城市道路网结构复杂性定量描述及比较研究

摘要

城市道路网是社会经济活动和人类生活的重要载体，也是保障城市繁荣、有序和高速发展的基础。城市化过程的快速推进，在提升交通运输效率的同时，也引致一些新的问题，例如城市道路网飞速扩张与交通拥堵，交通便捷度提高与环境污染，立体交通与部分道路利用效率不高等。要解决上述矛盾，很大程度上依赖于对道路网自身组织结构与运输功能实现的深入透彻理解。
　　来自地球信息科学、地理学、城市规划、交通运输工程、行为学、运筹学等多学科的国内外学者对道路网的形态、结构、运行机制、特征与人类行为的关系、发展演进模式等从多个角度和维度开展了大量研究。而兴起于20世纪末的复杂网络研究，则与系统论、信息论、控制论等一起，构成复杂性研究的四大支柱，也被成功用于道路网研究中。传统分形理论局限于几何分形。复杂网络理论与分形理论的有机集成，可定量描述道路网结构复杂性，揭示道路网自组织结构特征，以及结构如何影响甚至决定其运输效率。本论文旨在提出道路网结构复杂性定量描述指标，并将其用于多个现实城市道路网研究，探索道路网结构自组织规律，并从理论上解析道路网结构与功能间的联系。论文主要工作如下:
　　一、以成都市道路网为案例，以路划为表征方法，构建基于路划的道路网对偶图，分析该道路网的小世界与无标度特征。从理论上探讨环状道路和放射性道路在整个城市道路网络中所发挥的骨架作用，使用度度、度簇、度与中介中心性、邻近中心性等指标揭示路划之间的连通方式复杂性，并分析了各指标间的相关性。
　　二、以格网式、环形放射式、自由式及混合式等多种模式道路网为例，分别构建其路网拓扑连通关系原始图和对偶图，比较各模式道路网在连接度、通达度、可达度、网络结构异质性等方面的差异。结果表明，格网式道路网络交通便捷程度较高，而自由模式道路网络可达性和连接性等都较低。环形放射和混合模式路网因其整体保持骨架特征下局部多采用格网模式填充二维平面，结构特性常介于格网式与自由模式路网之间。
　　三、采用盒覆盖法挖掘道路网在多个空间尺度上表现出的结构分形特征。以三座城市的道路网为例，分别在多级空间尺度上探究其是否存在结构分形特征。实验证明不同尺度下，道路网结构均具有分形特征，分形维数在[2.21，3.95]之间。路网中枢纽道路之间具有互斥性，但这种互斥性随着空间尺度的变化没有增强或减弱。道路网结构分形维由大尺度到小尺度未呈现一致的递增或递减规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 道路网结构复杂性研究现状

1．3 研究意义

1．4 研究目标

1．5 论文组织结构

第2章 城市道路网复杂网络分析

2．1 引言

2．2 道路网表征方法

2．2．1 基于路段的道路表征方法

2．3．2 基于语义的道路表征方法

2．3．3 基于路划的道路表征方法

2．3．4 道路网的图表征

2．3 复杂网络理论

2．3．1 复杂网络初识

2．3．2 复杂网络研究进展

2．3．3 复杂网络统计特征量

2．4 本章小结

第3章 环形放射状城市道路网的结构特性

3．1 引言

3．2 研究策略

3．3 结构特性与效率分析

3．4 特征值相关性分析

3．4．1 度度相关性

3．4．2 度簇相关性

3．4．3 度与中介中心性相关性

3．4．4 度与邻近中心性相关性

3．5 本章小结

第4章 不同模式城市道路网的结构特征比较

4．1 引言

4．2 道路网模式与基本结构特征

4．2．1 典型的道路网模式

4．2．2 路网模式基本结构特征比较

4．3 连接度、通达性、可达性比较分析

4．3．1 连接度、通达性、可达性：概念与计算方法

4．3．2 不同模式路网连接度、通达性、可达性特征比较

4．4 小世界、无标度特性分析

4．4．1 不同模式道路网小世界特征比较

4．4．2 不同模式道路网无标度特征分析

4．5 不同模式道路网结构异质性比较

4．6 本章小结

第5章 多尺度城市道路网的结构分形特征

5．1 引言

5．2 分形及分数维

5．3 盒计数法计算分形维

5．3．1 几何分形维盒计数法

5．3．2 结构分形维盒计数法

5．4 数据与处理流程

5．5 多尺度道路网的结构分形分析

5．6 本章小结

结论与展望

结论

局限性展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文