基于GIS的山东省人口分布时空格局及影响因素分析
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摘 要：以山东省2001—2016年县域尺度下的人口统计数据为研究对象，在GIS的基础上，结合人口分布的结构指数以及空间自相关分析，探讨了山东省自2001年以来人口空间分布的时空格局分异规律。结果表明：（1）山东省在县域尺度下人口空间分布格局总体呈现多个同心环、西南高东北低的规律，人口两极分化明显。（2）以2001—2016年间每5年作为1个周期，人口分布的不均衡指数和集中指数当逐年递增的趋势，人口分布趋向于集中;2016年以前人口重心在东西方向上，每年缓慢地向东偏移1′左右，但在2016年，人口重心在东西方向上偏移了7′，南北方向上人口重心偏移则不明显。（3）利用GeoDa软件对县级人口密度进行处理，得出全局莫兰指数在逐年减小。表明山东省人口空间不是随机分布的状态，在一定程度上呈现出空间自相关性;根据局部莫兰指数进行局部空间自相关分析，将人口分布集聚的空间关联类型分为高-高、低-低、高-低、低-高4种类型。（4）区域自然环境与经济发展水平是影响人口分布时空格局的主要驱动因素。
关键词：人口分布;人口密度;空间自相关;GIS
中图分类号 C922;K901.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）09-0158-5
Abstract：Taking the population statistics under the county scale of Shandong province for 2001—2016 years as the research object， combining the structure index of population distribution and spatial autocorrelation analysis on the basis of GIS， this paper probes into the law of spatial and temporal pattern differentiation of population spatial distribution in Shandong Province since 2001， The results show that：（1） The spatial distribution pattern of population in Shandong province under the county scale shows a number of concentric rings，the law of Southwest high northeast and low，and the population polarization is obvious. （2） An unbalanced index and a concentrated index of population distribution as a cycle for a period of 2001—2016 years，which is increasing from year to year，tends to be concentrated; Before 2016，the population center of gravity shifted slowly eastward to east and West 1′， but in 2016， the population center of gravity shifted upward in the east and West 7′， The shift of population center of gravity in the north-south direction is not obvious. （3） Using Geoda software to deal with county-level population density， it is concluded that the global Moran Index is decreasing by year， which shows that the population space in Shandong province is not a randomly distributed state， which shows spatial autocorrelation to a certain extent， and the spatial correlation types of population distribution agglomeration are divided into high-high and higher， according to the local Moran index. Low-low， high-low， low-high 4 types. （4） The regional natural environment and economic development level are the main driving factors affecting the spatial and temporal pattern of population distribution.
Key words：Population distribution;Population density;Spatial autocorrelation;GIS
人口分布是指在一定時间内，存在于某个地区的一种人口动态变化的形式。从某种程度上来说，它反映的是一个地区自然条件和经济发展水平的差异[1]。研究人口分布时空格局的演变，对于探索该区域人口空间布局的规律，实现经济的可持续发展，促进区域人口、经济和资源的协调发展有着重要的指导意义[2]。 目前，国内对于人口分布研究的主流是以“3S”技术为依托，结合人口密度模型对各省市或区县行政区分析，其研究机制正日趋完善。钟少颖等运用Clark模型和GIS插值分析的方法，模拟北京市2000—2010年人口密度分布函数，分析得出北京人口呈现由中心向周边扩散的趋势[3];马淇蔚等在GIS和RS的基础上，对2000—2010年间杭州市多源人口数据采用圈层分析、空间统计的方法，指出主要呈现核心集聚、边缘离散的双重特征[4];邓楚雄等采用反距离权重插值法、探索性空间数据分析（ESDA）等方法探究了湖南省1982—2010年人口分布呈现东高西低的特点，并指出自然资源与经济发展水平是决定人口分布格局的主要因素[5]。随着各种分析方法的更新，国内学者对于各地区人口分布的研究正趋于成熟。
当前，对于山东省人口分布格局的研究，其研究时间与分析尺度不统一。鉴于此，为了更合理、高效地反映人口分布的尺度依赖性[6]这一特点，本研究在GIS和空间统计学方法的基础上，以山东省各县级行政区为研究单位，在时间和空间2个尺度下，以2001—2016年间每5年的人口数据为单位进行了综合分析，从而探究其潜在的人口演变特征和主要影响因素。
1 数据来源与研究方法
1.1 数据来源 本文主要以山东省17地市区和138个县为研究对象，所需的人口数据来自《山东省统计年鉴》（中国统计出版社，2001—2016）。由于山东省行政区划在2001—2016年期间经过县区合并等相应的调整，因此选取了以2014年为准的山东省县级行政区底图，此底图来源于基础地理信息共享库。
1.2 研究方法
1.2.1 人口分布的结构指数 人口分布的结构指数常被用来衡量某一地理空间人口分布的集中程度，主要包括集中指数和不均衡指数[7]。其计算公式为：
式中：n具体指市级尺度上研究区的个数，[xi]为第i个地级市总人口数占全省总人口数的比重;[yi]为第i个地级市土地面积占全省总面积的比重;C、U的数值与该地区人口的空间结构分布成反比，值越小则越均衡;反之，则越不均衡。
本文中人口重心是在每个县（市区）的人口数量基础上以此作为权重来获得空间质心，然后通过分析人口重心与几何中心的实际偏移量来反映该区域人口分布的均衡状况。其人口重心模型[8]即：
式中，[yi]为第i个县（市区）的地理坐标，[pi]为第i个县（市区）的总人口数，[x]和[y]即该地区的人口重心坐标。
1.2.2 空间自相关分析 空间自相关常用来检验某一现象与其相邻空间单元的现象关联性是否显著。近年来，以人口学为代表的研究领域主要通过空间统计分析方法来解释不同人口分布的空间模式以及非常态现象[9-11]。根据上述理论研究重点的不同，空间自相关又分为检验整个区域范围内空间形态的全局自相关和相邻区域单元空间形态的局部自相关[12]。
Moran's I（莫兰指数）主要用来检验整个研究区内相邻区域之间是否存在正相关性或负相关性，或者它们是否相互独立且随机分布。莫兰指数I值的范围是[-1，1]，当值I越接近1则相邻空间单元相似性越大;当I值越接近-1时则相邻空间单元相异性越大。如果Moran's I指数的值I接近0，则表示相邻的空间单元主要是以随机状态分布，或者相邻空间单元之间不存在空间自相关性[13]，其计算公式：
该研究区的空间权重。表达式为：
在莫兰指数（Moran's I）基础上，局部莫兰指数（LISA）衡量的是相邻空间单元之间属性的相似性及其显著性水平，LISA集聚图主要是以4种空间关系来呈现：高-高、低-低、低-高、高-低[14]。LISA指数常被用来度量区域i和它邻域之间的关联程度，定义为：
式中：[S2x]=[jxi-x2/nn]是属性x的方差。当[Ii]>0时，表明局部某县（市区）与其相邻县（市区）的人口集聚存在着正相关性。[Ii]<0时，表明局部某县（市区）与其相邻县（市区）的人口集聚存在着负相关性。由此可以得出空间正相关性水平较高的“高-高”分布、空间正相关性水平较低的“低-低”分布、空间负相关性的“高-低”和“低-高”分布4種空间集聚形态;其他局部相关性分布特征则不明显[15]。
2 山东省人口空间分布空间格局
2.1 人口密度 根据山东省2017年人口普查数据可知，山东省人口的自然增长率以每年5‰左右的趋势在不断增长，但是在2016年，山东省的人口自然增长率达到了10.84‰;人口密度由2015年的624人/km2增长到630人/km2。由图1所示，在137个县级市中，人口密度差异巨大：以2016年为例，人口密度最低的东营市河口区为107人/km2，而人口密度最高的青岛市市南区达到了19762人/km2，后者是前者的185倍，且远大于全省的平均水平。总体上来说，山东省人口分布整体上是以“西南-东北”分布为主，局部地区分散着多个人口密集圈为辅的特点存在：即人口密度较高的地区主要集中在山东西南部，鲁中地区的济南和淄博地区以及青岛市区、潍坊市辖区为中心的多个人口密集圈;密度较低的人口区域主要分布在黄河三角洲北部以及胶东半岛地区的部分县级市。因此，在县级范围内山东省人口分布差异性明显不同。
2.2 人口分布的空间演变特征
2.2.1 人口分布指数和不均衡指数 为了考察人口分布在一个地域的均衡程度，需要用不均衡指数和集中指数来体现。根据公式（1）和（2）对17地市的人口与面积计算得到山东省2001—2016年的不均衡指数与集中指数（表1）。由表1可知，总体上，在2001—2011年间，集中指数与不均衡指数是呈上升的趋势，而2016年相对于2011年人口分布的集中趋势明显。分析其中原因，主要是山东省近几年城市化进程的不断加快，促进更多各县级市人口向大城市集中，使得比重不断增加。总体而言，山东省人口分布结构较均衡，呈趋向于集中的态势。 2.2.2 人口重心迁移特征 通过人口重心的迁移方向可以比较直观地体现了人口再分布的动态分布特征。根据人口重心模型，可以计算得出山东省自2000年以来人口重心位置的变化。山东省的几何中心位于淄博市博山区东南方向，坐标为118°4′6″E，36°21′51″N。山东省人口重心位于潍坊市临朐县中部偏南境内，总体上接近几何中心。由表2可知，经度上山东省人口重心为逐渐往东部移动的趋势，变化并不大，基本上在1′左右。而2016年，人口重心在经度上往西移动了7′，超过了2001—2011年移动的距离。2016年移动的幅度如此之大，说明2016年山东省人口分布的特点呈现加快向西偏移趋势。导致这一现象出现最主要的原因是当年“全面二胎”人口政策的调整实施，使得鲁西南人口重心的比重大幅增加;纬度方面变化幅度较小，说明在南北方向上人口比重变化不大，人口重心仍然是集中在鲁西南方向[16]。
2.3 人口的空间集聚分析
2.3.1 全局空间自相关分析 全局Moran's I指数反映了山东省各县市人口分布的总体自相关特征，根据全局自相关公式（5），在GeoDa的支持下，计算山东省县级尺度下的全局Moran's I指数。由表3可知，山东省各县（市区）的人口分布整体上呈现出空间正相关。自2001年以来，山东省人口分布的空间正相关性的趋势在不断地降低，整体上趋向于不断扩散的态势，人口分布正趋于多元化。
2.3.2 局部空间自相关分析 为了更深层次地探究山东省县域尺度上人口分布的空间相关性，有必要以人口密度为研究对象，通过一阶广义邻接矩阵[17]（Queen Contiguity）的方法生成空间权重矩阵，在此基础上，进行全省范围内的局部空间自相关分析。通过公式（4）算出局部自相关指数，结合GeoDa软件对2001年、2006年、2011年和2016年的人口密度通过局部空间自相关分析得出图3，即在县域尺度上的空间分布格局具有一定的特点，主要表现在高-高集聚、低-高聚集和低-低集聚状态。
由图3可知，通过对山东省人口密度数据进行局部空间自相关分析，山东省人口空间集聚性总体上不明显，主要以高-高集聚和低-低集聚的形式存在，而且高-高集聚和低-低集聚有较强的稳定性，尤其是低-低集聚大都集中在鲁北的东营、滨州以及德州的部分县市区和胶东半岛的烟台大部分县市区，威海的环翠区和乳山市，青岛、日照、临沂的个别县级市区，且基本维持不变。而其他聚集区则数量较少，其中高-高集聚区主要集中在青岛市辖区、李沧区和济南市中区、历下区。鲁西南地区虽然人口比重较大，但是人口密度比较平均，人口集聚分析不显著;对于表现出负相关性特征的低-高集聚还是高-低集聚的县市数量比较少，其中低-高集聚的区域集中在青岛城阳区和崂山区，而高-低集聚区则表现出较大的随机性。
3 山东省人口分布时空格局的主要影响因素
总体来看，除了2016年山东省人口政策的调整对人口重心迁移影响较为明显之外，自2001开始，在县域尺度上，山东省各地市人口的数量呈不断增加的趋势，但是不同地域人口的增长幅度差异较大。并且随着地域的变化，人口集中性也在变化，特别是在经济发达的地区，人口分布集中。从自然地理环境方面来说，济南、菏泽、济宁等地因地势平坦，年均温较其他地区高，每年降水量比周围地区较丰富，有利于当地农作物的生长，所以良好的自然因素是这一区域人口密集的主要原因[18]。相比之下，济南市下属各县、区的部分区域由于泰山山脉等地理因素的分布使得这一地区人口密度低，再加上济南市及其周边城市化水平的速度加快，人口多集中在济南市及其周边地区[19];同样对于临沂市的周边县市，由于沂蒙山山脉地形的影响，交通、经济不发达，人口分布比较分散[20]。而处于低低集聚区的东营、滨州黄河三角洲地区，虽然地处平原，但因大部分土地位于黄河入海口受到较强的海岸侵蚀，加上黄河周围湿地分布广泛等自然条件不适合当地居民居住，而且黄河三角洲地区盐碱地分布广泛，不利于农业生产，综合以上因素使得周围人口分布较稀疏。地形以丘陵为主的胶东半岛低-低、低-高集聚区，地形复杂，所以人口多集中于地势比较和缓的沿海地区如青岛、烟台、威海等地，而且山东半岛城市群地理位置优越，水上交通便利，历史上发展的时机较早，经济发展和城市化水平要高于半岛的内陆地区，使得周围人口向沿海地区流动，从而与周围县市区的人口差异比较明显。
4 结论
本文在山东省各县（市、区）的人口密度的基础上，通过计算人口分布的结构指数，分析人口迁移重心;采用空间自相关分析方法，对近20年来山东省人口的总体分布特征以及演化趋势进行了量化数据分析，得到以下结论：
（1）山东省人口总量在县域尺度上整体分布差异较为明显;不同县（市、区）之间人口密度的差别较大，人口空间分布格局呈现西南高东北低的整体态势，局部出现多个人口密集圈的特点。
（2）2001—2016年间，山东省在县域尺度上人口分布的不均衡指数和集中指数均不断增大，其主要原因是城市化水平在不断加快。2016年前，人口重心向东缓慢的移动，2016年加速向西偏移，主要是受到山东省“全面二胎”人口政策的影响，加速了人口重心遷移的速度。
（3）利用GeoDa对山东省县域人口密度进行全局自相关分析和局部自相关分析得出，随着时间的推移，全局Moran's I指数不断减小，且都为正值，说明全省内部各县（市区）互为空间正相关关系，整体分布向多元化方向发展。结合局部自相关LISA图，综合考虑影响人口分布的自然因素、历史因素以及经济因素等，从而在一定程度上解释了人口分布差异化较大的原因。
为了更深层次地探索山东省人口的空间分布特征，今后还需要结合社会发展环境、经济发展水平以及城镇化水平等相关量化数据进行相关性的统计分析。若要精确的分析山东省人口分布格局，还必须综合自然环境、社会经济、人文风情、历史条件等多方面的因素，才能更全面地揭示人口分布格局的演变特征。 参考文献
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（责编：张宏民）作者简介：张鹏飞（1989—），男，山东莱芜人，在读硕士，研究方向：GIS分析与应用。 *通讯作者 收稿日期：2019-03-20
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