基于GIS的城市人口密度空間分布研究——以南充市為例

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610059)

一、引言

人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)等多個(gè)方面有著密不可分的關(guān)系，并共同為城市的可持續(xù)發(fā)展提供行之有效的決策方案。南充市地處成渝地區(qū)北部，位于嘉陵江經(jīng)濟(jì)走廊，是中國(guó)西南地區(qū)的第三大人口城市，因此有必要研究南充市的人口密度分布。本文依據(jù)2010年以及2013年南充市的人口數(shù)據(jù)資料以及土地資料，利用GIS和SPSS軟件從城市發(fā)展的八個(gè)方向?qū)τ诔鞘腥丝诘拿芏确植继卣鬟M(jìn)行了定量的分析，得到南充市的人口密度的空間分布特征，為以后城市的人口布局以及合理配置城市資源加速協(xié)調(diào)發(fā)展經(jīng)濟(jì)提供有益參考。

二、研究區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源以及研究方法

(一)研究區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以南充市行政區(qū)域范圍內(nèi)的所有區(qū)、縣級(jí)市作為研究區(qū)域，一共包括3個(gè)區(qū)、5個(gè)縣、1個(gè)縣級(jí)市，總面積1.25萬(wàn)km2。研究數(shù)據(jù)包括南充市位置圖(DWG)(借助BigMap地圖下載器獲得)，以及各區(qū)市縣的人口數(shù)據(jù)以及土地資料(源于《南充市統(tǒng)計(jì)年鑒2011》、《南充市統(tǒng)計(jì)年鑒2014》)。

(二)研究方法

首先對(duì)收集到的人口數(shù)據(jù)資料以及相關(guān)的圖鑒資料在ArcGIS10.1軟件下進(jìn)行初步處理，建立與人口相關(guān)的空間屬性的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后得到較為明確的區(qū)域范圍內(nèi)的人口總數(shù)。以南充市建城區(qū)為中心，將分別以r=10i(i=1,2,3,…10)km為半徑在ArcGIS軟件中建立緩沖區(qū)并用得到的不同半徑的緩沖區(qū)切割南充市行政地圖，然后對(duì)切割出的不同區(qū)域范圍的地圖的屬性表進(jìn)行計(jì)算從而確定切割后的各個(gè)圖斑面積。再用圖斑面積與區(qū)域內(nèi)的人口密度以確定各個(gè)圖斑區(qū)域內(nèi)的人口總數(shù)；同時(shí)以南充市的東、南、西、北四個(gè)正方位為標(biāo)尺將南充市劃分為0o～45o(東北)、45o～90o(北東)、90o～135o(南東)、135o～180o(東南)、180o～225o(西南)、225o～270o(南西)、270o～315o(北西)、315o～360o(西北)八個(gè)方向。最后再將計(jì)算切割后的扇形區(qū)域內(nèi)各個(gè)區(qū)域的圖斑中的人口集中指數(shù)以及人口密度進(jìn)行多種函數(shù)方法擬合，用來(lái)探求南充市人口密度在方向性上分布的特征。

三、理論模型

(一)人口集中指數(shù)

人口集中指數(shù)(index of population concertration)是分析一個(gè)城市密集區(qū)域人口分布集中以及分散化變動(dòng)趨勢(shì)的重要指標(biāo)之一[1]，其計(jì)算公式如下：

(1)

上式中：Pi,Si分別為第i各區(qū)域內(nèi)的人口數(shù)量和土地面積，P和S分別為整個(gè)區(qū)域內(nèi)的總?cè)丝诤涂偯娣e。C的值介于0～1之間，若C值越小，則說(shuō)明人口向某一地域集中的程度就越小，越趨近于0，人口分布越均勻；反之，若C值越大，則說(shuō)明人口向某一地域集中的程度就越大，越趨近于1，人口分布越不均勻。人口集中指數(shù)表達(dá)了人口數(shù)量和土地面積的相互關(guān)系，可以作為人口空間分布特征的校檢指標(biāo)。

(二)人口密度

人口密度是人口分布研究中最為常用的指標(biāo)，被定義為對(duì)象地域內(nèi)每一單位面積的人數(shù)[2]，這一概念是1837年愛(ài)爾蘭建筑師哈奈斯最早提出來(lái)的。它是表示某一地區(qū)人口的密集程度的指標(biāo)，通常以每平方千米或每公頃內(nèi)的常住人口為計(jì)算單位，其計(jì)算公式如下：

(2)

上式中：D為人口密度；Pi,Si分別為第i各區(qū)域內(nèi)的人口數(shù)量和土地面積。人口密度能體現(xiàn)不同區(qū)域人口數(shù)量的差異，其大小由該區(qū)域人口的疏密程度決定。

四、處理結(jié)果以及統(tǒng)計(jì)分析

(一)人口密度方向性特征

根據(jù)上述思路，將南充市行政區(qū)域內(nèi)八個(gè)方向上的各個(gè)圖斑的土地面積和人口數(shù)量帶入公式(2)中，并且通過(guò)公式(1)分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的人口集中指數(shù)C,然后通過(guò)對(duì)切割出來(lái)的圖斑屬性表可以得到區(qū)域內(nèi)的人口密度和八個(gè)方向上的人口平均密度，利用ArcGIS10.1軟件進(jìn)行繪制南充市2010年以及2013年的人口密度圖如圖1(a)、(b)所。

圖1(a) 南充市2010人口密度分布圖

圖1(b) 南充市2013年人口密度分布圖

(二)人口密度空間分布模型擬合

根據(jù)馮健、沈建法、王桂新等人[3]以及Clark[4]的研究結(jié)果顯示，一個(gè)城市的土地利用的集約程度會(huì)一定程度的隨著離開(kāi)城市中心的距離變大而呈現(xiàn)出一個(gè)逐漸遞減的梯度性變化，而這一現(xiàn)象可以利用負(fù)指數(shù)函數(shù)曲線模型來(lái)進(jìn)行描述和分析，因此我們可以根據(jù)得到的對(duì)于不同圈層以及不同方向的各個(gè)人口圖斑的人口密度計(jì)算結(jié)果，最終可以得到南充市的人口密度相對(duì)于距離的數(shù)據(jù)矩陣。

(三)人口密度模型回歸分析與擬合結(jié)果

運(yùn)用SPSS軟件中的回歸分析對(duì)南充市八個(gè)方向上的人口密度以及距離進(jìn)行擬合，然后將擬合情況不夠理想的函數(shù)式子刪除。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是2010年還是2013年的數(shù)據(jù)，在對(duì)八個(gè)方向進(jìn)行擬合的過(guò)程中，除了南東方向以外的其他7個(gè)方向上擬合程度最理想的函數(shù)模型都是三次多項(xiàng)式曲線函數(shù)模型。其展現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)說(shuō)明在南充市的其他7個(gè)方向上人口密度隨著與中心城區(qū)的距離越遠(yuǎn)而出現(xiàn)加速下降的趨勢(shì)，如圖2(a)、(b)所示，南充市2010年以及2013年的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.96以上，可以看出采用三次多項(xiàng)式函數(shù)擬合得到了較好的結(jié)果。

圖2(a) 南充市2010年西南方向人口密度擬合圖

圖2(b) 南充市2013年西南方向人口密度擬合圖

五、結(jié)論與討論

綜合以上的分析結(jié)果，可以得到以下關(guān)于南充市的人口密度分布在方向性上的特征如下：

(1)南充市的人口空間分布西部和東部相對(duì)比較均勻，局部地區(qū)集中比較明顯，整體上南充市人口比較趨向于靠近城市中心，從人口集中指數(shù)上看，西部地區(qū)相對(duì)較大，尤其是在東南方向和西南方向上最大，由此可以得到南充市的人口分布向中心城區(qū)集中程度最為明顯，西部與東部地區(qū)的人口集中指數(shù)相對(duì)較小，人口分布也較為均勻。南充的地勢(shì)以較低的中心地區(qū)的平原地區(qū)向周?chē)粩嗌?，總體情況是北高南低，人口密度呈現(xiàn)出從北向南伴隨著地勢(shì)的不斷降低而逐漸升高的趨勢(shì)，而這一現(xiàn)象是由于受到南充自身的地理位置因素影響，這也符合人口的地域分布規(guī)律。

(2)內(nèi)部密集外部疏松，南部密集北部疏松，各個(gè)縣際的人口密度變化差異較大。從總體上來(lái)看南充市的城市人口平均密度是由中心區(qū)域向外圍圈層單方向性的遞減，內(nèi)部的中心城區(qū)人口密度最大，圍繞內(nèi)部的城市人口密度相比之下小一點(diǎn)；具體從方向性上看，南充市的人口密度分布南密北疏的特征很明顯，東部和北部為山地丘陵地區(qū)，受到地貌因素的部分影響，區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)以及交通發(fā)展相對(duì)其他地域略微緩慢一點(diǎn)，人口分布也較為稀疏，此外縣際間的人口密度變化也較為明顯。

(3)南充市的郊區(qū)化現(xiàn)象逐漸明顯，擬合后顯示的結(jié)果與東南方向很符合，南充市的人口密度隨著與城市中心區(qū)域的距離增大先迅速下降而后又出現(xiàn)波動(dòng)的緩步上升趨勢(shì)。這就表明在城市的東南部分區(qū)域有人口向城郊區(qū)域轉(zhuǎn)移的傾向，意味著未來(lái)幾年內(nèi)城市的東南區(qū)域人口數(shù)量會(huì)進(jìn)一步增加。