基于高速公路交通流的城市网络空间结构与动态演化特征——以江苏省为例

City network has become a core idea to insight into spatial relationship which indicated by different types and different scales element flow. As an important medium to indicate city network development in regional scale, expressway network is increasingly influencing its spatio-temporal structure. However, the existing studies of the spatio-temporal features of city network in contents and methods are still relatively weak, which take network topology and spatio-temporal evolution characteristics into accounts. This project takes Jiangsu Province, the expressway road network density of the first in China’s provincial units, and relies on its continuous, massive and quasi real-time spatio-temporal expressway traffic flow from 2004 to 2015, as a case study. Supported by the data, the project fuses spatio-temporal characteristics, correlation characteristics and dynamic characteristic ideas, renews the thought of city network relationships construction, develops the embedding geographic distance network analysis model to mining the spatial structure of city network, and introduces the tensor decomposition method to parse its dynamic evolution feature in Jiangsu Province, which combined with expressway passenger flow and goods flow. This project attempts to clarify the spatio-temporal process and spatio-temporal law of coupling coordination and mutual drive between expressway traffic flow and city network development, and clear the uniqueness of expressway traffic flow to indicate the cities spatial relations. Through the above studies, the research level of spatial-temporal coupling relationship between city network and element flow in the urban geography frontier domains will be expanded, and the method system of sptio-temporal characteristics will be deepened, which will provide a scientific basis for regional development strategies.

不同类型、尺度要素流所指示的城市网络已成洞悉空间关系的核心理念。高速公路网络作为指示区域城市网络发育的一类重要媒介，日益影响着其时空结构的塑造。针对兼顾网络拓扑和时空演化特性的城市网络在时空特征的研究内容与方法上仍较为薄弱的问题。本项目以高速路网密度全国第一的省级单位江苏省为案例，依赖其2004-2015年连续、海量、准实时的高速公路交通流时空数据，融合时空性、关联性和动态性思想，更新城市网络关系的构建思路，发展嵌入地理距离的网络分析模型与引入有效解析网络多维特性的张量分解方法，展开高速公路客、货流共同作用的城市网络空间结构与动态演化特征研究，试图厘清高速公路交通流与城市网络的耦合协同与相互驱动的时空过程与规律，明确高速公路交通流指示空间关系的独特性。研究将进一步拓展城市地理学前沿领域的城市网络与要素流时空耦合关系的研究水平及城市网络时空特征研究的方法体系，为区域发展战略研究提供科学依据。

不同类型、尺度要素流所指示的城市网络已成洞悉空间关系的核心理念。高速公路网络作为指示区域城市网络发育的一类重要媒介，日益影响着其时空结构的塑造。针对兼顾网络拓扑和时空演化特性的城市网络在时空特征的研究内容与方法上仍较为薄弱的问题。本项目以高速路网密度全国第一的省级单位江苏省为案例，依赖其2004年-2014年海量高速公路交通流时空数据，兼顾地理学时间与空间两个维度，融合关联性、动态性和时空性思想，利用社区发现算法和张量分解方法对年份、月份和日变化尺度的城市网络空间结构与演化特征进行耦合分析基础上，提炼该视角下城市网络发育的演化理论模型、空间关联模式，并提出对江苏省城镇体系空间布局的优化建议。主要发现及可能的理论与实证意义有：（1）针对城市网络结构在特定尺度上具有明显的空间依赖性和距离衰减特性而现有研究仍缺乏有效的定量识别手段这一问题，本研究以江苏省高速公路流数据为依托，采取能探测局部集聚结构的社区发现算法，发现了省级尺度上在空间依赖性和距离衰减特性影响下多类型空间结构的存在。基于新视角和新方法的研究为地理学定律的揭示，以及空间结构的类型划分提供了可行的手段与路径。（2）针对网络在时空尺度上不断动态演化所表现的高维特性，而现有基于矩阵二维特性的数学方法难以有效解析其时空结构的问题，引入直接从数据高维特性出发的非负张量分解方法，有效实现了对网络时间模式、空间模式的提取。提出的方法可为地理动态网络多维时空特征解析提供有力的工具。（3）根据定量研究结果并从定性视角归纳演绎了城市网络多阶段演进的理论模型和成因解读，丰富了现有研究中更注重实证解析而较缺乏理论探讨的研究范式。（4）抽象的江苏省城市空间关联模式对于江苏省未来城镇体系规划的方案调整提出了切实可供参考的科学决策依据，具有明确的实践价值和一定的指导意义。