基于GIS的城市人口密度空間分布研究——以南充市為例

(成都理工大學地球科學學院 四川 成都 610059)

一、引言

人口與社會經濟、環境保護、城市建設等多個方面有著密不可分的關系，并共同為城市的可持續發展提供行之有效的決策方案。南充市地處成渝地區北部，位于嘉陵江經濟走廊，是中國西南地區的第三大人口城市，因此有必要研究南充市的人口密度分布。本文依據2010年以及2013年南充市的人口數據資料以及土地資料，利用GIS和SPSS軟件從城市發展的八個方向對于城市人口的密度分布特征進行了定量的分析，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調發展經濟提供有益參考。

二、研究區數據來源以及研究方法

(一)研究區數據來源

本文以南充市行政區域范圍內的所有區、縣級市作為研究區域，一共包括3個區、5個縣、1個縣級市，總面積1.25萬km2。研究數據包括南充市位置圖(DWG)(借助BigMap地圖下載器獲得)，以及各區市縣的人口數據以及土地資料(源于《南充市統計年鑒2011》、《南充市統計年鑒2014》)。

(二)研究方法

首先對收集到的人口數據資料以及相關的圖鑒資料在ArcGIS10.1軟件下進行初步處理，建立與人口相關的空間屬性的數據庫，然后得到較為明確的區域范圍內的人口總數。以南充市建城區為中心，將分別以r=10i(i=1,2,3,…10)km為半徑在ArcGIS軟件中建立緩沖區并用得到的不同半徑的緩沖區切割南充市行政地圖，然后對切割出的不同區域范圍的地圖的屬性表進行計算從而確定切割后的各個圖斑面積。再用圖斑面積與區域內的人口密度以確定各個圖斑區域內的人口總數；同時以南充市的東、南、西、北四個正方位為標尺將南充市劃分為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)八個方向。最后再將計算切割后的扇形區域內各個區域的圖斑中的人口集中指數以及人口密度進行多種函數方法擬合，用來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

人口集中指數(index of population concertration)是分析一個城市密集區域人口分布集中以及分散化變動趨勢的重要指標之一[1]，其計算公式如下：

(1)

上式中：Pi,Si分別為第i各區域內的人口數量和土地面積，P和S分別為整個區域內的總人口和總面積。C的值介于0～1之間，若C值越小，則說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。人口集中指數表達了人口數量和土地面積的相互關系，可以作為人口空間分布特征的校檢指標。

(二)人口密度

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

(2)

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

四、處理結果以及統計分析

(一)人口密度方向性特征

根據上述思路，將南充市行政區域內八個方向上的各個圖斑的土地面積和人口數量帶入公式(2)中，并且通過公式(1)分別計算出對應的人口集中指數C,然后通過對切割出來的圖斑屬性表可以得到區域內的人口密度和八個方向上的人口平均密度，利用ArcGIS10.1軟件進行繪制南充市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

根據馮健、沈建法、王桂新等人[3]以及Clark[4]的研究結果顯示，一個城市的土地利用的集約程度會一定程度的隨著離開城市中心的距離變大而呈現出一個逐漸遞減的梯度性變化，而這一現象可以利用負指數函數曲線模型來進行描述和分析，因此我們可以根據得到的對于不同圈層以及不同方向的各個人口圖斑的人口密度計算結果，最終可以得到南充市的人口密度相對于距離的數據矩陣。

(三)人口密度模型回歸分析與擬合結果

運用SPSS軟件中的回歸分析對南充市八個方向上的人口密度以及距離進行擬合，然后將擬合情況不夠理想的函數式子刪除。通過進一步研究發現，無論是2010年還是2013年的數據，在對八個方向進行擬合的過程中，除了南東方向以外的其他7個方向上擬合程度最理想的函數模型都是三次多項式曲線函數模型。其展現出來的趨勢說明在南充市的其他7個方向上人口密度隨著與中心城區的距離越遠而出現加速下降的趨勢，如圖2(a)、(b)所示，南充市2010年以及2013年的相關系數均達到0.96以上，可以看出采用三次多項式函數擬合得到了較好的結果。

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、結論與討論

綜合以上的分析結果，可以得到以下關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比較均勻，局部地區集中比較明顯，整體上南充市人口比較趨向于靠近城市中心，從人口集中指數上看，西部地區相對較大，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集中程度最為明顯，西部與東部地區的人口集中指數相對較小，人口分布也較為均勻。南充的地勢以較低的中心地區的平原地區向周圍不斷升高，總體情況是北高南低，人口密度呈現出從北向南伴隨著地勢的不斷降低而逐漸升高的趨勢，而這一現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律。

(2)內部密集外部疏松，南部密集北部疏松，各個縣際的人口密度變化差異較大。從總體上來看南充市的城市人口平均密度是由中心區域向外圍圈層單方向性的遞減，內部的中心城區人口密度最大，圍繞內部的城市人口密度相比之下小一點；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，受到地貌因素的部分影響，區域內的經濟以及交通發展相對其他地域略微緩慢一點，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)南充市的郊區化現象逐漸明顯，擬合后顯示的結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域的距離增大先迅速下降而后又出現波動的緩步上升趨勢。這就表明在城市的東南部分區域有人口向城郊區域轉移的傾向，意味著未來幾年內城市的東南區域人口數量會進一步增加。