加权Vo ronoi图在城镇经济区划分中的应用——以十堰市为例

刘爱华,谢正观

(中国科学院研究生院资源与环境学院,北京 100049）

加权Vo ronoi图在城镇经济区划分中的应用
——以十堰市为例

刘爱华,谢正观

(中国科学院研究生院资源与环境学院,北京 100049）

划分城镇经济区对于进行城乡产业和公共服务设施布局、统筹城乡协调发展具有重要意义。通过构建评价指标体系,运用主成分分析与重力模型法,计算城镇发展潜力,在此基础上选择了14个中心镇,并求得其与中心城市、特区及城关镇的中心性强度。根据断裂点理论,运用加权Vo ronoi图,以城镇中心性强度值的平方根为权重划分各中心城镇的空间影响范围。在保持乡镇行政区完整性的前提下,对城镇影响范围进行调整,最终确定了十堰市22个城镇经济区的覆盖范围。结果表明,城镇影响范围还取决于中心城镇间的距离,城镇经济区范围通常与行政范围不一致。在今后的研究中还需考虑自然资源、周边城市影响等因素,不断完善研究方法。

城镇经济区;加权Voronoi图;断裂点理论;十堰市

0 引言

经济区是一定区域范围内城镇、城乡之间在经济、社会、环境等方面相互依赖、联系紧密的区域,也是为发挥中心城市作用、协调城乡发展关系而组成的有一定专业化意义的经济地域[1]。在城市群或省级城市等宏观尺度上划分的“城市经济区”,是以大中城市为核心和与其紧密相连的广大地区共同组成的经济上紧密联系、生产上互相协作的城市地域综合体[2];而在地市级、县级经济区的划分中,则借鉴“城市经济区”理论,提出“城镇经济区”的概念,即以一个或几个城镇为中心划分经济区,形成“镇带乡”的城乡组团式空间结构形态。城镇经济区有利于最大限度地发挥各区特点和互补优势,最经济有效地布置公共服务与基础设施,形成区域经济社会发展的整体合力[3]。在中微观尺度的城乡统筹规划中,划分城镇经济区具有实际意义。

传统城市经济区的划分主要运用Rd链方法、断裂点方法、场强分析法等[4]。近年来,不断有学者将加权Voronoi图应用于城市影响范围的划分[4-8],使之逐渐成为城市经济区分析的重要手段之一。本文应用该方法,以湖北省十堰市为例,探讨其在中微观的城镇经济区划中的应用。

1 城镇经济区划分的理论基础

划分城市经济区的理论依据是空间相互作用理论中的断裂点理论。该理论认为城市的吸引范围是由城市的规模和相邻城市间的距离决定的,相邻两城市吸引力达到的平衡点即为断裂点。根据断裂点计算公式可知,断裂点到相邻两城市的距离与这两个城市人口的平方根呈正比[2]。

该理论虽已被广泛应用于城市吸引范围的划分中,但仍存在着较大的局限性:一是仅以城市人口反映城市吸引力的大小有失科学性,而应由综合多个指标的中心性强度决定;二是断裂点公式仅计算相邻两个城市的一个断裂点,而两城市间吸引范围的界线是一条线,因此在具体界定时具有很大的任意性;三是在多个城市构成的城市体系中,计算较为复杂且难以描述[4,6]。

2 加权Voronoi图的应用原理

空间剖分是Voronoi图的一个重要用途,位于格网中的每一点到该格网发生元的距离都小于到其它格网发生元的距离,这对于空间划分有着重要意义[6]。由行为地理学可知,人类的各种社会经济活动具有一定的空间行为准则,如根据最近距离、最短时间或最低费用等选择空间行为目的地[9],因此,可将Voronoi图中格网发生元理解为经济客体(如中心城镇）,格网区域即可理解为其空间影响范围。

常规的Voronoi图没有考虑发生元的差别,所以不太实用,而加权Voronoi图实现了在各发生元差别明显情况下的空间剖分。在应用中,以各城镇中心性强度值平方根为权重生成加权Voronoi图,能够较为直观地描述空间影响区,这正是运用加权Vo ronoi图划分城镇经济区的原理所在[5,7]。

3 中心城镇的选择与城镇中心性强度计算

3.1 中心城镇的选择

十堰市域能够发挥辐射带动作用的中心城镇有三类:一是中心城市(十堰市区、丹江口市区）;二是武当山特区及城关镇;三为中心镇。前两类城镇已明确,而中心镇则需要慎重选择。

中心镇是城镇体系中介于城市与一般小城镇之间,区位较优、实力较强、潜力较大,既能承接大中城市辐射影响,又能带动周边乡镇和农村发展的城镇[10]。考虑到十堰市规划区内城镇受中心城市辐射,因此中心镇的选择在规划区内城镇与城关镇之外的48个建制镇中进行,且中心镇的选择以城镇发展潜力得分为基础。本文试从城镇综合实力和区位交通条件两方面进行评价。鉴于指标可比性与可获得性,城镇综合实力的评价从规模和经济质量两方面选取了15个指标(表1）。

表1 十堰市城镇综合实力评价指标Table 1 Indices to assess comprehensive strength of towns in Shiyan

通过构建48×15的数据矩阵(数据来源于《2009年十堰市乡镇卡片数据》）,利用SPSS软件进行主成分分析,以主成分对总方差的累计贡献率≥85%提取了6个主成分;运用以下公式求得各城镇综合实力得分Qi:

式中:Ak为第k个主成分贡献率;Pij为i城镇第j项标准化指标;W j为j指标在主成分中的得分系数。

区位交通条件评价则通过测量各城镇到中心城市、城关镇、火车站、高速公路出入口、国道、省道以及县道等各要素的最短路程,采用重力模型法计算各城镇的区位交通条件得分Ti。公式为:

式中:dir为城镇i与要素r的最短距离,σr为要素r的权重。权重的确定是在专家对各要素所赋权重的基础上,根据十堰市的情况做适当调整[11](表2）。

表2 区位交通条件评价中各要素权重Table 2 The elemental weight of location/transport condition

由于十堰市是典型的山地城市,区位交通条件和城镇综合实力对城镇发展潜力的影响都很重要,本文对二者均赋0.5的权重。将两项得分进行“中心化”标准化处理以消除量纲影响[12],然后加权求和,得到各城镇发展潜力得分(表3）。

表3 各县(市）城镇发展潜力得分Table 3 Development potential score of towns in each county and county-level city

在此基础上,中心镇的选择还需考虑以下内容:1）由于城关镇具有较强的影响力,所选中心镇若与城关镇距离较近,其本身则处于城关镇的辐射范围内而不能发挥作用。经研究,排除距离城关镇25 km和丹江口市区30 km以内的城镇,包括土关垭、凉水河、青曲、杨溪铺、河夹、土门、观音、溢水、田家坝、水坪、蒋家堰、中峰、县河、军店、化龙堰。2）若中心镇之间位置接近,会因存在较大的竞争关系而不利于双方的要素集聚,因此之间也要保持足够的距离。选择各县(市）现排首位的城镇作为中心镇(浪河镇、鲍峡镇、夹河镇、宝丰镇、丰溪镇、青峰镇）,同时排除与它们相距25 km以内的城镇(丁家营、羊尾、胡家营、麻家渡、擂鼓、大木厂）。3）考虑中心镇分布的均衡性,每个县(市）应选择1～3个中心镇。依据排名选出习家店、南化塘、安阳、上津、得胜、官渡、青峰、门古寺。最终,全市共选出14个中心镇。

3.2 城镇中心性强度计算

城镇影响区范围主要受制于中心城镇中心性强弱,因此评价城镇中心性强度是进行城镇经济区划分的重要前提[13]。本文以综合发展潜力表征中心性强度。为实现得分的可比性,将中心城市与全部建制镇一起进行评价;一些城镇得分为负,需经“最小—最大标准化”处理,将所有城镇得分转换为[1, 10]内的数值[8];最终得到所有中心城镇的中心性强度值(表4）。

表4 十堰市中心城镇中心性强度得分Table 4 Centrality strength score of each central town in Shiyan

4 城镇经济区的划分

4.1 城镇影响区的划分

城镇影响范围是进行城镇经济区划分的主要依据[14]。本文对十堰市中心城镇影响区的划分基于断裂点理论,运用 GIS软件中加权Voronoi图工具,以22个中心城镇为发生元,以城镇政府驻地为中心点,以城镇中心性强度值的平方根为权重生成加权Vo ronoi图,每个格网内的区域即为各中心城镇的空间影响范围(图1）。

图1 十堰市各中心城镇影响范围Fig.1 Radius of each central town in Shiyan

4.2 城镇经济区的划分

在城镇影响范围的基础上,为保证乡镇行政区的完整性,对城镇影响范围界线进行了调整,有以下3种情况:1）全部行政区位于某影响区范围内的乡镇,可直接划入该中心城镇经济区。2）对于绝大部分行政区和政府均位于某城镇影响区范围的乡镇,可将其划入该中心城镇经济区;但有两个乡镇(姚坪乡、中坝乡）例外,因政府驻地与所在影响区中心城镇间被高山阻隔、交通不便,于是将该乡镇划入与其交通联系密切的中心城镇经济区。3）对于政府驻地与乡镇绝大部分行政区分属不同城镇经济区的乡镇以及政府所在地位于城乡影响范围分割线上的乡镇,需要综合考虑地形和交通联系等因素,将乡镇全域划入与政府驻地交通联系密切的中心城镇经济区。最终得到十堰市城镇经济区划分方案(图2）和各城镇经济区覆盖范围(表5）。

图2 十堰市城镇经济区划分Fig.2 Division of econom ic zone in towns in Shiyan

表5 十堰市各城镇经济区范围Table 5 Scope of each econom ic zone of central town in Shiyan

5 结论

十堰市中心城镇的中心性强度存在差异,但这种差异并不是城镇影响范围大小的唯一决定因素,其大小还取决于中心城镇之间的距离。十堰南部城镇中心性强度整体偏低,但是城镇影响区范围普遍大于北部地区,主要受南部山大人稀、城镇分散的影响。由加权Voronoi图法确定城镇经济区,打破了行政边界,使得城镇经济区范围与行政范围不一致,符合实际情况。十堰市城镇经济区的划分打破了县级行政边界,以乡镇为最小单元,也是出于对规划管理操作性的考虑。与前人研究相比,本研究对象较为微观,由于城镇数量众多,不可能全部作为中心城镇。因此,本文增加了中心城镇的选择这一重要内容;并且在构建评价指标体系时,充分考虑到十堰的山区特点,强调了区位与交通条件对城镇发展潜力的影响,完善了研究方法,使研究结果更为客观。

城镇影响范围的确定不仅受城镇综合实力、地形、交通因素的影响,还与自然资源、历史因素等密切相关。在实际应用中,应结合各地具体情况深入研究,构建较为完善的评价指标体系,还要考虑周边城市对研究区域内城镇的影响,这些问题都有待于进一步的研究。

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Division of Town Econom ic Zones Based on Weighted VoronoiDiagram:A Case Study of Shiyan

L IU Ai-hua,XIE Zheng-guan(College of Resources and Environment,Graduate University of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100049,China）

To divide tow n economic zones is impo rtant to allocate the urban-rural industries and public services facilities,as well as to imp rove urban-rural coordinated development.By establishing the development potential index system of tow ns and using Principal Component Analysis and Gravity Model,14 center-tow ns were selected,meanw hile,all the central cities and tow ns′impactson surrounding areaswere calculated.Based on the Breaking Point Theory,the spatial impact scope of each central tow n was generated by using the Weighted Vo ronoi Diagram w ith taking the square root of each central tow n′s centrality strength sco re as weight.To maintain the integrity of village and tow n′s administrative area,the impact scope wasadjusted w ith the consideration of terrain conditions and transport links between tow nships.The total 22 economic zones′coverage of tow ns were finally determined.The results show that the spatial impact scope still dependson the distance between central tow ns,and it is always disco rdant w ith the administrative area.The facto rs of natural resources,influence from surrounding cities and so on also should be taken into consideration in the future to perfect the research methods.

tow n economic zone;weighted Vo ronoi diagram;breaking point theo ry;Shiyan City

K902

A

1672-0504(2011）04-0079-04

2011-04-13;

2011-05-10

刘爱华(1977-）,女,博士研究生,研究方向为城市地理与城市规划。E-mail:liuah-b08@mails.gucas.ac.cn