高速公路交通流网络的时空特征与城市空间关联研究——以江苏省为例

摘要

城市间的相互作用关系和强度在时空维度上持续的进行着动态演化，对其进行特征解析与结构模式挖掘是人文地理学研究的核心内容之一。本文依赖江苏省高速公路连续观测的海量交通流数据，综合利用数理统计、计量建模、GIS空间分析、复杂网络分析和数据挖掘等多种方法，在对交通网络要素与网络结构复杂性特征解析基础上，引入多维时空分析的张量分解方法挖掘城市相互作用关系的时空耦合结构，基于流动韵律进行空间演进机理分析与城市关联模式提炼，论文尝试为城市相互作用的时空网络分析提供新的理论工具与可行路径。
　　江苏高速收费站近年来呈现数量不断增加的趋势，“短距离”上的空间聚集是江苏高速收费站节点分布的基本特征。拓扑结构上，江苏高速公路网络规模提升明显，但网络的发育水平仍较低，发展潜力较大等特点。叠加流量的江苏高速公路收费站节点具有明显“少数节点集中多数流量，多数节点承担少数流量”的偏斜分布特征。空间格局上则表现出典型“南高北低”的分异特征，空间联系的主导方向为东南-西北向，随时间演进这一时空特征保持相对稳定。以收费站为节点，流量为边权的交通流网络整体结构呈现为小世界网络且日趋复杂，整体网络的顶层结构已有发育，但层次结构仍处于分化中的特征。总体而言，从高速公路设施网络与交通流网络的节点要素和网络特性揭示出高速公路网络具有显著的复杂性特征，且随时间演进日益复杂。
　　江苏高速公路交通流网络的时空结构特征，大致呈现为倒“不”字型的网络结构，在时间模式和空间模式上具有显著的时空耦合特性。具体为，提取得到的基本不变特征、渐变特征和突变特征三种时间模式有各自对应的空间模式，即时间的基本不变特征突出了江阴大桥的主通道作用，且过江阴大桥沿京沪线的联系网络是倒“不”字型的纵轴之一;渐变特征凸显了沪宁线在苏南地区城市空间联系的重要作用，且沿沪宁线的联系网络是倒“不”字型的横轴;突变特征体现的分别是以“常熟-南通”和“扬州-镇江”为最高联系层级建构的网络，且过润扬大桥沿扬溧线与过苏通大桥沿沈海线的联系网络是倒“不”字型的另两纵轴。
　　江苏高速公路交通流网络时空结构具有明显的阶段性演进特征，可用于长尺度理论模型的提炼。从时间上可划分为200401-200504、200505-200806和200807-201212的三个阶段，对应整体网络的空间结构则大致呈现出由倒“T”字型向倒“下”字型，再向倒“不”字型演变。随新增过江大桥的建成通车，时空结构上表现出时间模态的增加与变动以及空间结构的演变等特征，昭示不同区位上过江通道的定位与功能差异是要素流动空间分异及网络时空结构塑造的重要影响因素。高速交通网络阶段性演进是整体网络时空结构演化过程的重要组成部分，在长尺度上表现为趋势的分段而在小尺度上表现为波动结构变化。在总结与归纳高速交通网络受过江大桥建设、地区发展需求、区域发展政策、行政原则、投融资结构等主要驱动因素前提下，基于江苏的研究实践，给出了一个包含路网零散分布、局部网络建构、区域初步成网、网络发育延伸、网络提升充实和网络一体化的6阶段演化过程理论模型。
　　城市空间关联是城市节点的流入量、流出量以及城市间通行时间（距离）共同作用的结果，江苏省以高速公路网络为载体的城市空间相互作用的关联模型符合基于幂函数的牛顿型模型。关联模型的空间阻尼系数值在四个时间节点的值均小于1，数值范围在0.472～0.672之间波动，且有三个时点的值为0.645、0.672和0.649，总体表现出（时间）距离对城市关联约束作用有限，以高速公路进行城市关联对（时间）距离的敏感度一般。这一空间阻尼系数相对城市内部尺度出租车（公路）交通流、全国尺度铁路交通流较低，与全国尺度的航空网络交通流接近。
　　江苏省域范围内提炼的城市关联模式包含苏北关联系统、跨江关联系统和苏南关联系统，且这一模式与《江苏城镇体系规划(2001-2020)》和《江苏城镇体系规划(2012-2030)》的全省城镇空间结构存在耦合与差异。其中，苏南关联系统内部呈现出明显的一体化联系趋势，苏州、无锡、常州、南京等城市表现出显著的中心性功能;跨江关联系统以长江两侧形成的多个“双核心结构”为主，主要用于连接苏南系统与苏北系统间的关系，具有明显的“通道效应”;苏北关联系统组团内部和组团之间的联系在三个系统中最弱，淮安成为连接苏北系统内部不同组团间的重要节点。提炼的关联模式昭示以“多板块协同发展”的思路布局与规划江苏省域范围内的区域空间发展战略应是优先考虑的方案;在与两个时期规划的全省城镇空间结构对比后，建议在原有规划基础上，修正与补充串联“无锡-江阴-淮安-徐州”的轴线为“徐锡城镇发展轴”，形成“一带三轴，三圈一极”的“井”字型城镇空间结构;并且不同方案之间的耦合性可为江苏未来区内和区外联系更紧密情况下的城镇空间布局提供思路上的启迪。

目录

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论文说明

摘要

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第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 高速公路网络是城市关联的重要媒介

1．1．2 交通流网络的动态性是交通流特征与机理研究的关键之一

1．1．3 高速收费站数据为交通流时空特征解析提供了关键支撑

1．2 研究目标与意义

1．2．1 研究目标

1．2．2 研究意义

1．3 研究对象与基础数据

1．3．1 研究对象界定

1．3．2 基础数据来源

第二章 国内外研究进展、理论基础与研究框架

2．1 国内外研究进展

2．1．1 交通网络的拓扑结构

2．1．2 交通网络的流动特征与空间规律

2．1．3 交通网络的形成机理与影响因素

2．1．4 交通网络的空间结构模式

2．1．5 交通网络的区域效应研究

2．1．6 国内外研究进展评述

2．2 理论基础

2．2．1 几何图论

2．2．2 张量代数理论

2．2．3 空间相互作用理论

2．2．4 区域空间结构理论

2．3 研究框架

2．3．1 研究内容

2．3．2 技术路线

第三章 高速公路收费站的节点分布特征及实体路网拓扑

3．1 高速公路收费站的数理统计特征

3．1．1 省辖市层面的数理特征

3．1．2 县市层面的数理特征

3．2 高速公路收费站的节点分布格局

3．2．1 收费站空间分布的集中度与离散度

3．2．2 收费站空间分布的位移与方向

3．3 高速公路实体路网的拓扑特性

3．3．1 实体路网拓扑构建与度量指标

3．3．2 实体路网的拓扑特性分析

3．4 本章小结

第四章 高速公路收费站节点流量的时空特征

4．1 高速公路收费站节点流量的数理统计特征

4．1．1 收费站节点流量的总体分布特征

4．1．2 收费站节点流量的频率分布特征

4．1．3 收费站节点流量的箱图分布特征

4．2 高速公路收费站节点流量的空间格局演化

4．2．1 收费站节点流量空间格局探析的研究方法

4．2．2 收费站节点流量的密度分布特征

4．2．3 收费站节点流量的空间聚集性特征

4．3 高速公路收费站节点流量的方向变异特征

4．3．1 收费站节点流量的空间位移与方向

4．3．2 收费站节点流量的空间变异

4．4 本章小结

第五章 高速公路交通流网络的复杂性特征

5．1 网络模型与数据处理

5．1．1 网络模型与评价指标

5．1．2 数据处理与网络建立

5．2 高速公路交通流网络的基本统计特征

5．2．1 网络节点度与度分布

5．2．2 网络的可达性特征

5．2．3 网络的集聚性特征

5．2．4 网络的节点介数与介数分布

5．2．5 网络的点权与点权分布

5．3 高速公路交通流网络的关联性质

5．3．1 度度相关性

5．3．2 度权相关性

5．3．3 簇度相关性

5．3．4 度与介数相关性

5．3．5 度与可达性相关性

5．3．6 介数与流量相关性

5．4 本章小结

第六章 高速公路交通流网络的时空结构解析

6．1 高速公路交通流数据预处理与研究方法

6．1．1 数据预处理

6．1．2 研究方法

6．1．3 研究区域大桥建设概况

6．2 高速公路交通流网络的整体时空结构

6．2．1 非负张量分解方法的适用性检验

6．2．2 高速公路交通流网络的时间结构

6．2．3 高速公路交通流网络的空间结构

6．3 高速公路交通流网络的阶段性演进特征

6．3．1 高速公路交通流网络阶段性演进的时间特征

6．3．2 高速公路交通流网络阶段性演进的空间特征

6．3．3 高速公路交通流网络阶段性演进的组成结构

6．4 高速公路交通流网络演化的驱动力与理论模型

6．4．1 高速公路交通流网络时空结构的驱动因素

6．4．2 高速公路交通流网络演化的阶段划分

6．4．3 高速公路交通流网络演化的理论模型

6．5 本章小结

第七章 基于高速公路交通流的中心城市及关联组团

7．1 集成城市节点度和交通流量的中心城市识别

7．1．1 城市节点度的时空特征

7．1．2 城市节点交通流量的时空特征

7．1．3 不同等级中心城市的识别

7．2 基于高速交通流的城市集聚场与扩散场分析

7．2．1 集聚场与扩散场识别的研究方法

7．2．2 不同时点的城市集聚场与扩散场

7．3 不同时点的城市关联组团确定

7．3．1 城市关联组团的基本原则界定

7．3．2 不同时点的城市关联组团与空间格局

7．4 本章小结

第八章 高速公路交通流网络的演进机理与城市关联模式

8．1 数据处理与研究方法

8．1．1 数据处理

8．1．2 研究方法

8．2 全距离与不同距离别高速公路交通流网络的时空特征

8．2．1 全距离与不同距离别的统计分布特征

8．2．2 全距离与不同距离别的空间演化特征

8．3 高速公路交通流网络的空间机理与关联模式

8．3．1 高速公路交通流网络的空间演进机理

8．3．2 基于高速公路交通流网络的城市关联模式

8．3．3 多板块的江苏城镇布局对江苏城镇体系规划的启示

8．4 本章小结

第九章 研究结论与展望

9．1 研究结论

9．2 主要创新点

9．3 研究不足与展望

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文与研究成果

后记