基于时间序列聚类方法分析北京出租车出行量的时空特征

受城市资源配置、区域功能分化的影响,城市中居民的出行往往呈现出特定的模式和规律,而这种出行模式的背后反映出城市的功能结构。城市车辆GPS导航的广泛使用,以及车辆轨迹数据的大量获取,为分析城市居民出行模式及理解城市功能结构提供了数据支撑。本文以道路分割城市得到的地块为研究单元,利用北京市一个月的出租车轨迹数据,对北京居民的出行模式及城市功能格局进行分析。在轨迹数据分析中,本文从轨迹数据中提取每个地块的出行量时间序列信息,然后采用结合时间序列距离度量和时间序列自身相关性的聚类方法,对出行量时间序列数据进行聚类分析,从而研究乘客出行的时空分布特征,最后结合北京市POI数据,探讨了不同区域乘客出行规律和区域功能类型的相互关系。结果表明,出租车出行量时间序列模式在工作日和周末间存在明显差异。此外,工作日的2个出行高峰与通常的通勤早晚高峰不同。由出行量所得的区域聚类结构,除具有重要交通枢纽功能的地块外,总体上以市中心为圆心大致呈同心圆分布,且距离市中心越远出行量越小。研究结果对于分析北京市居民出行行为、辅助城市交通规划具有一定的意义。     

城市出租车上下客的GPS轨迹时空分布探测方法

出租车作为城市公共交通的重要补充,是城市面向公众的一个窗口,在人们日常出行中起到越来越重要的作用。出租车资源时空分布的不均衡,直接影响到城市公共交通的运行效率和城市形象。通过研究出租车上下客的时空分布特征,不仅可以反映城市居民的工作、生活、出行的规律和模式,也可反映城市空间在不同时段内的动态性和“热度”。本文基于出租车GPS轨迹大数据,针对出租车上下客事件轨迹呈现的线状特征,以及城市道路网络空间不同时段“热度”的动态分段特征,提出了出租车上下客时空分布的线密度探测模型。该模型通过对时间多粒度描述与表达,对不同城市道路网络空间,进行出租车上下客事件的探测和分析,获取城市出租车上下客的时空分布规律,更深刻地理解和认知了城市空间的动态性。     

基于出租车用户出行的功能区识别

出租车数据作为城市大数据重要来源,其上车行为和下车行为直接反映城市人群出行行为特征,帮助城市规划者发现城市人群出行规律和城市功能结构。但是出租车数据隐含多维度信息,一维或者二维模型不足以表达和挖掘其蕴含的多维信息,因此本文选择可以承载多维数据的张量模型对出租车OD（上车/下车）数据进行时空模式挖掘。本文将北京六环区域划分为500 m×500 m格网,采用北京市2012年11月1-16日的出租车OD数据,分别构建O点和D点张量,利用张量分解模型从日尺度、时段尺度揭示出租车用户出行时间模式,同时获取不同时段对应的出租车用户出行空间模式,并推测空间模式包含的语义属性。本文结合城市兴趣点（Point of Interest, POI）数据,提高空间模式语义属性推测的准确性,识别出租车用户出行功能区。结果表明：出租车用户出行时间符合工作日和休息日的早高峰、日间、晚高峰以及夜间模式;对应8种时间模式,出租车用户出行包含8种空间模式,每一种空间模式都是对应时间模式下的上下车热点区域,因此空间模式的变化表明城市人群在不同的时间点,到达不同的场所,进行不同的活动,间接表达空间功能的动态变化;区域的功能不是单一静态的,而是随着时间在不断地变化,是不同时段功能的组合。本文揭示出租车OD数据中隐含的出租车用户出行模式和空间功能动态变化,对利用人类行为时空模式研究区域空间功能结构具有科学参考价值。     

智能卡和出租车轨迹数据中蕴含城市人群活动模式的差异性分析

当前采用交通流数据量化城市人群活动模式研究已经取得了丰硕的研究成果,但是对于同一区域、同一时段不同类型交通流数据反映城市人群活动模式的共性与差异性仍然知之甚少,直接影响了城市人群活动模式挖掘结果的可解释性与实际应用效果。为此,本文旨在对目前广泛采用的智能卡数据（公交和地铁刷卡）和出租车轨迹数据2种重要的交通流数据,从时空分布模式的差异性、行程距离及距离衰减效应的差异性、空间社团结构的差异性3个方面,探索二者反映城市人群活动模式的差异性：① 采用北京市六环以内区域2016年5月9日至15日的智能卡和出租车轨迹数据进行实验分析,研究发现：① 2种交通流反映出行需求的空间分布呈现出高度相关性,但是在同一空间单元上,2种交通流反映出行需求的时间相关性较低;② 2种交通流的使用率在不同空间位置存在明显差异,仅在城市中心区域使用率较为均衡;③ 2种交通流反映人群行程距离的空间分布、距离衰减效应存在明显差异,公共交通对于促进长距离出行更为重要;④ 从2种交通流发现的空间社团结构都显示了城市的多中心结构特征,但是二者发现社团结构存在的差异性表明两种交通方式对城市空间交互起着不同的作用。本研究有助于深入理解多源交通流反映城市人群活动的内在机理,提升城市人群活动模式在城市规划、交通管理等领域的应用效果。     

顾及出租车OD点分布密度的空间Voronoi剖分算法及OD流可视化分析

为对城市各区域出租车OD轨迹流进行可视化分析,需对城市作空间剖分处理,以产生研究所需的子区域。传统的欧氏距离空间剖分方法,在空间上进行硬性切割不能有效地顾及城市人、物的时空流动模式,因此,本文提出了一种空间约束条件下,顾及出租车OD点分布密度的网络Voronoi剖分方法。首先,将道路网的边细分成线性单元,然后,设定空间约束以产生合适的发生元,让各发生元在路网上以线性单元为单位扩散步长,以不同的速度向周围联通道路进行扩散,最终将城市空间划分成一系列与出租车OD点分布密度相适应的空间子区域。利用OD流可视化理论与技术,基于划分的城市子区域分析出租车在这些区域的时空流动,并结合图论知识探究城市空间OD流拓扑图结构的变化,分析不同划分区域出租车流动模式。最后,通过北京地区一天的出租车轨迹数据,对本文提出的算法及分析方法进行了实验。     

基于出租车GPS数据的居民就医时空特征分析

城市医疗服务在很大程度上影响着城市居民的生活质量,在公共服务领域中发挥着极其重要的作用。近年来,中国城市化发展过程中产生了海量的大数据,基于这些海量数据分析居民就医出行特征对于优化和改善城市医疗资源布局具有重要意义。本文以北京市主要医疗机构空间位置数据为基础,基于出租车GPS移动轨迹数据,采用时空统计分析方法,研究了出租车出行模式下的居民就医出行时空特征。结果表明,利用医院的OD（Origin-Destination）网络结构特征分析,可以识别出不同医院的服务范围以及受众的时空分布模式。市区尤其是四环以内医院的就医网络密集、紧凑,就医密度较高,而四环以外尤其是郊区周边,就医网络稀疏、分散,医疗资源的级别及地理位置影响了居民的就医倾向。本研究基于浮动车GPS数据开展居民就医时空行为模式挖掘研究,可以为城市医疗资源供需分析和优化配置提供决策支持。     

利用导航大数据挖掘城市热点区域关联性

导航大数据是大量与导航相关且具有泛在导航、定位、授时特征的数据集合。城市环境的特性影响居民的出行活动,而居民出行活动中产生的导航大数据则蕴含了城市环境的时空信息。热点区域空间分布以及热点区域之间的关联性特征是城市环境时空特性的重要组成部分,由客观的环境现状和主观的人为活动造成。通过挖掘导航大数据可以揭示这些特征。本文提出了利用导航大数据的城市热点区域关联性挖掘方法。首先,通过对居民出行的起点和终点坐标进行空间聚类,挖掘城市中的热点区域,并依据点的分布特点对城市热点区域进行离散化;然后,利用基于谱聚类和蚁群算法的方法分析居民出行特征,揭示城市中热点区域之间存在的关联性。本文提出的方法能够充分利用导航大数据对城市动态的感知能力。以上海市2007年2月20日的出租车轨迹数据为例进行分析,结果表明：利用导航大数据分析城市热点区域之间的关联性,可以得到具有紧密关联性的热点区域的空间分布特征;上海市居民出行活动频繁的热点区域被划分为15个内部紧密关联的子图,形成该分布特征的内在机制以及居民流通规律与上海市的土地资源利用及道路交通建设现状密切相关。分析方法和结果可为合理的城市功能区域规划,智慧城市建设等提供决策支持和参考信息。     

基于居民出行特征的北京城市功能区识别与空间交互研究

受区域功能分化影响,城市居民出行呈现出特定的时序特征,因而不同的出行时序特征可以反映区域功能的差异性。同时,区域功能的交互特征可以通过居民出行的空间交互活动体现。大数据时代的到来,使得以GPS数据为代表的个体时空大数据可以从微观视角反映居民出行特征。本文采用个体时空大数据,应用数据挖掘方法,从居民感知视角研究城市区域功能的差异性与联系性。以北京六环为研究区域,采用规则格网划分城市地块,通过北京市3个月的出租车GPS数据提取地块的居民出行时序特征。采用期望最大化算法进行聚类分析,并结合兴趣点数据和居民出行调查实现功能区识别,识别出居住区、商业娱乐区等6类功能区。从距离和时间2个维度分析功能区之间的空间交互特征,发现功能互补性在一定程度上削弱了空间交互强度的距离衰减效应,同时功能交互呈现出显著的时序差异。     

出租车交接班行为识别与时空分布研究

在出租车交接班时间段内经常发生打车难,甚至空车拒载的现象,研究出租车交接班行为的时空分布特征不仅能提高出租车运行效率,同时能缓解出租车供需矛盾,方便公众出行。本文采用武汉市出租车GPS轨迹数据,建立了出租车交接班时空序列模式,提出了交接班时空序列模式挖掘与识别方法,分析了交接班事件的时空分布特征,并以车辆区域覆盖强度、区域覆盖密度为指标对交接班停靠点城市资源配置进行了评估。研究结果表明：武汉市出租车交接班集中发生在凌晨1:00-4:00与下午16:00-17:00,下午交接班高峰与晚交通高峰时段有部分重叠,交接班地点比较均匀地遍布中心城区（青山区除外,此区域开发程度较低）,武昌区交接班强度最大,江汉区交接班密度最大。此外,结合武汉市2012年出台禁止出租车司机在晚高峰交通时段交接班的规定,探测发现6.5%左右的司机仍存在严重违规交接班行为。     

小城市居民出行行为时空动态及驱动机制研究

相比于大城市,中小城市在新型城镇化中至关重要,具有独特的居民出行行为特征,但以往的研究并没有得到足够的关注。目前研究主要使用浮动车数据分析特大城市居民的出行行为,但考虑到小城市土地开发强度低、公共交通不发达、研究空间尺度精细等特点,这些研究方法不能完全适用于针对小城市的研究。因此,本文使用小城市出租车GPS轨迹数据识别上下客事件,沿道路生成随机样点采样得到了分时段的上下客密度,并对其时空动态进行描述和表达;筛选出显著影响上下客密度时空分布的9类设施,建立出租车上下客事件的地理加权回归模型;分析了小城市出租车上下客时空动态与各类城市设施的时空关系,发现在工作日与双休日和一天中不同时段中,不同城市设施对上下客事件的影响具有不同的分布规律及其驱动机制。研究结果可为小城市的城市规划和交通需求精细化管理提供参考。     

基于DBI和稀疏轨迹数据的交通状态精细划分与识别

浮动车轨迹数据已逐渐成为城市交通状态识别的主要数据源之一,但是现有基于浮动车轨迹数据的交通状态识别中多数是应用高精度或是多源轨迹数据。针对稀疏轨迹数据在城市交通状态识别中存在识别精度不高的问题,本文提出一种结合戴维森堡丁指数（DBI）和轨迹相似性度量的动态交通状态划分方法。首先,对轨迹数据和路网数据进行预处理并且建立不同时间片的路段轨迹集合;接着,依据轨迹速度-空间相似性,利用戴维森堡丁指数动态地扩展轨迹的空间维度,并根据轨迹相似性度量方法构建最佳车辆队列;然后,将前后不同的车辆队列进行二次处理,连接组成交通流簇;最后,基于模糊C均值聚类方法将交通流进行划分,实现路段交通状态的识别。采用厦门市厦禾路、湖滨西路和湖滨南路交叉路段上的真实出租车轨迹数据进行测试,结果表明,本文所提方法保证了车辆队列速度分布与原始轨迹速度分布基本一致,相比对比方法Kmeans++和ST-DBSCAN,本文方法均方根误差平均下降了18.77%和21.22%,并且在不同的实验路段表现更加稳定,可有效、可靠地运用稀疏轨迹数据识别城市交通状态,进而实现城市交通状态的精细分析。     

基于时空车流灰度的城市交通热点分析

随着城市规模的扩张和汽车数量的增加,拥堵和雾霾等受交通影响的现象变得越来越严重,城市交通热点发现与分析是改善交通状况的关键技术之一。根据城市中典型浮动车(出租车)的时空轨迹数据,基于图像分析理论,提出城市交通热点的空间分布分析方法。首先,根据浮动车数据,形成车流轨迹的时空分布灰度图。其次,通过将浮动车的轨迹数据映射到高精度城市交通网格上,探索了轨迹数据和城市热点区域之间的关联关系。进一步地依据车流轨迹的时空分布,发现车流密度的极值。最后,结合影响区域的参数利用高斯曲面拟合对时空灰度图像进行了热点区域分析,获得城市交通热点的空间分布。将分析结果在地图上标定,准确地反映了城市交通热点区域的详细位置及空间分布,从而给出了一种有效、直观的城市交通热点分析方法。研究结果对于城市交通规划和交通实时信息发布具有实用价值。     

基于低频出租车轨迹的城市路网交叉口提取研究

出租车GPS轨迹数据获取成本低、周期短,且覆盖面广,具有实时性及大规模性,同时其包含大量的行车记录信息,对提取数字道路信息具有巨大贡献,适用于大范围城市交通路网信息的获取和快速更新。基于GPS轨迹数据进行交叉口提取是目前的研究热点,但现有研究方法大多适用于高频GPS数据,不能很好地提取稀疏区域的交叉口,难以适应出租车轨迹点采样频率低、定位精度低、噪声点多、数据分布不均匀的特性。因此,本文聚焦于城市路网的交叉口识别,为尽可能准确、全面地提取道路交叉口信息,兼顾密集与稀疏区域,提出了一种集成识别策略,分别在矢量空间和栅格空间,采用密度峰值聚类和数学形态学处理方法提取交叉口,并设计了一种融合机制探测交叉口,最后结合主成分分析法判断交叉口的真伪性,识别真实交叉口,并去除伪交叉口,从而得到基于低频出租车轨迹的城市道路交叉口。与已有的研究方法相比,本方法提取了更多的交叉口,并与遥感图像显示一致。本文提取结果准确率为92.23%、召回率为77.26%、F值为84.08%,很好地保证了交叉口的完整性和准确性,在智能交通系统中具有一定的应用价值。     

利用实时路况数据聚类方法检测城市交通拥堵点

 城市交通拥堵严重制约其网络总体效率。开展检测交通拥堵点可有效识别网络瓶颈,以整治交通拥堵现象。对此,本文提出一种新的城市交通时空拥堵点检测的方法:即采用实时路况数据,通过定义时空关联,检测时空意义上长期性、规律性交通拥堵点。本文基于DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法,以成都市为试验区,实现了这种拥堵点检测方法。试验表明,该方法可快速、有效、准确地检测出城市道路严重拥堵路段,并确定其拥堵时空范围,为交通管理、交通拥堵机理分析、交通拥堵预测等提供参考。     

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。     

山东半岛城市群交通网络载流能力评估与优化研究

在总结城市群交通网络运输方式多元化、交通节点等级化、结构运行高效化等基本特征的基础上,本文基于GIS空间分析平台构建了城市群交通网络载流模型（Traffic Network Flow-carrying Model, TNFM）,以山东半岛城市群为研究案例区,综合评价和对比了交通网络及各类型交通线路的理论与实际载流能力,得出各行政单元交通线路的缺口指数,并据此提出城市群交通网络的优化与提升方案。研究结果表明：TNFM模型可以有效地评价城市群交通网络的载流能力并得出各行政单元和道路类型的缺口里程,为城市群交通体系规划提供科学依据;山东半岛城市群国道、省道和铁路建设不足,部分城市主干道分流不畅,60%的县市存在各级道路短缺,但高铁和县乡道可以满足载流需求;未来应重点加强上述4类交通线路的建设,完善交通线路间的接口系统,充分发挥高铁和县道的分流作用。     

轨迹数据挖掘城市应用研究综述

轨迹数据作为泛在地理信息环境中社会遥感数据的主要表现形式之一,为从个体的视角研究群体的空间移动规律,提供了新的数据支撑和研究思路。特别是在当前的大数据背景下,通过轨迹数据发掘人类的移动规律和活动模式,进而探求蕴含的深层次知识,是解决城市问题的重要途径,轨迹数据挖掘也由此成为地理信息科学及相关学科的研究热点。本文首先阐述了人类移动规律研究常用的轨迹数据集及在该数据集上开展的相关研究和典型应用;然后从城市空间结构功能单元的识别及城市韵律分析、人类活动模式的发现与空间移动行为预测、智能交通的时间估算与异常探测、城市计算的其他4个方面,综述了轨迹数据挖掘在城市中的应用;最后,指出了轨迹数据挖掘面临的挑战和进一步的发展方向。     

利用车辆轨迹数据提取道路网络的几何特征与精度分析

 电子地图数据是各种智能交通系统的基础数据,对方便人们交通出行、解决城市交通拥堵问题具有重要的意义。其中,道路网络数据又是电子地图的重要组成部分。传统的道路网络数据更新方法往往需要耗费大量人力物力,因此,从其他数据源中如遥感影像数据、LIDAR数据等提取道路网络的相关研究,已成为国内外的研究重点。车载定位设备的广泛应用使车辆轨迹数据的大量获取成为可能,轨迹数据是对车辆行驶路径的完整记录,同时也是道路网络几何特征的直接反映。当轨迹数据量足够大时,则可利用其构建路网,用于更新或修正现有地图上的路网空间信息。针对车辆轨迹数据的特点和道路网络的特性,本文提出一种细化的道路网络几何特征提取方法。车辆轨迹数据是矢量数据,将其转换为栅格数据后,就可采用图像细化的方法处理。图像细化可以在保持原图像拓扑结构不变的情况下,快速地提取出图像的中心像元,并且有效去除冗余信息。本文以上海陆家嘴的车辆轨迹数据为例进行了实验,结果表明,利用车辆轨迹数据构建路网不仅可行,而且简单、高效,取得了良好的效果。