CN101286210A

CN101286210A - 一种人口空间分布数值模拟系统

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Publication number: CN101286210A
Application number: CNA2007100653351A
Authority: CN
Inventors: 岳天祥; 王英安
Original assignee: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources of CAS
Current assignee: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources of CAS
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-15

Abstract

本发明公开了一种人口空间分布数值模拟系统，包括：数据输入单元，用于对接收自外部输入的原始数据进行预处理，并输出给数据库管理单元；数据库管理单元，用于存储和管理数据输入单元输入的数据；模型库管理单元，用于存储和管理数据模型；模型计算单元，用于对数据进行模型计算，将结果输出给误差分析单元、查询统计单元或图表输出单元；误差分析单元，用于对数据以及计算结果进行误差分析，将结果输出给图表输出单元；查询统计单元，用于对数据以及计算结果进行查询统计，将查询统计结果输出给图表输出单元；图表输出单元，用于对处理结果采用地图或者统计图表的方式显示或者打印输出。本发明解决了SMPD模型的维护、管理和误差分析等问题。

Description

一种人口空间分布数值模拟系统

技术领域

本发明涉及地理信息系统技术、数据库管理技术和模型库管理技术领域，尤其涉及一种基于上述三种技术的人口空间分布数值模拟系统。

背景技术

人口空间分布曲面模型(SMPD)是一个融合了多种数据来源、多种空间尺度的复杂系统。该模型通过反演和预测的方式，按照均匀分布、规则大小的格点单元来计算人口密度，突破了传统按行政区界线计算人口密度的方法，丰富了获取人口密度指标的方法，提高了人口密度指标的精确程度和应用范围。

SMPD模型不仅理论上较为完美，更多地使用原始数据，而且当土地覆盖类型、交通基础设施和城镇居民点空间分布的情景发生改变之后，能够基于总人口预测值建立新的人口空间分布情景。它不仅考虑到当前格点所处环境对人口分布的影响，而且通过定义一个搜索半径，能够计算搜索范围内的相邻因素对当前格点的影响。此外，还可通过引入交通基础设施规划、城市发展规划、土地覆盖变化和人口预测的研究成果，分析人口空间分布未来情景，实现许多全球性生态环境项目中亟待解决的人口空间分布预测。

SMPD模型的用户主要为模型的研究者以及人口数据的使用者。这些用户的特点是已了解SMPD模型的相关知识，需要进一步研究改进模型或者得到人口模拟数据的支持。因此，用户的具体需求如下：

(1)元数据管理的系统化。元数据是“关于数据的数据”(田大刚等，2000)，它记录的是有关数据和模型自身的信息，如数据的生成时间、格式、处理过程、误差精度、使用范围等。无论是对模型的研究开发者还是使用者，充分地掌握模型系统的元数据都是至关重要的。

(2)数据处理、模型运算、结果表达的自动化和科学有效性。由于本系统的用户多为科研人员，要求科学严谨，从原始输入数据的预处理到模型运算直至最后的结果显示不仅要求智能化、自动化，而且要严格控制数据的处理流程和精度，保证数据的科学性和有效性。

(3)系统结构易于修改。由于SMPD模型尚待继续改进和完善，要求系统结构的设计要灵活、合理，便于修改和升级。

(4)系统界面友好。由于多数用户并不十分熟悉具体的模型结构和计算过程，为他们能方便、正确的使用本系统，需要软件系统具有简单、直观、友好、交互式的图形用户界面(张梨，1996)。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种人口空间分布数值模拟系统，以解决SMPD模型的维护、管理和误差分析等问题，为人口数据使用部门提供数据支持服务。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种人口空间分布数值模拟系统，该系统包括：

数据输入单元，用于对接收自外部输入的原始数据进行预处理，并将预处理后的数据输出给数据库管理单元；

数据库管理单元，用于存储和管理数据输入单元输入的数据；

模型库管理单元，用于存储和管理数据模型；

模型计算单元，用于利用模型库管理单元中的数据模型对数据库管理单元存储的数据进行模型计算，将模型计算的结果输出给误差分析单元、查询统计单元或图表输出单元；

误差分析单元，用于对数据库管理单元存储的数据以及模型计算单元计算的结果进行误差分析，将误差分析结果输出给图表输出单元；

查询统计单元，用于对数据库管理单元存储的数据以及模型计算单元计算的结果进行查询统计，将查询统计结果输出给图表输出单元；

图表输出单元，用于对模型计算单元、误差分析单元或查询统计单元的处理结果采用地图或者统计图表的方式显示或者打印输出。

上述方案中，所述外部输入的原始数据包括人口统计数据、数字高程数据、植被净第一性生产力数据、交通网空间分布数据、城市规模及空间分布数据、模型计算的中间结果数据和参数设置数据；所述对外部输入的原始数据进行预处理包括投影变换、格式转换、误差纠正。

上述方案中，所述数据库管理单元采用.dbf文件格式存储和管理数据，包括空间数据库、属性数据库和元数据库，空间数据库由地理信息系统软件ArcGIS 8.3维护和管理，属性数据库和元数据库由关系型数据库管理系统Visual Foxpro 6.0存储和管理。

上述方案中，所述空间数据库为图形数据库，由具有基础性和空间分布特征的矢量图及栅格专题图组成，其中的数据类别包括矢量图、栅格图、文字和数字。

上述方案中，所述空间数据库按数据内容分为基础信息图层和模型输入数据图层；所述基础信息图层包括行政区划、土地利用和水系；所述模型输入数据图层包括数字高程数据、植被净第一性生产力数据、交通网空间分布数据和城市规模及空间分布数据。

上述方案中，所述属性数据库用于实现模型计算和误差分析，由社会统计数据组成；数据类别有数字、文本，按内容分为行政区人口统计数据和社会经济数据。

上述方案中，所述元数据库存储空间数据库和属性数据库中数据的元数据，并存储模型库的元数据信息，包括常量、变量、模型和函数的编号、名称、含义、版本、路径、误差精度以及简单的使用说明。

上述方案中，所述数据库还包括关系型数据库和空间数据库；所述关系型数据库用于存放并管理系统所需的各种属性数据和元数据，包括人口统计数据和系统元数据等；所述空间数据库用于存放并管理数字高程数据、遥感影像数据、植被净第一性生产力数据、交通网及空间分布数据和城市规模及空间分布数据，并提供空间分析功能，由地理信息系统GIS软件来管理。

上述方案中，所述模型库管理单元包括人口空间分布曲面SMPD模型组、误差分析模型组和查询统计模型组；所述模型库管理单元采用基于元数据的模型库管理方法将模型、函数和变量的元数据信息都存储在关系型数据库中，以唯一对象编码进行联接调用，从而形成一个完整的计算模型。

上述方案中，所述模型计算单元对数据进行模型计算包括：在图形用户界面上交互式调整因子系数、计算模拟，并将运算结果按照指定格式存储。

上述方案中，所述误差分析单元进行误差分析包括：自动计算每次模拟数据的相关系数和回归系数等指标，并将结果以图表的形式显示。

上述方案中，所述查询统计单元进行查询统计包括基础信息复合查询、划定任意区域查询和缓冲区分析查询三种查询统计方法；所述基础信息复合查询包括直接输入SQL语句查询和复合指标查询两种方式；所述划定任意区域分析查询用于对任意多边形范围内的地理区域进行各种常用项统计；所述缓冲区分析查询用于对划定的任意折线或任意区域周围一定缓冲半径范围内的地理区域进行各种常用项统计。

上述方案中，所述图表输出单元输出表格、图表两种统计报表，并输出专题图；还提供电子地图常用的操作工具，用于对地图进行缩放和漫游操作。

上述方案中，所述数据输入单元、模型计算单元、误差分析单元、查询统计单元和图表输出单元各自对应一组图形用户界面，用以提交用户的操作请求。

上述方案中，系统接到某一个单元的任务请求之后，将任务请求分解成数据和模型两部分，然后通过数据库管理单元搜索相应的单元记录，将其集成到一起进行运算输出。

上述方案中，该系统中的数据管理通过Foxpro数据库管理系统进行，文件传输采取.dbf格式，模型运算数据采取.dbf文件或者文本文件的形式进行子系统之间的数据交换，在MS Excel中制作统计图表，在ArcGIS中绘制地图。

上述方案中，该系统中的数据运算使用Foxpro语言来进行，并采用Visual Foxpro对模型进行进行计算。

上述方案中，该系统的软件开发环境包括以下几类：地理信息系统软件，包括ARCGIS，MapInfo，MapObject或MapX；数据库管理软件，包括Foxpro，Oracle或SQL-Server；数值处理与计算软件，包括MS Excel，MatLab或SPSS；高级程序设计语言环境，包括Visual C++，Visual Basic或Delphi。

上述方案中，该系统采用ArcGIS 8.3和MapObject 2.1处理空间数据，采用Visual Foxpro 6.0处理属性数据和模型运算，采用Visual Basic 6.0和Delphi 6.0作为系统主导模块的开发环境，采用MS Excel 2000将运算数据生成统计图表并显示输出。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、便于数据维护。本发明提供的这种人口空间分布数值模拟系统，利用软件系统的数据维护模块，可以实现对原始数据输入的质量、存储格式以及预处理过程的统一管理。

2、便于模拟计算。本发明提供的这种人口空间分布数值模拟系统，在模型运算人机交互界面下，可以很方便的记录模型各因子的指数、系数的设置和更改情况，更好的服务于后面的数据分析。在误差分析单元中，可以对模型各因子和计算结果自动进行相关分析和回归分析，并同时显示模型运算的精度。利用图表输出单元，可以交互式地在屏幕或者打印机上生成各种地图和数据图表。

3、便于和其他系统集成。本发明提供的这种人口空间分布数值模拟系统，通过软件系统中预留的数据接口，可以很方便地与外部系统连接并进行数据交换，以便完成与其它空间数据(如资源、环境、经济、社会调查数据等)在同一平台上的有机集成，从而实现数据共享和系统集成。

4、便于应用。本发明提供的这种人口空间分布数值模拟系统，通过软件系统中元数据管理单元和图表输出单元，可以取得规范的数据成果，以便应用于其他相关项目。

5、本发明提供的这种人口空间分布数值模拟系统，将一系列数据操作过程集成到一个软件系统，以批处理或者交互式的方式自动完成，从而大大提高了系统的智能化、自动化程度以及操作过程的规范化，最大限度地减少了人为因素的干扰。

附图说明

图1为本发明提供的基于关系数据库的模型库管理系统的结构示意图；

图2为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统的逻辑结构示意图；

图3为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统的物理结构示意图；

图4为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统的主界面；

图5为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统中误差分析单元的图形用户界。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

由于SMPD模型的用户主要为模型的研究者以及人口数据的使用者，这类用户的需求在前文已详细描述，基于这类用户的需求，系统设计要考虑如下特殊要求：

第一，系统要包含元数据管理模块，统一、有效地管理整个系统的元数据信息，为以后的系统升级和系统集成提供标准文档；

第二，模型计算模块要具有结构化和可扩充性的特点，便于修改和增加新的模型；

第三，为保证系统输出结果为多数用户接受，在系统兼容性上要考虑多种数据输入与输出格式，输出格式也需直观。

有鉴于此，本发明借鉴国际上较为先进的数据融合理论和格点生成方法，基于地理信息系统技术，建立了人口空间分布曲面模型(SMPD)，并利用其反演和预测中国人口空间分布状况。

首先，在全国、省级和城市三个空间尺度，综合考虑海拔高程、陆地植被净第一性生产力、土地利用和土地覆盖、交通基础设施空间分布、相邻城镇居民点规模及其空间分布等因素对人口空间分布的影响，实现了人口空间分布的历史反演和未来情景模拟，完成整个中国范围内人口分布SMPD建模的空间尺度效应实验。

研究结果表明，仅通过调整模型部分系数便可以在各种空间尺度下取得良好的模拟效果。文中通过系统的误差分析方法，在全国尺度上定量研究模型中各因子与人口密度之间的相关性，并通过计算确定全国尺度上模拟精度约为87％。为了实现模型运算的自动化，初步构建起一个比较实用且高效的软件系统平台，在此平台上可以实现SMPD模型的原始数据预处理、运算模拟和误差分析等功能，为深入了解模型机理和进一步修正模型系数，实现更高模拟精度奠定基础，也为后继研究工作提供了有力工具。

本发明提供的人口空间分布数值模拟系统，采取非通用软件设计方案，借鉴现今程序设计的主导思想一面向对象的程序设计(Object OrientalProgramming，OOP)(杜江等，2000)，按功能将系统分成几个模块进行设计开发。这些模块相互独立，每个模块均能独立完成系统指定的任务。

需要指出的是，这种设计方法虽和传统的模块化程序设计有类似特点，但本质却不同。尽管它们都是将系统分解成独立的子模块，完成总任务的一部分，但在传统的模块化程序设计过程中，各个子系统处理的对象是一致的，模块间不能够独立运行。而本系统的设计是借鉴面向对象程序设计思想，将系统分解成若干子模块且每个模块本身具有一定的方法和数据。模块相互独立但可进行并行运算，其中的通讯机制采用文件。

将模块间的通讯设定为文件传输主要是考虑到整个系统的研究范围涉及诸多因素，如空间数据的获取、属性数据的管理、模型的计算、模拟结果的输出等。这些决定了系统开发不可能由单一开发环境完成。采用文件传输的方式，可以保障各种数据管理、模型运算等功能模块在不同的环境下工作。

系统设计从各个子模块入手，其中空间数据的处理、显示和查询由地理信息系统软件完成；元数据、属性数据管理及模型计算由数据库管理信息系统软件处理；模拟结果的分析和统计图表输出由数值处理软件完成；系统的主控部分及子模块间的通讯与控制等是在高级程序设计语言环境下设计。软件开发环境包括以下几类：地理信息系统软件(ARCGIS，MapInfo，MapObject，MapX等)；数据库管理软件(Foxpro，Oracle，SQL-Server等)；数值处理与计算软件(MS Excel，MatLab，SPSS等)；高级程序设计语言环境(Visual C++，Visual Basic，Delphi等)。作为试验性研究，本系统选用ArcGIS 8.3和MapObject 2.1处理空间数据，VisualFoxpro 6.0处理属性数据和模型运算，Visual Basic 6.0和Delphi 6.0作为系统主导模块的开发环境，利用MS Excel 2000将运算数据生成统计图表并显示输出。

下面介绍本发明提供的人口空间分布数值模拟系统在开发过程中采用的主要技术手段。本发明提供的人口空间分布数值模拟系统研究的应用技术主要包括：地理信息系统、数据库管理系统、模型库管理系统及图形用户界面等，简单介绍如下：

第一，地理信息系统(GIS)。GIS由计算机软硬件系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及行政管理提供知识和服务，为工程设计和规划、管理决策服务。可以说，有空间数据的地方就需要GIS技术的支持。

第二，数据库管理系统。数据库的管理是任何模型系统运行的基础，数据库管理系统为计算机数据信息的管理提供了数据存储(Storing)、提取(Retrieving)和操作(Manipulating)手段。理论方面最成熟的数据库模型是关系数据库(Relational Database)，它将相关的数据信息组织成二维表格的形式，并运用关系代数进行数据处理。

第三，模型库管理系统。通过对可持续发展信息系统模型的分析，如宏语言编写的模型、以API形式提供的模型、以对象控件形式提供的模型，本文采用关系数据库这一简便的形式对其进行管理，这也成为本文的创新点之一。这3种模型类型的规范如下：

以宏语言编写的模型：要求每一个模型都要具有自动启动运行平台的能力，运行结束后自动退出该平台。模型中一般每个模型只包含一个主函数，输入输出变量都是字符型，代表文件名称。

高级语言开发的可执行模型或动态连接库：除了包含主函数外，其它可被公用和共享的函数也在模型库管理系统中注册。

以对象控件形式提供的模型：输入输出变量成为对象的属性，事件响应函数一般不再有参数变量。但对于控件对象模型运行来说，一定有一个或几个函数控制控件运行并改变输入输出参数。因此，可以将这些函数与引起变化的属性结合在一起，构成一个关系数据库数据项，用关系数据库来管理。

模型库管理系统通过如下的连接实现对模型、函数和变量的管理，每个框图都符合标准的3NF范式，可以用关系数据库进行管理，实现模型级的管理、函数级的调用和变量级的耦合(王桥等，1997)，具体结构如图1所示，图1为本发明提供的基于关系数据库的模型库管理系统的结构示意图。

在图1所示这种模型库管理系统下，通过变量编号可以查找函数编号和模型编号，进而查找变量、函数和模型的各类信息。反之，通过模型编号也可以查找属于这个模型的所有函数和变量，同时也可以查询同一个函数被哪些模型所调用。这种模式支持对模型级、函数级和变量级的查询、添加、删除、修改等，可以实现对集成系统各类模型的统一管理。

数据库集成平台和模型库集成平台具有相互独立而又紧密联系的特点，提供了数据与模型在逻辑上独立的内在机制。本文基于关系数据库提出的模型库管理系统不仅提供模型级的管理，而且提供了函数级和变量级的管理，突破了传统的输入数据文件加模型得到输出数据文件的模式。因此，系统可以在更细微的层次上实现数据与模型的交互控制，同时也为可视化构模奠定了基础。

第四，图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)技术。友好的用户界面对于一个软件系统能否被用户正确使用将起极大的作用。基于图形的工具箱、图形库函数的日益增多，为开发图形用户界面提供了技术支持。本系统通过利用这些技术，设计友好的图形界面，便于用户使用，

根据上述系统的总体设计思想，系统在逻辑结构如图2所示，图2为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统的逻辑结构示意图。该系统包括数据输入单元、数据库管理单元、模型库管理单元、模型计算单元、误差分析单元、查询统计单元和图表输出单元。

其中，数据输入单元，用于对接收自外部输入的原始数据进行预处理，并将预处理后的数据输出给数据库管理单元。外部输入的原始数据包括人口统计数据、数字高程数据、植被净第一性生产力数据、交通网空间分布数据、城市规模及空间分布数据、模型计算的中间结果数据和参数设置数据。对外部输入的原始数据进行预处理包括投影变换、格式转换、误差纠正等(李德仁，1997)。

另外，数据输入单元还对接收的元数据进行管理，包括统一存储和管理输入、输出数据以及模型的元数据信息，并按照指定格式检索、显示和打印信息。

数据库管理单元，用于存储和管理数据输入单元输入的数据。数据库管理单元采用.dbf文件格式存储和管理数据，包括空间数据库、属性数据库和元数据库，空间数据库由地理信息系统软件ArcGIS 8.3维护和管理，属性数据库和元数据库由关系型数据库管理系统Visual Foxpro 6.0存储和管理。

所述空间数据库为图形数据库，由具有基础性和空间分布特征的矢量图及栅格专题图组成，其中的数据类别包括矢量图、栅格图、文字和数字。空间数据库按数据内容分为基础信息图层和模型输入数据图层，基础信息图层包括行政区划、土地利用和水系等，模型输入数据图层包括数字高程数据、植被净第一性生产力数据、交通网空间分布数据和城市规模及空间分布数据等。

所述属性数据库用于实现模型计算和误差分析，由社会统计数据组成；数据类别有数字、文本，按内容分为行政区人口统计数据和社会经济数据。

所述元数据库存储空间数据库和属性数据库中数据的元数据，并存储模型库的元数据信息，包括常量、变量、模型和函数的编号、名称、含义、版本、路径、误差精度以及简单的使用说明。

另外，所述数据库还包括关系型数据库和空间数据库。关系型数据库用于存放并管理系统所需的各种属性数据和元数据，包括人口统计数据和系统元数据等。空间数据库用于存放并管理数字高程数据、遥感影像数据、植被净第一性生产力数据、交通网及空间分布数据和城市规模及空间分布数据，并提供空间分析功能，由地理信息系统GIS软件来管理。

模型库管理单元，用于存储和管理数据模型。模型库管理单元包括人口空间分布曲面SMPD模型组、误差分析模型组和查询统计模型组。模型库管理单元采用基于元数据的模型库管理方法将模型、函数和变量的元数据信息都存储在关系型数据库中，以唯一对象编码进行联接调用，从而形成一个完整的计算模型。

模型计算单元，用于利用模型库管理单元中的数据模型对数据库管理单元存储的数据进行模型计算，将模型计算的结果输出给误差分析单元、查询统计单元或图表输出单元。在图形用户界面上交互式调整因子系数、计算模拟，并将运算结果按照指定格式存储。

误差分析单元，用于对数据库管理单元存储的数据以及模型计算单元计算的结果进行误差分析，将误差分析结果输出给图表输出单元。自动计算每次模拟数据的相关系数和回归系数等指标，并将结果以图表的形式显示。

查询统计单元，用于对数据库管理单元存储的数据以及模型计算单元计算的结果进行查询统计，将查询统计结果输出给图表输出单元。查询统计单元进行查询统计包括基础信息复合查询、划定任意区域查询和缓冲区分析查询三种查询统计方法。

基础信息复合查询包括直接输入SQL语句查询和复合指标查询两种方式。系统充分考虑用户的深层需求，提供了复合查询方法，包括直接输入SQL语句查询和复合指标查询两种方式。其中，直接输入SQL语句方式适合于了解数据库结构和SQL语句的数据库管理员使用；复合指标查询方式是系统提供的完全语言化的查询方式，使用VB设计开发，具有较强的交互式语言转换功能，可将用户选择输入的语句转化为数据库操作语句，对操作者无特殊要求。

划定任意区域分析查询用于对任意多边形范围内的地理区域进行各种常用项统计。该方法可以对任意多边形范围内的地理区域进行各种常用项统计。为了达到查询速度和数据精度的最佳结合点，用户可选择数据统计的最小统计单元。如，用户若需要对划定任意区域内的省区与省区之间的数据进行对比，可以选择省区为最小统计单元；若需要对划定任意区域内的县市与县市之间的数据进行对比，则可以选择县市为最小统计单元。这样做可以达到最快的查询速度，并保证数据基本没有损失。

缓冲区分析查询用于对划定的任意折线或任意区域周围一定缓冲半径范围内的地理区域进行各种常用项统计。缓冲区是划定的任意折线或任意区域周围一定缓冲半径范围内的地理区域(张健挺，1998)。缓冲区分析是很有应用价值的灵活查询统计分析方法，它是地理信息查询的深入，主要由于地理信息查询的原子地理区域往往是不可再分割的。如：地理信息查询只能对某个行政区整体进行，而不能只对其中的某一部分。缓冲区分析恰恰弥补了这一不足，在允许用户自定义查询范围的基础上，作常用项查询统计，或者利用复合查询自定义查询项目和查询条件进行统计。系统将自动列出查询结果，并生成以电子地图为背景的专题图。

图表输出单元，用于对模型计算单元、误差分析单元或查询统计单元的处理结果采用地图或者统计图表的方式显示或者打印输出。图表输出单元输出表格、图表两种统计报表，并输出专题图；还提供电子地图常用的操作工具，用于对地图进行缩放和漫游等操作。

另外，数据输入单元、模型计算单元、误差分析单元、查询统计单元和图表输出单元各自对应一组图形用户界面，用以提交用户的操作请求。系统接到某一个单元的任务请求之后，将任务请求分解成数据和模型两部分，然后通过数据库管理单元搜索相应的单元记录，将其集成到一起进行运算输出。

该系统中的数据管理通过Foxpro数据库管理系统进行，文件传输采取.dbf格式，模型运算数据采取.dbf文件或者文本文件的形式进行子系统之间的数据交换，在MS Excel中制作统计图表，在ArcGIS中绘制地图。

该系统中的数据运算使用Foxpro语言来进行，并采用Visual Foxpro对模型进行进行计算。

该系统的软件开发环境包括以下几类：地理信息系统软件，包括ARCGIS，MapInfo，MapObject或MapX；数据库管理软件，包括Foxpro，Oracle或SQL-Server；数值处理与计算软件，包括MS Excel，MatLab或SPSS；高级程序设计语言环境，包括Visual C++，Visual Basic或Delphi。

该系统采用ArcGIS 8.3和MapObject 2.1处理空间数据，采用VisualFoxpro 6.0处理属性数据和模型运算，采用Visual Basic 6.0和Delphi 6.0作为系统主导模块的开发环境，采用MS Excel 2000将运算数据生成统计图表并显示输出。

再参照图2，系统输入的原始数据经过预处理，集中存储于数据库中进行管理。数据既可以直接进行误差分析和查询统计，也可以先利用模型库中的模型进行运算，然后再对模拟结果进行误差分析和查询统计。模型计算、误差分析和查询统计的结果可以采用地图或者统计图表的方式显示或者打印输出。

模型库主要包括SMPD模型组、误差分析模型组和查询统计模型组等功能模块。数据库分关系型数据库和空间数据库两部分管理，关系型数据库用于存放并管理系统所需的各种属性数据和元数据，主要包括人口统计数据和系统元数据等；GIS软件用来管理空间数据库，主要包括数字高程数据、遥感影像数据、植被净第一性生产力数据、交通网及空间分布数据和城市规模及空间分布数据等，并提供空间分析功能。

系统的物理结构如图3所示，图3为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统的物理结构示意图，主要由五个基本模块构成，分别是输入数据管理模块、查询统计模块、图表输出模块、模型计算模块、误差分析模块，它们各自对应一组图形用户界面，用以提交用户的操作请求。系统接到某一个模块的请求之后，将任务分解成数据和模型的单元，然后通过元数据管理系统搜索相应的单元记录，将其集成到一起进行运算输出。系统需要的空间数据由地理信息系统软件进行存储和管理，属性数据由关系型数据库进行存储。无论是空间数据还是属性数据均由元数据管理系统维护其元数据，并存储在关系型数据库中。

考虑到SMPD模型中的大量数据都存储在Visual Foxpro数据库中，其程序设计语言Foxpro的计算速度和稳定性在数值分析软件中都是比较好的；更重要的是，它和数据库完全融合在一起，其.dbf的数据格式可以很方便的和MS Excel、ArcGIS等软件进行交换，所以系统中的数据运算使用Foxpro语言来完成。利用Visual Foxpro进行模型计算的基本程序算法如下：

**下面各行代码中SMPD为存放计算结果的.DBF数据库文件

**计算海拔高程影响力因子sDEM，公式(错误！未找到引用源。)

update SMPD set sDEM＝V/dem where dem＞V

update SMPD set sDEM＝1 where dem＜＝V

**计算植被净第一性生产力影响力因子sNPP，公式(错误！未找到引用源。)

update SMPD set sNPP＝exp((npp-752)^2*(-1)/1000000)

**计算交通影响力因子sTran

**公式(错误！未找到引用源。)

update SMPD set rol＝ro/max(ro)

**公式(错误！未找到引用源。)

update SMPD set ral＝ra/max(ra)

**公式(错误！未找到引用源。)

updae SMPD set tran＝ral+rol

update SMPD set sTran＝tran/max(tran)

**计算城市影响力因子sCity，公式(错误！未找到引用源。)

SCAN

x1＝SMPD.x

y1＝SMPD.y

SELECT cityshp

**计算距离D_ijk

SCAN

REPLACE cityshp.d WITH SQRT((x1-cityshp.x)^2+(y1-cityshp.Y)^2)

ENDSCAN

**指定搜索半径为200km

vssbj＝200

SELECT city_area，d FROM cityshp WHERE cityshp.d＜vssbj INTOCURS tbl

**搜索到的城市个数

rc＝RECC()

**指定的搜索城市个数

vcy_n＝100

**搜索半径的增加步长为100km

vss_step＝100

DO WHILE rc＜vcy_n

vssbj＝vssbj+vss_step

SELECT city_area，d FROM cityshp WHERE cityshp.d＜vssbj INTOCURS tb2

SELECT tb2

ENDDO

**计算和式的值，即sCity

tt＝0

SCAN

tt＝tt+(tb2.city_area)/(tb2.d)

ENDSCAN

SELECT SMPD

REPLACE SMPD.ct WITH tt

ENDSCAN

**计算综合影响力系数，公式(错误！未找到引用源。)

update SMPD set p＝W*sDEM^a*sNPP^b*sTran^c*sCity^d

**计算格点的模拟人口密度，公式(错误！未找到引用源。)

select pop

SCAN

**读入统计人口

tjrk＝pop.pop

select SMPD

**计算∑P_ij

sum p to p_sum for prov95＝pop.id

**计算模拟人口密度spd_md

update SMPD set spd_md＝tjrk*p/p_sum where prov95＝pop.id

select pop

ENDSCAN

对于模型运算和误差分析结果的地图显示，本系统采用Delphi和MapObject控件构建图形用户界面。Delphi语言调用MapObject显示地图数据的程序示例如下：

dc:＝IMoDataConnection(CreateOleObject(′MapObjects2.DataConnection′))；

dc.database:＝′[arc]e:\smpd′；

lyr:＝IMoMapLayer(CreateOleObject(′MapObjects2.MapLayer′))；

lyr.GeoDataset:＝dc.FindGeoDataSet(′city.pat′)；

Map1.Layers.Add(Lyr)；

系统图形用户界面如图4和图5所示，图4为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统的主界面，图5为本发明提供的人口空间分布数值模拟系统中误差分析单元的图形用户界。

在本发明提供的这种人口空间分布数值模拟系统中，采用.dbf文件格式来进行数据库的设计与管理。这种格式在系统的兼容性及升级方面也有优势。首先，它与地理信息系统软件如ArcGIS，SPSS等数据存储格式兼容，为空间分析和误差分析提供方便；其次，对于将来数据库管理软件的更改，如利用SQL Sever甚至Oracle等海量数据管理系统进行数据管理，数据格式也不必作大幅度的修改。

在本发明提供的这种人口空间分布数值模拟系统中，采用基于元数据的模型库管理方法，将模型、函数和变量的元数据信息都存储在关系型数据库中，以唯一对象编码进行联接调用，从而形成一个完整的计算模型。由于本系统集成了多个子系统，各子系统之间的接口性能将是整个系统稳健性的关键。此外，由于系统涉及的数据信息量很大，数据冗余或缺乏也可能影响到系统的稳健性。考虑到系统设计时间有限，所以本系统中的数据管理通过Foxpro数据库管理系统进行，文件传输采取.dbf格式。而模型运算数据则采取文本格式，和高级语言使用的文件保持一致。系统中数据信息的管理通过.dbf文件进行，模型运算与各个子系统之间的交互采取文本文件相衔接，计算的结果也以.dbf文件或者文本文件的形式进行子系统之间的数据交换，在MS Excel中制作统计图表，在ArcGIS中绘制地图。实践证明，通过.dbf文件格式进行数据管理，便于信息统计查询与系统数据库升级；通过文本文件进行模型设计及各子系统间的交互，是各个模块均适应的通用格式，无需另外增加工作量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，该系统包括：

模型库管理单元，用于存储和管理数据模型；

2、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，

所述外部输入的原始数据包括人口统计数据、数字高程数据、植被净第一性生产力数据、交通网空间分布数据、城市规模及空间分布数据、模型计算的中间结果数据和参数设置数据；

所述对外部输入的原始数据进行预处理包括投影变换、格式转换、误差纠正。

3、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述数据库管理单元采用.dbf文件格式存储和管理数据，包括空间数据库、属性数据库和元数据库，空间数据库由地理信息系统软件ArcGIS 8.3维护和管理，属性数据库和元数据库由关系型数据库管理系统Visual Foxpro 6.0存储和管理。

4、根据权利要求3所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述空间数据库为图形数据库，由具有基础性和空间分布特征的矢量图及栅格专题图组成，其中的数据类别包括矢量图、栅格图、文字和数字。

5、根据权利要求4所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述空间数据库按数据内容分为基础信息图层和模型输入数据图层；

所述基础信息图层包括行政区划、土地利用和水系；

所述模型输入数据图层包括数字高程数据、植被净第一性生产力数据、交通网空间分布数据和城市规模及空间分布数据。

6、根据权利要求3所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述属性数据库用于实现模型计算和误差分析，由社会统计数据组成；数据类别有数字、文本，按内容分为行政区人口统计数据和社会经济数据。

7、根据权利要求3所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述元数据库存储空间数据库和属性数据库中数据的元数据，并存储模型库的元数据信息，包括常量、变量、模型和函数的编号、名称、含义、版本、路径、误差精度以及简单的使用说明。

8、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述数据库还包括关系型数据库和空间数据库；

所述关系型数据库用于存放并管理系统所需的各种属性数据和元数据，包括人口统计数据和系统元数据等；

所述空间数据库用于存放并管理数字高程数据、遥感影像数据、植被净第一性生产力数据、交通网及空间分布数据和城市规模及空间分布数据，并提供空间分析功能，由地理信息系统GIS软件来管理。

9、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，

所述模型库管理单元包括人口空间分布曲面SMPD模型组、误差分析模型组和查询统计模型组；

所述模型库管理单元采用基于元数据的模型库管理方法将模型、函数和变量的元数据信息都存储在关系型数据库中，以唯一对象编码进行联接调用，从而形成一个完整的计算模型。

10、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述模型计算单元对数据进行模型计算包括：

在图形用户界面上交互式调整因子系数、计算模拟，并将运算结果按照指定格式存储。

11、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述误差分析单元进行误差分析包括：

自动计算每次模拟数据的相关系数和回归系数等指标，并将结果以图表的形式显示。

12、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述查询统计单元进行查询统计包括基础信息复合查询、划定任意区域查询和缓冲区分析查询三种查询统计方法；

所述基础信息复合查询包括直接输入SQL语句查询和复合指标查询两种方式；

所述划定任意区域分析查询用于对任意多边形范围内的地理区域进行各种常用项统计；

所述缓冲区分析查询用于对划定的任意折线或任意区域周围一定缓冲半径范围内的地理区域进行各种常用项统计。

13、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述图表输出单元输出表格、图表两种统计报表，并输出专题图；还提供电子地图常用的操作工具，用于对地图进行缩放和漫游操作。

14、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，所述数据输入单元、模型计算单元、误差分析单元、查询统计单元和图表输出单元各自对应一组图形用户界面，用以提交用户的操作请求。

15、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，系统接到某一个单元的任务请求之后，将任务请求分解成数据和模型两部分，然后通过数据库管理单元搜索相应的单元记录，将其集成到一起进行运算输出。

16、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，该系统中的数据管理通过Foxpro数据库管理系统进行，文件传输采取.dbf格式，模型运算数据采取.dbf文件或者文本文件的形式进行子系统之间的数据交换，在MS Excel中制作统计图表，在ArcGIS中绘制地图。

17、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，该系统中的数据运算使用Foxpro语言来进行，并采用Visual Foxpro对模型进行进行计算。

18、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，该系统的软件开发环境包括以下几类：

地理信息系统软件，包括ARCGIS，MapInfo，MapObject或MapX；数据库管理软件，包括Foxpro，Oracle或SQL-Server；数值处理与计算软件，包括MS Excel，MatLab或SPSS；高级程序设计语言环境，包括Visual C++，Visual Basic或Delphi。

19、根据权利要求1所述的人口空间分布数值模拟系统，其特征在于，该系统采用ArcGIS 8.3和MapObject 2.1处理空间数据，采用Visual Foxpro6.0处理属性数据和模型运算，采用Visual Basic 6.0和Delphi 6.0作为系统主导模块的开发环境，采用MS Excel 2000将运算数据生成统计图表并显示输出。