用的區(qū)域間行動模式（Movement Patterns Between Zones,MZPs）建模思想（見圖1（a）），其利用地鐵刷卡數(shù)據(jù)表征乘客的出行軌跡，通過站點周邊用地性質(zhì)定義站點間關(guān)系，找出區(qū)域組和組間移動模式。

圖1 區(qū)域間行動模型在城市群空間表達中應(yīng)用示意圖

在城市群空間結(jié)構(gòu)特征分析中，很難賦予城市單一的屬性定位，但通過交通流的走向特征和空間分布可識別出城市間的交通要素供需模式，同時進行區(qū)域合并和區(qū)域組間運動模式判斷（見圖1（b））。有別于城市交通MZPs 模型，評價流的相似性時，判斷依據(jù)在于交互流量和區(qū)域流強度兩個指標(biāo)[19]，并通過閾值判斷空間合并條件。

2.2 鄰域定義

在原MZPs 模型中線路站點間相鄰特征顯著（見圖2（a）），而在三維空間中，鄰域有多種存在形式（見圖2（b））。本文目的是研究區(qū)域組間空間聯(lián)系和交互特征，研究對象應(yīng)最大限度考慮鄰域空間與目標(biāo)空間的相似性，因此選擇圖2（b4）所示的緩沖區(qū)鄰域關(guān)系[20]，即基于空間位置，犧牲迭代時間，拓展研究距離，以擴大模型考慮的空間范圍。

圖2 線路節(jié)點和面域空間鄰域關(guān)系

2.3 相似流識別

命名區(qū)域組和區(qū)域流集合。區(qū)域組包括起始區(qū)域組Orig={O1,O2,O3,…,Om}和終止區(qū)域組Dest={D1,D2,D3,…,Dn}，m,n代表區(qū)域組元素初始個數(shù)。區(qū)域組的每個元素Oi和Dj都是由符合以上定義鄰域關(guān)系的單個區(qū)域合并組合而成。區(qū)域流集合為Flow={Fij,i≤m,j≤n}，其中Fij表示從起始節(jié)點i至終止節(jié)點j的流量，設(shè)fk(k∈R)為該單向流的初始命名，初始時Fij=fk；區(qū)域流強度集合為Stre={Sij,i≤m,j≤n}，其中Sij表示從起始節(jié)點i到終止節(jié)點j的流量強度，Sij=Ik,Ik為該單向流強度計算值，其計算公式[18]為：

式（1）中：Ik為單向流強度；UniF(fk)為被識別的起點為Oi鄰域或終點為Dj鄰域的單向流；∑fi*為起始區(qū)域為Oi的所有區(qū)域流之和；∑f*j為終止區(qū)域為Dj的所有區(qū)域流之和。

區(qū)域流每個元素都對應(yīng)一對起始組元素和終止組元素，即對于流Fij，Oi∈Orig,Dj∈Dest，元素Oi和Dj在空間上可以相鄰，但不可以相交。參考MZPs模型定義相似流，將單向流強度Ik作為識別相似流的主要指標(biāo)。如圖3 所示，初始區(qū)域組Orig={s1,s2,s4,s5,s6,s7}，終止區(qū)域組Dest={s1,s3,s4,s5,s6,s7}，初始區(qū)域流Flow={f1,f2,f3,…,f12}，計算所有節(jié)點的中心度排名和交通流大小等優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級順序優(yōu)先比較以s6節(jié)點為起點和終點的鄰域交通流，給定閾值δ，當(dāng)I7=f7/[(f7+f9+f11)×(f7+f1+f8)]≥δ時，f7即可被識別為區(qū)域相似流。

圖3 識別相似流及區(qū)域組合并迭代過程

參考MZPs 模型的相似流識別方式，定義面域交通流相似性特征，但相對于線性節(jié)點，面域元素的相鄰元素數(shù)量大幅增加，需對指標(biāo)Ik的計算公式進行修正。經(jīng)算例實驗可知，修改為（計算公式見式（2））更符合實際要求。此外，閾值δ也需根據(jù)特征值進行動態(tài)調(diào)整（調(diào)整為δ′），以提高模型的收斂性。

當(dāng)不小于給定閾值δ′時，識別為相似流。

2.4 面域合并

由調(diào)整后的指標(biāo)識別相似流，設(shè)區(qū)域組合并條件如下：

式（3）中：Fmn為符合合并條件的流。若Om與Oi為鄰域關(guān)系，或Dn與Dj為鄰域關(guān)系，給定閾值θ，當(dāng)Sij≥θ時，即可將Om與Oi或Dn與Dj進行合并，同步修改=Fij+Fmn，=Sij+。最終得到區(qū)域流強度Flow和區(qū)域流貢獻率Stre兩個集合，得出空間結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 區(qū)域組相似流識別示意圖

3 實證分析

3.1 研究范圍

本文選擇珠江三角洲城市群進行實證分析。珠江三角洲是我國發(fā)展較成熟的城市群之一，本研究涉及的珠三角城市群包括：廣州、深圳、佛山、東莞、中山、珠海、江門、肇慶、惠州共9個城市及其所轄區(qū)、縣，其中東莞市和中山市不設(shè)區(qū)縣，分別整體作為一個空間單元。

3.2 數(shù)據(jù)來源

區(qū)縣是新型城鎮(zhèn)化建設(shè)與區(qū)域協(xié)同發(fā)展的重要區(qū)域，縣域經(jīng)濟是功能完備的綜合性經(jīng)濟體系，是國民經(jīng)濟的基本單元。因此以縣級行政區(qū)劃為地理空間基礎(chǔ)單元進行研究。

實驗中使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由兩部分組成：①珠三角9 個城市所轄區(qū)縣構(gòu)成的行政區(qū)劃多邊形，用于確定城市空間關(guān)系，由民政部最新更新的行政區(qū)劃圖確定；②不同城市區(qū)縣間的流動數(shù)據(jù)。本文獲取了2019 年3 月珠三角9 個城市所轄區(qū)縣間的高速公路出入口數(shù)據(jù)，經(jīng)過異常值處理、降噪、OD 識別分配，得到每日區(qū)縣間OD 數(shù)據(jù)，包括出發(fā)地區(qū)縣、目的地區(qū)縣和對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)車車流量數(shù)據(jù)約10 200條，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 珠三角城市群空間特征分析

采用上述研究方法，設(shè)區(qū)縣為區(qū)域單元，采用圖2（b4）所示的空間關(guān)系及式（1）～式（3）相似流識別及面域合并條件建模，得到16 對起始、終止區(qū)域組及其相似流集合。圖5 給出了珠三角城市群空間特征分析結(jié)果中的部分圖形。

圖5 起始區(qū)域與終止區(qū)域組集合圖示

由計算得出的起始區(qū)域組集合和終止區(qū)域組集合可發(fā)現(xiàn)：①起始區(qū)域組和終止區(qū)域組構(gòu)成相似，說明各區(qū)縣間空間聚集特征明顯，交通活躍區(qū)域在城市群范圍內(nèi)相對顯著，流向明確；②比較特殊的東莞市和深圳市（龍崗區(qū)）區(qū)域組僅作為流出區(qū)域；③佛山市（南海區(qū)、荔灣區(qū)）區(qū)域組僅作為流入?yún)^(qū)域。

計算得出存在強交互關(guān)系的6 對區(qū)域組（見圖6），包括：①廣州市（白云區(qū)、越秀區(qū)）與珠海市（香洲區(qū)、金灣區(qū)）；②珠海市（香洲區(qū)、金灣區(qū)）與深圳市（龍崗區(qū)、鹽田區(qū)）；③肇慶市（鼎湖區(qū)、端州區(qū)）與肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）；④佛山市（禪城區(qū)、順德區(qū)）與中山市、珠海市（香洲區(qū)）；⑤深圳市（寶安區(qū)、福田區(qū)）與深圳市（龍崗區(qū)、鹽田區(qū)）；⑥肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）與肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）。

圖6 強交互關(guān)系的區(qū)域組

計算在起始、終止區(qū)域組兩個集合中出現(xiàn)超過3 次的區(qū)域組，包括：①肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）；②珠海市（香洲區(qū)、金灣區(qū)）；③深圳市（龍崗區(qū)、鹽田區(qū)）；④深圳市（福田區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū)）。將與其存在流關(guān)系的其他區(qū)域組一同標(biāo)出，見圖7。

圖7 高頻率出現(xiàn)的區(qū)域組及其空間交互關(guān)系

由圖7可看出：①肇慶市（懷集縣、廣寧縣、封開縣、德慶縣）為流量輸出主要城市，對肇慶市（鼎湖區(qū)、端州區(qū)）和中山市、珠海市（香洲區(qū)）兩個區(qū)域組存在生產(chǎn)要素供應(yīng)關(guān)系，自身內(nèi)部流動特征也較為顯著；②珠海市（香洲區(qū)、金灣區(qū)）與多個區(qū)域組存在流關(guān)系，經(jīng)濟活躍，流動頻繁。

各區(qū)域組間流量強度見表1，結(jié)合Sij和I′k判斷面域合并條件。表1 中的起始區(qū)域組和終止區(qū)域組為經(jīng)相似面域合并后得到的區(qū)域流起終點集合。表1 中流量強度數(shù)據(jù)公差較大，F(xiàn)_ID=1 流量強度雖小，但強度貢獻率不是最低的，即從深圳市龍崗區(qū)、鹽田區(qū)構(gòu)成區(qū)域組出發(fā)的交通流大部分流向深圳市福田區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū)，而流入深圳市福田區(qū)、南山區(qū)、寶安區(qū)的交通流大部分來自深圳市龍崗區(qū)、鹽田區(qū)，二者供需關(guān)系較強，亦可構(gòu)成合并條件，形成區(qū)域組。由表1 可看出：①廣州市（白云區(qū)、天河區(qū)）→佛山市（南海區(qū)、荔灣區(qū)）區(qū)域組為流量強度最大的區(qū)域組；②佛山市（禪城區(qū)、順德區(qū)）與中山市、珠海市（香洲區(qū)）交流密切，交互強度較大，流量貢獻率較高；③深圳市（南山區(qū)、寶安區(qū)、福田區(qū)）與深圳市（龍崗區(qū)、鹽田區(qū)）交流密切，交互強度較大，流量貢獻率較高。

表1 區(qū)域組間流量強度及貢獻率

表1 （續(xù)）

3.3 珠三角城市群空間結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律

通過分析珠三角城市群內(nèi)部的區(qū)域空間結(jié)構(gòu)及交互關(guān)系，依據(jù)上文給出的空間結(jié)構(gòu)特征，可得出以下結(jié)論：

（1）以區(qū)縣為基礎(chǔ)單元分析其構(gòu)成的城市群空間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)由交通流合并所體現(xiàn)的區(qū)域組打破了傳統(tǒng)地級市行政區(qū)劃，更符合區(qū)域發(fā)展的自然規(guī)律。

（2）以區(qū)縣級行政單元作為基礎(chǔ)面元分析城市群空間結(jié)構(gòu)和要素供給，與以城市為基礎(chǔ)面元得出的結(jié)論（可參見廣州市規(guī)劃和自然資源局發(fā)布的《2020 年廣州市交通發(fā)展年報》中廣東省內(nèi)各城市對外出行OD 分布圖）有顯著差異：傳統(tǒng)意義上的珠三角自然形成的“廣佛肇”“深莞惠”“珠中江”3 個城市組團在本文圖6 中并不顯著，說明隨著城市群的日益融合和粵港澳大灣區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，市域邊界逐漸模糊，空間關(guān)系和資源互補對組團凝聚的影響作用更大。

（3）廣佛交通流最顯著的特征是“樞紐共享”。佛山出入交通流占廣州白云機場和廣州南站現(xiàn)狀總客流近20%，是本研究涉及的城市中占比最大的；88%的佛山交通流可在45min 內(nèi)到達廣州南站。佛山市在高水平基礎(chǔ)設(shè)施和低營商成本的結(jié)構(gòu)性優(yōu)勢下，與廣州的同城化趨勢愈加明顯。

（4）肇慶市4縣（封開縣、廣寧縣、懷集縣、德慶縣）的經(jīng)濟對廣州、深圳的依賴性較強：流量絕對水平不高，但在其流入流出量中貢獻率占比較高，低水平均衡狀態(tài)亟待擺脫。

4 結(jié)語

本文通過分析區(qū)域組的經(jīng)濟活躍度、與其他區(qū)域組的聯(lián)系廣度等，挖掘出相關(guān)區(qū)域組的生產(chǎn)要素供給交互特征。珠三角各區(qū)縣構(gòu)成區(qū)域組間的要素供給關(guān)系顯著，其集聚效應(yīng)不斷轉(zhuǎn)化為擴散效應(yīng)，“廣深佛莞”的新型城市關(guān)系正在形成。本文通過研究2019年珠三角城市群公路交通流這一斷面，發(fā)現(xiàn)樞紐共享、傳統(tǒng)生產(chǎn)要素共享等現(xiàn)象對組團凝聚有明顯推動作用，體現(xiàn)了珠三角城市群呈現(xiàn)出的部分一體化特征，分析方法可為實現(xiàn)個體城市優(yōu)化和整體區(qū)域協(xié)調(diào)提供理論依據(jù)。本文基于交通流數(shù)據(jù)對珠三角城市群空間結(jié)構(gòu)特征進行分析，充分解釋了由區(qū)縣構(gòu)成的區(qū)域組間的交互模式，也能判斷區(qū)域組的經(jīng)濟活躍度、與其他區(qū)域組的生產(chǎn)要素供給關(guān)系等，但對空間結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)在機制探討不足，且出于數(shù)據(jù)獲取難度較大等原因缺乏歷史對比分析。未來需提升研究精度、拓展數(shù)據(jù)來源渠道，并通過引入社會網(wǎng)絡(luò)分析法等加強對比分析。