基于主成分分析法的城镇空间扩展动力机制研究

张荣天，张小林

（1.南京市国土资源局 六合分局，江苏 南京 211500；2.南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 210046）

城镇化是农业人口转化为非农业人口，农村地域转变为城镇地域，农业用地转化为非农业用地，在宏观上就是城镇用地规模的扩展过程[1]。城镇空间扩展是在特定的地理环境和一定的社会经济发展阶段中，人类活动与自然因素相互作用的综合结果，受到自然地理环境、经济发展、人口增长、交通组织及城镇规划与政策等因素的影响[2-4]。在长时间尺度范围内，自然地理环境条件的改变对城镇空间扩展起到十分重要的影响；但在较短时间尺度内，经济社会条件的变化对城镇空间扩展往往起着更为重要的作用。对于城镇空间扩展机制的探讨，国外不同的学派从经济、土地、政治、制度等方面对城镇空间扩展动力机制进行了研究[5-7]；国内学者从自然条件、经济发展、产业结构、交通条件等方面也探讨了城镇空间扩展动力机制[8-10]。深入研究城镇空间扩展的动力机制，有助于客观了解城镇经济发展和城镇空间结构之间的内在作用关系，有助于提供城镇空间扩展规模和方向的理论参考，有助于预测城镇未来的发展态势，进而优化调整城镇空间格局，正确地引导城镇建设的科学合理进行。

溧水县位于江苏省的西南部，是沟通苏、浙、皖的重要交通枢纽地，是南京主城区向外发展的重要外围节点，是南京市外向型经济新的集聚地。1978年改革开放以后，溧水经济社会快速发展，到2010年末，地区生产总值199.37亿元，人均地区生产总值达到48151元；与此同时，县域城镇建设也快速推进，到2010年末，城镇人口达到18.99万，城镇化率为45.9%。本文基于城镇空间扩展动力机制的理论假设，以江苏省溧水县作为研究的实证案例区域，选取11项具体经济社会指标，通过SPSS17.0统计分析软件，运用主成分分析法，初步地探讨溧水县城镇空间扩展的动力机制，以期能够为制定县域城市规划提供有力的理论支撑与实践依据。

1 理论假设与分析模型

1.1 理论假设及变量选择

县域经济社会发展与城镇空间扩展是一个相互促进、相互制约的综合过程。城镇空间扩展主要受到城镇人口增加、经济水平提高、交通条件的改善、投资强度的加大、产业结构调整及房地产业开发等几个重要驱动力的相互影响。因此，本文做出以下的理论假设：

H1：城镇人口数量直接影响城镇空间扩展。城镇人口的增加会引起居住、就业、交通、社会服务等多方面的需求，城镇人口大量的集聚是导致城镇空间扩展的重要因素之一。本文选取城镇人口（X1）、城镇化率（X2）两个衡量城镇人口数量的指标。城镇人口数量的不断增加，表明大量农村人口不断向城镇地域空间集聚，导致城镇居住功能用地不断向外扩展，进而加快推进城镇用地空间扩展。

H2：经济增长是城镇空间扩展的重要的驱动力因子。城镇用地扩展实质上是一个综合性的经济问题。当区域经济处于高速发展的阶段时，带来实际收入水平和城镇建设投资的增加，会促使城镇用地空间不断加速扩展，反之则会导致城镇空间扩展停滞，城镇空间扩展的速度所表现出来的周期性与经济发展速度的周期性基本上相吻合。本文选取GDP（X3）、人均GDP（X4）作为经济增长的衡量指标。GDP指标反映区域经济发展总量的水平，而人均GDP指标代表区域人均水平。若GDP与人均GDP数量不断在增大，则表明区域经济发展程度就越高，就会造成城镇空间扩展的速度就越快、强度就越大。

H3：固定投资与社会消费是城镇空间扩展的直接动力。城镇房地产开发建设的投资对城镇用地空间扩展具有重要的影响，房地产开发投资增长会导致城镇建设用地空间不断向近郊地区扩展；社会消费水平的提高导致城镇居民的实际购买能力增强，对住房需求欲望也日益显著，也会促使城镇空间扩展的速度加快。本文选取固定资产投资总额（X5）、社会消费品零售总额（X6）作为衡量城镇投资与消费的指标。城镇固定资产投资总额越大，则城镇房地产业的开发与建设就会越快速；而社会消费品零售额越大，表明城镇居民消费水平越高，对城镇生产的拉动能力就会越强。

H4：工业发展是城镇化的根本动力，直接推动城镇地域空间扩展。工业生产是城镇最为基本的职能，工业集聚发展，尤其是开发区的建设是导致城镇空间扩展的重要驱动力因子；城镇交通系统构成城镇用地空间形态的骨架，城镇道路建设需要大量的用地，对城镇空间扩展起到重要的牵引作用。本文选取工业总产值（X7）、第二产业产值比重（X8）、城镇公路里程数（X9）作为衡量城镇工业发展和交通建设的指标。工业总产值与第二产业产值比重越大，表明城镇工业用地需求量增加，对城镇空间扩展的影响程度也就越大；城镇公路里程数越大，则城镇空间可达性水平就越高，对城镇空间扩展的影响也就越大。

H5：第三产业发展对城镇空间扩展也具有十分重要的影响。第三产业的发展，尤其是文化教育、医疗卫生、商业金融以及社会公共服务业的发展对城镇用地会直接产生需求，进而导致城镇用地不断向外围地区拓展。本文选取第三产业增加值（X10）、第三产业产值比重（X11）作为衡量区域第三产业发展程度的指标。若城镇第三产业的发展程度越高，对城镇用地需求量也越大，从而对城镇空间扩展的影响也就越大。

1.2 分析模型

主成分分析法（PCA）又称主分量分析法，是一种利用降维思想把多个指标转化成少数几个指标的一种多元统计学方法[11]。它能够在保证原始数据信息损失最小的情况下，以少数的综合变量取代原有的多维变量，使数据结构大为地简化，并且较为客观地确定权重，避免了主观的随意性，是一种十分有效的统计学方法，已被广泛应用自然与社会科学等多个领域。PCA法具体的计算步骤如下[12]：

（1）原始数据标准化处理

对正向指标标准化处理，采用计算公式：Xij=(Xij-min{Xj})/max{Xj}-min{Xj}；对逆向指标，采用计算公式：Xij=(max{Xj}-Xij/max{Xj}-min{Xj}；

（2）特征值以及贡献率求解

建立相关系数矩阵R并得到其特征向量。解特征方程，计算相关矩阵R的特征值，确定因子方差累计贡献率；

（3）主成分提取及得分计算

根据因子方差累计贡献率大于85%原则提取主成分，建立因子载荷矩阵。初始因子载荷A进行因子旋转，求旋转后的主成分解B；计算主成分得分：

2 实证研究

2.1 原始数据收集

为了更为科学准确地对1978年以来溧水县城镇空间扩展动力机制进行综合分析，本文选取来自于《江苏省统计年鉴》（1978—2010年）、《南京统计年鉴》（1978—2010年）以及溧水县统计资料（1978—2010年）的相关经济社会数据，并经过适当的计算得到城镇空间扩展动力机制的各项相关指标数据。

2.2 数据处理过程

基于SPSS17.0软件分析平台，对11项原始经济社会指标变量进行相关的标准化处理，并经过KMO值和Bartlett值的检验，得到KMO值以及Bartlett值分别为0.7056和541.87，达到进行主成分分析的显著性的要求。通过分析得出因子特征值大于1.00的共有3个主成分（表1），它们的方差贡献率分别为53.158%、23.541%及12.558%，其方差累计贡献率已经达到89.257%，即反映了原有11项指标信息的89.257%，可以利用这3个主成分对城镇空间扩张动力机制进行解释与分析。主成分与原有变量指标之间的相关程度由因子载荷值 （表2）表征，因子载荷值越高，表明该因子包含该指标的信息量就越多。 主成分 1 与 X1、X2、X3、X4、X5、X10相关性大，反映城镇人口数量的增长；主成分2与X6、X7相关性大，反映经济发展水平；主成分3与X8、X11相关性较大，反映产业结构的调整。因此，可以将影响溧水县城镇空间扩展的三大动力分别命名为：原始动力—城镇人口增长、根本动力—经济发展、后续动力—产业结构调整。

表1 主成分累计贡献率

表2 因子正交旋转后的载荷矩阵

2.3 结果分析

2.3.1 原始动力——城镇人口增长城镇人口的增加是城镇空间扩展最初的原始动力，城镇人口的集聚必然表现为城镇居民对居住、交通等基础设施和商业、文化教育、社会安全、医疗卫生等公共设施产生需求，进而促使县域城镇空间不断地向外围扩展，城镇人口的增加是城镇用地空间扩展的直接动因。改革开放后，特别是1984年，我国放宽了户籍管理对农村人口自由移动的限制，农村人口大量涌入集镇与城市；城镇人口规模发展迅速，县域城镇化水平不断提高，必然带来城镇地域空间的扩展和空间结构的优化。自20世纪80年代后期以来，溧水县城镇空间扩展速度不断加快，大量农业人口不断向城镇集聚，通过对1978—2010年溧水县城镇人口与城镇用地面积进行回归分析（图1），得出城镇人口与城镇用地面积两者的判定系数达0.976，这表明县域城镇空间扩展与城镇人口的增加具有很强的相关性，县域城镇人口增长与城镇用地扩展之间基本保持同步的发展态势。因此，城镇人口是城镇空间扩展的重要驱动力之一，是衡量城镇空间扩展的重要指标。

图1 溧水县域城镇人口与城镇用地面积相关性

2.3.2 根本动力——经济发展城镇空间扩展实质是区域经济发展水平的缩影，它是导致城镇空间扩展的最根本的动力因素，经济增长方式改变带来了居民实际收入水平的提高和城镇建设资金的增加，使得城镇用地空间扩展的强度不断地增强，城镇经济社会的发展的速度直接决定着城镇用地扩展速度。溧水县1978年国内生产总值为3.85亿元，2010年达到 199.37亿元，GDP年均增长164%；1978年工业总产值为1.41亿元，到2010年增加到364.86亿元，年均增长832%，从经济快速发展的进程中，可以折射出城镇用地的需求也是逐年在递增；城镇固定资产总投资方面，1978年仅仅为0.34亿元，由于城镇各类开发区的建设、工矿企业用地的增加，到2010年增加到101.81亿元，固定资产投资增长速度迅速，促使城镇各项功能用地不断向外扩张，尤其是房地产、交通基础设施、社会公共服务设施等用地，这些功能用地成为改革开放30年以来县域扩展速度较快、强度较大的城镇用地类型。

2.3.3 后续动力——产业结构调整产业结构是指区域经济中各类产业之间的内在的联系和比例，而经济增长的效率和发展的状况很大程度上取决于区域产业结构的先进性及其变化调整，产业结构的合理与否影响到区域经济发展水平，也就会影响到城镇空间扩展的程度，合理的产业结构是城镇空间扩展的后续动力。1978年溧水县三大产业比为2.24：1.57：0.79， 到 2010年三大产业比达到了2.92：14.68：8.34，表明自 1978年以来，溧水县产业结构处于不断地优化升级之中，第一产业比重持续下降，第二产业比重快速增长，第三产业比重稳步上升，县域产业结构的变动，使得城镇用地空间结构也相应的发生转化。随着城镇化与工业化的快速发展，农业用地和农业劳动力不断地向第二、三产业转移，使得农业用地逐渐减少，而城镇用地不断增加；与此同时，第三产业的比重逐年上升，城镇建成区功能逐渐由生产型转变为商业服务型，进而导致了工业、仓储等功能不断地向城镇的外围地区布局，相应的也会带动与工业相配套的基础设施建立起来，最终会导致县域城镇用地呈现逐年不断地向外扩展的态势。

3 结论与讨论

本文对城镇空间扩展动力机制作出理论假设的基础之上，选取江苏省溧水县为实证区域，运用1978—2010年的经济社会指标，通过主成分分析法，初步地分析了溧水县城镇空间扩展动力机制，揭示出溧水县城镇空间扩展三大动力因子：城镇人口增长、经济增长及产业结构调整，这对于溧水县城镇规划、建设与管理有参考指导意义，且该研究思路对于其他地区也有很好的借鉴作用。根据《中国城市发展报告（2009）》蓝皮书的预测可知，我国城镇化率2015年达到52%，到2030年将会达到65%，这表明我国城镇化已经出现了冒进的态势，迫切需要相关的理论和政策的指导；与此同时，在我国快速城镇化的背景之下，县域城镇化速度也在不断加快，研究总结县域城镇空间扩展特征、模式以及机制等规律具有十分重要的现实意义，尤其加强对我国不同发展模式县域城镇空间扩展动力机制的总结、凝练及其对比研究，可以为县域城镇用地空间科学合理的扩展提供针对性的指导。

需要指出的是，本文研究还存在一些不足之处。本文仅从经济社会角度探讨城镇空间扩展的动力机制，忽视城镇空间扩展其他方面因素的影响。建立城镇空间扩展宏观（政策、规划、制度等）、中观（经济、人口、社会、文化等）、微观（地形、地貌、区位等）的多尺度综合驱动机制研究范式，并且揭示不同尺度机制内在的相互作用机理，这是本文需要进一步思考与研究的方向。

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