基于主成分分析法的山东半岛蓝色经济区多中心空间结构演变研究

马学广　窦鹏

[摘要]多中心城市区域是当代区域发展的主要模式，也是区域研究的重要方面。而多中心区域空间结构的研判也是制定适宜区域政策的前提，是推动多中心城市区域健康可持续发展的重要基础。利用山东半岛蓝色经济区各城市2013年、2008年、2003年的统计年鉴数据，以县（区）行政单元为基本空间单元，辅以城市行政空间单元，采用主成分分析法和聚类分析法，测算蓝色经济区最近10年的空间组织格局演变过程。研究发现，山东半岛蓝色经济区经历了从“核心-边缘”特征明显的单中心模式到“多中心”结构特征的空间结构演变过程，其空间发展的“去单核化”和“多中心性”特征较明显。

[关键词]主成分分析；多中心空间结构；格局演变

[中图分类号]F061.5 [文献标识码]A [文章编号]1671-8372（2015）02-0008-06

一、引言

在全球化和信息化背景下，以多中心城市区域为代表的城市群体发展已经成为世界高度城市化地区的重要特征和普遍现象，目前关于多中心城市区域的研究也已成为西方城市和区域规划空间研究的一大热点。社会经济的发展推动着城市间跨界联系的不断强化，城市功能在城市边界地带、新兴交通站点和城市新区等地点集聚，从而带来城市功能的跨界重组，形成若隐若现的功能节点网络，重塑了各城市区域空间结构。随着交通和通讯技术的发展，多中心城市区域内部城镇被高速公路、高速铁路和电信电缆所传输的密集的人流和信息流——“流动空间”——连接起来。各类资源要素在全球和地区尺度上快速流动，推动着不同城市之间的人流、物流、信息流、资金流和技术流交互作用，进而形成城市网络。在城市网络中，主导的空间形式由之前的地方空间变为流动空间。流动空间是通过流动运作的社会架构、通信技术发展推动不相邻的节点间的物质流动，形成网络组织。城市区域则可以被看做是社会空间流动过程。

多中心城市区域最显著的特征是其形态与功能的多中心性，前者主要是指不同规模、相对独立的城镇或城市组团的区域分布状态，后者强调构成城市区域的各个节点之间显著存在的功能性联系。同时，越来越多跨越区域界限、超越单一政府权限的跨域事务的产生迫使区域空间治理模式产生了变革，形成了“多中心-多层次”的区域治理格局。国内对城市区域多中心结构的定量测度研究龅括形态多中心和功能多中心两个层面，前者的研究普遍基于人口、GDP等社会经济指标的静态的城市属性数据的分析比较；后者主要借鉴西方相关领域的分析模型和指标，包括连锁网络模型法和社会网络分析法。同时，城市间多中心和多层次的空间治理与空间政策研究成为重要议题。国内对长三角、珠三角和京津冀等城市区域多中心空间结构的定量测度研究才刚起步，对山东半岛蓝色经济区的研究尚未引起学界的充分重视。如黄蕊基于主成分分析法对浙中城市群所做的空间组织特征演变分析；高友才选取10项指标对中原经济区展开多中心多层次的城镇网络构建研究；张志斌等以人口统计数据为基础，对兰州市人口空间结构演变格局及调控路径展开分析；邱灵对北京市生产性服务业的空间结构演化机理展开研究；朱政等对珠三角多中心结构及影响进行分析。有关山东半岛蓝色经济区的相关分析，胡宇娜等运用主成分分析法对蓝色经济区的旅游产业竞争力展开分析；张建伟等综合运用20个指标对蓝色经济区的经济发展情况展开实证分析；苏杰等专门针对蓝色经济区的物流能力展开主成分分析。本文以山东半岛蓝色经济区为研究对象，对该地区2012年、2007年和2002年的多中心空间结构特征及演变进行分析和探讨。

二、研究设计

随着全球经济的发展，多中心城市空间结构逐渐成为现代城市区域发展的主流形态，也是现代城市研究的新方面。山东半岛是环渤海地区与长江三角洲地区的重要结合部、黄河流域最便捷的出海通道、东北亚经济圈的重要组成部分，海洋经济发展基础良好，在促进黄海和渤海科学开发、深化沿海地区改革开放、提升我国海洋经济综合竞争力中具有重要的战略地位。近年来，山东地区先后出台实施了“一群三圈”的区域空间发展结构（2003年）、“一体两翼”的区域发展战略（2007年）、《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》（2009年）、《山东半岛蓝色经济区发展规划》（2011年）和《山东省城镇化发展纲要（2012-2020年）》（2012年），整个山东正在从联系松散的城市体系向相互作用有序发展的区域转型升级。本文以山东半岛蓝色经济区为研究单元，采用主成分分析法和聚类分析方法，具体测度蓝色经济区的空间组织格局状况。

（一）研究区域与单元

根据《山东半岛蓝色经济区发展规划》，经济区范围包括山东全部海域和青岛、东营、烟台、潍坊、威海、日照6市及滨州市的无棣、沾化2个沿海县所属陆域，海域面积15.95万平方公里，陆域面积6.4万平方公里。为了更加详细地表征山东半岛蓝色经济区区域内部城镇节点的功能状态，选择县（区）作为研究单元。根据研究需要，本文的研究对象为规划中的山东半岛蓝色经济区及滨州市的滨城区、惠民县、阳信县、博兴县和邹平县，共7个城市空间单元和56个县（区）空间单元。

（二）研究方法

本研究主要采用主成分分析法和聚类分析法，研究过程中使用SPSS19.0和ARCGIS10软件作为数据分析和空间可视化的技术支持工具。定量研究中所采用的指标数据源于《山东省统计年鉴》（2013年，2008年，2003年）。在指标的选择上，本着科学性、权威性和可获取性的原则，从经济指标、人口社会指标、商品活跃指标方面选取了GDP、工业总产值、出口总额、固定资产投资完成额、公共财政预算收入、年末总人口、人口密度和社会零售品消费额8个具体指标（见表1）。根据选定的指标值对每一年份每个空间单元的指标进行主成分分析及聚类分析，以此分析山东半岛蓝色经济区2012年、2007年和2002年3年的多中心空间结构特征及演变趋势。

在主成分分析中根据各主成分解释方差占原始指标变量方差的比重，运用公式（1）计算各主成分的权重；同时结合各主成分的得分，运用公式（2）算出各空间单元的综合得分。

Fi=Ci/∑Ci （1）

Sj=T（Sij×Fi） （2）

其中，Fi为各主成分的权重系数，Ci代表各主成分的贡献率，Sij代表空间单元j在主成分Fi上的得允Sj代表空间单元j的综合得分。

（三）评价过程

在2012年、2007年和2002年3个时间点上，用SPSS统计软件对每个年份每个空间单元的8项指标进行标准化处理（分城市和县区两个空间单元分别处理），接着计算标准化处理后的各指标的相关系数，得到相关系数矩阵，然后求出相关系数矩阵对应的特征方程的特征值及其特征向量，最后按特征值由大到小的顺序计算主成分的贡献率和累计贡献率（见表2）。

分别对2012年、2007年和2002年的数据进行分析，选取前3个能够较为准确地代替原始变量的主成分。各年份提取主成分的载荷矩阵见表3，其中载荷系数代表各主成分解释指标变量方差的程度。

利用SPSS统计软件中的主成分分析法，求出能概括各项指标的有效主成允但在城市空间单元上，在对3个年份的数据分析中，每个年份均只能提取出1个有效主成分，它们的贡献率分别为85.71%（2012年）、86.34%（2007年）和80.32%（2002年），3个年份的主成分贡献率都达到了80%以上，能较好地概括出所有指标表达的含义，主成分可以表征为城市综合实力因子。

三、山东半岛蓝色经济区多中心空间格局分析

从县（区）和城市两个空间单元上，分析和总结2012年山东半岛蓝色经济区的多中心空间格局特征。

（一）县（区）空间单元的山东半岛蓝色经济区多中心空间格局分析

在县（区）空间单元上，可以提取3个有效主成分，它们的贡献率分别为F1：48.22%，F2：19.98%，F3：14.38%，前3个主成分的累计贡献率达到了82.58%。由系数矩阵将3个公因子表示为8个指标的线性形式。因子得分函数为：

F1=0.377X1+0.151X2+0.841X3+0.789X4+0.618X5+0.747X6+0.816X7+0.869X8

F2=-0.157X1+0.912X2-0.164X3-0.448X4+0.556X5+0.049X6-0.308X7+0.328X8

F3=0.853X1-0.080X2+0.131X3-0.153X4+0.366X5-0.468X6-0.074X7-0.133X8

但单独使用某一公因子并不能对各县（区）单元在整个山东半岛蓝色经济区的地位做出综合评价，因此，以各公因子对应的方差贡献率为权数，计算综合变量得分：

F=λ1/（λ1+λ2+λ3）*F1+λ2/（λ1+λ2+λ3）*F2+λ3/（λ1+λ2+λ3）*F3

F1代表经济发展综合实力因子，F2代表人口集聚程度影响因子，F3代表商品活跃影响因子。

根据主成分分析计算的综合得分，对各年份的空间单元进行系统聚类。聚类方法采用最近距离法（Nearest Neighbour），即合并最近的或最相似的两项，用两项最近点的距离代表两项间的距离，项间等间隔距离选择欧式距离平方法（Squared Euclidean Distance）。在得到的聚类结果中，得分较高的空间单元类别表现出更强的中心性，得分较低的空间聚类的中心性则相对较弱。为了分析比较的需要，本文将空间单元划分为6个等级（见表4）。

2012年山东半岛蓝色经济区56个空间单元中，市南区独占鳌头，综合得分最高，且其他空间单元与其有较大差距；其次是黄岛区和即墨市，综合得分也都超过1；烟台的芝罘区、龙口市，威海市的环翠区也都进入空间单元的前10。

总体上来看，山东半岛蓝色经济区在县区空间单元上的多中心空间格局具有如下特征：

（1）单中心主导模式已经形成。由于经济势差的客观存在，山东半岛蓝色经济区的空间结构已经形成以青岛市城市核心区为主导的单中心区域空间格局，其他周边城市核心区已不构成对其领导核心地位的挑战。

（2）梯级式次中心功能网络体系基本形成。以青岛市市南区为中心，烟台、威海、潍坊、日照、东营、滨州等地的城市核心区形成阶梯状、层级式中心地体系，各中心地之间频繁强烈的社会经济联系塑造了该区域多中心的功能网络体系。

（3）东西、南北区域差距客观存在，东西差距比南北差距显著。山东半岛蓝色经济区内各县区区域发展差距较为明显，东（胶东三市）、中（潍坊、日照）、西（黄三角二市）差别显著，南（青岛、日照）、中（潍坊）、北（烟台、威海、东营、滨州）社会经济发展相对均衡。

（二）城市空间单元的山东半岛蓝色经济区多中心空间格局分析

在城市空间单元上，由系数矩阵将一个公因子表示为8个指标的线性形式。因子得分函数为：

F1=0.879X1+0.781X2+0.982X3+0.862X4+0.994X5+0.950X6+0.961X7+0.976X8

得到综合因子得分，并求出各城市排序，结果见表5。

采取最近距离法进行城市聚类，可以将7个城市空间单元划分为3个等级，青岛为一级中心，烟台和潍坊为二级中心，潍坊、威海、东营、滨州和日照为三级中心。

总体上来看，山东半岛蓝色经济区在城市空间单元上的多中心空间格局具有如下特征：

（1）青岛市在山东半岛蓝色经济区的核心地位较为稳固。青岛与周边城市之间已经形成较为稳定的核心-边缘合作关系。

（2）“主-次”核心功能体系初步形成。以青岛市为区域中心，烟台-潍坊为区域次中心，其他城市为区域功能节点的分工协作、互利共赢合作体系已经初步形成。

四、山东半岛蓝色经济区多中心空间格局演变特征分析

（一）从“核心-边缘”结构特征显著到“多中心”结构特征的演变

结合各空间单元的得分和聚类分析结果，可以发现2002年山东半岛蓝色经济区以市南区和荣成市为一级中心，二级中心仅有3个（见图1），市南区周边地区和荣成市周边地区县（区）等级均呈同心圆模式向外递减，存在大量的6级中心，城市总体等级偏低，发展程度较低，因此，2002年蓝色经济区城市“核心-边缘”特征明显，多中心特征不显著，高等级中心较少，多数县（区）还处于低水平的发展态势。2007年山东半岛蓝色经济区以市南区为一级中心，二级中心如雨后春笋般大量出现，多达13个（见图1），市南区的区域核心地位下降，被大量相似等级的县（区）所包围，初步显现出多中心结构特征，但是并不是实际意义上的多中心结构，县（区）发展、经济实力和城际联系都有所欠缺。2012年，虽仍是以市南区为一级核心，但烟台和潍坊地区的县（区）迅速崛起，形成新的增长极，地位也直逼市南区，经济实力、商品市场活跃度和人口聚集度都对市南区初步构成了威胁，威海市县（区）因其高速的发展态势在高等级中心占据了一席之地，山东半岛蓝色经济区已经初步形成了青岛、烟台、潍坊三大增长级，“多中心”结构特征明显。

（二）经济集聚辐射能力成为影响县（区）等级的重要因素

经济实力是反映县（区）等级进而影响城市群空间组织形态的重要指标。从表2三个主因子在各个年份提取的贡献率可以看出，F1所占比重最大，能最有效地反映空间单元的等级。2000年F1特征值为，2.968，贡献率为42.40%，2007年F1特征值最高，为3.959，贡献率达到了49.49%，2012年F1相较于2007年稍有落后，但仍然是各项主成分中最高的，特征值为3.858，贡献率为48.22%。蓝色经济区内县（区）之间经济发展和实力存在一定差距，青岛的经济核心地位仍然十分明显，青岛市内部县（区）受市南区的辐射带动也高于其他县（区），因此青岛市内部县（区）等级相对较高。区域内部较大的经济差距会对区域结构优化形成障碍，产业结构升级缓慢也会阻碍城市空间结构优化，因此蓝色经济区在根据自身实际打造第一增长极的同时，理应避免单方面的极化现象，可通过扩散和辐射效用，推动新的城市增长极的出现，提升区域整体经济实力。

（三）山东半岛蓝色经济区逐渐形成了“1主2副4次”的多中心空间格局

根据2012年各空间单元的聚类分析结果可以发现，青岛市南区是毋庸置疑的一级中心。受市南区的辐射带动作用，青岛市其他县（区）等级也都较高，烟台和威海的县（区）也都有较多的二三级中心，青岛的经济实力、人口集聚程度以及商品活跃程度都在山东半岛蓝色经济区中居首位，烟台和潍坊稍次之，威海、日照、东营和滨州发展程度相当，紧随其后。结合城市空间单元下的聚类分析结果可以判断，山东半岛蓝色经济区逐渐形成了青岛1个主中心，烟台、潍坊2个副中心，威海、日照、东营和滨州4个次中心的多中心格局。

（四）青岛一直处于山东半岛蓝色经济区的中心地位，多年来未发生变化

从表5可以看出，第1到第7分别是青岛、烟台、潍坊、威海、东营、滨州和日照。虽然在县（区）空间单元上，各个空间单元10年来位次有所变化，但是城市这一层级的综合实力排名并无变化。究其原因，可能是青岛等山东老牌强市对外开放和工业发展较早，有—定的经济基础，从而吸引人口形成集聚效应，促进其持续发展。而其他城市由于社会环境、基础设施、产业结构和经济的相对落后，导致其并没有形成集聚效应，因此经济发展基础和提升速度不及领先城市。

五、山东半岛蓝色经济区空间组织格局演变的动力机制分析

（一）经济全球化和信息化的影响

1970年代以来，全球化使整个世界悄然巨变，原有的国家系统与城市体系发生重构。1990年代后，在信息化、网络化与全球化三股力量推动下，全球经济趋向于一种网络化的结构，城市在网络中成为集散中心。在这个联系网络中，每个城市都承担—定的功能，依据其在网络中的位置和协调控制能力，有着不同的重要性。正是在这种影响下山东半岛蓝色经济区的经济发展和空间结构发生了巨大变化，每个城市都可以直接参与全球竞争，在区域整体网络性不断增强的同时，多个中心也在逐渐形成。目前，青岛在该区域的网络中承担着最重要的核心功能，也拥有着较高的世界城市地位，在其辐射影响以及新的功能需求下，多个次级中心正在崛起。

（二）区域交通网络的建设

在城市区域的发展过程中，区域性交通网络的建设将对区域空间结构的演变产生重要影响。山东半岛蓝色经济区内，各组团之间通过快速交通（高速铁路、高速公路、城际快速铁路）连接起来，为增强区域内城市联系提供了强大支持，各类交通网络构成了各层级中心之间的通道。区域交通网络不仅增强了青岛的核心辐射能力，也扩大了烟台、潍坊副中心城市的辐射范围，使山东半岛蓝色经济区城市的辐射功能不断加强。因此，区域交通网络的建设深刻影响了山东半岛蓝色经济区的空间结构。

（三）产业集聚和扩散

全球范围内的山东半岛城市群，是以东北亚区域I生国际城市青岛为龙头，带动山东半岛城市群外向型城市功能整体发展的城市密集区域，是全球城市体系和全球产品生产服务供应链的重要一环。随着《国家新型城镇化规划（2014～2020年）》的提出，山东半岛城市群新型城镇化步伐加快，并正在加快经济发展模式和产业结构的提升和转变。山东半岛蓝色经济区所拥有的较为先进的区域产业结构和雄厚的经济基础，带动着环渤海周边地区的产业集聚和扩散，这为区域空间组织格局的演变，提供了永不枯竭的动力。

六、结论

在不断推进的全球化和城市化进程中，城市群以更加积极的姿态参与到全球竞争中，城市也逐渐成为全球经济一体化的基本空间单元。采用主成分分析法和聚类分析法对山东半岛蓝色经济区2012年、2007年和2002年3个年份城市等级结构和空间结构演化的定量测度，表明山东半岛蓝色经济区初步形成了多中心结构，以青岛为区域中心的大中心主导模式已经形成，以烟台、威海、潍坊等城市的县（区）行政区为重要节点的梯级式次中心功能网络体系基本形成，但区域内东西、南北区域差异客观存在，且东西差距比南北差距显著。经济全球化和信息化、区域交通网络建设和产业集聚扩散共同推动了蓝色经济区多中心格局的形成。多中心模式能使区域内部城市维持健康持续的城市化进程。所以要推行和区域空间结构相耦合的区域空间政策，进一步完善整合政府合作制度框架，推动跨界治理，为蓝色经济区发展提供长效动力。