宮繼萍，石培基，潘竟虎，魏 偉

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070)

0 引言

城市化是當(dāng)今世界最重要的空間現(xiàn)象和經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象之一，是區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，也是激發(fā)新一輪財(cái)富充分涌流的載體。推進(jìn)城市化與提高城市化質(zhì)量既是全面建設(shè)小康社會(huì)的現(xiàn)實(shí)要求，又是有效解除中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)約束“瓶頸”、實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的有效路徑［1］。

目前，國內(nèi)主流研究思路是采用復(fù)合指標(biāo)來計(jì)算城市化水平，其基本模式是首先選出能反映城鎮(zhèn)各方面基本特征的一組指標(biāo)，然后根據(jù)這些指標(biāo)計(jì)算出一個(gè)綜合值，代表一個(gè)地區(qū)城市化的水平［2］。不同學(xué)者研究的地域不同、獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)的難易程度不同，因而選取的指標(biāo)也不盡相同。研究方法一般采用AHP層次分析法、主成分方法、模糊數(shù)學(xué)和其他數(shù)理統(tǒng)計(jì)等［2-5］，常遇到歸一化不同量綱指標(biāo)、排除人為主觀因素影響確定指標(biāo)權(quán)重等難題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN:artificial neural network)是由大量神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，是反映人腦結(jié)構(gòu)及功能的一種抽象數(shù)學(xué)模型。它通過對(duì)大量樣本的反復(fù)學(xué)習(xí)，由內(nèi)部自適應(yīng)過程不斷修改各神經(jīng)元之間互連的權(quán)值，最終使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值分布收斂于一個(gè)穩(wěn)定的范圍。BP(back propagation)網(wǎng)絡(luò)是ANN技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)類型，與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析模型相比具有更好的容錯(cuò)性、魯棒性和自適應(yīng)性，在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、分類及評(píng)價(jià)等方面最為適用［6］。本研究即運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，通過構(gòu)建城市化水平綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，用城市化水平綜合評(píng)價(jià)值來定量地反映甘肅省縣域城市化水平的高低。

1 研究區(qū)概況

甘肅省位于我國西北地區(qū)，地處黃河上游，地域遼闊，東西長(zhǎng)1 655 km，南北寬530 km，地域面積45．44萬km2，總?cè)丝? 716．73萬。甘肅省共設(shè)蘭州、天水、白銀、金昌、嘉峪關(guān)、武威、慶陽、平?jīng)?、張掖、酒泉、定西、隴南12個(gè)地級(jí)市以及臨夏、甘南2個(gè)自治州。改革開放以來，甘肅省經(jīng)濟(jì)得到了迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，1978年，甘肅全省生產(chǎn)總值達(dá)64．73億元，2011年，全省生產(chǎn)總值5 020億元，是1978年的77．55倍，已逐漸成為我國西部的經(jīng)濟(jì)大省。然而，由于甘肅省區(qū)域空間跨度比較大，各地區(qū)之間資源稟賦、氣候環(huán)境、人口狀況等因素有較大的差異，省域內(nèi)部經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及發(fā)展速度不平衡的問題日趨明顯。

2 縣域城市化水平人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)定

2．1 評(píng)價(jià)體系及標(biāo)準(zhǔn)

城市化是人口、空間、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及生態(tài)等多種因素綜合動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，具有豐富、深刻的內(nèi)涵［7］。遵循指標(biāo)選取的綜合性、前瞻性、分布性、科學(xué)性、可比性、可獲得性和數(shù)字化原則［2］，通過系統(tǒng)分析，從空間集聚水平、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平、社會(huì)發(fā)展水平和基礎(chǔ)設(shè)施水平4個(gè)方面構(gòu)建城市化水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，共包括4類17個(gè)指標(biāo)(表1)。

2．2 研究對(duì)象和數(shù)據(jù)樣本

縣域作為我國最基本的行政單元和社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能比較完整的地域單元，具有相對(duì)獨(dú)立的完整體系，是研究區(qū)域發(fā)展的基本單元［8］。本研究在空間單元?jiǎng)澐稚喜捎枚?jí)劃分:首先選取1個(gè)地級(jí)市(嘉峪關(guān)市)和86個(gè)縣(市、區(qū))(包括17個(gè)市轄區(qū)、4個(gè)縣級(jí)市、58個(gè)縣、7個(gè)自治縣)為基本空間單元。然后，選擇經(jīng)濟(jì)區(qū)作為二級(jí)分區(qū)的空間單元，按照陳懷錄、蒲欣冬等的劃分將甘肅省劃分為隴中、河西、隴東、隴南和南部民族地區(qū)(臨夏州、甘南州)5個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)。數(shù)據(jù)來源于《甘肅年鑒》和《中國縣(市)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》2009年的數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)在輸入網(wǎng)絡(luò)前均進(jìn)行歸一化處理。

表1 甘肅省縣域城市化水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab．1 The comprehensive index system of urbanization level of county areas in Gansu Province

2．3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

以表1中的評(píng)價(jià)指標(biāo)(I1～I(xiàn)17)作為17個(gè)輸入層神經(jīng)元，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)公式(其中:m為輸出神經(jīng)元數(shù);n為輸入神經(jīng)元數(shù);a為［1，10］之間的常數(shù))確定為5個(gè)，輸出神經(jīng)元為1個(gè)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)收斂最快，其中輸出層神經(jīng)元為城市化水平分級(jí)，BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為17×5×1結(jié)構(gòu)(圖1)。城市化水平綜合評(píng)價(jià)分為5級(jí):1表示城市化水平低;2表示城市化水平較低;3表示城市化水平中等;4表示城市化水平較高;5表示城市化水平高。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of BP neural network

2．4 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與檢驗(yàn)

準(zhǔn)備訓(xùn)練數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練、測(cè)試和檢驗(yàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵［9］。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究尚處于起步階段，沒有一個(gè)通用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此，本研究根據(jù)所有樣本的數(shù)據(jù)最大值最小值區(qū)間，采用自然斷點(diǎn)分級(jí)法(natural breaks)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)劃分，構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)(表2)。再利用Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，得到網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果。其中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是采用函數(shù)traingda進(jìn)行訓(xùn)練。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果與已有成果進(jìn)行分析［10］來研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的模擬精度。最后網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練的基本參數(shù)為:最大批量訓(xùn)練次數(shù)10 000次，最大誤差為0．000 1。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與已有的研究成果一致時(shí)［10］，網(wǎng)絡(luò)停止訓(xùn)練，保存網(wǎng)絡(luò)。

表2 甘肅省縣域城市化等級(jí)的ANN模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab．2 The evaluation criterion of county urbanization grade by ANN model in Gansu Province

3 縣域城市化水平空間分異及成因

3．1 甘肅省縣域城市化水平空間分異特征

3．1．1 呈正偏態(tài)分布，第三、四級(jí)別的縣市比例略大。根據(jù)城市化水平綜合評(píng)價(jià)值將甘肅省縣域城市化水平分為5個(gè)級(jí)別(表3)，用縣域城市化水平的頻數(shù)分布來表征甘肅省87個(gè)縣市城市化水平的差異特征(圖2)。甘肅省縣域城市化水平的頻數(shù)分布是正偏態(tài)的，偏度值為1．456 7，呈右偏態(tài)分布，均值在峰值的右邊，說明城市化水平較低的所占比例較大;峰度為1．711 3，頻數(shù)分布比正態(tài)分布更集中在平均數(shù)周圍，分布呈尖峰狀態(tài)。

87個(gè)縣市中，第三、四級(jí)別的縣市占了77．01%;城市化水平低于全省均值的有55個(gè)，占了6成以上;32個(gè)高于均值的縣市中還包含了1個(gè)地級(jí)市和3個(gè)縣級(jí)市;城市化水平最高縣市與最低的極差達(dá)到4．206 2，這充分說明了兩極分化的嚴(yán)重。

3．1．2 城市化水平發(fā)展不均衡，呈現(xiàn)西北—東南差異。對(duì)甘肅省87個(gè)縣市城市化水平的測(cè)度及分級(jí)可以看出西北—東南具有明顯的差異(圖3):(1)第一級(jí)別的金川區(qū)位于河西地區(qū);第二級(jí)別除永昌、嘉峪關(guān)位于河西外，其余7個(gè)縣市均位于隴中地區(qū);第三級(jí)別中有6個(gè)縣市位于河西地區(qū)，2個(gè)縣市位于隴中地區(qū)，2個(gè)縣市位于隴南地區(qū);第四級(jí)別中會(huì)寧、永登、皋蘭和榆中4個(gè)縣市位于隴中地區(qū)，其余43個(gè)縣市在河西、隴南、隴東和南部民族地區(qū)的分布相當(dāng);而第五級(jí)別20個(gè)縣市有75%位于隴中和南部民族地區(qū)，15%位于隴東和隴南地區(qū)，河西沒有分布。(2)河西地區(qū)20個(gè)縣市城市化水平均值為2．268;隴中地區(qū)20個(gè)縣市均值為2．127 9;隴南地區(qū)16個(gè)縣市均值為1．327 9，隴東地區(qū)15個(gè)縣市均值為1．236 7，而南部民族地區(qū)16個(gè)縣市均值為1．136 6，僅為河西地區(qū)的50．82%。

表3 2009年甘肅省縣域城市化水平分級(jí)Tab．3 Classification of urbanity of county areas in Gansu Province in 2009

圖2 甘肅省縣域城市化水平頻數(shù)分布圖Fig．2 Frequency distribution on urbanization level of county areas in Gansu Province

圖3 甘肅省縣域城市化水平空間分異圖Fig．3 Spatial disparities on urbanization level of county areas in Gansu Province

3．1．3 經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)部差異大，表現(xiàn)為西北高—東南低的趨勢(shì)。甘肅省5大區(qū)域內(nèi)部縣域城市化水平差異顯著，用反映區(qū)域總體差異程度的綜合指標(biāo)(變異系數(shù)、威廉森系數(shù)和最大與最小系數(shù))來表征5大區(qū)域內(nèi)部城市化水平差異程度，其指標(biāo)值越大說明城市化水平差異越大(表4)?？梢钥闯?，變異系數(shù)和威廉森系數(shù)均是隴中＞河西＞隴南＞南部＞隴東，最大與最小系數(shù)是隴中＞河西＞隴南＞隴東＞南部。城市化水平高的區(qū)域內(nèi)部差異較大;城市化水平低的區(qū)域內(nèi)部差異較小。尤其是隴中地區(qū)，以黃河為界，北部地區(qū)的縣市城市化水平明顯高于南部地區(qū)。

表4 五大區(qū)域內(nèi)部城市化水平差異對(duì)比Tab．4 Comparison on internal urbanization level disparities of five regions

3．2 甘肅省縣域城市化水平空間分異的成因

3．2．1 縣域城市化水平關(guān)聯(lián)因子分析。為了進(jìn)一步分析影響甘肅縣域城市化水平強(qiáng)弱的主要因素，將城市化水平綜合評(píng)價(jià)值Y與17個(gè)指標(biāo)I1～I(xiàn)17進(jìn)行Spearman’s rho相關(guān)分析(表5)。

總體上，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平對(duì)城市化水平的影響最大，其次是空間集聚水平、基礎(chǔ)設(shè)施水平和社會(huì)發(fā)展水平;與城市化水平相關(guān)性最大的因子分別是:反映空間集聚水平的I1(非農(nóng)業(yè)人口比重)、反映經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平的I4(人均GDP)、反映社會(huì)發(fā)展水平的I10(人均社會(huì)消費(fèi)品零售額)、反映基礎(chǔ)設(shè)施水平的I15(每萬人擁有移動(dòng)電話數(shù))。因子I2(人口自然增長(zhǎng)率)和I12(每萬人在校學(xué)生數(shù))與城市化水平呈負(fù)相關(guān)。

3．2．2 縣域城市化水平空間分異的成因。分別計(jì)算第一、二、三、四、五級(jí)別各指標(biāo)的平均值，以直觀表現(xiàn)空間集聚水平、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平、社會(huì)發(fā)展水平和基礎(chǔ)設(shè)施水平的差異對(duì)甘肅省縣域城市化水平差異的貢獻(xiàn)(表6)。

表5 影響甘肅省縣域城市化水平的Spearman’s rho相關(guān)分析Tab．5 Spearman’s rho relative analysis on influencing urbanization level of county areas in Gansu Province

表6 甘肅省不同級(jí)別的空間集聚、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、社會(huì)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施水平Tab．5 Level of space concentration，econom ic progress，social development and infrastructural facility construction of different counties in Gansu Province

(1)空間集聚水平。第一級(jí)別縣市空間集聚水平高，相應(yīng)城市化水平也較高;第四、五級(jí)別縣市空間集聚水平低，相應(yīng)城市化水平也較低。第一、二級(jí)別的縣市大多位于蘭州市轄區(qū)和河西地區(qū)，蘭州市是甘肅省的省會(huì)城市，也是全國聞名的石化工業(yè)基地;河西地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展歷史悠久，自漢代就成為通往西域的通道，是著名的古“絲綢之路”的組成部分;嘉峪關(guān)、玉門、金川區(qū)、白銀區(qū)、阿克塞縣都是典型的資源型工業(yè)城市。這些區(qū)域二、三產(chǎn)業(yè)比重較大，吸引農(nóng)業(yè)人口向城鎮(zhèn)集聚的能力較強(qiáng)，因而空間集聚水平較高，帶動(dòng)了城市化發(fā)展。

(2)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平。甘肅省縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異是其城市化水平發(fā)展差異的主要原因。改革開放以來，甘肅省走的是一條典型的非均衡協(xié)調(diào)發(fā)展之路，從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，無論是從國家的戰(zhàn)略布局看，還是從甘肅的戰(zhàn)略安排看，本來經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件就比較好的“一體兩翼”(一體:蘭州白銀核心區(qū);兩翼:天水和酒嘉經(jīng)濟(jì)區(qū))地區(qū)發(fā)展機(jī)遇更多，經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷得到加強(qiáng)，而經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)相對(duì)較弱的隴東和甘南、臨夏地區(qū)卻很少被惠及，這無疑是在不斷強(qiáng)化和加劇甘肅區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差距，也是形成甘肅縣域城市化水平呈現(xiàn)“西北高—東南低”空間格局的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年第一級(jí)別縣市的人均GDP為74 756．32元，分別為第二、第三、第四和第五級(jí)別縣市的1．67 倍，2．12 倍，3．37 倍和5．67 倍;其中城市化水平最高的金川區(qū)人均GDP為74 662元，而城市化水平最低的積石山縣人均GDP是2 521元，僅為金川區(qū)的3．38%。

(3)社會(huì)發(fā)展水平。第一級(jí)別縣市社會(huì)發(fā)展水平最高，分別為第二、第三、第四和第五級(jí)別縣市的1．52倍，1．51倍，1．59倍和1．89倍。說明第一級(jí)別縣市居民生活質(zhì)量高，科教文衛(wèi)發(fā)展水平先進(jìn)，城市化水平相對(duì)較高。I12(每萬人在校學(xué)生數(shù))表示教育水平，它與城市化水平呈負(fù)相關(guān)，這表明教育發(fā)展滯后于人口增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)物質(zhì)建設(shè)與城市應(yīng)有的教育水平不相符。因此，應(yīng)該提高經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的教育水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與教育的同步發(fā)展，以進(jìn)一步提高城市化水平。

(4)基礎(chǔ)設(shè)施水平?；A(chǔ)設(shè)施水平的高低反映了一個(gè)地區(qū)市政設(shè)施和現(xiàn)代通訊基礎(chǔ)設(shè)施的完善程度，對(duì)城市化水平的高低起到一定的支撐作用。由表6可知，第四、五級(jí)別縣市基礎(chǔ)設(shè)施水平較低。這些縣市一方面經(jīng)濟(jì)落后，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施水平的投入嚴(yán)重不足，另一方面基礎(chǔ)設(shè)施水平落后又造成地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到很大制約。因此，這些地區(qū)應(yīng)加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，形成完善的市政設(shè)施和現(xiàn)代通訊設(shè)施，加強(qiáng)城鎮(zhèn)的物質(zhì)建設(shè)，促進(jìn)城市化水平進(jìn)一步提高。

4 結(jié)語

(1)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)縣域城市化水平測(cè)度進(jìn)行了嘗試。通過選擇空間集聚水平、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平、社會(huì)發(fā)展水平和基礎(chǔ)設(shè)施水平4個(gè)方面的17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)甘肅省縣域城市化水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，把甘肅省87個(gè)縣域的城市化水平綜合評(píng)價(jià)值分為5個(gè)等級(jí)，其結(jié)果比較符合實(shí)際情況。

(2)甘肅省縣域城市化水平空間分異呈現(xiàn)3個(gè)特征:①呈正偏態(tài)分布，第三、四級(jí)別的縣市比例略大;②城市化水平發(fā)展不均衡，呈現(xiàn)西北—東南差異;③經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)部差異大，呈現(xiàn)西北—東南遞減趨勢(shì)，隴中＞河西＞隴南＞南部＞隴東。

(3)對(duì)城市化水平影響最大的是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平，它是提高城市化水平的強(qiáng)大動(dòng)力;與城市化水平相關(guān)性最大的因子分別是:反映空間集聚水平的I1(非農(nóng)業(yè)人口比重)、反映經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)水平的I4(人均GDP)、反映社會(huì)發(fā)展水平的I10(人均社會(huì)消費(fèi)品零售額)、反映基礎(chǔ)設(shè)施水平的I15(每萬人擁有移動(dòng)電話數(shù));因子I2(人口自然增長(zhǎng)率)和I12(每萬人在校學(xué)生數(shù))與城市化水平呈負(fù)相關(guān)，甘肅省在當(dāng)今城市化快速推進(jìn)的過程中應(yīng)該控制人口自然增長(zhǎng)率，加大教育投資，進(jìn)一步提高城市化水平。

［1］ 李誠固，鄭文升，李培祥．我國城市化的區(qū)域支撐模型分析［J］．地理科學(xué)，2004，24(1):1-6．

［2］ 歐名豪，李武艷，劉向南，等．區(qū)域城市化水平的綜合測(cè)度研究——以江蘇省為例［J］．長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2004，13(5):408-412．

［3］ 鄭文升，王曉芳，李誠固．1997年以來中國副省級(jí)城市區(qū)域城市化綜合發(fā)展水平空間差異［J］．經(jīng)濟(jì)地理，2007，27(2):256-260．

［4］ 劉盛和．中國城市化水平省際差異的成因探析［J］．長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2004，13(6):530-535．

［5］ 許月卿，賈秀麗．近20年來中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異的測(cè)定與評(píng)價(jià)［J］．經(jīng)濟(jì)地理，2005，25(5):600-603，628．

［6］ 李雙成，鄭度．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在地學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18(1):68-76．

［7］ 劉艷軍，李誠固，孫迪．區(qū)域中心城市城市化綜合水平評(píng)價(jià)研究——以15個(gè)副省級(jí)城市為例［J］．經(jīng)濟(jì)地理，2006，26(2):225-229．

［8］ 余華，張小林，黃飛飛，等．江蘇省縣域城市性發(fā)展差異的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)定［J］．人文地理，2009，24(4):38-49．

［9］ 常青，王仰麟，吳健生，等．城市土地集約利用程度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判定——以深圳市為例［J］．中國土地科學(xué)，2007，21(4):26-31．

［10］ 潘竟虎，張佳龍，張勇．甘肅省區(qū)域經(jīng)濟(jì)空間差異的ESDA-GIS分析［J］．西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，42(6):83-87，91．