基于ESDA的湖北省城镇化格局及其演变研究

周晓艳，安月平，姚丽，韩丽媛

（1．武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武 汉430072；2．中国土地勘测规划院地政研究中心，北京100035）

0 引言

城镇化是社会进步的重要标志，城镇化空间格局及其演变是揭示城镇化进程的重要方面．“地理学第一定律”的空间关联是构建空间格局的基础，空间分异作为空间关联的一种特殊情况，是在更高层级的结构化分异现象．对于地理事物格局演化的时空研究往往需要立足于中小尺度的关联性去发现大尺度的结构性［1］．借助ESDA分析方法及GIS可视化表达，可以对地理变量的空间分布形态、空间集聚模式、“热点区”与“冷点区”等格局特征进行定量研究．

湖北省作为中部地区省份，地处全国经济发展战略布局承东接西、南北交流的结合部，在国家经济板块中具有重要作用．2010年，湖北省城镇化率为49．7%，年末全省城镇人口约2 845万人．随着产业梯度转移与中部崛起战略的推进，近年来该地区城镇化发展迅速，2012年城镇化率达到53．5%，在中部六省中位居第一．对湖北省城镇化的研究，已有研究成果的尺度主要集中在市域层面，如文献［2－5］等．但是由于我国的市辖县体制，作为市域层面的主体—“地级市”的建制仅为区划形式，该尺度不属于传统意义的城镇，对其研究也很难真实反映区域城镇化状况．而县及县级市所在的区域作为一个独立完整的行政区域，是区域尺度研究城镇化的典型单元．因此，本文中以县级尺度为研究单元（包括设区市市辖区、县级市、县），利用传统统计分析方法和ESDA方法，在Arcgis和GeoDA等软件的支持下，揭示近20年湖北省城镇化格局及其演化规律，为构建有序的城镇化格局和协调区域发展提供决策依据．

1 数据来源与研究方法

1．1 数据来源与处理 目前对城镇化水平的测算通常有单一指标和复合指标两种方法，不过现有研究尚没有给出在时空上较为理想的复合指标，认可度较高的是人口统计学指标，即某一区域城镇人口占该区域总人口的百分比，用城镇化率X＝U／P×100%来测度某区域的城镇化水平．其中，U为城镇人口；P为总人口．在本文中，为了方便研究和比较，本文中用城镇化率即以城镇人口占总人口的百分比来表示某区域城镇化水平．

考虑到数据的可靠性与易获取性，本文中所用人口数据来源于全国第四次、第五次和第六次全国人口普查分县市的城镇人口统计数据，图件数据来源于1∶400万全国基础地理数据库，采用ArcGIS 9．3切割提取，得到湖北省县级尺度行政区划图．本文中以县级尺度为研究单元，考虑到各设区市市辖区作为一个整体切合实际，故将各设区市的分区合并成一个研究单元，如：十堰市包括茅箭区和张湾区，将其合并为一个研究单元即十堰市市辖区．本文中研究单元包括湖北省12个设区市市辖区、1个林区，24个县级市、40个县，共77个单元．

1．2 研究方法

1．2．1 标准差指数和变异系数 区域城镇化水平差异可以分为绝对差异和相对差异．在一般情况下，标准差指数（S）和变异系数（CV）可以同时解释不同研究单元间城镇化水平的绝对差异和相对差异．其中，标准差指数和变异系数的计算公式分别为：

式中：yi为第i个研究单元的城镇化率；n为研究单元个数；Y0为n个研究单元的平均城镇化率．S值越大，表示绝对差异越大，CV值越大，表明相对差异越大．

1．2．2 空间自相关分析 几乎所有的空间现象都具有空间关联或空间自相关特征［6］．通常认为，空间自相关反映的是一个区域单元上的某种地理现象或某一属性值与邻近区域单元上同一现象或属性值相关程度［7］．空间自相关分析包括：空间权重的确定、全局和局域空间自相关分析．

1）空间权重的确定．空间权重矩阵表达的是不同空间对象之间的空间布局关系，如拓扑、邻接等．通常定义一个二元对称空间权重矩阵W，来表达n个位置的空间邻近关系［8］，其形式如下：

式中：n为空间单元的个数，Wij为区域i与j的临近关系，可以根据邻接标准或距离标准来度量．本文中以湖北省77个研究单元建立基于邻接标准的空间权重矩阵，即如果城镇i和城镇j在地理空间上有共同的边界，则定义为相邻，w＝1，否则w＝0．

2）全局空间自相关．全局空间自相关值描述区域单元某种属性值的整体分布状况，判断该属性值在空间上集聚的特点，反映研究区内相似属性的平均集聚程度［9］．本文中选取最常用的Moran's I指数进行相关分析，其计算公式为

式中：n为样本数，xi或xj为区域i或j的属性值；为平均值；Wij为空间权重矩阵；I为Moran指数．Moran's I的值域为［－1，1］，大于0为正相关，小于0为负相关，值越大表示空间分布的相关性越大，值趋于0则表示空间分布呈随机分布特征．计算得出的Moran's I指数，可以通过标准化统计量Z来检验，验证n个区域是否存在空间自相关关系，Z值计算公式为：

式中：E（I）为期望值，VAR（I）为方差．如果Z（I）为正且大于1．96，表示研究范围内某种属性值分布的空间相关性为正相关，并且分布为集聚特征；如果Z（I）为负且小于－1．96，表示呈现负的空间自相关，分布为离散特征；如果Z（I）的值域为［－1．96，1．96］，表示自相关分布不明显，视为随机分布．

3）局部空间自相关．局部空间自相关值可回答集聚区的具体地理分布［10］．当需要进一步判断是否存在观测值的高值或低值的局部空间集聚时，局部空间自相关可解决此类问题．本文中采用的局部Moran指数的计算方法为

式中：I为Moran指数，n为样本数，xi或xj为区域i或j的属性值；为平均值；Wij为邻接标准求得的空间权重矩阵；S为标准差（注：对局部空间自相关的检验同全局自相关相同）．

2 湖北省城镇化格局现状特征

区域城镇化的格局往往体现在两个方面：城镇化水平的空间分布、城镇体系发育程度［11］．以2010年“六普”数据中分县市城镇人口统计数据计算不同研究单元城镇化率，从城镇化水平空间分布及城镇体系两个方面对湖北省城镇化格局现状特征进行分析．

2．1 区域城镇化水平空间分布不均衡 利用Arcgis 9．3对77个研究单元的城镇化率做出分级处理，对县级尺度湖北省区域城镇化格局特征做出深入探讨．如图1所示，湖北省城镇化率在58%以上的有11个城市，均为设区市市区，分别是十堰市、襄阳市、荆门市、宜昌市、黄冈市、荆州市、武汉市、黄石市、咸宁市、孝感市和随州市的市辖区．城镇化率在41%～58%之间的城市有19个，分布较为集中，主要位于江汉平原中部；城镇化率在23%～27%之间的14个城市主要分布在鄂西南和鄂东北地区，如黄冈市的团风县和浠水县及恩施自治州的大部分县城等；城镇化率在28%～34%和35%～40%之间的地区分布较为分散．

通过以上分析可知，湖北省城镇化发展空间不均衡，城镇化水平较高的地区主要集中在江汉平原中部、武汉城市圈以及襄阳市、宜昌市部分地区；城镇化水平较低的地区位于鄂西南、鄂西北和鄂东北．湖北省城镇化水平空间分布格局与该区域“一主两副”的中心城市战略布局具有一致性，特别是武汉都市圈的地位尤其突出．但是也可以发现，具体到县级尺度，次级中心城市襄阳市与宜昌市内部城镇化水平差异比较大，尚没有显现出明显的高值区域的聚集．

图1 2010年湖北省县级尺度城镇化水平空间分布图

2．2 中低城镇化水平地区占主体 为了进一步反映湖北省城镇化水平的空间格局特征，参考2010年“六普”分县市城镇人口统计数据进行分析．参考世界银行的区域经济分类方法和标准（世界银行按人均国民总收入，对世界各国经济发展水平进行分组，通常把世界各国分成4组，即低收入国家、中等偏下收入国家、中等偏上收入国家和高收入国家），以湖北省城镇化率平均水平的50%、100%、150%为间断点，依次将各地区划分低水平、中低水平、中高水平和高水平发展区（表1）．

表1 湖北省区域城镇化水平等级

因为武汉市行政辖区为7个主城区，6个远城区，无县级市或县，故将武汉市作为一个研究单元．

由表1可知，2010年全省有11个地级市市辖区的城镇化水平高出全省平均水平的150%，属于城镇化高水平发展区；有19个县市为城镇化中高水平发展区，其中绝大多数为县级市；有47个县市为城镇化中低水平发展区．总的来说，经过近些年的快速发展，各县市区城镇化水平都有了较大的提高，已经不存在城镇化低水平发展区域．但是，仍然有超过60%的县市城镇化水平低于全省城镇化平均水平，城镇化水平高于全省的平均水平的不足40%，中低城镇化水平地区仍占主体地位．

图2 2010年湖北省城镇人口规模分布图

2．3 城镇沿江沿路分布明显 利用2010年各县市城镇人口数据，在Arcgis 9．3中制作城镇人口规模专题图．从图2中可以看出，湖北省城市主要沿境内的三大铁路干线京广线、汉丹接襄渝线及焦柳线，主要河流长江干流以及主要公路展开：在77个研究单元中，沿长江分布21个，如武汉市、宜昌市市辖区、黄石市市辖区、巴东县、黄冈市市辖区、石首市等县市；沿铁路分布33个，如武汉市、随州市市辖区、襄阳市市辖区、黄石市市辖区、大冶市等；沿公路分布21个，如武汉市、仙桃市、孝感市市辖区、仙桃市等；水陆两栖的10个，如武汉市、襄阳市市辖区、宜昌市市辖区、黄石市辖区等．可以发现，湖北长江经济带交通枢纽地位突出，自然资源丰富，产业基础较好，城镇体系完备，是湖北省东、西两大区域联系的天然纽带，也是湖北省“两圈一带”战略规划的重要组成部分，逐渐成为加快经济带的新一轮开放开发、全省经济发展的主轴．

2．4 一城独大的金字塔型城镇体系 按照2013年最新“国家中长期新型城镇化规划”中的城镇规模划定标准（城市规模认定标准根据市区常住人口规模进行认定．与90年代的城市划分标准相比，小城市人口认定从20万以下提升至50万以下，中等城市认定从之前的20至50万上升至50至100万，大城市从之前50至100万上升至100至500万），利用第六次人口普查的分县市区人口统计数据，对湖北省77个研究单元的城镇人口分别进行统计．湖北省现有特大城市1个、大城市2个、中等城市7个、小城市67个，形成特大、大城市、较多小城市相衔接的金字塔型城镇体系（表2）．武汉市作为是湖北省的省会城市，其城镇化水平多年来一直居于全省前列．2010年武汉市城镇人口占全省城镇总人口的比重为26．51%，城市首位度为5．26，可见武汉市保持着较高的首位度，湖北省依然呈现“一城独大”的金字塔城镇体系结构．

表2 2010年湖北省城镇等级结构

3 1990—2010年湖北省城镇化空间格局演变

利用1990、2000和2010年的3次人口普查湖北省分县市城镇人口数据，动态分析不同时期城镇化格局变化特征，研究近20年来该区域城镇化格局演变趋势，得出如以下结论：

3．1 城镇化水平呈现空间聚集格局，区域城镇化水平差异缩小 全局空间自相关可以反映出研究区域内城镇化水平相似性的平均集聚程度，对湖北省77个研究单元的全局莫兰指数分析如表3所示：1990年、2000年、2010年湖北省城镇化水平全局Moran's I均为正，通过对标准化统计量Z（I）进行检验可知，区域城镇化率除1990年随机分布外，2000年和2010年均存在明显的空间集聚特征．

根据公式（1）、（2）计算可得出标准差指数和变异系数（图3）．从绝对差异看，标准差指数最大和最小的年份分别为2000年和2010年，标准差先增加后减少，但最终呈现下降趋势．这表明湖北省区域城镇化水平绝对差异出现了波动调整的态势，即：经历了1990—2000年的绝对差异扩大后，2000年后就出现了绝对差异持续下降的趋势，但从总体趋势上湖北省城镇化发展不平衡的绝对差异在缩小．从相对差异看，近20年内的变异系数呈现出持续下降的态势，1990—2000年比2000—2010年的变化更为明显．即虽然湖北省区域城镇化水平相对差异逐渐缩小，但是1990—2000年较2000—2010年的变化更为显著．

表3 1990、2000、2010年湖北省城镇化率全局莫兰指数及检验

通过以上分析可知，近20年湖北省城镇化水平存在明显的空间集聚趋势．而且不论从绝对差异和相对差异来看，湖北省县域尺度城镇化水平不平衡的差异都在缩小，但是近10年缩小的幅度趋缓．

3．2 城镇化发展“热点区”扩张明显，“冷点区”基本保持不变 为了研究湖北省城镇化在空间格局上的局部相互关系，用GeoDa软件分别计算并制作1990年、2000年和2010年湖北省77个研究单元城镇化率分布的LISA图（图4～6）．

由图4～6可知，每幅图均出现了几处明显的局部空间自相关现象．近20年，鄂州市市辖区均为“H—H”的城镇化“热点区”，表示该区域的城镇化水平比较高，且与其邻接的县市城镇化水平也较高．并且随着时间的推移，该城镇化“热点区”在扩大，即武汉－鄂州－大冶市的连片城镇化高值区正在形成．表明随着武汉“1＋8”城市圈的建设，在省会城市武汉市的带动下，武汉周边城市如黄冈、孝感、咸宁、随州等地区的城镇化进程有了明显的提速，预计接下来的若干年，以武汉为中心的城镇化“热点区”将会变得越来越明显；湖北省城镇化“L－L”冷点区（某县市自身城镇化水平比较低，与其相邻的若干县市城镇化水平也比较低）一直位于鄂西南和鄂东北地区．但其中变化较明显的是，位于鄂西南的恩施市经历了近10年的快速发展之后，2010其城镇化水平明显高于其周边地区，由1990、2000年的“L－L”城镇化冷点地区转变为城镇化“H－L”地区（H－L：某县市自身的城镇化水平比较高，而与其相邻的若干县市城镇化水平则较低）．在LISA图中，“L－H”（某县市自身的城镇化水平比较低，而与其相邻的若干县市城镇化水平则较高）地区分布较为分散，值得一提的是2000年以后宜昌市市辖区周边分别出现若干城镇化“L－H”区域，反映出该区域部分地区城镇化发展较迅速，出现了少数局部快速发展地区．

近20年来，以武汉为核心的武汉城市圈城镇化“热点区”扩散作用不断增强，辐射范围逐渐扩大；鄂西南、鄂东北部分地区是湖北省城镇化“冷点区”，并且这种局面基本保持不变．在近期出现的新的变化是鄂西南宜昌市、恩施市部分地区城镇化发展较迅速，出现了少数局部快速发展地区，但尚未形成集中连片热点区域．

图3 1990、2000、2010年湖北省城镇化水平差异分析

图4 1990年湖北省区域城镇化水平LISA图

图5 2000年湖北省区域城镇化水平LISA图

图6 2010年湖北省区域城镇化水平LISA图

3．3 城镇规模等级结构日趋合理，大城市／特大城市聚集效应明显 为了动态分析湖北省城镇体系结构的变化，按照2013年最新“国家中长期新型城镇化规划”中的城镇规模划定的标准，利用1990年、2000年和2010年3次人口普查的湖北省分县市城镇人口统计数据，以县级尺度分别统计各研究单元的城市人口数量与比重分组对比（表4），可以发现湖北省城镇规模等级结构变化具有如下特点．

表4 1990—2010年湖北省城镇规模等级结构变化

首先，受到“撤县设市”、“撤县（市）并区”及其他行政区划政策的影响，湖北省的城镇数量发生了一些变化．但是从近20年发展变化趋势来看，湖北省城镇规模等级变化符合城镇化发展的一般规律．随着经济发展与城镇化的推进，部分小城市发展成为中等城市，中等城市发展成为大城市，大城市发展成为特大城市．如2010年出现了人口为500万以上的特大城市；2010年大城市为2个，较1990年增加1个；中等城市为7个，较1990年增加7个；小城市为67个，较1990年减少11个．其次，城镇规模体系不断完善，改变了上世纪大／中城市的缺失的情况．1990年湖北省除了武汉为100万以上的大城市外，其余均为50万人口以下的小城市，中等城市数量为零．2000年，武汉成为500万以上的特大城市，但是城镇人口在100～500万的大城市缺失．这种状况使得大（特大）城市和小（中等）城市之间缺少中间层，城镇规模体系不完善．随着近20年的社会经济的发展，这种情况发生了根本改变．至2010年，湖北省特大城市和大城市分别增加至1个、2个．不同规模城市相互衔接，城镇规模体系日趋完善．第三，特大／大城市人口在湖北省城镇人口的比例中占据较大比例，特大、大城市的集聚效应显著；2000年特大城市为武汉市，其城市人口占全省城市人口的28．18%，2010年大城市增加了宜昌市辖区、襄阳市辖区，大、特大城市人口占全省城市人口的比例达到35．23%．可以看出，湖北省大、特大城市数量有限，但其城市人口在湖北省城市人口中占据较大比重，有很强的聚集效应，且增长趋势明显．

4 结论与讨论

4．1 结论 通过以上分析可知，湖北省区域城镇格局特征及其演化如下：（1）湖北省区域城镇化格局现状特征主要表现为：区域城镇化水平发展不均衡，城镇化水平较高的地区主要集中在江汉平原中部、武汉城市圈地区，以及襄阳市、宜昌市部分地区；城镇化水平较低的地区位于鄂西南、鄂西北和鄂东北地区．湖北省城镇化水平空间分布与该区域“一主两副”的中心城市战略布局具有一致性，特别是武汉城市圈的地位尤其突出．但是次级中心城市襄阳市与宜昌市内部城镇化水平差异比较大，尚没有显现出明显的高值区域的聚集．湖北省中低城镇化水平地区占主体，超过60%的县市城镇化水平低于全省城镇化的平均水平；各城镇沿江沿路分布特征明显，各城镇主要沿境内的三大铁路干线（京广线、汉丹接襄渝线及焦柳线）、主要河流长江干流以及主要公路展开；武汉市作为湖北省的首位城市，城市首位度为5．26，依然保持武汉一城独大的金字塔城镇体系结构．（2）近20年来，湖北省城镇化水平基本呈现空间聚集格局，区域城镇化水平差异在缩小，但是近10年缩小幅度趋缓．以武汉为中心的武汉城市圈作为城镇化“热点区”扩散作用不断增强、辐射范围在逐渐扩大；宜昌等地区若干局部地区城镇化发展迅速，但尚未形成集中连片“热点区”，鄂西南、鄂东北一直作为区域城镇化的“冷点区”，且这种局面多年来从未改变．城镇规模体系日趋合理，填补了上个世纪大（中等）城市空缺的状况．特大、大城市数量均有所增长，特大、大城市聚集效应明显．

4．2 讨论 本文中通过ESDA方法对县域尺度湖北省区域城镇化格局及其演变进行了研究并得出一些有益的结论，但仍有一些方面值得进一步探讨．比如由于仅用了我国的“四普”、“五普”、“六普”的分县市人口统计数据，相对而言时间序列上可操作数据较少．若能搜集到本文研究尺度上的全部六次人口普查数据，湖北省城镇化格局演化规律趋势将更加显著；另外本文中仅采用了ESDA等方法对区域城镇化格局特征及其演化进行探索性分析，但并未系统分析其形成机制．这也是后续研究的方向．

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