基于道路结构特征识别的城市交通状态空间自相关分析

 城市道路交通状态具有空间自相关特征。路段交通状态的变化会很快影响到邻近路段,导致一定空间范围内路段的交通状态发生改变。揭示城市交通状态的空间自相关特征,对交通规划、交通控制与诱导具有重要意义。然而,受到城市路网空间结构和道路拓扑特征的影响,城市道路交通状态的空间自相关并非各向同性,也并非均匀地向上下游扩散,而是有选择性地集中在部分邻近路段上。因此,仅考虑路段地理空间下的上下游邻近性,难以全面度量路段间交通状态的相互影响,识别出交通状态空间相关性强的道路集合。本文借鉴复杂网络分析方法,定量化分析了城市路网的模块化与层次性特征,利用城市路段在空间上的聚集特征和路段在网络中拓扑角色的差异,提出了一种新的交通状态自相关路段邻近性判别规则,即空间邻近且拓扑等价规则,以此规则实现交通状态空间相关路段聚类过程,更好地揭示城市路段之间的交通状态空间相关性。     

基于LSTM的城市道路交通速度预测

交通预测对于交通智能管控具有重要的作用,实时准确的交通速度预测是相关研究领域中亟待解决的问题。传统预测方法难以应对日益复杂的交通数据,深度学习作为一种以数据为导向的新技术,在交通预测领域得到了广泛应用。综合利用城市道路交通的时空关联特征,搭建基于长短期记忆(LSTM)的城市道路交通速度预测模型,模型在时间特征上考虑了近历史时刻和远历史时刻的速度信息,以及待预测时刻的时刻值;在空间特征上集成了目标路段的上下游路段速度信息。基于武汉市出租车GPS数据和高德开放交通数据,开展数据处理与路段速度预测实验,分析预测模型参数与特征对预测结果的影响,并通过与传统方法的对比验证模型的有效性。     

面向空间特征的虚拟树木建模方法与应用

树木的三维建模是建立虚拟森林环境的关键问题之一。基于树木形态结构特征分析,提出了面向对象的矢栅混合模型,并详细描述了主干、枝段、枝条和树叶之间的五组拓扑关系。结合L-system s和三维几何结构方法的优势,提出规则和约束的三维树木建模方法,该方法将分枝策略和叶片空间分布特征转化为规则,利用参数化L-system s实现,建模时将树木的空间几何特征和拓扑关系赋予树木模型,所建模型符合树木的生物物理特征。建模过程中通过阈值、模型调整和随机值约束,对模型参数进行控制,约束的内容包括树木结构、单叶尺寸、叶面积指数、随机性四个方面。最后,利用VC++与OpenGL实现了数据模型与建模算法,并利用实测数据进行了验证,所得模型比其他模型更符合于树木实际的形态结构参数和生物物理指标,有利于实现与树木空间结构相关的定性和定量分析。     

小世界网络特征识别的城市交通状态网络自相关分析

大量研究表明,考虑了空间多维性的小世界网络模型对于研究交通网络特性对交通流的影响很有必要。但现有相关研究普遍未能有效找出小世界网络特征产生的临界阈值进而判断网络结构特征对城市交通运行的影响。以伦敦市主干道路网络为案例,通过网络环境下的Moran's I和Getis-Ord's G两个统计量,找出道路网络结构的小世界特征及其网络动力产生的临界阈值,并利用基于交通网络距离的半变异(方差)函数分析该临界阈值是否合理,然后运用网络自相关分析小世界网络结构特征及其网络动力对道路交通流的影响。结果表明:(1)伦敦市主干道路网络的全局Moran's I和全局Getis-Ord's G的收敛值是0.34,小世界网络现象或动力出现的临界阈值是17 000 m;(2)半方差图显示估算的小世界网络特征出现的阈值距离远小于理论半变异函数模型估算的空间相关性作用范围,且在该阈值附近半变异值呈明显上升趋势,表明该阈值是合理的;(3)在此阈值影响范围下,伦敦市主干道路段间交通流网络自相关性总体上呈显著正自相关特征,其局域空间关联格局呈中心区低-低和外围高-高的分布模式。     

基于土地利用强度的城市道路增长模拟模型与案例分析

城市交通与土地利用相互作用、相互影响。传统的城市空间模拟研究多关注交通对土地利用变化影响,缺少土地利用对路网空间形态影响的模拟。已有研究通常使用静态路网,不能表达土地利用与交通间的动态相互作用关系。本文以城市土地利用强度与城市道路网络空间分布间的正向关系,提出了基于城市土地利用强度的城市路网增长模拟模型。以唐山市为例,对其城市环路内的道路增长进行了模拟。结果表明,该模型能以城市土地利用强度的空间分布特征快速生成路网,反映城市土地利用对道路网络扩张的影响。模拟结果与实际路网具有高度的空间分布相似性。该模型可进一步与土地利用模拟模型结合,模拟城市土地利用与交通的动态相互作用。     

DEM建模视角下的城市道路分类与表达

城市数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）是城市最重要的基础地理信息数据之一。城市道路DEM建模是城市DEM构建的重要组成部分,而道路分类是城市道路DEM建模的重要基础和前提。由于现有的城市道路分类方法在城市道路形态表达上有一定程度的失真,无法准确反映道路平面形态特征,导致其难以满足未来的地表过程模拟的需求。针对这一问题,本文从DEM建模视角出发,通过解析城市道路的构成,分析城市道路形态特征,针对现有的道路分类方法的不足,提出了一种顾及道路形态的城市道路分类方法。并在此基础上,探讨了城市道路的DEM表达方式,同时选取南京市局部区域为实验区,以DLG数据为数据源,对本文提出的城市道路分类方法与表达进行了相关的实验与分析。结果表明：与现有的方法相比,基于本文所提出的城市道路分类方法构建的道路DEM所表达的道路形态更符合实际实验区的道路形态,未出现局部路面不正常的突变情况且城市道路要素框架结构明显,所表达的城市道路地形更为精细,可以为雨洪模拟和水文分析等提供重要基础。因此,本文的道路分类方法能够清晰有效地辅助城市道路DEM建模,为高精度城市道路DEM的构建提供基础和参考。     

基于多源大数据的武汉城市圈城际通勤分布及影响因素研究

在区域一体化背景下,随着区域交通基础设施完善和中心城市功能集聚,城际通勤现象越来越普遍,多源大数据为相关研究提供了有效的数据支撑。以武汉城市圈32个区县到武汉市中央活动区的城际通勤量为研究对象,基于多源大数据结合地理加权回归模型探究城际通勤量的空间分布特征及影响因素。结果表明:①城际通勤量具有空间自相关性,在区县尺度呈现出从武汉市邻近区域向外衰减的分布特征,在乡镇/街道尺度呈分散点状分布特征。②地理加权回归模型相比于多元线性回归模型拟合能力更佳,社会经济、土地利用和交通通达水平三类特征因素能够有效解释城际通勤量分布,其中人口规模和人工地表覆盖面积都与城际通勤量呈正相关,人民生活水平越高跨城通勤者越少,区域可达性的提升能使节点之间的城际通勤量增加。③各因素对城际通勤量的影响具有空间差异特征,常住人口总量对武汉市邻近区域影响较强,人均GDP(Gross Domestic Product,国内生产总值)的负向影响强度由东部向西部递减,人工地表覆盖面积的影响强度由西部往东部递减,公路可达性比列车可达性的影响更显著。     

基于街景影像的城市道路空间舒适度研究

城市道路空间舒适度是综合刻画城市道路环境的量化指标之一,可为城市道路规划建设、城市交通优化、城市环境评估等提供参考。本文以街景影像为基础数据,从空间视角阐述了城市道路空间舒适度内涵,构建了城市道路空间舒适度量化指标,建立了以语义分割和等距采样为基础的城市道路空间舒适度测度方法和空间插值方法,最后以南京市局部城区为样区进行了实验,并分析了城市道路空间舒适度特征。实验结果表明：① 语义分割中主要要素的分割精度满足要求,分割总体精度为84.92%, Kappa系数为80.06%;② 综合考虑数据处理时间和舒适度量化表达程度, 200 m采样间距可以综合描述研究区道路空间舒适度状态;③ 本文提出的双向约束插值方法可消除突变点、梯形插值形态、花斑状纹理等异常插值现象,同时可有效保持道路空间舒适度方向特征;④ 本文提出的测度方法可以有效度量城市道路空间舒适度,测度等级精度达80%;⑤ 城市道路空间舒适度等级与道路等级整体上呈现正相关关系,且舒适度在实验区呈现南高北低、建邺区较高、鼓楼及历史老城区低的空间分布状态。     

一种面向时空对象及其关联关系动态变化表达的概念数据模型

根据全空间信息系统中地理实体基本特征以及存储管理的需求,本文提出了一种面向地理实体及其关联关系动态变化表达的时空数据模型。① 在地理实体方面,将其抽象为由有序、无缝对象片段组成的时空对象,并建立了对象片段表达的三元组模型,即空间位置、几何形态和属性特征;② 在关联关系方面,采用基于RDF模型来对空间关系和属性关系进行形式化描述;③ 在动态变化方面,将地理实体的变化分为空间位置的变化、几何形态的变化和属性特征的变化,关联关系的变化分为空间关系和属性关系的变化,并分别采用快照/增量、方程/模型2种方式来统一表达它们的离散和连续变化。该模型可显式地描述动态的时空对象及其关联关系在时空过程中的变化,有助于探讨和挖掘地理现象的基本变化规律和内在关联性。     

土地利用格局空间关联分析--以浙江省桐庐县为例

空间关联是地理空间现象和空间过程的本质特征。土地利用数据存在空间依赖关系,研究土地利用空间关联特征,对于理解区域土地利用格局的形成具有重要意义,也可为加强土地规划管理和促进土地可持续发展提供参考依据。本文以浙江省桐庐县为研究区,以空间统计学理论为支撑,结合GIS技术方法,通过构建距离标准和邻接标准的空间权重矩阵,从全局空间自相关和基于空间不平稳性的局部空间自相关两个角度对桐庐县土地利用格局进行多尺度空间关联分析。结果表明,桐庐县各种土地利用类型均存在不同程度的空间自相关性,且空间自相关性与空间尺度密切相关,同时,桐庐县土地利用表现出空间不平稳性,既有局部的空间集聚,也因存在少量空间异质性而呈现局部离散格局。     

基于动态中介中心性的城市道路网实时分层方法

 城市道路网中各路段的出行效率直接决定了公众实时出行过程中对道路的选择差异。本文提出一种动态道路网分层方法,通过引入城市道路实时交通状态信息,结合图论中的中介中心性评价方法,得到与时间相关的城市路网动态中介中心性层级结构。该方法考虑了不同时间段城市交通状态的差异,实现了城市路网层次的动态合理划分,在一定程度上缓解了由于数据空间范围限制引起的路网层级静态划分方法的局限性。本文所提出的方法可作为城市路网动态分层的有效方法,为多用户并发环境下的实时出行路径搜索提供更合理的数据基础,同时也可应用于更多的城市路网研究中。     

Relationship Between Urban Road Traffic Characteristics and Road Grade Based on a Time Series Clustering Model: A Case Study in Nanjing,China

With the increasing number of vehicles in large- and medium-sized cities challenges in urban traffic management, control, and road planning are being faced. Taxi GPS trajectory data is a novel data source that can be used to study the potential dynamic traffic characteristics of urban roads, and thus identify locations that show a notable lack of road planning. Considering that road traffic characteristics on their own are insufficient for a comprehensive understanding of urban traffic, we develop a road traffic characteristic time series clustering model to analyze the relationship between urban road traffic characteristics and road grade based on existing taxi trajectory data. We select the main urban area of Nanjing as our study area and use the taxi trajectory data of a single month for evaluating our method. The experiments show that the clustering model exhibit good performance and can be successfully used for road traffic characteristic classification. Moreover, we analyze the correlation between traffic characteristics and road grade to identify road segments with planning designs that do not match the actual traffic demands.     

基于路网数据和复杂图论的中国城市交通布局评价

城市化的快速发展推动了我国城市道路网的不断扩张和发展。城市道路网是一个动态、开放、自组织的空间复杂网络,构成了城市的结构框架,研究城市道路网的结构特征对路网规划和城市建设有着重要的应用价值。在国内城市道路网络结构特征的相关研究中,很少有学者基于道路走向的视角对整个城市路网结构进行研究,也缺少对全国主要城市路网的整体性评价。本文选取我国一、二线及新一线49个城市作为研究区和2020年2月的城市道路网作为实验数据,首先采用图论和玫瑰图的方法对49个城市的道路网方向特征进行可视化,定性分析城市路网的复杂结构,然后基于最值比R、道路首位度S、过阈值比T、走向顺序φ和路网密度δ等5个路网指标对49个城市的道路网进行聚类分析,从而探究我国城市路网的分布特征。结果表明,我国城市主要以南北和东西走向为城市道路的主导向,部分城市因地形的影响沿着有利于城市交通和居民生活的方向规划道路;基于路网指标的聚类得到了十字正交型、十字状向风车状扩散型、风车状向圆弧四角星扩散型和混合复杂型等4类城市道路网类型,这4类城市路网在方向分布特征上具有显著差异,突出表现在有序性和复杂性;从路网类型的空间分布来看,十字正交型和十字状向风车状扩散型路网大多分布在我国的内陆地区,而风车状向圆弧四角星扩散型和混合复杂型路网则大多分布在沿海地区。本文主要通过分析我国一、二线及新一线城市道路网的分布特征,探究了我国主要城市交通路网的布局现状,能够为城市新区道路规划和路网布局优化提供参考依据。     

顾及DEM误差空间自相关的地形变化检测方法

传统的地形变化检测方法忽略了DEM误差的空间自相关性,针对此问题,本文提出了顾及DEM误差空间自相关的地形变化检测方法。首先,通过2期DEM相减得到差值DEM（DoD）,并通过蒙特卡罗方法评估DEM的误差空间分布;其次,基于DEM误差空间分布图,通过误差传播公式计算DoD误差,并使用半变异函数分析其空间自相关程度;最后,在误差空间自相关分析和显著性检测的基础上计算地形变化量（体积）和对应的误差限。本文在4个黄土小流域进行了实验,结果表明：无人机摄影测量DEM的高程误差存在一定程度的空间自相关,通过光束平差蒙特卡罗方法可以模拟无人机摄影测量DEM的误差空间分布;在进行地形变化检测时,使用误差空间分布代替中误差进行地形变化检测有效降低了检测结果对显著性阈值的敏感性;显著性阈值从68%提高到95%时,使用误差空间分布的检测结果损失的观测值比使用中误差低5.39%~6.75%。顾及空间自相关的地形变化检测方法能够更加科学、精确地量化地形变化特征,也可有效地应用于地表变形监测、流域侵蚀监测、输沙量评估等领域。     

基于拓扑结构分形维的道路选取方法

计算了复杂网络中单个节点的信息维数、体积维数和度体积维数,提出一种基于结构分形维的道路选取方法,考虑了道路网连通方式的多样性与差异性特征。实验结果表明,相比基于路划长度、中介中心性、邻近中心性、度中心性4种单指标道路选取模型,该方法能更好地保持路网整体结构、局部关键特征和拓扑连通性;并且与相应标准比例尺地图保持更高的一致性。     

基于浮动车数据的城市道路通行能力时空特征分析

针对城市道路通行能力定量度量指标,提出基于浮动车数据的道路基本通行能力评估方法;以道路通行能力指标来分析深圳市道路网通行能力的时空分异规律,结论如下：城市道路通行能力具有明显的时变特征和空间分布的不均衡性;各行政区域通行能力在工作日变化平缓,在休息日出现午高峰;通行能力余量无论在工作日和休息日都浮动较大,并在休息日中午显著下降;道路通行能力具有明显区域分类现象,人口密度和发展程度较高区域的道路通行能力整体较低,且一天内的变化较小;道路等级对通行能力和通行能力余量影响显著,较高等级道路一天内变化较大,低等级道路则较平稳。     

基于Voronoi图的高密度城区停车场空间布局分析——以广州市海珠区为例

停车场是高密度城区基础设施的重要组成部分,对人口、道路、建筑等具有一定空间依赖,并形成其特定的分布规律。本文以广州市海珠区为例,运用Voronoi图对高密度城区停车场空间布局特征和空间聚集度与其影响因子的空间自相关性进行了GIS系统分析。通过研究区内及各街道区域内建立停车场Voronoi多边形,计算CV值、聚类指数及停车场聚集度。分析表明:(1)在高密度城区内,全区范围及各街道区域内停车场有集聚布局的趋势。集聚核出现在西北面江南大道商业圈和北面广州新中轴线贯穿的海珠区中心区段,高密度城区停车场有围绕商圈、中心发展区等高密度城区特征,突出区域集聚的趋势。(2)人口密度、道路密度、建筑密度等因子在全局及局部上影响着停车场的空间布局,而人口密度的影响最明显。(3)高密度城市化发展水平越高,各影响因子对停车场的密度与集聚程度影响越显著。