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法律状态
2022-07-05
授权
发明专利权授予
技术领域
本申请属于城市地理智能计算领域，设计了一种基于城市形态与人口汇聚模式的精细化人口分析单元划分方法。
背景技术
人口分析单元是城市人口分析时空操作、规律挖掘和分析结果可视化的基本空间单元。静态人口分布或动态人口变化信息通过人口分析单元进行展示，并基于人口分析单元开展时空分析，人口分析单元的形状、面积大小和空间连续性等属性直接决定了人口信息表达的精细度和人口分析结果准确度。因此，适宜的人口分析单元划分方法对于有效表达城市人口活动信息，分析人口变化时空模式，进而支撑城市人口相关的应用是至关重要的。
在长期的城市人口研究中，已经使用或划分了多种人口分析单元。基于人口分布与变化信息的表达，为了满足人口分析单元划分的条件和应用需求，主要的划分方法分为3个方向。
基于空间尺度需求的人口分析单元划分。城市常见的宏观和中观人口分析单元为传统的行政区划单元包括市辖区、街道，这类空间单元能够直接匹配人口普查数据和其它类型政府统计数据，不仅是人口分布数据的标准验证单元，也为政府管理和政策规划提供了直观的科学依据数据反馈。针对微观尺度，建筑物是城市中天然的微观要素，部分研究者使用建筑物矢量面要素直接作为人口分析单元，可以表达空间细粒度的人口分布信息或开展精细化的人口分布模式分析。基于应用场景需求的人口分析单元划分方法。考虑人口的动态变化和流动，典型的应用场景为城市交通，相关研究者利用城市道路网中的主干道路划分了交通分析区 (TAZ)，在符合中观城市形态的基础上用以分析城市人口的交通出行特征。在此基础上，进一步结合交通站点和交通工具的相关数据用以分析城市人口与交通设施的交互模式或交通工具的运行模式。该类单元基于交通场景的需求，针对性的表达了人口分布和变化的特征，为城市交通的规划或优化提供了有效的人口信息。基于研究数据的人口分析单元划分方法。地理格网是目前为匹配数据质量而划分的最流行和便捷的人口分析单元。通过人工建立不同尺寸大小的规则多边形实现不同空间分辨率下人口信息的表达。可以直接与城市人口研究中流行的土地利用数据、夜间灯光数据等栅格数据相匹配。随着新型传感器的发展部分研究以个体时空标记数据和相关的城市服务设施数据为核心结合数学理论划分泰森多边形作为人口分析单元，例如智能卡刷卡数据与手机信令数据，这类单元实现了对人口时空标记数据的科学统计和空间表达。
总体而言，目前人口分析单元划分方法主要由研究数据和应用需求驱动，缺乏从人口分布和变化特征表达和分析准确性的角度考虑人单元的划分方法。尤其在微观尺度下，这3类人口分析单元划分的结果易存在与城市形态相异、空间单元连续性低、空间分辨率不足等不同的问题，进而导致人口信息表达不准确、场景泛用性差，无法长效支撑精细、准确的城市人口分析和分析结果应用。
因此，本发明根据城市人口流动汇聚的特征结合城市形态要素，构建微观尺度下适合表征与分析人口分布与变化特征的FPAZ(Fine Population Analysis Zone，精细人口分析区)。
发明内容
本发明针对当前缺乏适宜表达人口分布与变化特征的微观人口分析单元这一问题，提供一种基于城市形态与人口汇聚模式的精细化人口分析单元划分方法。根据城市人口流动汇聚的特征结合城市形态要素，构建微观尺度下适合表征与分析人口分布与变化特征的FPAZ。
本发明提供一种基于城市形态与人口汇聚模式的精细化人口分析单元划分方法，包括以下步骤：
S1、顾及城市的空间结构和人口分析细粒度需求，提取城市主干道路、水系这些分割和组成城市空间区域的要素，面向微观尺度人口活动区域功能异质性贴合城市自然形态，基于几何属性和空间拓扑特征提取道路与水系多边形，将剩余的形态要素通过多边形化拓扑处理划分基础分析单元；
S2、考虑城市人口流动在局部汇聚的空间分布特征以及依赖出入口动态变化的长期稳定特征，构建以局部出入口要素为空间划分核心的人口汇聚偏好模型，利用语义字典匹配和人口流动模拟方法提取对人口汇聚具有关键作用的主出入口要素；
S3、利用基础分析单元内的微观结构要素，综合人口汇聚偏好模型提取的主出入口要素利用空间聚类方法划分适合表达和分析人口分布与变化特征的FPAZ，即精细人口分析区。
进一步的，步骤S1中提取道路多边形的具体实现方式如下；
S11、单级道路多边形提取
在划分区域R内，选择等级最高的主干道路集合L
S12、多级道路多边形提取
在U
进一步的，步骤S2中利用语义字典匹配和人口流动模拟方法提取对人口汇聚具有关键作用的主出入口要素的具体实现方式如下；
S21、人口流动路径网络构建
首先，考虑人口流动汇聚的地理特征，在划分区域R内部或外部选择一个地理方位假设一个虚拟的人口流动出发点Op
S22、出入口流动路径相似度计算
提取主要道路网络的道路交叉点，将人口流动路径网络表达为路径交叉点要素的ID序列，然后利用difflib算法计算同一个基础分析单元内各个出入口模拟的路径相似度rs，并结合相似度阈值tv开展主出入口标记，根据城市人口对于基础设施点要素的步行敏感距离数值，并结合人口流动路径网络点序列的平均长度设置tv；
S23、基于路径相似度的主出入口标记
对于任意基础分析单元内的任意两个出入口计算对应的流动路径ep
进一步的，步骤S22中所述difflib算法是基于LCS问题，如公式(1)所示，结合动态规划思想，如公式(2)所，以及完型匹配算法改进的序列差异度计算方法；公式(1)中，X
进一步的，步骤S3中FPAZ的划分步骤如下：
1)微观结构要素提取
提取基础分析单元内的微观结构要素，包括内部道路、人工湖，并与基础分析单元边界结合线要素转换为面要素的空间拓扑处理得到单元集合M；
2)基于主出入口要素的单元分类
根据基础分析单元内主出入口要素集合E＝{e
3)FPAZ划分
基于主出入口的分类结果，对M中类别EntryC相同的单元进行空间融合，并将所有融合后的单元进行合并即获得该基础分析单元内的FPAZ。
进一步的，tv的取值为0.95。
本发明产生的有益效果是：利用城市形态要素结合人口汇聚模式划分了一种微观尺度下适合表达人口分布与变化特征的FPAZ。以界定空间尺度和人口分析单元的基本划分范围为切入点，利用大、中观尺度的城市形态要素划分基础分析单元，进一步以人口汇聚偏好模型获得对人口聚集变化具有主要影响的出入口要素，并综合微观结构要素对基础分析单元作进一步划分得到FPAZ。该方法不仅考虑了城市形态特征对人口分布和变化的影响，同时考虑了城市人口流动汇聚本身的分布变化特征和长期稳定特征，使得FPAZ更适合用于分析人口分布与变化的时空模式。
附图说明
图1是本发明实施例的技术流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
下面结合附图并举实施例，对本发明的技术方案和详细建模流程进行说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的基于城市形态与人口汇聚模式的精细化人口分析单元划分方法，包括以下步骤：
S1、顾及城市的空间结构和人口分析细粒度需求，提取城市主干道路、水系等分割和组成城市空间区域的要素，面向微观尺度人口活动区域功能异质性贴合城市自然形态，基于几何属性和空间拓扑特征提取道路与水系多边形，将剩余的形态要素通过多边形化拓扑处理划分基础分析单元。
S2、考虑城市人口流动在局部汇聚的空间分布特征以及依赖出入口动态变化的长期稳定特征，构建以局部出入口要素为空间划分核心的人口汇聚偏好模型，利用语义字典匹配和人口流动模拟方法提取对人口汇聚具有关键作用的主出入口要素。
S3、利用基础分析单元内的微观结构要素，综合人口汇聚偏好模型提取的主出入口要素利用空间聚类方法划分适合表达和分析人口分布与变化特征的FPAZ。
本发明的基本思想为：基于对城市人口分布和变化过程的理解，城市中人口流动和汇聚的模式与自然界中的水流到湖泊的形成过程特征是相似的。人口通过多等级的交通网络，由不同活动行为驱动进行移动，最终通过固定出入口在局部的空间区域聚集，这些聚集区域通过道路、水网等城市形态要素的限制形成不规则的空间单元。因此本发明以界定空间尺度和人口分析单元的基本划分范围为切入点，利用大、中观尺度的城市形态要素划分基础分析单元，进一步以人口汇聚偏好模型获得对人口聚集变化具有主要影响的出入口要素，并综合微观结构要素对基础分析单元作进一步划分得到FPAZ。
同其它人口分析单元的划分方法相比，本发明的关键创造点是考虑人口分布与变化的特征同时顾及城市形态和细粒度空间需求，提供了一种微观尺度适合分析人口分布与变化模式的人口分析单元划分方法。
在本发明的另一个具体实施例中：
本发明提出的一种基于城市形态与人口汇聚模式的精细化人口分析单元划分方法，将此方法应用于某城市，具体步骤如下：
步骤1，顾及城市形态的基础分析单元划分
城市中的形态要素对于分割城市空间区域，形成更细粒度的空间单元，进而改变人口的流动与聚集模式也具有直接的限制作用。城市道路作为城市人口移动和通行的交通设施，是最基本的城市自然形态要素，对划分建筑地块、构成城市居民生活边界具有重要影响。
1)宏观与中观城市形态要素提取与空间拓扑单元构建
首先利用城市形态要素界定空间范围和尺度，划分基础分析单元。根据城市到路网数据和水网数据，在某城市共提取到县级以上主干道路线要素约250000条，主要水系多边形要素约800条，共构建空间拓扑单元约50000个。
2)多级道路多边形提取与过滤
面向微观尺度人口活动聚集区域贴合城市自然形态，过滤多级道路多边形、水系多边形和绿化多边形。考虑道路多边形的几何属性特征，由于TAZ适用于中观或宏观的空间分析，道路多边形面积普遍小于TAZ；考虑道路多边形的空间拓扑特征，道路是城市基础交通要素，道路多边形内仅包含与道路设施相关的空间要素。因此道路多边形的过滤步骤如下：
(1)单级道路多边形提取
在划分区域R内，选择等级最高的主干道路集合L
表1交通与仓储类型POI数据，用于过滤微观尺度道路多边形
(2)多级道路多边形提取
在U
步骤2，人口汇聚偏好模型
城市微观尺度下，人口分布变化的平稳性不仅受到城市形态要素的影响也与人口行为相关联。人口在局部区域的分布和变化在城市形态要素的限制下，主要依赖出入口进行流动。在此基础上，城市人口在活动目的、距离等影响移动行为的因素驱动下选择偏好的出入口，进而由于行为相似性产生长期稳定的空间汇聚现象，进而以出入口为核心形成人口分布变化稳定的空间单元。
1)出入口要素定义与提取
本发明对于出入口的定义是局部区域下人口流入和流出的固定通道，根据属性特征，通过构造语义字典获取属性描述上相符的出入口要素，其中语义字典主要包括方位、等级、序号和出入口描述等目录如表2所示。
表2出入口要素提取语义字典
顾及空间特征，以与该边界直接相连内部道路进行空间叠加，获取空间特征上相符的出入口要素。根据语义字典从某市POI数据中匹配出入口要素约45000个；同时，结合道路网分类目录中的“停车场连接路”和“POI连接路”属性提取内部道路与基础分析单元边界交点，最后共获得出入口要素约53000个。
2)人口汇聚偏好模型构建
顾及人口流动对出入口选择的偏好特征，不同等级和空间位置的出入口要素对人口的流动和聚集具有差异性。人口汇集模式，人口流量大且空间特征与其它出入口要素相差较大的主出入口对局部区域的人口汇集具有显著影响。
首先，顾及出入口要素的语义属性特征部分出入口要素的获取来自与语义字典的匹配结果，因此可以根据语义字典目录提取主出入口要素，步骤如下：
(1)考虑人口步行出入口的低流量特征，不是人口流动和局部区域汇集主要节点，根据语义字典“分类”目录的“人行”词汇过滤的仅允许人步行通过的出入口要素。在某市由该方法共过滤出入口要素约8000个，余下出入口要素约39000个。
(2)考虑出入口要素的位置和分类，根据语义字典“方位和分类”目录中的“主要”、“前”等相似语义词汇提取空间位置上具有主要地位的出入口要素，标记为主要出入口。
(3)考虑出入口要素的等级相似性特征，相同名称不同序号的出入口要素具有相似的人口偏好影响。因此根据语义字典“编号”目录中的具体序号提取具有相同出入口名称的出入口要素，标记为主要出入口。基于上述步骤在某市共标记主要出入口约160个。
其次，顾及基础分析单元的形状、面积和出入口要素空间分布特征的基础上，利用人口流动模拟方法标记进一步标记主出入口要素。基于人口模拟方法的标记步骤如下：
(1)人口流动路径网络构建
首先,考虑人口流动汇聚的地理特征，在划分区域R内部或外部选择一个地理方位假设一个虚拟的人口流动出发点Op
本实施例在某市分别选取了位于东西两个方位的火车站和机场两个交通站点作为人口流动模拟的出发点，39000个出入口要素为终点，以县级以上道路为人口流动的模拟网络，以最短路径搜寻算法模拟构建人口流动路径共约78000条。
(2)出入口流动路径相似度计算
提取主要道路网络的道路交叉点，将人口流动路径网络表达为路径交叉点要素的ID序列，然后利用difflib算法计算同一个基础分析单元内各个出入口模拟的路径相似度rs，difflib算法是基于LCS问题(如公式(1)所示)，结合动态规划思想(如公式(2)所示)和完型匹配算法改进的序列差异度计算方法。公式(1)中，X
然后结合相似度阈值tv开展主出入口标记，本实施例根据城市人口对于基础设施点要素的步行敏感距离数值400m并结合人口流动路径网络点序列的平均长度设置tv为0.95。
(3)基于路径相似度的主出入口标记
对于任意基础分析单元内的任意两个出入口计算对应的流动路径ep
步骤3，基于微观要素的FPAZ划分
基于人口汇聚偏好模型获取的主要出入口要素，对基础分析单元作进一步的划分获得微观尺度下适宜表达人口分布和变化信息的FPAZ。考虑基础分析单元内的微观结构要素对于人口汇聚的空间范围影响，FPAZ的划分步骤如下：
1)微观结构要素提取
提取基础分析单元内的微观结构要素如内部道路、人工湖等，并与基础分析单元边界结合线要素转换为面要素的空间拓扑处理得到单元集合M。
2)基于主出入口要素的单元分类
根据基础分析单元内主出入口要素集合E＝{e
3)FPAZ划分
基于主出入口的分类结果，对M中类别EntryC相同的单元进行空间融合，并将所有融合后的单元进行合并即获得该基础分析单元内的FPAZ。
本实施例在某市人口汇聚偏好模型计算的结果上，基于上述步骤对6000个基本分析单元作了进一步划分，结合原有的基础分析单元共得到FPAZ约39000个。
本发明基于城市人口流动汇聚的特征，以城市宏观中观形态要素界定空间尺度和空间划分范围，面向微观尺度需求过滤多级道路多边形，构建基础分析单元。利用人口汇聚偏好模型标记对人口汇聚具有主要影响的出入口要素，并结合基础分析单元内的微观结构要素进一步划分适宜表达人口分布与变化特征的FPAZ。本发明对于微观尺度人口分析单元划分方法的研究有助于人口分布与变化时空模式分析挖掘，从而进一步支撑城市人口的精细化管理。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
