No.5 基于GIS的城镇体系规划空间分析系统研究

1、 基于GIS的城镇体系规划空间分析系统研究陈晨（同济大学建筑与城市规划学院，上海市杨浦区四平路1239号，200092）摘要：基于提高城乡规划工作中城镇体系空间规划分析工作的准确性与效率的目的，本次研究提出了城镇势力圈划分、城镇职能识别、城镇规模等级划分定量分析方法。应用这些方法，基于ArcGIS9.3系统平台进行二次开发，设计了基于GIS的城镇体系空间规划分析系统。本系统适用于当前城镇体系规划实践，解决城镇势力圈划分、城镇职能识别、城镇规模等级划分三个核心问题。本系统在城镇经济腹地划分、行政区划调整、经济协作区划定、中心城镇吸引范围的空间识别、中心镇判别、城镇体系结构识别等领域具有应用价值。

2、关键词：城镇体系,空间分析，势力圈，职能识别、城镇规模等级0引言城镇体系规划是我国城乡规划体系中的重要组成部分，在城乡规划法和住房和城乡建设部颁布的城市规划编制办法都明确了城镇体系规划的法定地位。在我国当前快速城市化进程中，城镇体系规划在确定城市化空间布局、确定城乡发展格局起着越来越重要的作用。在城市规划实践中，市（县）域城镇体系规划占了相当重要的比重。按城乡规划法和城市规划编制办法规定，市域和县域城镇体系规划的内容通常包括：提出区域城镇发展战略，确定资源开发、产业配置和保护生态环境、历史文化遗产的综合目标；预测区域城镇化水平，调整现有城镇体系的规模结构、职能分工和空间布局，确定重点发展的城镇

3、；原则确定区域基础设施的布局等。其中，城镇势力圈划分、城镇职能识别、城镇规模等级划分三项工作是城镇体系规划的核心内容。本研究为以上三项工作提供决策支持。1研究目的和内容现有的方法与不足目前的城乡规划工作中，涉及到城镇体系规划中的相关分析主要以定性分析为主体。尤其是城镇势力圈划分、城镇职能识别、城镇规模等级划分者三项核心内容，往往采用定性判断的方法。依据市域（县域）内各个城镇的社会、经济、人口等统计数据，结合城镇的地理、经济区位进行定性识别得出，分析结果主观性较强。虽有一些基于各种模型的定量分析方法，也能用于协助确定城镇体系的职能、规模等级，但是这些模型多是原理较为复杂，往往基于复杂的区域经济模

4、型，对数据采集的要求较高，难以在一般的城镇体系规划得以中直接应用。因此，需要提供一种相对客观，具有逻辑严谨性，且相对标准化的空间分析方法，能够依靠目前城镇体系规划编制中易于收集到的基础数据，应用于城镇势力圈划分、城镇职能识别、城镇规模等级划分，以提高城镇体系规划工作的准确性。王德等于2000年和2002年提出了一种城镇势力圈划分方法1，并将其用于城镇体系分析系统的开发与研究2。该研究成果一定程度上为城镇体系规划工作提供了辅助决策工具。但是，由于该系统是独立开发的软件程序，分析所需的数据必须充分满足该软件的特定格式要求，常用的地图数据格式不能直接用于该分析系统，该分析系统的数据来源具有很强的局限

5、性。分析计算的结果不能直接采用地图方式专题表达。此外，这一方法尚不能解决城镇职能识别和城镇规模等级划分，也不能直接应用于城镇体系规划实践。1.2研究目的和内容本研究的目的是提出一种适用于现阶段城镇体系规划中应用的空间分析系统，满足当前城市规划编制要求，适应城镇体系规划能够获取的基础数据，为确定城镇职能体系、城镇规模体系、确定中心城镇提供决策支持。基于以上目的，围绕城镇势力圈划分、城镇职能识别、城镇规模等级划分三项应用展开。本研究首先将聚焦于适用于现阶段城镇体系规划中应用的城镇势力圈定量划分方法、城镇职能定量识别方法、城镇规模等级定量划分方法。随后基于ArcGIS9.3平台，开发城镇体系空间规划

6、分析系统，并采用市（县）域城镇体系规划实际案例进行验证。2系统的原理城镇势力圈划分的原理城镇势力圈是确定在某一城镇体系中不同城镇的直接影响范围。在本研究中，城镇势力圈划分采用了王德等提出的辐射强度择大法12。一般认为，规模越大的城镇，其辐射范围会越大，一般情况下，城镇规模值采取镇区常住人口，也可用城镇的经济产值、消费品零售总额等数据代替。这些数据可以方便地从各个城镇的统计数据中获取。辐射强度的计算采用“规模距离引力模型”，具体算法如下：假设对象地域内的任意一单元（可为自然村、行政村、城镇等）j都接受来自域内各城镇的辐射，则其强度为：FijMaid卩ij其中：Fiji城镇对j单元的辐射力；Mi城

7、镇的规模，一般取人口规模，或采用城镇经济产值、消费品零售总额等数据；idiji城镇与j单元之间的距离；a、卩相关参数，一般为指定值。在M.、a、卩和d.已知的情况下，可针对各空间单元计算对来自各个城镇的辐射力，一iij般情况下a系数取值为1,卩系数取值为2。对于研究范围内的每一个单元，都计算了每一个城镇对其的辐射力F.值，并选择其中.的最大值，判断对其辐射力最大的城镇。因此，就可将该单元纳入到该城镇的势力圈范围内。对系数选择合适的数值对于结果有关键的影响。一般来说，a/卩的值越大，规模大的城镇所得出的势力圈范围的面积占研究区域的比例越大。城镇职能类型识别的原理本研究中依据各个城镇的第二产业产值

8、、第三产业产值确定城镇的职能。基本原理是对区域内各个城镇的第二产业产值、第三产业产值分别进行排序。通过判别各个城镇的第二产业以及第三产业的产值是否处于该区域范围内的上游水平，判定该城镇的职能类型。城镇职能划分为“综合型城镇”、“工业型城镇”、“商贸型城镇”、“农业服务型城镇”等四种类别。评判标准如下：表1城第二产业是否处于上游水平第三产业是否处于上游水平城镇职能类型是是综合型是否工业性否是商贸型否否农业服务型关于某城镇第二产业或者第三产业是否处于该区域上游水平，实际上是一个单变量分类问题。本研究中自然断裂法（NaturalBreaks（Jenks）分类方法，将相关数值分为较高与较低两类。自然断

9、裂法是方差最小化分类方式，在ArcGIS中可以方便实现。若某城镇的数值分类为较高的一类，即认定为该城镇此类产业处于该地区上游水平。综合该城镇的第二产业、第三产业各自处于该地区的地位，即可依据上表判断该城镇职能。城镇规模等级体系划分的原理对于研究范围区域内的所有城镇，计算他们之间的联系强度，根据计算结果判断每个城镇之间的联系强弱。一般认为，规模越大，距离越近的城镇之间的联系强度越大。一般情况下，城镇规模值采用人口规模，也可采用城镇经济产值、城镇的交通发生量与吸引量等数据代替。城镇之间的距离值可以采用直线距离，也可采用基于交通路网的网络距离。网络距离的值可以是长度距离，也可是时间距离，后者可能会考

10、虑到不同道路的车速，障碍点的影响等因素，因此可能对于分析结果的准确性的提高有所帮助。本研究中采用“规模距离引力模型”计算城镇之间的联系强度。具体计算方法如下：MMaF二iijd卩ij其中：Fiji城镇与j城镇的联系强度；Mii城镇的规模，一般取人口规模；iMjj城镇的规模，一般取人口规模；diji城镇与j城镇之间的距离，可以为直线距离，也可以为网络距离；a、卩相关参数，一般为指定值。在M.、M.、a、卩和d.已知的情况下，即可进行计算。一般情况下a系数取值为1,卩ijij系数取值为2。对系数选择合适的数值对于结果有关键的影响。分析过程中，计算了研究范围内的任意两个城镇之间的联系强度值。对于某个

11、城镇甲来说，比较得出与其发生关系最强的是城镇乙，就认为城镇乙是城镇甲的首位联系城镇。对于每一对相互发生联系城镇来说，还需要判断他们之间发生联系的方向性，也就是判断两个城镇谁吸引谁的问题。一般认为，规模小的城镇是被规模更大的城镇所吸引，规模更大的城镇又被上一规模级别的城镇所吸引。按照这样的法则判断下去，最终获得一个系统化城镇规模等级分析结果。对于某些研究区域来说，其范围内的首位城镇的规模明显高于次级城镇的规模。这样的分析结果，就容易造成区域范围内的所有其他城镇在等级体系上都指向首位城镇的情况，这对于判断研究范围内的其它中心城镇不利。因此，若出现这种情况，就需要继续选取与各城镇联系强度排在第二的城

12、镇进行城镇规模等级体系分析。3系统的设计3.1开发平台本分析系统是基于ESRI公司的ArcGIS9.3进行的二次开发，采用VBA和ArcObjects进行设计编写。3.2系统框架本系统主要由三个模块组成，包括城镇势力圈划分模块、城镇职能类型识别、城镇规模等级体系分析模块。功能模块及与之相对应的应用范围之间关系结构如图1所示。功能模块主要应用领域图1功能模块及与之相对应的应用范围关系结构图城镇势力圈划分模块基于前述原理，在城镇体系规划中识别各个城镇的经济腹地、辐射范围，可以在城镇经济腹地划分、行政区划合并与调整、经济协作区划定、中心城镇吸引范围边界的空间识别等重要领域进行应用。通过本模块的分析得

13、出的城镇势力圈范围，有利于认清现状城镇经济腹地的划分情况，辅助研究区域产业的发展与布局，明确产业结构、发展方向和重点。在制定城乡统筹发展战略，确定产业发展空间布局，划分经济区中，亦可提供技术依据。城镇职能类型识别模块的主要功能为识别城镇职能，将城镇职能划分为“综合型”、“工业型”、“商贸型”、“农业服务型”等类别。此分析结果对于研究区域产业发展与布局，明确产业结构、发展方向和重点有重要辅助作用。城镇规模等级体系分析模块的作用是判别出城镇的规模等级，计算城镇之间的联系强度，并且在基于此分析结果建立的城镇体系上区分吸引者与被吸引者。本模块可以辅助分析城镇体系规模等级，辅助判别区域中心城镇、次级城镇

14、以及一般城镇，并可结合城镇势力圈划分模块的分析结果判别中心城镇的空间吸引范围边界。分析结果可以为选定重点发展的中心城镇，确定各城镇的人口发展规模、职能分工、建设标准做技术支撑，以便于制定合理的重点城镇与重点区域的发展战略。分析成果对统筹布置基础设施和社会公共服务设施也有辅助技术支撑作用，以利于防止重复建设，因地制宜地提出各类设施的共建、共享方案。3.3数据准备与输入3.3.1城镇势力圈分析模块数据准备1）需要准备的shapefile格式的文件：城镇图层（点），表达城镇所在位置；区域单元图层（多边形），表达研究范围内各个单元的范围边界，例如行政村范围、乡镇行政范围等2）需要准备的dbf（或xls

15、,xlsx）格式的文件：城镇距离表，表达区域内各个单元到各个城镇的距离。3.3.2城镇职能类型识别模块数据准备1）需要准备的shapefile格式的文件：城镇图层（多边形或点），表达研究范围内各个城镇的位置。2）需要准备的dbf（或xls,xlsx）格式的文件：城镇产业数据表，表达区域内各城镇的第二产业与第三产业的规模。3.3.3城镇规模等级体系分析模块数据准备1）需要准备的shapefile格式的数据：城镇图层（点），表达镇区所在位置。2）需要准备的dbf（或xls,xlsx）格式的数据：城镇距离表，表达各个城镇之间的距离。此表需要事先用ArcGIS计算生成，可使用ArcGIS的networ

16、k扩展模块OD距离计算功能。图2系统输入界面（以乡镇势力圈划分模块为例）3.4系统的输出结果3.4.1城镇势力圈分析模块输出结果系统分析完成后，将自动在区域单元图层（多边形）的属性表里面添加一个字段，即该单元所处于的城镇势力圈的名字。将该字段属性显示在图中，即可得出如图3所示的结果。图3城镇势力圈划分模块输出结果示例如图所示，相同颜色的区域即为同一个中心城镇的势力圈范围。研究范围内的最大规模的城镇比第二名高很多，一些城镇的势力圈边界和行政区划界线非常接近。3.4.2城镇职能类型识别模块输出结果分析系统通过分析计算结果将城镇划分为“综合型”、“工业型”、“商贸型”、“农业服务型”四类职能，并将结

17、果添加在城镇图层属性表上新增字段中，将该字段属性显示在图中，即可得到如图4的结果。图4城镇职能类型分析模块分析结果示例如上图所示，相同颜色的区域即为同样的城镇职能。大多数城镇还属于农业服务型，只有县城镇为综合型，工业型和商贸型也较少，分析结果与实际情况基本符合。3.4.3城镇规模等级体系分析模块输出结果计算结果在城镇图层的属性表上增加两个字符型字段丁oTOWNl”、“ToTOWN2”，分别用于记录初始值、修正值时，每个城镇对应的的上一级城镇。如图5和图6所示的例子，计算结果将生成两个城镇联系方向线图层，分别是初始值与修正值。初始值是区域内各城镇的上位联系城镇，计算范围是区域内的所有城镇。修正值

18、则是不考虑研究范围内的首位城镇的情况之下，其余城镇的上位城镇分析结果。BEX34LU1始g母？导航霸？FPSJl10:34日昌X电国I卩：206,699村链体系空间规划分析*TSSPA-ArcMap-.功基于GIS的村蹟体townsysFileEditViewBookmarksInsertSelect!onToolsWindowHelpDisplay|Source|Selection|518143.653T34853.472Meters-叼乡蹟联系方向（初始值）-0ccnmtv_arEa口-0townD；：.allotherv：aluesElvillage日Layers-0townpointo

19、-villagepoint-乡蹟联系方向（修正值）图5城镇规模等级体系分析模块结果示例（初始值）图6城镇规模等级体系分析模块结果示例（修正值）4系统的应用4.1市域城镇体系规划中的应用本研究选取了江苏省泰州市作为研究案例，说明如何应用本系统在市域城镇体系规划中确定各级中心城镇。泰州市域面积5793平方千米，市域人口503万，下辖四个县级市和两个市辖区，总计辖有82个乡镇。在泰州市城市总体规划的市域城镇体系规划中，提出规划建立三级城镇中心体系，包括市域中心城市即泰州中心城区，二级中心城市即四个县级市的城区，以及7个重点中心镇。泰州市城市总体规划中提出的三级中心城镇体系是依据传统定性判断方法得出的

20、，可能存在一定的主观因素。因此，采用本系统进行定量分析，对泰州市总体规划提出的三级中心城镇进行验证。选取泰州市域的分乡镇（城区）GIS地图作为研究底图，每个乡镇（城区）均包含人口数据。利用本分析系统的城镇势力圈划分模块与城镇规模等级体系分析模块结合进行分析，可以得出图7所示的结果。将分析系统所判别出的结果与泰州市城市总体规划中所确立的市域城镇等级规模结构相比较，如表2所示。表2分析系统判别结果与泰州市总体规划确立的城镇等级规模结构的比较泰州市城市总体规划中确立的市域城镇等级规模结构本分析系统所判别的结果城镇等级规模等级城镇名称是否中心城镇辐射乡镇数中心城市100万人泰州中心城区是15从上表可以

21、看出，比较结果基本吻合，中心城市等级的泰州中心城区被本系统判别为中心城镇，辐射乡镇数最多，为15个，四个二级中心城市全部被本系统判别为中心城镇，辐射乡镇数为68个，七个重点中心镇中仅有两个没有被本系统判别为中心城镇，分别为溱潼镇和白米镇，这两个镇距离其他中心城镇过近，被本系统判别为其余中心城镇的下位城镇此外，有3个通过本系统判别出的中心城镇并没有被泰州市总体规划确立为中心城镇，主要是北部地区的乡镇，其辐射乡镇数普遍只有2个左右。这主要是由于北部地区水网密集，人口分布较为分散，仅依靠现有确立的中心城镇无法辐射所有乡镇，因此该区域有培育较为次级的中心城镇的需求。沙沟徐决-J海1i镇镇永;竹酒荻垛镇

22、茅山乡河:镇虹,苏婆镇命垛镇傾I大区镇戴童镇Zl-r/滨力-so八4、顾缺蒋垛镇JW娄1J镇图例人口o20万城镇首位联系带匚I地级市界口县级市、区界镇、乡界城镇圈范围图7泰州市市域城镇规模等级体系判别结果4.2县域城镇体系规划中的应用本系统可以在县域城镇体系规划中得到充分应用，选取河南省临颍县作为县域城镇体系规划应用的案例。临颍县位于河南省中部，县域面积821平方千米，县域人口71万，下辖15个乡镇。基础数据为县域内各乡镇的人口、各类产业产值以及县域各等级道路交通网络。县域内各乡镇的人口、各类产业产值如表3所示。表3临颍县各乡镇所需数据表镇名镇区人口（人）第二产业产值（万元）陈庄乡422265

23、90皇帝庙乡台陈镇大郭乡瓦店镇城关镇杜曲镇三家店镇固厢乡巨陵镇繁城镇王岗镇石桥乡王孟乡窝城镇4050389444125072112250154554438381586681159570516007387040412088618652553528015172990177869212629384589405519612169011985556017422第三产业模拟值1（万元）62110004868362677731332143145932335291848662138755403028依据各个城镇的镇区常住人口、自然村与各个镇区之间距离，分析得出了城镇势力圈划分结果（图8）。从分析结果可以发现，

24、各个乡镇的实际辐射范围与乡镇行政区划划分并不一致。其中县城城关镇的辐射范围占据了全县的大部地域。临颍县乡镇势力圈划分分析结果.卜窝城镇王孟乡.王岗镇.瓦店镇大郭乡石桥乡O，固厢乡巨陵镇Mm沪台陈镇皇帝庙乡繁城镇O1I/城关镇，杜曲镇$nK、I八Meters05,00010,00020,00030,000图例镇名镇界乡镇势力圈范围三家店镇台陈镇固厢乡城关镇大郭乡巨陵镇杜曲镇王孟乡王岗镇瓦店镇皇帝庙乡石桥乡窝城镇r繁城镇陈庄乡图8临颍县乡镇势力圈划分分析结果依据各个城镇的第二产业产值、第三产业产值，分析得出了城镇职能类型分析结果（图9）。从分析结果可以发现，仅有县城具备了综合型城镇职能，多数城镇尚

25、处于农业服务型杜曲镇、王岗镇属于工业型城镇，繁城镇划为商贸型城镇。这一结论符合当地社会经济发展的势态。IMeters镇名城镇职能农业服务型商贸型工业型综合型图9临颍县乡镇职能判别分析结果依据各个城镇的镇区常住人口，各个镇区之间距离，分析得出了城镇规模等级体系分析结果（图10）。从分析结果可以发现。临颍县城镇体系呈现出典型的单中心体系，县城城关镇是全县唯一中心城镇，全县其他镇均处于其下一级的辐射范围内。对城镇之间相互联系的定量分析计算表明，在当前的社会经济条件下，尚不足以在县域内形成另一个副中心城镇或者二级中心城镇。单中心的城镇规模体系也符合当地社会经济发展的势态。临颍县乡镇规模等级体系分析结果王孟乡石桥乡申厢王岗镇，巨陵皇馮陈庄乡I;，窝躺,d-J陈镇C05,00010,00020,000|Meters30,000N图例O镇名乡镇联系方向图10临颍县乡镇规模等级体系分析结果5总结和展望本研究针对当前城镇体系规划编制中缺少定量分析工具的状况，提出了城镇势力圈划分、城镇职能识别、城镇规模等级划分定量分析方法。基于上述方法开发的基于GIS的城镇体系空间