基于GIS的城市中心区界定研究——以武汉市为例
何倩，任绍斌1
摘要：城市中心区等空间范围的界定一直以来是城市研究中所探讨的话题，也是不可避免必须要面对的基本问题。由于城市中社会经济等功能要素集聚总是具有相对性和过渡性，城市中心区往往缺乏一个确定的位置或者范围。本文试以武汉市为研究案例，选取武汉市三环线内各街道的GDP总量、人口密度和道路密度三大指标，利用主成分分析法确定指标贡献率最后对武汉市三环内每条街道进行中心性的综合评价，运用GIS进行图示化的表达，找出武汉市的中心所在。从而提出增加中心凝聚力、培育新兴城市增长极、注重分析总结市中心问题经验、城市中心转型发展等城市发展建议。关键词：城市中心区，GIS，主成分分析法，GDP总量，人口密度，道路密度1引言
城市中心区可以说是城市的政治、经济、文化等各项活动的中心所在，该地区以第三产业为主、土地的产出率最高、人口最为密集并且各类活动最为频繁[1]。如何确定城市中心的空间范围是城市规划者在城市研究中一直探讨的重要话题，也是必须面对的基本问题。解决城市中心区的问题是应对城市各项问题的关键之一，而明确城市中心区的位置和范围又是研究和解决城市中心区存在问题的基础和前提。由于城市中社会经济等功能要素集聚总是具有相对性和过渡性，城市中心区往往缺乏一个确定的位置或者范围。城市中心区一般只有一个粗略和大概的位置范围，关于它的确定缺少一种简单而有效的定量方法。武汉位于中国腹地的中心、地处长江与汉水的交汇之处，被两江分割，从而形成了武昌、汉口和汉阳跨越两江三镇鼎立的城市格局。近现代以来，武汉三镇在城市功能上各自分工、各有特色，武昌以政治文化科教功能为主，汉口最为突出的则是商贸经济，而汉阳的城市发展主要侧重于传统的工业。三镇有各自相对独立的中心区域，三部分又相互联系，共同组成了武汉的城市格局。而武汉多中心的城市格局、城市中心的位置一直没有定论。本文尝试以武汉为例，选取三环以内各街道GDP总量、人口密度、和道路密度等三大指标，利用主成分分析法确定指标贡献率并对武汉市三环线内每条街道进行中心性的综合评价，然后再借助GIS平台空间分析研究武汉市的城市中心区位置所在。2研究现状
2.1概念界定2.1.1国外研究理论
西方国家有的学者认为，城市中心区就是一座城市行政意义上的市中心（centralcity，1
中央高校基本科研业务费专项资金资助：大城市周边地区城乡“共生关系”形态识别及规划调控技术研究——以武汉都市圈为例（2016YXMS061）即中心城）。例如吉伯德在《市镇设计》这本书中写道，城市中心区是城市的主要行政管理、商业、文化和娱乐等中心的综合地区[2]。国外大多数学者研究城市中心区主要体现是研究城市的CBD方面。芝加哥城市社会生态学派学者伯吉斯、霍伊特、哈里斯和乌尔曼认为城市中心区就是城市的中心商务区，它是城市服务业和零售业的汇聚之地。德国的经济地理学家克里斯泰勒的“中心地理论”、胡佛和阿隆索的“竞价地租曲线理论”、墨菲和范斯的“CBD指数理论”、埃德加霍乌德和罗纳尔德搏依斯的“CBD核—框理论”等诸多理论基本上构成了CBD研究的理论基础。20世纪70年代之前对城市中心区的研究主要是从城市地理学的角度出发考虑的，并且这类研究把城市中心区与CBD的概念基本等同起来。与北美研究学者将城市中心区称作CBD有别的是，英国的学者主要是把城市中心区的概念称作CA（CentralArea）[3]，CA的概念实际上仍然和CBD的概念差不多。在现代城市不断建设和发展的过程中，以生产性服务业为占主导地位的现代服务业日趋完善。国际资本在世界范围内不断“优化组合”，带动某些全球性或区域性中心城市的商务服务等功能迅速发展起来，在城市中心区内的某些特定区域，不管是从性质上还是从规模上来看，国际性的商务办公功能都占领着绝对优势的主导地位。2.1.2国内研究理论
与西方国家相比，我国对于城市中心区的研究起步相对较晚，对城市中心区的概念和位置界定也一直没有统一定论和标准。《中国大百科全书》中对“城市中心区”词条的描述是：城市中心区是指城市的闹市区，它由城市中最为繁华的街区与街道组成，担负着城市商业中心与城市社交活动中心的功能职责，城市中心区也是给市民提供集中开展公共活动的地方。城市规划学者宋家泰先生等提出观点认为，城市中心区一般是指一座城市中最大并且最主要的中心区域，它的组成主要是包括在全市的政治、经济和文化等方面的生活中承担着重要作用的公园广场、交通要道和公共建筑群[4]。东北师范大学城市与环境科学学院的修春亮认为城市中心区简单来说就是城市的中心商务区、闹市区。北京大学城市与环境学系的朱才斌教授等认为：城市中心区是“城市政治、经济、文化等方面的中心区域，它的范围不仅仅局限于是该座城市的中心，而强调的是区域的概念，它是城市所在区域的中心”[2]。东南大学建筑学院的吴明伟教授从城市中心区规划的视角展开思考，他认为纵观城市的整体结构及其演变过程，城市中心区不是一个单一的概念而是一个综合的说法，它是城市结构中的核心地段和城市各项功能的重要组成部分，城市中心区集中了城市的第三产业和各类公共建筑，为城市及其所在的区域周边集中提供了良好的政治、经济、文化、社会等服务设施、交流平台和活动空间，并在空间上有别于城市其他地区。城市中心区应该是城市各种功能中心（如城市的行政中心、主要零售中心、商务中心、文化中心、信息中心等）的集合体，能够集中体现一座城市的社会经济发展水平和发展状况，肩负着主要的经济运作和管理功能[1]。2.2界定方法2.2.1国外界定方法
历史上城市的空间往往是以城市的城墙作为它的边界的，而当今大多数西方城市的古代城墙早已转变为了现在的城市环路、高速公路或者政治和立法的边界，甚至是被划定为城市绿带或者行政红线——包括城市的市政界线、地方上税赋区边界、公共基础设施的服务范围，以及土地利用规划和分区规划的适应范围等，因此旧城墙成为了界定城市中心区和郊区的重要分隔线。由此衍生而来的各类边界也成为了西方现代城市中心区边界界定的重要手段。例如，莫斯科城市的中心区明显分隔线是由城市的环城公路和绿化带组成；曼哈顿是纽约城市的中心区，曼哈顿岛的天然边界则围成了纽约城市中心区的范围；而伦敦的城市中心区就是伦敦的中心伦敦（CentralLondon），该区域是由4个铁路终点站以及某些主要交通干道共同围成的模糊地带。[1][5]
此外，诸多学者也在相关研究中对界定城市中心区方面提出了较为科学的确定方法。如基于功能分布的分析方法中，居住人口分析法和就业模式分析法分别对居住人口的分布和就业模式选择进行分析评价；基于交通流量的分析方法中，有车流量分析法、步行人流量分析法和人、车流量相对指数分析法对车行、人行交通进行评估从而反映城市中心区的交通流量；基于地价、租金的单位街面地价分析法和地价相对指数法计算不同地段的地价与租金及其相互关系，城市中心区往往拥有较高的城市地价和租金。墨菲指数法是得到普遍认可并且应用最为广泛的一种方法，该方法以地块为基本单位，计算出地块内每个街区的两大重要指数——中心商务高度指数（CBHI：CentralBusinessHeightIndex）和中心商务密度指数（CBII：CentralBusinessIntensityIndex），然后制定相应的比较规则，通过比较这两个指数的大小最终确定（CBHI即为“中心商务楼面面积”与“底层面积”的比值，CBII即为“中心CBD的范围[6]。商务楼面面积”与“总露面面积”的比值）。2.2.2国内界定方法
在我国，城市的居民对于自己所居住的城市的城市中心区，一般都能依据自己脑海中的印象而指出大概位置所在，例如在大多数人的印象中，重庆的解放碑区域是重庆的城市中心区所在，而南京的新街口可以定为南京的城市中心区。由此而衍生出一种城市中心区的“假定边界法”，这种方法是根据城市规划专业人士的现场调查或者本地居民的心理印象而做出的城市中心区位置判断。城市中心区的范围不一定也不可能有明确的定论，但它却植根于当地居民的脑海印象中。因此给当地居民或者专业人士绘制城市中心区心理地图也可以粗略界定城市的中心区[7]。我国关于定量界定城市中心区的研究，多是在国外定量研究的基础上，为适应各自城市的特点而调整相应调查标准。例如东南大学建筑学院的杨俊宴教授在《城市中心区边界范围量化界定方法研究》中对墨菲指数进行了修正，它改变墨菲指数中的CBHI和CBII以公共服务设施指数为替代指标，用以界定南京市中心区的空间范围[7]；西北大学王军伟基于基准地价、线路网密集度、引力模型和墨菲指数等四项指标来综合考虑,然后界定出西安城市中心区的范围[8]。除此之外，界定方法还有以街区为基本单元，依据人口密度来界定城市中心区范围界线的人口分布确定法；以地块为基本单元，依据建筑高度来界定城市中心区边界的建筑高度确定法等等[7]。2.3存在问题
纵观国内外的相关研究，国外学者关于CBD的研究主要缺乏一种动态发展演变的视角来整体把握功能和空间两大重要主题的有机关联，从而没能够更加全面更加深入地揭示CBD的本质[9]。我国的研究问题主要在于，研究基本上是对已有的西方国家研究理论和经验的介绍及归纳总结，缺乏自身自发的理论和实践探索。各个学科学者对城市中心区的研究既有独立存在的部分又有交叉重合的部分，研究方向多种多样，但是总体上存在不平衡，有的学科研究较多，有的学科研究匮乏。例如对于城市中心区的一些基本概念、研究范围以及功能演化等基本问题，我国的研究始终都没有特别进展，而关于CBD的研究却相对较多，较于城市中心区其他功能组成部分的研究相对充足且成熟。另外，笔者通过检索和查阅相关文献发现，学者们对城市中心区各个角度的研究始终缺乏必要关联性和规范性，即使是对城市中心区的基本概念的研究，国内也一直没有统一的定论[10]。此外，有关城市中心区的一些研究始终是偏向于定性类的描述，缺乏定量研究；侧重理论性研究，而忽视实证研究。总体来看，不论是国外还是国内对中心区的研究都是初步的，对其形成发展特征、形成机制及影响尚未曾深入，对现实操作缺乏指导意义。3研究思路与方法
3.1研究范围的确定3.1.1研究范围
本文选取的研究对象范围主要是武汉市三环线以内的主城区，其中涵盖了的江汉区、江岸区、武昌区、汉阳区、东湖高新区的全部；洪山区、青山区的大部分地区；东西湖区、硚口区、黄陂区、武汉经济技术开发区的部分地区。3.1.2选择原因
三环线以内一直是武汉市的主要建成区，集中了武汉主要的人口和经济、政治、文化活动。根据《武汉市总体规划（2010-2020）》，在“十二五”期间，武汉主城区建设基本控制在三环线以内，并且重点沿“两江四岸”进行开发建设。根据直观的判断，认为武汉的城市中心区应确定在三环线以内的主城区，这样选取有助于精确研究范围，提高研究的效率。3.2研究指标的确定3.2.1指标确定
选择进行研究的判定指标为三个——GDP、人口和路网。对数据进行处理后得到研究范围内各个街道的人均GDP、人口密度和街道路网密度，再对其进行综合计算评分。3.2.2选择原因
本文选取GDP、人口和路网三个数据指标是出于城市中心区的基本特征。城市中心区是城市各功能分区中最具活力的地区，是城市中人口最为密集、建筑密度最高、就业岗位最集中、向内吸引和向内辐射作用最大的核心区域[11]。其基本特征主要表现为以下几点：一是中心性。从几何的视角出发来看，城市中心区应该是一座城市的几何重心，位于城市的中心地段，因而城市各个边缘地带到城市中心区的距离都相对较短；从功能的视角出发来看，城市中心区应该是商业服务业最为集中且最具优势的地区，该地区甚至是城市的政治、经济、文化和娱乐中心所在。GDP是核算体系中一个重要的综合性指标，各街道GDP数据反映了其经济实力和市场规模，同时也可以反映各街道地区的中心性；二是具有较高的人流量和信息交流量。城市中心区集聚着一座城市的商业和服务业，人流密集、人口密度较高，信息流通量较大。因此收集各街道人口数据然后测算其人口密度，城市中心区往往就是人口密度较高的地区；三是具有最高的可达性和密集性。城市中心区处于交通可达性重心位置，道路网密集，与其他区域相比，呈现出城市其他部分无法比拟的可达性。道路密度是指在一定的区域内，道路网的总里程数与区域的总面积之比值。道路网密度一定程度上能反映该区域的交通通达度，以及人流、物流的活跃度。3.2.3指标权重赋值
（1）指标权重赋值方法——主成分分析法主成分分析（principalcomponentanalysis）也被称作为主分量分析，此分析方法是把多个指标变量，依据一种降维的思想，转变为少数几个综合的指标变量。在实际问题的应用和研究中，为了能够分析问题更加系统而全面，我们往往需要考虑多方控制因素。我们称这些多方控制的因素为指标，也就是多元统计分析中常说的变量的概念。每个独立变量在不同程度上都可反映研究中的某些重要信息，而这些变量又是相互作用和影响的，具有一定的关联性，因此研究所求得的结果数据所折射出的结论信息在一定程度上是会有所重叠的。那么我们在研究多变量的问题时，进行定量分析的过程中，往往需要把多变量指标归结为几个重要的主成分，简化问题、减少指标变量，但同时却也能得到较多的结果信息。（2）权重计算本文利用2009年到2016年武汉市GDP总量、人口密度、道路密度的无量纲化后数据对指标变量进行主成分计算各指标对于武汉市城市中心的贡献率（如表1）。表1：武汉市城市中心判定指标贡献率情况表（来源：笔者自制）指标贡献率人口密度0.968道路密度0.856GDP0.6893.3数据处理与分析3.3.1数据的收集
本文通过查寻武汉市统计信息网、湖北省统计局网站以及《武汉市统计年鉴2017》等
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