城市与区域规划模型系统的系统分析与设计.doc

城市与区域规划模型系统的系统分析与设计张 伟 顾朝林南京大学城市与资源学系南京市，210093电子信箱：G传统的城市与区域规划受地理学“经验归纳法”、建筑学“形象思维法”和经济学“理论演绎法”的影响较大，实际工作中比较注重定性分析，对定量分析的应用不足。八十年代初，计算机技术在我国规划界逐步得到推广和应用，其发展历程可划分为四个阶段：19791982年的理论准备阶段；198287年的实际应用和发展阶段；198790年的巩固与反思阶段；1990年以后的大发展阶段（陈燕申，1995）。当前，各种与规划有关的应用软件在城市与区域规划领域的应用已经相当普及。据中国城市规划设计研究院（1990）的一份调查报告表明，规划领域软件应用数量上：城市规划管理信息系统（数据库）占34%；辅助城市规划、辅助制图占17%；通用软件、分析工具占36%；专用软件、软件工具占8.5%；其它应用如信息、资料管理占4.2%。从中可以看出，城市规划管理信息系统（数据库）软件，以及通用软件、分析工具是规划领域应用软件的核心。关于过去十多年中计算机技术在城市规划中的应用，赵士修（1989）将其归纳为5个方面：“一是编制交通规划；二是对城市经济、社会的发展和土地利用进行分析、评价、模拟、预测；三是建立信息数据库，为规划建设和规划管理服务；四是辅助测绘和制图；五是将计算机、摄影和录象技术结合起来，制成动画片，为城市规划提供形象化的技术手段”（第五项应用即现在的多媒体演示）。 以上5个方面可以概括为两大应用领域，即城市规划管理信息系统（包括城市GIS、数据库和辅助制图）和数据分析软件。这和上面提及的调查结果相一致。目前，我国自行开发的城市规划应用软件，主要集中在城市GIS和城市规划管理信息系统，并且几乎都是在国外GIS工具软件的基础上进行的二次开发。比如，由十堰市建委和中国城市规划设计院19911992年建立的以PC ARC/INFO和 dBase IV为支撑软件的十堰市城市规划与管理信息系统（徐红等，1994）；北海市城市信息系统（申学军，1994）；建设部信息中心开发的基于通用GIS软件平台上的城市规划管理信息系统（郝力，1995）；以MapInfo、AutoCAD和FoxPro为基础平台的广州珠江新城土地开发信息系统（丁建伟等，1995）；建立在Genamap平台上的济南市城市规划管理信息系统（张启来等，1995）；以ArcCAD和AutoCAD为基础开发的基于GIS的城市规划专题制图系统（周勇前等，1995）；1989年同济大学陈秉钊教授主持设计的苏州城市规划与建设管理信息系统；广州城市信息系统（林炳耀，1991）等等。然而，城市与区域规划中经常用到的数据分析、评价、模拟、预测软件，国内还没有成功的软件推出。见于文献的有北京大学地理系刘闯设计的辅助决策系统（林炳耀，1991）和区域分析微机辅助系统（曹桂发，1992）。后者采用模块化结构，用FORTRAN77语言开发，具有统计数据和地图数据的简单分析功能，提供的分析模型十分简单；前者仅侧重与决策分析。上面提及的城市信息系统中，有的也具有专业模型功能，但均不够系统。鉴于目前国内尚不存在成熟的城市与区域规划数据分析软件软件，而实际规划中对该类软件的应用又十分迫切（特别是城市交通规划、土地类型分析和规划、城市人口预测中的数据处理），我们拟开发一套拥有自主版权的城市与区域规划模型系统（Urban and Regional Planning Modal System, URPMS）。一、 URPMS系统的定位与开发、运行环境 当前国外商品化的地理信息系统（GIS）软件和统计分析软件很多，但普遍缺乏城市与区域规划方面的专业模型功能。因此，我们开发的URPMS是一个以数据分析和专业模型功能为主体的软件系统，目的是为城市与区域规划工作者提供一个实用的数据分析工具。 本系统定位在城市与区域规划数据分析软件，功能上介于以GIS软件和通用的数据分析软件之间，它没有前者的图件操作功能，也不象数理统计分析软件那样仅侧重于统计分析。URPMS以城市与区域模型功能为核心，同时包括空间数据分析。这样，它既弥补了GIS软件统计分析功能和专业模型功能相对薄弱的不足，又克服了通用数据分析软件，如SAS（Statistical Analysis System）、SPSS (Statistical Package for Social Sciences)等缺乏专业模型功能的弱点。URPMS是以面向对象的思想进行系统设计，以目前流行的面向对象的语言Microsoft Visual C+ 开发，运行在32位的Windows 95/Windows NT操作系统平台之上。本系统全面支持开放式数据库互联（ODBC）和对象连接和嵌入（OLE）技术。二、 URPMS软件设计1. URPMS功能设计 URPMS的核心功能是规划模型和数据分析，包括各种空间数据分析模型（以多元统计分析模型为主）、城市规划模型和区域规划模型。此外，系统还包括数据的输入、输出功能，它是系统与其它软件和数据之间的接口。具体包括：（1）空间数据分析6包括标准差正规化、极差正规化、数据中心化、对数变换、百分比变换等。l 数据预处理功能包括方差、协方差分析，典型相关分析，罗仑兹曲线分析，拟合抛物线分析，有效根分析。l 常用统计分析包括一元回归分析、多元回归分析、逐步回归分析、岭回归分析和广义回归分析和趋势面分析。l 回归分析包括两组判别分析、多组判别分析和逐步判别分析。l 判别分析包括系统聚类分析、动态聚类分析、模糊聚类分析和图论聚类分析。l 聚类分析l 主成分分析l 因子分析l 对应分析l 训练迭代法l 资本组成分析l 对数线性模型l 线性洛吉模型(logit)l 线性概率模型(probit)（2）区域规划模型l 趋势预测模型l 人口簇生存模型l 基本经济模型l 迁移与分配模型l 投入产出模型l 单约束重力模型l 双约束重力模型l 平面区位模型l 网络区位模型l 系统动力学模型l 线性规划模型l 多目标规划模型（3）城市规划模型l 层次分析法l 城市化水平分析法l 城市职能结构分析模型l 城市等级规模分析模型l 系统相对熵分化度测定法l 规划方案评价模型l 城市交通模型l 城市用地评价模型l 城市群演化模型l 城乡人口迁移模型2. URPMS的结构设计与系统的三个基本功能相对应，结构上由三大模块组成数据输入模块、处理分析模块和数据输出模块(如图1所示)。其中处理分析模块又由三个子模块组成，分别为统计分析模块、区域规划模块和城市规划模块。区域规划模块和城市规划模块在结构上类似，将其分开纯粹是功能上的考虑。数据输入模块和数据分析模块之间有数据预处理模块，负责数据预处理，功能包括标准差正规化、极差正规化、数据中心化、对数变换、百分比变换等。本系统在功能上侧重于专业分析，不贪大求全。比如绘图功能本系统则考虑较少，因为现在成熟的绘图软件十分完善，可以利用这些软件完成数据的图形显示。因此，本软件十分注重与其它软件的数据交换功能，充分支持数据库读写，同时也考虑了OLE技术，以支持与其它应用软件的连接，如统计制图软件Microsoft Excel, Lotus等；GIS软件MapInfo, ArcView等。与其它软件的数据交换方式包括数据库文件、普通文件、系统剪切板等多种途径。 其它软件的数据和结果 数 据 库表格界面 文 件件 参数设置 其 它 软 件 OLE统计分析模块城市规划模块区域规划模块数据预处理选项设置 数 据 库 打 印 机 文本文件 输出窗口统计制图软件 其 它 软 件GIS软件图1. URPMS体系结构图3. URPMS的类设计URPMS采用面向对象的思想进行总体设计，整个软件以类为基本单位。主要类之间的关系如图2所示。与系统的基本功能相对应，本系统的类包括4组：与数据输入相关的类；与数据分析和模型相关的类；与数据输出相关的类；辅助类。这些类以URPMS应用类为核心来进行组织，它协调三个基本功能模块和辅助模块（类）的运行。这些基本模块和辅助类在结构上均和URPMS应用类发生联系。本系统利用Visual C+ MFC的文档视图体系结构来组织数据的输入输出。与数据输入相关的类主要包括输入文档类、输入视窗类（CGridView）和剪切板类（UndoMgr）等；与数据输出有关的类包括由输出文档类（COutputDocument）、输出视窗类（COutputView）、输出信息管理类（MsgMgr）和打印管理类（PrintMgr）；同时管理输入、输出的类有数据管理类（GridDataMgr）、数据库管理类（DatabaseMgr）。输入/输出文档视图类组成数据输入/输出的框架；输入数据管理类负责管理以电子表格的形式打开或输入的数据，数据在各类之间的传递、数据文件的存取均依靠该类的协助；输出信息管理类协助运算结果、运行状态等输出信息的管理，起到输出控制台的作用；各功能模块将运算结果格式化之后，该类负责将其显示、存盘等操作；打印管理类负责输入数据（电子表格）的打印、打印设置和打印预览；数据库管理类协助应用框架类实现数据库管理功能，该类管理数据源（即数据库类型）的选择、数据库文件的读写、数据库文件的显示、以及数据库文件和电子表格（本系统的数据输入格式）的转换。剪切板类负责电子表格的编辑，包括剪切、复制、粘贴、撤销、插入行/列、删除行/列。核心的分析处理模块包括空间数据分析、区域规划模型和城市规划模型三部分，分别对应于统计分析类组、区域规划模型类组和城市规划模型类组。各种空间数据分析类均由统计基类（StatBase）派生（实现见类实例）；各种区域规划类和城市规划类有规划基类（PlanBase）派生。各种数据分析功能均由对应的类实现。辅助类包括选项设置类，电子表格标题、数据类型更改类，数据分析辅助类（Statistics），公用函数类（Common）等。其中选项设置类用来设置各种系统参数，诸如窗口的前景色、背景色、字体、字体大小、工作目录、输入方向等；数据分析辅助类集成了常用的数据操作、变换算法（比如矩阵的乘积、转置、求逆、打印等），常用的方程组求解算法等数据分析辅助功能；公用函数类提供了扩展的二维数据的动态分配、删除、复制、存盘、类型转换等基本功能。辅助类的功能是协助系统基本功能的实现。图2. URPMS类设计图 图例说明： A= B：界面应用符号，类A应用类B的界面 Al= B：实现应用符号，类A的实现应用类B的资源； A B：继承（派生）符号，类B由类A派生，即类B继承类A的属性。类实例本系统的数据分析模块由数理统计基类派生，区域规划模型和城市规划模型两个模块由规划基类派生。两个基类都以Visual C+ MFC的公共基类Cobject类作为基类，它们分别抽象了数理统计分析和城市与区域规划模型的基本数据元素和操作方法。下面以数理统计分析基类为例说明其实现：#ifndef STATBASE_HH#define STATBASE_HHclass StatBase : public CObjectprotected:intm_nSampleNum;/ 样品数intm_nVarNum;/ 变量数float* m_pData;/ 数据矩阵CString* m_pTitle;/ 样品和变量名称ostrstream bout;/ 输出信息缓冲区public:StatBase();/ 构造函数virtual StatBase();/ 析构函数protected:void getData(); / 数据获取函数（从电子表格）void getTitle(); / 标题获取函数void printMsg();/ 信息输出函数（到输出窗口）/ 实际计算函数，是纯虚函数，派生类必须实现virtual int compute() = 0;public:/ 统计执行函数，统计对象只需调用此函数即可void run()getData();/ 获取数据getTitle();/ 获取标题compute();/ 计算printMsg();/ 信息输出;#endif具体应用时，首先从StatBase基类派生目标类，在纯虚函数compute()中实现相应的算法，比如，以因子分析为例：派生目标类class FactorAnalysis : public StatBase /增加属性、方法;实现纯虚函数compute()FactorAnalysis:compute() 实例化目标类，调用运行函数run()FactorAnalysis aFacotor;AFacotor.run();三、URPMS软件系统特点URMPS软件系统的特点可以概括：（1）数据输入以电子表格实现，操作灵活。充分支持多文档界面，可以同时打开任意个数据文件，仅受内存容量的限制。因而可以同时操作多个数据体，方便地在各个数据文件之间利用剪切板传递数据或进行数据比较。可以同时对多个打开的数据体进行处理；（2）完全支持开放式数据库连接（ODBC），能够读取的数据库种类仅取决于操作系统和数据库驱动程序。不仅可以读取多种数据库，而且还可以将数据文件写入数据库。通过数据库文件，可以和支持数据库的多种软件进行数据交换； （3）支持对象连接和嵌入（OLE）； （4）具有丰富的模型方法库。系统提供30多种数据分析模型和城市与区域规划专业模型；（5）操作简便。所有模型均提供默认参数设置和错误操作提示；（6）电子表格提供完善的编辑功能，包括剪切、复制、粘贴、撤销、删除行/列，插入行/列。这些功能在系统剪切板上实现，因此可以和其它的支持电子表格的软件，如SPSS、Excel等，进行数据交换。（7）全汉化界面。【主要参考文献】 1 A. G. Wilson, 1974, Urban and Regional Models in Geography and Planning, John Wiley & Sons, London2 The Models and