基于ESDA-GIS山东省人口与经济空间集聚差异特征研究

刘广亮,吴宗杰,董会忠,万里洋

(山东理工大学 商学院，山东 淄博 255012)

基于ESDA-GIS山东省人口与经济空间集聚差异特征研究

刘广亮,吴宗杰,董会忠,万里洋

(山东理工大学 商学院，山东 淄博 255012)

运用ESDA和自相关指数方法，结合山东省十七城市2004-2013年人口和GDP数据，探索山东人口和经济空间分布特征动态演化规律，分析人口、经济空间集聚差异的原因.结果表明：山东省十七地市人口和经济空间集聚特征显著，人口空间分布和经济发展水平在空间上呈现差异性，说明山东各区域整体经济发展水平差异加剧，各区域之间的经济关联度减弱，山东沿海区域与内陆区域经济发展不均衡，内陆区域人口和经济发展不同步.山东省应该采取适当措施，缩小经济空间分布差距，实现区域经济均衡发展.

人口与经济空间分布；空间集聚；空间自相关

经过30年粗放式发展，我国经济逐步进入产业结构调整阶段和区域发展的转型阶段[1].人口和经济是区域发展差异性的重要体现因素[2].人口与经济相互影响，区域经济发展不平衡引起人口流动，人口流动又促使区域经济发展不平衡[3].了解和掌握区域人口和经济空间分布规律，对于实现区域经济空间规划和区域发展有指导意义.一些学者从基尼系数(Gini)、泰尔指数(Theil)等角度研究[4-5]涉及人口变化[6]、区域经济[7]等.这些研究方法强调整个研究区域的特征值分布差异，忽视了区域内部的特征值空间集聚[8-9].探索性空间数据分析法ESDA(Exploratory Spatial Data Analysis) 既分析整个研究区域特征值的分布特征，又强调区域内部特征值的空间分布特征.

20世纪中后期，Moran、Geary、Anselin和Getis等学者对ESDA的发展起到了重要推动作用，使ESDA理论和方法逐步完善[10-13].随着空间统计、分析软件的更新，运用ESDA方法研究区域经济空间分布的成果越来越多.如运用ESDA研究区域经济特征和空间环境的关系，揭示区域经济、人口分布和演化规律[14].以增量分析、不均衡指数等统计分析方法为基础，从地市级尺度角度讨论区域人口与经济的空间集聚特征与均衡过程[15].本文运用ArcGIS10.2及 GeoDa 软件研究山东省17地市区域经济和人口分布特征，研究区域演化规律，为山东省均衡发展和可持续发展政策的制定提供理论依据.

1 研究方法

ESDA方法是展示区域属性数据的空间分布状况，描述空间关联度、空间集聚模式，发现空间差异的一系列技术方法[16].空间自相关经常使用的测度指标是Moran ′s I.本文运用全局Global Moran ′s I指数测度山东省17地市人口和GDP的空间关联结构，利用Moran散点图与空间关联局部性指标(LISA)检测局部空间的聚集性及分析局部空间的演化规律.

1.1 全局Moran ′s I

全局Moran ′s I是一种测度总体各观测值之间自相关水平的综合指标，反映了区域与周边区域的差异程度，计算如公式

(1)

1.2 Moran散点图

Moran散点图描述了变量Z与其空间滞后向量wz之间的相关关系[16].散点图的横轴为变量Z的观测值，纵轴为空间滞后向量的值，形成四个象限.第一象限代表观测区域与周边区域的属性值都比较高，即HH型(high-high)；第二象限代表观测区域属性值较低，周边区域属性值较高，即LH型(low-high)；第三象限代表观测区域与周边区域属性值都比较低，即LL型(low-low)；第四象限代表观测区域属性值较高，周边区域属性值较低，即HL型(high-low).

1.3 局部Moran ′s I

Anselin在1995年提出局部Moran ′s I的概念，运用局部Moran ′s I散点图可以将区域空间分布的差异化呈现出来[16].其定义为

(2)

可写为

(3)

在给定置信水平下，若Ii和Zi都大于0，则区域i位于HH象限；若Ii大于0且Zi小于0，则区域i位于LL象限；若Ii小于0且Zi大于0，则区域i位于HL象限；若Ii和Zi都小于0，则区域i位于LH象限.

2 实证研究

2.1 研究区域概况和数据来源

山东省位居黄河下游，东靠黄海、渤海，北望朝鲜、日本，西北接连河北，西南毗邻河南，南交安徽、江苏.山东半岛相对辽东半岛，环抱渤海湾.独特的区域位置，使山东省成为环渤海经济区与沿黄河经济带的交汇点，华东和华北区域的交汇处，山东经济在我国经济中占有重要地位.山东经济发展迅速，2007年以后山东经济总量位居全国第3位，农业增加值居全国首位，工业总产值及增加值位居全国前三位.

本文所采用的数据为山东省地理空间分布Shapefile格式数据，主要包括山东省17地市2004-2013年的经济发展数据(GDP)和人口数据，相关数据来自《山东省统计年鉴》和17地市统计年鉴.

2.2 人口和经济集聚差异格局分析

根据Global Moran ′s I的公式，将山东省17地市2004年到2013年的数据输入Geoda软件进行全局自相关分析，得出山东省17地市人口与经济空间聚集的整体特征及变化(见表1).在正态假设条件下，全局Moran ′s I检验系数全部大于0.005显著水平下的临界值1.96.表1表明，山东省17地市人口和经济整体呈现空间分布差异特征.2004-2013年Global Moran ′s I指数中2004年的人口指数为正数，其余指数均为负数，表明山东省人口分布具有显著差异；人口指数2004年为0.034，其余年份指数整体波动在(-0.0106至-0.0041)范围内，说明山东省各地市人口分布与周边地市有差异，差异性不明显；山东省GDP指数中2004、2006、2007年为正数，其余年份指数波动在-0.0048至-0.0002范围内，说明山东省各地市GDP与周边地市存在差异，差异性不明显；此外，数据说明各市人口和GDP存在显著空间正相关，各市人口分布和经济发展水平表现出相似的空间差异，即人口密度较高(较低)的区域周边区域人口密度相对低(高)、经济发展水平较高(低)的区域周边经济发展水平较低(高).

表1 山东省2004-2013人口经济Moran’sI指数

指标2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年人口0．0340-0．0041-0．0067-0．0062-0．0069-0．0063-0．0081-0．0094-0．0106-0．0104GDP0．2427-0．00120．01140．0175-0．0038-0．0002-0．0002-0．0048-0．0005-0．0047

2004-2013年山东17地市区域人口Global Moran ′s I指数呈现先下降后平稳下降的趋势.2004-2005年菏泽、临沂、济宁人口下降明显.2005年沿海区域经济发展的速度高于内陆区域发展速度，沿海区域相对于内陆区域提供较多的就业机会，存在着内陆人口向沿海区域迁徙的现象，导致山东省17地市区域人口分布空间分布存在差异性.2005年以后临沂、济宁经济较快，人口迁移不明显，山东省人口分布差异性平稳.2004-2013年山东省GDPGlobal Moran ′s I指数整体呈先下降后平稳下降的趋势，说明2005年以后山东省十七地市区域经济发展明显不平衡，区域经济水平分布差异性加剧，各区域之间的经济关联度减弱.现实原因：沿海区域烟台、青岛、潍坊区域经济发展速度比日照、威海区域高；内陆区域济南、济宁、临沂经济发展速度比周边区域高.沿海区域与内陆区域经济关联度较低，内陆区域济南、临沂、济宁经济与周边区域经济关联度较低.

2.3 人口空间集聚差异特征分析

利用ArcGis10.2软件描绘出2004年，2008年和2013年3个年份为代表的如图1所示.

从图1可看出，山东省17地市人口空间集聚特征显著，人口空间集聚区域具有明显差异：山东省地17市区域人口集聚的高高型(HH)区域主要集中分布在鲁西南、沿海城市.鲁西南区域：菏泽、临沂、济宁、泰安、聊城5地市土地面积接近山东省土地面积1/3，人口超过全省1/3，鲁西南区域地域辽阔，农、牧业历史悠久且稳步发展，古代就是人口稠密区.沿海区域：潍坊、青岛、烟台地处环渤海经济圈，区位优势明显，交通网络四通八达.此外，潍坊区域自然资

(a)2004年 (b)2008年 (c)2013年

图1 2004、2008、2013年山东省人口LISA集聚图

源比周边区域丰富，环境优美，是我国蔬菜基地，经济较发达.济南、淄博、东营、莱芜、枣庄、日照、威海7市，以高低型(HL)和低高型(LH)人口集聚为主.莱芜地区多丘陵，钢铁企业对该区域经济发展起到决定性作用；枣庄是资源型城市，枣庄区域人口集聚主要集中在建国后；东营，位居山东北，石油资源丰富，多盐碱地，人口稠密度较低.滨州市人口分布以低低型(LL)为主、滨州地处山东正北，土地以盐碱地居多，经济相对落后、人口密度较低.研究发现德州2004年人口数据位于LISA散点图的数轴上，人口集聚模式介于高低型(HL)和高高型(HH)，将其标注为过渡类型区域.2013年德州人口集聚模式从过渡型发展成高高型(HH).

2004-2013年山东省17地市人口集聚特征整体变化不明显.2004年山东省17地市地区人口集聚高高型、高低型、低高型、低低型和过渡型的区域分别为8、1、6、1和1个，到2013年该区域人口高高型、高低型、低高型、低低型和过渡型区域分别为9、1、6、1和0个，在这10年间德州从过渡型城市转变成人口集聚高高型区域，其他区域没有发生变化.

2.4 经济空间集聚差异特征分析

以2004年，2008年和2013年3个年份为代表分析山东省GDP空间集聚特征如图2所示.

(a)2004年 (b)2008年 (c)2013年

图2 2004、2008、2013年山东省GDP LISA集聚图

从图2看出，2013年山东省经济区域分布图与2004年比较有明显变化.沿海区域经济整体以HH型集聚发展；济南、临沂、济宁区域经济是HL型集聚；部分内陆、沿海区域经济是LL型集聚.沿海区域：青岛、潍坊、烟台、东营经济以明显高于周边区域的速度发展(从2004年到2013年GDP分别增长了2.53、2.69、2.44、2.64倍)，同为沿海区域的威海经济发展速度比其他沿海区域慢(威海增长了1.66倍)，沿海区域的滨州、日照经济起步较晚，经济发展水平远低于其他沿海区域，沿海区域经济发展水平在空间分布上形成差异；内陆地区：济南的省会地位是济南经济高速发展的区域优势，临沂的物流基地促使经济飞速崛起，济宁经济凭着交通、运河、文化旅游等优势逐步提升，这三个区域与周边内陆区域经济产生差距，内陆区域经济空间分布差异呈扩大趋势.研究表明，各区域经济发展水平差异加剧，各区域之间的经济关联度呈减弱趋势，区域经济发展不平衡.沿海区域经济发展水平整体高于内陆经济发展水平；沿海区域中青岛、烟台、潍坊区域经济发展水平高于周边区域；内陆区域中济南、济宁、临沂区域经济发展水平高于周边区域.此外，研究发现2004年淄博位于散点图的数轴上.主要原因：位于淄博东北的潍坊、东营经济较发达；位于其西北处的滨州、西南处的莱芜，临沂经济较落后.到2013年淄博周边的区域中：济南、临沂、东营、潍坊经济发展水平较高，滨州、莱芜相对落后，淄博经济发展水平由介于HH型和HL型集聚区域发展成HH型集聚区域.

2004-2013年山东省17地市经济发展水平在空间分布上呈现差异性，经济发展存在明显差异.2004年HH型6个，HL型和LH型为3个，LL型7个，过渡型1个.2013年HH型6个，HL型和LH型为11个，LL型0个，过渡型0个.沿海地区经济整体以较快的速度发展，滨州、日照和威海地区经济发展相对较慢；山东省内陆区域经济整体发展较慢，济南、济宁和临沂地区经济发展相对较快.

2.5 人口与经济空间集聚差异分析

2.5.1 人口与经济空间集聚差异类型

结合山东省2004年、2008年和2013年3个截面人口和GDP LISA集聚图，对山东省各地区人口和经济发展状况进行定性分类.依据山东省17地市人口Moran散点图，将位于第一、第四象限的集聚模式的区域划分人口密度较高的区域，将位于第二、第三象限的集聚模式的区域划分为人口密度较低的区域；以此类推，根据山东省17地市GDPMoran 散点图，将位于第一、第四象限的集聚模式的区域划分为经济发展水平较高区域，将位于第二、第三象限的集聚模式的区域划分为经济发展水平较低区域.依据高低重组，形成新的四个象限，分别代表四类地区.划分原则：以协调发展为主要参考因素，以区域转型的可能性为次要因素(该区域10年人口分布变化不明显，经济变化较大，所以经济变动作为次要因素).因此，第一象限代表一类地区；第二象限代表四类地区；第三象限代表二类地区；第四象限代表三类地区.将介于两象限之间(即在数轴上或紧邻数轴的)划为过渡区.具体特征解释见表2和图3).

从山东省人口和经济空间集聚类型分析得出山东省人口分布和经济发展的区域特征：一类地区基本分布在山东半岛蓝色经济区的中部区域，包括烟台、青岛、潍坊三个区域.该区域具有优越的地理区位条件、具有广阔的海域空间、相对丰富的海洋资源和深厚的海洋经济与科技，为工业生产提供了的基础；此外，该区域地形以平原为主，土地肥沃、人口密集、交通便利，为蔬菜产业提供了自然基础，人口与经济同步发展，经济发展带动人口增加，人口增加推动经济发展.二类地区包括滨州、莱芜、枣庄、日照、威海区域.滨州、日照、威海为沿海地区，滨州土地为盐碱地、日照、威海多山岭；莱芜为内陆地区，该区域多丘陵，山陵，经济依托钢铁企业；枣庄为资源型城市，依托当地煤炭发展经济，人口相对稀疏，随着资源枯竭，经济发展动力不足.三类地区主要集中在西部经济隆起带区域.鲁西南区域人口稠密，经济发展相对于沿海区域较慢.四类地区包括东营、淄博.淄博早期工业经济起步较早，东营经济依托丰富的石油资源，人口发展滞后于经济增长.

表2 山东省人口与经济集聚类型划分

类别基本特征人口集聚模式经济集聚模式2004年2008年2013年一类地区区域GDP较高，人口密度较高，人口经济同步发展HHHLHHHL366二类地区区域GDP较低，人口密度较低，人口经济同步发展LLLHLLLH255三类地区区域GDP较低，人口密度较高，人口经济发展不同步HHHLLLLH644四类地区区域GDP较高，人口密度较低，人口经济发展不同步LLLHHHHL522过渡区介于一类与三类，一类与四类，二类与三类、二类与四类的区域L-HL-H100

从2004到2013年，一类地区在原有区域的基础上新增了济南、济宁、临沂三个区域.济南、济宁、临沂自2004年依托各自优势经济发展速度相对周边区域较快，由三类地区转为一类地区.过渡型区域德州转变成三类地区，该区域人口稠密，经济发展较慢.山东省人口、经济分布格局是：蓝色半岛经济区中心和内陆特色区域为高高集聚的一类区域；以土地贫瘠的区域为低低集聚的二类区域；以位于鲁西、鲁南区域为高低集聚的三类区域；以经济较发达人口较少的东营、淄博为低高集聚的四类区域.

(a)2004年 (b)2008年 (c)2013年

图3 山东省人口与经济空间集聚类型划分

2.5.2 人口和经济空间集聚差异改善

人口与经济协调发展是经济全球化的趋势，是区域转型的内在要求.提升区域人口和区域经济的空间关联度，减缓分布差异，为区域经济持久协调发展提供内在基础.山东省沿海区域经济发达、人口密集，沿海区域人口与经济的协调发展对山东省发展有较强的推动作用.实现沿海区域与内陆区域协调同步发展，人口和经济空间集聚差异需要改善.

一类地区：在保持区域人口和经济的空间HH集聚的发展趋势的基础上，充分利用经济综合实力，加强该区域基础建设，完善城市保障体系，以该类区域为中心，带动周边区域经济发展.山东17地市人口与经济高高集聚区域近1/3，区域数量以及区域面积相对稳定.以沿海区域为我省经济发展的推动力，以内陆区域的一类区域为我省经济发展的带动力，共同推动周边非均衡区域的协调发展.

二类地区：二类区域较多，分布相对分散，人口密度与经济的发展主要受到该区域的自然条件限制.该区农业落后，受到山岭、盐碱地等区域问题约束；人口密低，产业结构单一，经济落后等是该区域的基本特征.该区域是我省经济全面快速协调发展的限制区域，是我省人口经济协调发展的重要区域.该区域需要规划与实现人口经济分布格局，依据地区特色，发展区域特色经济(例滨州、日照可利用港口特色，发展运输经济)；依托区域资源，发展资源经济(威海可依托海岸风景，发展旅游业)；依照区域土地资源，发展特色农业(枣庄、莱芜可利用其山岭，发展特色农业).

三类地区：该区域基本分布在我省西部经济隆起带上，该区域人口密度高而经济发展较慢.该区域缺少主导产业，经济起步相对沿海区域较晚.改善该区域现状首先要引进资金、技术，发展该区域其他产业；其次，依托科技兴农，转变农业发展模式，实现农业规模化；最后，推进新农村和城镇化建设，引导农村剩余劳动力转移；从而推动该区域经济快速发展.

四类地区：该区域包括东营、淄博两个区域.东营、淄博经济比较发达，东营土地盐碱、沙化比较严重，淄博部分区域是山区，两地人口密度相对周边区域较低.该区域可以加强基础建设，完善城市保障体系，提高城市居住环境，优化城市布局，提供更多的就业岗位，吸引人才集聚.

3 结论与建议

运用Moran ′s I指数，得出山东省17地市2004-2013年人口分布和GDP空间自相关指数.说明山东省人口与经济发展空间分布差异加大；通过山东省人口和经济集聚差异性分析得到：人口以HH型集聚的区域主要分布在山东半岛蓝色经济区中部以及鲁南部分区域；人口以HL和LH型集聚的区域主要分布在鲁北区域；经济以HH型集聚的区域主要分布在山东半岛蓝色经济区中部以及鲁南部分区域.济南、临沂、济宁区域经济为HL型集聚；其他区域经济为LL型集聚.

少数区位优势明显、资源丰富的区域经济发展水平较高，应该以这些区域为基础点带动整个区域的经济发展.一类地区主要分布在东部沿海区域和部分内陆区域，该区域人口与经济协调发展，呈高高集聚特征，应推动城市集群化发展，培育龙头企业，提升城市群整体实力，带动山东人口与经济共同发展；二类地区分布比较广泛，该区域发展需要因地制宜，发展特色经济，发展资源经济，发展特色农业.吸引资金、技术发展符合生态环境条件的产业；三类地区基本分布在鲁西、鲁南等区域，需要吸引技术、资金，发展区域经济；需要实现农业效益规模化，实现农村城镇化，促进区域格局转变化.四类地区包括东营、淄博，需要加强该区域基础建设，提供就业机会，健全城市保障体系，吸引人口集聚，促进区域转型.

[1]刘慧, 樊杰, 王传胜. 欧盟空间规划研究进展及启示[J]. 地理研究, 2008, 27(6):1 381-1 389.

[2]王磊, 段学军, 田方等.长江三角洲人口与经济的空间分布关系研究[J].经济地理,2009, 29(10):1 619-1 623.

[3] 樊杰, 陶岸君, 吕晨. 中国经济与人口重心的耦合态势及其对区域发展的影响[J]. 地理科学进展，2010, 29(1):87-95.

[4]韩增林, 许旭.中国海洋经济地域差异及演化过程分析[J]. 地理研究, 2008, 27(3):613-622.

[5]芦惠, 欧向军, 李想，等.中国区域经济差异与极化的时空分析[J]. 经济地理, 2013, 33(6):15-21.

[6]ALAHMADIM,ATKINSONP,MARTIND.EstimatingthespatialdistributionofthepopulationofRiyadh,SaudiArabiausingremotelysensedbuiltlandcoverandheightdata[J].Computers,EnvironmentandUrbanSystems, 2013(41):167-176.

[7]BASILER,DURBANM,MINGUEZCR.Modelingregionaleconomicdynamics:Spatialdependence,spatialheterogeneityandnonlinearities[J].JournalofEconomicDynamicsandControl, 2014(48):229-245.

[8]UNWINA,UNWIND.Exploratoryspatialdataanalysiswithlocalstatistics[J].TheStatistician, 1998, 47(3):415-421.

[9]GIUSEPPEA.Theroleofspatialeffectsintheempiricalanalysisofregionalconcentration[J].Journalofgeographicalsystems, 2001, 3(3): 271-281.

[10]MORANPAP.Notesoncontinuousstochasticphenomena[J].Biometrika, 1950, 37(1-2): 17-23.

[11]GEARYRC.TheContiguityratioandstatisticalmapping[J].TheIncorporatedStatistician, 1954, 5(3): 115-145.

[12]ANSELINL.Localindicatorsofspatialassociation-LISA[J].GeographicalAnalysis, 1995, 27(2): 93-115.

[13]GETISA,ORDJK.Theanalysisofspatialassociationbyuseofdistancestatistics[J].GeographicalAnalysis, 1992, 24(3): 189-206.

[14]刘艳华,徐勇,刘毅.基于ESDA方法的黄土高原地区经济发展格局及其演化特征分析[J].地理科学进展. 2011, 30(5):627-634.

[15]蒋子龙,樊杰,陈东.2001-2010年中国人口与经济的空间集聚与均衡特征分析.经济地理[J], 2014，34(5)：9-12.

[16]吕韬,曹有挥,“时空接近”空间自相关模型建立及其应用——以长三角区域经济差异分析为例[J]. 地理研究, 2010, 29(2):351-360.

(编辑：刘宝江)

Analysis of spatial agglomeration of population and economic in Shandong Province based on ESDA-GIS method

LIU Guang-liang，WU Zong-jie，DONG Hui-zhong，WAN Li-yang

(School of Business, Shandong University of Technology, Zibo 255012, China)

Based on the population and GDP data of 17 cities in Shandong Province during 2004 - 2013, we use the methods of ESDA gravity center and the index of geographic concentration, and regional spatial agglomeration differences，which explored the regional spatial distribution gather characteristics and regular pattern of dynamic evolution in Shandong Province, and analyze the reason of differences of economic and population spatial distribution. The results show that the spatial distributions of population and economy in Shandong Province display significant spatial agglomeration. The spatial distribution of population and economic presents the difference. This suggests that the level of economic development in Shandong regional differences is expanding, and the connections between every region′s economic become weakened. Studies show that the Shandong regional economic development is imbalance, that inland regional population and economic development are not coordinate. Shandong Province should take appropriate measures to narrow the gap between the spatial distributions of economy, and realize the balanced development of regional economy.

the spatial distribution of population and economic; spatial agglomeration; spatial auto-correlation

2016-05-31

国家自然科学基金项目(71371112)

刘广亮，男，1115332867@ qq.com ； 通信作者： 吴宗杰，男，wzj@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)03-0030-06

C924.2;F127

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