基于ArcGIS的西安市人口空间分布规律研究

西安科技大学
硕士学位论文
基于ArcGIS的西安市人口空间分布规律研究
姓名：闫宗元
申请学位级别：硕士
专业：地图学与地理信息系统
指导教师：陈晓宁
2011
论文题目：基于ArcGIS的西安市人口空间分布规律研究
专业：地图学与地理信息系统
硕士生：闫宗元(签名)
指导教师：陈晓宁(签名)
摘要
城市与区域研究首要任务是分析城市与区域的空间结构，而人口密度分布特征是重点。

人口密度特征是城市一个重要的社会经济特征，城市人口密度模型不仅揭示了城市的内部结构，而且还为城市的经济模型提供验证。

分析人口密度方程随时间的变化规律对揭示城市和区域结构的变迁也具有重要的意义。

本文基于西安市人口普查数据，采用GIS手段从宏观上系统分析了20世纪90年代以来西安市常住人口空间分布特征和时空演变趋势，并为此做出合理的原因分析；基于多种数学模型的回归分析结果比较，从微观上揭示了西安市2000年单中心和多中心的人口密度分布特征，并得出了一个较好的数学模型来描述。

应用GIS手段研究西安市的人口空间分布可为国内相关案例研究提供理论补充；对比传统的计算人口密度分布方法，本文所使用的研究方法有直观、全面、更加精确的优点，为今后的同类研究提供了一种新方法。

关键词：西安市；人口密度；GIS；空间统计分析；数学模型；
研究类型：应用研究
Subject ：Research on Spatial Distribution of Population in Xi’an Based on ArcGIS
Specialty ：Cartography and Geographic Information System
Name ：Yan Zong-yuan (Signature)
Instructor：Chen Xiao-ning (Signature)
ABSTRACT
The prime task of studying city and region is to analyze the spatial structure of city and region. Characteristic of population density is an important feature of the city's socio-economic characteristics. Urban population density model not only reveals the internal structure of the city, but also provide validation for the city's economic model. Analysis of population density equation over time has great significance to reveal changes of urban and regional structure.
Based on population census data of Xi’an City, spatial distribution of resident population and trends of spatial temporal evolution from the 1990s is analyzed systematically on a macro perspective by use the method of GIS. And the reasons will be analyzed at the same time. Based on the comparison among multiple regressive analysis results of mathematical models, the population density distribution of monocentric center and multi-center in Xi’an is revealed on a micro perspective. Meanwhile, a mathematical model is established to express the population density distribution.
Research on spatial distribution of population density in Xi’an by use the method of GIS provides some theoretical complements for the study of related cases. Comparing with the traditional method of calculating the distribution of population density, the research method which is used in this paper are intuitive, comprehensive and more accurate and provide a new method for similar researchs in future.
Keywords : Xi’an City Population Density GIS Spatial Statistical Analys Mathematical Model
Thesis :Application Research
1 绪论
1 绪论
1.1研究的背景与意义
1.1.1研究的背景
2009年5月4日，国务院颁布了开展2010年第六次全国人口普查的通知，拉开了全国第六次人口普查的序幕。

人口多是我国最基本的国情，依法每10年开展一次人口普查，是掌握国情国力的重要手段，也是科学制定经济社会发展规划的基本依据。

我国是一个有着十几亿人口的发展中大国，准确把握人口状况和变动趋势，有利于我们更好地制定和实施经济社会发展政策，推动科学发展，加快转变经济发展方式；有利于我们加强和公平地推进义务教育、基本医疗、基本住房等公共服务，保障与改善民生；也有利于完善社会管理，促进和谐社会建设。

人口问题是当今世界面临的重大问题，也是现代化建设的最重要影响因素。

人口与经济发展、生态环境保护、城市的基础设施建设紧密的联系在一起，影响着城市可持续发展的决策。

越来越多的资料显示，人口问题已成为当今世界各国共同关心的问题。

随着人口问题的日趋严重，人口问题不仅受到政治家的重视，而且也成为许多学科争相研究的重大课题。

人类作为人口系统的主体，其生存、发展、迁移等绝大多数活动都不可避免地与周边的地理要素和空间发生紧密的联系，使得人口分布及变动具有深刻的空间分布特征。

人口在一定的地域环境下，呈现一定的空间分布形态。

人口空间分布是指一定时间内人口在一定地区范围的空间分布状况，它是人口过程在空间上的表现形式[1]，人口空间分布是一种复杂的社会经济现象，受自然环境、生产力水平、生产布局、科技、文化、历史、社会经济和政治等因素的影响和制约。

传统意义上的人口数据来源于全国的人口普查，它是以行政区为单元的统计型数据。

在实际应用中，存在以下几方面问题：①数据的空间分辨率低(县级、城市辖区等)。

以行政区为单元的人口数据给人的感觉是：一个区域内人口是均匀分布的，掩盖了人口分布的空间差异性，无法为政府决策和城市规划提供准确的非行政区数据[2]。

②人口统计的行政界线与其他要素界线不一致，这使得人口数据与其他自然数据很难整合。

③传统的行政区域人口密度统计，仅能提供有限、离散的数据样本，无法为相关的人口研究提供可靠数据。

随着经济的发展，研究者和决策者面临着如何尽可能的去表现真实世界人口空间分布的挑战[3]。

而人口统计数据空间化是解决这些问题的有效手段，特别是当
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地理信息系统技术引入后，研究者大量采用栅格数字模拟技术去研究人口数据的空间问题，并进行了大量的研究[4]。

人口统计资料是人口发展和现状统计的数量资料，对了解总体人口的数量关系非常重要。

但是随着科学的发展和社会经济的进步，人口、资源、环境发展之间的矛盾日益突出，单纯的人口数量资料已经不能满足政府决策、企业以及社会公众的需要，迫切需要借助先进的研究手段对人口空间分布结构进行全面分析研究。

地理信息系统（Geographic Inofrmation System，简称GIS）是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务建立起来的计算机技术系统。

GIS技术中，矢量图层的更新、特征提取和合并、图形叠加、空间连接和建立缓冲区等空间分析功能均可以被广泛应用于人口研究。

如利用图形叠加功能可分析行政区划变动前后的人口变化：利用缓冲区分析，把城市从市中心开始分成多个同心环来比较人口的特征与变化。

通常地理信息系统的模型和统计方法在人口方面的应用主要有：人口分布及动态变化、人口增长与产业扩散、人口分布与土地利用空间结构分析等目前，国内外市场流行的GIS商业软件在空间分析方面通常具有空间叠加和经典统计两大功能。

空间叠加包括并、交和切，经典统计包括最大最小值、直方图、均值方差、正态分布等[5]。

这些功能覆盖了地学分析的最基本需求，成为GIS软件功能和效率的基本测试单位。

但是，把各个区域信息和社会学、人口学、经济学的有关理论结合起来进行各种分析给GIS的空间分析能力提出了更多、更高的要求。

21世纪我国加快了城乡结构、区域产业结构的调整，基础设施发展迅速，国土整治全面展开。

我国资源、环境和人口的压力依然巨大，因此如何利用GIS特有的地理空间分析能力，完成对人口空间分布、变动特征的研究，建立模型进行描述，研究人口空间分布区域差异及其发展过程，揭示其中的规律性，并对人口数量及人口空间分布模式做预测就成为重要的研究课题。

人口空间分布特征规律研究对于制定区域人口政策、促使人口的合理再分布以及实现人口、资源、环境的协调持续发展会起到参考作用。

1.1.2研究的意义
城市与区域研究首要任务就是分析城市与区域的空间结构，尤其是人口密度分布特征。

人口密度特征是城市一个至为重要的社会经济特征，城市人口密度模型不仅揭示了城市的内部结构，而且还为城市的经济模型提供验证。

分析人口密度方程随时间的变化对揭示城市和区域结构的变迁也具有重要的启示。

人口数据蕴藏着大量的信息，掌握人口的空间分布规律对社会发展和政府决策具有重要的现实意义。

如何挖掘提取这些有用的信息是当前人口学研究的重要课题。

地理信息技术具有强大的空间分析处理能力，其
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在几十年的发展中已经广泛的应用于社会生产、生活中的各个领域，并在决策分析中发挥着越来越重要的作用。

研究人口空间分布的传统方法多为利用指标计算不同区域的差异系数。

这种方法虽然在一定程度上解决了人口空间问题，但不够直观。

并且，逐渐增大的数据量也为这种方法增加了困难，耗费了大量的人力、物力。

地理信息系统（GIS）作为一门先进的科学与技术，在人口数据管理、分析和人口专题制图等方面具有重要作用，因此GIS技术的引入可以解决这方面的问题。

中国是世界第一人口大国，作为关中—天水经济区的核心城市，西安已成为西北地区和陕西省最重要的人口流入地。

随着社会经济的发展，西安市的人口空间分布发生了重大变化，人口分布的变动，对城市发展规划、工业布局、住宅建设、交通运输和郊区城镇发展等方面都有重要影响，因而，对西安市的人口空间分布变动进行深入研究，具有重要的理论意义和重大的现实意义。

如何更有效的协调人口与经济、社会、环境协调发展的关系不仅对西安市的可持续发展，而且对陕西省乃至整个西北地区的长期发展至关重要。

本论文对于西安市及应用GIS手段研究人口空间分布的分析可为国内相关案例研究提供理论补充，同时对于人口空间分布现状成因的探讨，并预测未来发展趋势的研究提供了理论上的可行性．
本次研究生成的相关图层和得出的人口空间分布特征，能为相关部门提供信息支持，人口密度数学模型能够预测某地区的人口密度，相应也能够得到该地区的人口总数因此能为今后西安市城市规划提供参考。

本研究所使用的研究方法对比传统的计算人口集中指数方法有直观、全面、更加精确的优点，为今后的同类研究提供一种新方法。

1.2国内外研究现状
关于人口学研究的资料比较多，本文只列出本研究所涉及领域的相关文献。

本研究主要采用GIS手段研究人口的空间分布规律，主要涉及人口数据空间化和空间分析过程问题。

人口空间分布分析已有很长时间的研究历史，可追溯到19世纪始于欧洲和美国的统计革命时期。

随着科学技术的不断进步，特别是近10余年来地球信息科学的突飞猛进，在RS、GIS、GPS技术的支持下，地理学家开始利用新的地学研究手段，定量、定位地研究人口数据的空间分布问题。

1.2.1国外研究现状综述
基于人口统计数据的空间化也就是所谓的以人口密度面来研究人口空间化的方法。

1994年全球人口制图研讨会达成共识认为：统一的全球栅格人口数据库对于跨学科的研
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究具有重要价值，这次会议的重要成果是导致了GPW Versionl在1995年的诞生。

GPW Versionl采用简单的多边形到栅格的转换，在有多个多边形结合的区域，简单的将栅格归属于面积比重最大的多边形。

GPW Version2对此做了改进，采用按比例权重分配各多边形的数据到栅格。

但GPW Version1和Version2在实现人口栅格化的过程中，均没有建立人口模型(而只是简单的从多边形到栅格)，也没有考虑对人口分布产生影响的环境因素，所使用的数据仅包括人口数据和行政界数据。

在美国，Zola K. Moon and Frank L. Farmer (2001) 用(乡村) 住宅分布数据代替卫星数据(既容易得到、又不需要进行再分类) ，在城市稠密区建立重心点并与统计数据一起生成人口密度面。

D Martill与ZolaK.Moon等人在计算人口密度时，打破了区域界线的限制，把人口看成是区域上连续分布的现象，相对于传统的把人口按多边形处理而言是一个巨大的进步。

但由于他们是在大比例尺、小区域上开展工作，在具体计算时，均未考虑地理环境因素对人口分布的影响，而只是就人口数据本身来计算人口密度面，这种方法在大区域、小比例尺、获得详细人口数据的条件下应用将会受到限制。

国外使用GIS技术对人口空间分布的应用研究始于20世纪70年代，其中以美国最为典型。

美国于1970～1980年人口普查率先采用了自动化技术，发展了一套地理基础文件，独立坐标地图编码系统。

又在1980～1990年研制开发了TIGER(Topological Integrand Geographical Encoding Reference System)系统，它具有下列四个特点：
(1) 为人口普查提供了一个共同的地理基础，它不仅把普查前的数据和普查后的数据统一起来，还可以把多次普查的数据放在一起进行比较分析。

(2) 具有良好的制图功能，可输出人口普查区地图和人口分析地图，是一个较好的地图出版系统。

(3) 提供了一个能够以共同地理单元为基础的统计制表系统。

(4) 以普查区为地理支撑，把人口数据和环境、资源等数据统一起来。

在英国，GIS被看作一种必要的人口普查数据后处理分析工具，先后开发研制了HMSO、SASPAC等人口GIS，以满足人口制图和分析的需要。

Doris Traweger[6]以奥地利萨尔茨堡为例，将GIS模型应用于人口空间分布与土地利用的相关性研究，得出不同的土地利用类型对人口的空间分布具有不同的影响因子，并演算预测了今后一段时间的变化趋势。

Carolinda Douglass[7]使用GIS手段对美国伊利诺伊州人口空间分布和医疗服务部门布局之间的关系进行了研究，分析了1990~2000年三种因子对人口寻求医疗服务的空间可到达性的影响，将社会学的理论应用于医疗服务部门布局。

Francesca[8]等分析人口密度和郊区植被丰度之间的关系，发现大城市高密度区的人口密度随着植被覆盖度的增加明显地呈线性减少。

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J．Sweitzer和S．Langaas[9]在计算波罗的海3国人口密度时，考虑了影响人口分布的地理要素，他们从1:100万的全球数字地图选择了行政界线、主要道路、铁路、主要城市、(人口居住)限制区和土地覆盖等6层数据，以及这三个国家的人口统计数据，来拟合波罗地海的人口密度。

Lanscan[10]基于土地覆盖、坡度、道路、夜间灯光和城市密度等地理因子计算回归方程系数，把人口统计数据空间化到1km×1km的格网上去。

Langford[11]用3种方法建立土地利用和人口数据的回归关系，并与按面积平均分布的方法比较，三种方法均获得了较好的人口空间估计。

相对于离散的行政区人口分布统计，栅格模拟技术在连续的规则格网上描述人口的分布。

它的优点是：①数据被记录在高分辨率的规则栅格上，提供了相对更加详细和精确的人口分布数据；②有利于与其他栅格数据(高程数据、土地利用数据)兼容。

③能更好地反映区域内人口分布的不均匀性和人口分布变化的重要信息[12]。

1.2.2国内研究现状综述
与西方学术界相近，我国理论界有关人口空间分布的研究经历了一个由数量到结构的发展过程。

研究重心逐渐由控制人口数量与经济增长转移至分析现有人口结构与区域经济发展的相互作用。

Wang F H , Zhou YX和沈建法、王桂新等对北京、上海的实证分析表明,这两个大城市人口密度的空间分布符合负指数模型[13-14]。

冯健通过对杭州城市人口密度的空间分布及其演化规律的研究,认为改革开放以来 , 随着杭州城市演化过程中自组织能力的加强以及郊区化的发展，城市空间复杂性程度增高，城市内各功能单元的效用增强，城市的空间结构进一步趋向新的有序状态[15]。

徐建刚等以上海市普陀区为例，在城市土地利用与人口空间数据库的基础上，建立了一种居住地面积与人口分布的线性相关数学模型[16]。

刘纪远、岳天祥[17]建立了基于重力模型和格点生成算法的PSDM模型模拟全国1km ×1km栅格人口；廖顺宝等选择一系列影响人口分布的因子，应用多源数据融合技术，生成模拟青藏高原人口分布的l km×1km栅格表面[18]；田永中分析了土地利用与人口的相互关系，建立了基于1：10万土地利用数据的中国1km×1km栅格人口空间模型。

江东、杨小唤等[19]阐述了人口地域分布的基本理论，回顾了人口空间分布的研究进展，结合研究实践，提出了在遥感、GIS技术支持下，统计型人口数据空间化的研究思路和技术流程，并对该方法的特点和应用前景做了展望；吕安民、李成名等人[20]基于GIS分析了1982～1990年和1990～1998年2个时期中国各省级行政单位的人口增长率，并用空间统计分析方法研究了2个时期人口增长率的空间关联关系。

分析得出1982～1990年中国可分为北部人口低增长率、中西部人口高增长率、中东部人口低增长率和南
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部人口高增长率等4个区域；1990～1998年中国可分为北部低人口增长率和南部高人口增长率两个区域；刘纪远等[21]运用基于栅格点生成法的人口密度空间分布模拟模型，通过模型结合生产力空间分布、数字高程、城市规模及其空间分布和交通基础设施空间分布等数据集，模拟了中国人口密度的空间分布规律。

刘峰、马金辉等[22]将空间统计分析和GIS相结合，探讨天水市人口空间分布模式，研究表明，天水市人口空间分布呈现”西北一东南”模式，存在显著的空间集聚现象，四种类型的空间关联在空间分布上具有明显的规律性。

利用空间统计分析方法能够扩展和加强GIS的空间分析功能，从而更深入地探索、分析、处理和解释人口分布的空间模式与空间关联，为进一步研究空间模式的发生尺度和塑造该模式的空间过程奠定基础。

王雪梅、李新等人[23]介绍了国内外基于遥感和GIS的人口空间化研究的主要项目和方法思路。

以黑河流域为研究区，在流域尺度上把典型的人口估计结果GPW、UNEP/GRID、LandScan和中国lkm格网的人口资料与政府人口统计数据进行比较分析，比较结果表明中国lkm格网人口数据是几种数据中与实践情况最相符合的。

袁长丰、刘德钦等[24]利用地理信息系统技术，对北京市人口密度空间分布特征和变化趋势进行了分析，结果表明：北京市可以分成三个区：市中心区、近郊区和远郊区县。

市中心区范围扩大，其人口密度显著下降，近郊区人口大量增加，城市人口分布出现明显的郊区化特点，人口的大量外迁，减小了中心城区核心部分的人口密度，增大了外缘地区的人口密度，这无疑将有利于城市功能分布和城市土地利用结构的合理化。

城市化区域扩大，一个以城区为核心的多层次、组团式的合理城镇体系正在形成。

余志勇[25]根据OpenGIS建模基本理论、参考其它较成熟的模型，建立了符合OpenGIS 规范的人口空间分布模型，借助GIS软件技术将人口统计数据应用于规划、商业选址工作中。

最后实现了一个基于上述模型的超市选址分析实例。

陈楠、林宗坚等[26]运用灰色理论对我国各个省市未来人口总量进行预测，并应用GIS的空间自相关理论和方法对未来人口空间分布模式做出预测。

从已有的大量研究中可以看出：①学者主要用自然和社会经济特征综合估计法来研究人口密度分布，但生成的多数人口栅格表面空间尺度大(全国)、分辨率低(1km×1km 栅格)，不利于需要更加精确的人口分布数据的城市规划、交通、环保等部门使用。

②由于人口统计资料的稀缺和空间数据提取的困难，我国学者对于城市人口密度空间模拟研究很少。

1.3本文的研究内容、方法与技术路线
1.3.1研究内容
在空间信息快速发展的年代，GIS技术的应用无疑是解决空间统计、空间分析问题
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最好的手段和工具。

如何更好的利用GIS这门技术对人口信息进行准确、高效的统计、分析与表达，提升人口空间统计的精度和效率是当今人口学研究发展的重点，同时也是GIS技术在社会生产应用方面的一种科学体现。

在总结前人研究的基础上，本论文主要的研究内容是：
(1) 从宏观上分析西安地区的人口空间分布。

以西安市人口空间分布为研究对象，通过对陕西省1:50万地形图的数据裁剪，提取出西安市地形图作为研究的基础底图，汇总1990年、2000年以及2005年西安市及周边区县的人口统计数据作为宏观研究的基础资料；以ArcGIS为空间分析研究平台并分别生成这三个年份的西安市栅格人口密度图作为分析的基础。

最后，从宏观、客观上来分析西安市的人口空间分布规律和形成因素。

(2) 从微观上研究分析西安市及周边区县的人口空间分布。

利用2000年全国人口普查数据的详细资料，尝试寻找一种能够很好描述西安市人口密度分布模式的方程，并探讨如何通过这种方法来解释城市或区域人口增长模式。

分析汇总2000年西安市及周边区县第五次全国人口普查的详细资料，得到具体的面域及相关的人口信息，以ArcGIS 的空间分析功能为工具，提出一种快捷、高效和便于推广的城市人口空间分布特征的研究思路和方法；然后，用此方法生成西安市2000年的栅格人口密度图；最后，对西安市的人口空间分布采用不同的研究方式、不同的数学模型进行回归拟合，得出一种比较好的符合西安城市人口空间分布的模型。

1.3.2研究方法
(1) 地图专题制图
人口专题地图是人口地理学的常用工具，通过它可以直观、定量、定位地反映出各种人口现象的空间分布特点，并能很好地揭示出这种分布与一些自然的和人文的环境因素之间的相互关系。

目前人口地图的编制一般均使用计算机辅助制图，它以计算机和自动制图设备为工具。

常用的软件有Mapinfo、ArcGIS、Supermap等。

不同的机助制图软件尽管各有特点，但制图过程基本一致。

对人口地图的机助制图来说，首先是通过数字化方式输入人口所需的底图要素，并输入与统计单元相对应的统计数据。

打开统计单元图形文件相对应的数据库，选择要显示的数据，如统计单元的人口数、不同年龄组的人口数、不同年份的人口数等，选择的数据可以是一个字段，也可以是多个字段，还可以是表达式，如人口密度可选择人口数与面积的比值表达式。

然后选择人口地图的表示类型，数据与表示类型选择后，即在屏幕上按照缺省的方式显示专题地图。

可以通过屏幕观察分析修改地图，修改工作完成后，可对人口地图进行进一步加工处理。

(2) ArcGIS的空间统计分析
空间统计分析是分析空间资料的统计方法，它和传统分析方法一样，在区域经济分。