本文關(guān)鍵詞：路徑單元剖分法支持下的網(wǎng)絡(luò)空間分析

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【摘要】：交通網(wǎng)絡(luò)作為地理空間的基本骨架和脈絡(luò),長期以來一直是地理信息數(shù)據(jù)建模和空間分析的主要研究對象。當(dāng)前信息與通訊技術(shù)高度發(fā)展,隨著新一代手持移動設(shè)備、定位技術(shù)和無線遙感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的普遍應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)庫開始持續(xù)積累海量的與人類活動有關(guān)的時空信息,這給網(wǎng)絡(luò)地理信息研究帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇,主要包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型以及空間分析技術(shù)的創(chuàng)新。其中,模型變化的核心是,動態(tài)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)取代靜態(tài)均勻網(wǎng)絡(luò)成為數(shù)據(jù)建模的空間單元；空間分析方面,網(wǎng)絡(luò)距離取代歐氏距離成為空間鄰近關(guān)系的度量指標(biāo)。簡單的地理環(huán)境下,空間網(wǎng)絡(luò)研究可以直接采用數(shù)學(xué)圖理論的結(jié)點(diǎn)-弧段數(shù)據(jù)模型和結(jié)構(gòu)分析算法,滿足靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)線性特征、拓?fù)涮卣髋c連通性特征的表達(dá)。但是,由于圖模型本質(zhì)上是從離散對象角度來構(gòu)建地理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)描述,舍棄了某些具體的地理特征,導(dǎo)致目前的網(wǎng)絡(luò)模型與現(xiàn)實(shí)認(rèn)知結(jié)果存在較大差距。針對以上問題,論文選擇從空間連續(xù)場的角度,開展基于路徑剖分單元的數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)分析算法研究,主要內(nèi)容包括如下五個方面：1.探討了地理空間網(wǎng)絡(luò)模型和空間分析研究的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來趨勢,系統(tǒng)闡述了空間網(wǎng)絡(luò)研究的理論基礎(chǔ),包括網(wǎng)絡(luò)元素的拓?fù)涮卣�、空間網(wǎng)絡(luò)的概念模型、計(jì)算幾何與數(shù)學(xué)圖理論等相關(guān)的空間網(wǎng)絡(luò)建模支撐技術(shù)。將基于對象思想的空間網(wǎng)絡(luò)模型劃分為數(shù)學(xué)圖、簡單空間網(wǎng)絡(luò)與結(jié)點(diǎn)-弧段模型三層次,并指出網(wǎng)絡(luò)對象模型在表達(dá)地理異質(zhì)性特征時所存在的主要障礙與不足。2.探討了連續(xù)場思想在地理要素表達(dá)中的應(yīng)用,通過分析柵格數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)定義與構(gòu)建規(guī)則后,結(jié)合街道網(wǎng)絡(luò)的固有特性,對線性要素的二維柵格組織形式進(jìn)行了總結(jié),指出基于格網(wǎng)像素表達(dá)網(wǎng)絡(luò)元素可能存在的問題,包括結(jié)點(diǎn)與邊的拓?fù)潢P(guān)系丟失、非平面結(jié)構(gòu)表達(dá)困難、邊的長度被過度夸大等。提出了基于弧段加密點(diǎn)的路徑單元(Linear Pixel或Lixel)剖分法,建立了一種支持網(wǎng)絡(luò)空間分析的一維柵格數(shù)據(jù)模型LDM (Lixel Data Model),介紹了LDM模型中柵格的具體分類與屬性關(guān)聯(lián)模式,提出了適宜的空間目標(biāo)(點(diǎn)、線、面)索引機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)距離新的定義。仿效數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中基于平面柵格的關(guān)系運(yùn)算方法,形式化定義了適用于LDM模型的膨脹算子,支持網(wǎng)絡(luò)空間分析的區(qū)域搜索和距離計(jì)算。對一般靜態(tài)交通環(huán)境和復(fù)雜動態(tài)交通環(huán)境下的LDM模型、膨脹算子展開具體分析：·給出了常規(guī)網(wǎng)絡(luò)LDM模型與形態(tài)算子定義,討論了柵格Lixel單元的空間布局特征、拓?fù)潢P(guān)系及屬性表達(dá)。·給出了顧及道路通達(dá)約束、發(fā)生元屬性約束的擴(kuò)展LDM模型與形態(tài)算子定義。道路通達(dá)約束具體包括：動態(tài)交通、單向限行、結(jié)點(diǎn)限制連接。3.基于LDM模型描述與膨脹算子定義,實(shí)現(xiàn)了自然現(xiàn)象中的水流擴(kuò)展思想,算子以空間對象映射的Lixel單元為起點(diǎn),沿著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎窂较蛲馔铰?直至到達(dá)網(wǎng)絡(luò)弧段的盡頭或遇到其他支流。給出了基于該思想的算法復(fù)雜度分析、最短路徑的科學(xué)理論驗(yàn)證和網(wǎng)絡(luò)搜索算法在動態(tài)交通環(huán)境下的擴(kuò)展形式。研究了單元剖分長度不一致導(dǎo)致的距離計(jì)算誤差問題,引入滯后距離概念來記錄誤差,并給出了相應(yīng)的膨脹算子數(shù)學(xué)形式。4.以城市設(shè)施POI數(shù)據(jù)為研究對象,提出了多種基于柵格LDM模型與水流擴(kuò)展思想的空間數(shù)據(jù)分析和模式識別方法,包括網(wǎng)絡(luò)Voronoi圖構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)核密度估計(jì)及城市CBD(Central Business District)中心探測：研究了實(shí)際通行約束與設(shè)施權(quán)重影響下的擴(kuò)展數(shù)據(jù)模型和空間分析方法。顧及到設(shè)施功能空間分布的線性特征,提出了一種基于顏色與高度視覺變量的三維密度可視化方法。以深圳市、廣州市的實(shí)際數(shù)據(jù)為例,驗(yàn)證了算法的效率和有效性。5.從物理層次上的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)角度,對論文的模型和算法進(jìn)行檢驗(yàn),提出了一種可實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)空間分析軟件的研發(fā)策略。詳細(xì)介紹了基于LDM模型的系統(tǒng)環(huán)境、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、算法算子庫及關(guān)鍵參量的結(jié)構(gòu)定義。
【關(guān)鍵詞】：網(wǎng)絡(luò)空間分析 柵格模型 城市分析 水流擴(kuò)展 形態(tài)運(yùn)算
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U495;P208
【目錄】：

• 本論文創(chuàng)新點(diǎn)5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 圖索引13-16
• 表索引16-17
• 第1章 緒論17-30
• 1.1 研究背景、意義17-21
• 1.1.1 街道網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)17-18
• 1.1.2 基于對象和場思想的空間網(wǎng)絡(luò)模型18-20
• 1.1.3 網(wǎng)絡(luò)空間分析與可視化表達(dá)20-21
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析21-25
• 1.2.1 基于數(shù)學(xué)圖理論的空間網(wǎng)絡(luò)模型與網(wǎng)絡(luò)分析21-23
• 1.2.2 基于場思想的網(wǎng)絡(luò)柵格模型23-24
• 1.2.3 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象空間分析方法研究24-25
• 1.3 研究內(nèi)容及論文組織25-29
• 1.3.1 研究對象25-26
• 1.3.2 研究內(nèi)容26-27
• 1.3.3 關(guān)鍵問題27-28
• 1.3.4 技術(shù)路線28
• 1.3.5 論文組織28-29
• 1.4 本章小結(jié)29-30
• 第2章 地理網(wǎng)絡(luò)模型的理論基礎(chǔ)30-45
• 2.1 地理網(wǎng)絡(luò)的概念與特點(diǎn)30-35
• 2.1.1 地理網(wǎng)絡(luò)的概念30-31
• 2.1.2 地理網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)31-35
• 2.2 地理網(wǎng)絡(luò)模型研究35-44
• 2.2.1 矢量的地理網(wǎng)絡(luò)模型35-38
• 2.2.2 平面柵格的地理網(wǎng)絡(luò)模型38-42
• 2.2.3 二維柵格網(wǎng)絡(luò)模型的問題42-44
• 2.3 本章小結(jié)44-45
• 第3章 路徑剖分法支持下的一維柵格數(shù)據(jù)模型LDM45-60
• 3.1 基于場的空間剖分45-50
• 3.2 LDM模型的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)膨脹算子50-52
• 3.3 約束LDM模型與約束膨脹算子52-59
• 3.3.1 動態(tài)交通約束53-56
• 3.3.2 發(fā)生元屬性約束56
• 3.3.3 通行方向約束56-59
• 3.4 本章小結(jié)59-60
• 第4章 基于柵格LDM模型的網(wǎng)絡(luò)搜索60-70
• 4.1 數(shù)學(xué)圖的網(wǎng)絡(luò)搜索60-62
• 4.2 基于LDM模型的水流擴(kuò)展算法62-66
• 4.2.1 距離定義與計(jì)算62-64
• 4.2.2 理論驗(yàn)證64-66
• 4.3 算法關(guān)鍵問題66-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第5章 基于柵格LDM模型的網(wǎng)絡(luò)空間分析70-128
• 5.1 空間分析的擴(kuò)展：從歐氏空間到網(wǎng)絡(luò)空間70-72
• 5.2 網(wǎng)絡(luò)Voronoi圖構(gòu)建72-88
• 5.2.1 背景73-75
• 5.2.2 定義與實(shí)現(xiàn)75-78
• 5.2.3 實(shí)例與討論78-87
• 5.2.4 結(jié)論87-88
• 5.3 網(wǎng)絡(luò)核密度分析88-110
• 5.3.1 背景88-90
• 5.3.2 密度分析90-96
• 5.3.3 算法實(shí)現(xiàn)96
• 5.3.4 密度特征三維可視化方法96-98
• 5.3.5 實(shí)驗(yàn)與討論98-109
• 5.3.6 結(jié)論109-110
• 5.4 城市空間CBD中心探測和識別110-126
• 5.4.1 背景110-111
• 5.4.2 城市CBD的概念與特征111-112
• 5.4.3 方法112-113
• 5.4.4 實(shí)驗(yàn)與分析113-126
• 5.4.5 總結(jié)126
• 5.5 本章小結(jié)126-128
• 第6章 網(wǎng)絡(luò)空間分析方法的驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)128-140
• 6.1 動機(jī)128-130
• 6.2 功能簡介130
• 6.3 技術(shù)流程130-132
• 6.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義132-135
• 6.5 系統(tǒng)示例135-139
• 6.6 本章小結(jié)139-140
• 第7章 總結(jié)與展望140-145
• 7.1 研究總結(jié)140-143
• 7.2 研究展望143-145
• 中外文參考文獻(xiàn)145-153
• 攻博期間發(fā)表的科研成果目錄153-155
• 致謝155

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