基于复杂网络理论的道路网自组织结构和协同生长机理研究

道路如根蜿蜒于城市，深入刻画城市肌理。发掘道路网组织结构的一般原则及演进规律，既可为复杂性研究提供实测约束与模型参考，也为构建智能城市交通系统提供必要的技术支持和理论指导。当前有关道路网的研究多局限于单一尺度、静态的、形态或结构共性的描述。而对道路网结构组织原则和演进规律的挖掘极少。复杂网络理论以图论和统计物理学方法为指导，提供网络结构与功能研究的新视角。因此，本项目提出基于复杂网络理论的道路网自组织结构和协同生长机理研究，包括：1）道路网拓扑结构分形与自相似性研究；2）道路网拓扑结构的信息度量研究；3）道路网拓扑结构的动态演进研究；4）基于基本结构单元的道路网结构生长模拟。这是一项极具科学意义的国际前沿性基础研究，它将为城市规划与道路设计提供重要实测约束和理论参考，亦为GIS传统空间分析提供重要补充。该方法可延伸用于各类地理网络。

道路如根蜿蜒于城市，深入刻画城市肌理。发掘道路网结构特征及演进规则，为地图多尺度表达、人地关系对称性及交通规划等提供方法补充。本项目基于复杂网络、分形和信息熵等理论，围绕道路网自组织结构和协同生长机理开展了六方面研究：(1)基于ArcEngine平台开发了道路网拓扑结构分析软件，具有自动识别孤立弧段、提取连续道路、输出道路单元拓扑连通关系对偶图、计算网络特征指标等功能。(2)使用最大排除助燃法（MEMB）分析了美国50座郡县道路网结构分形特征，发现其结构分形维数值界于2.94至4.90，且路网结构在多个尺度上均是小世界和无标度的。该方法可延伸用于各类地理网络。(3)初步搭建了道路网拓扑结构信息定量测度的指标体系框架。提出了一种顾及地图符号拓扑结构紧凑性和异质性的地图拓扑信息定量测度方法。给出了从紧凑性、异质性、邻域完整性、集聚性等多角度定量测度道路网拓扑结构信息的方法。(4)矢量化了香港10个年份的历史道路网地图，发现香港道路网几何分形维从1.157逐年增长至1.3638，但仍低于城市形态分维的理论平均值（1.701±0.025），表明路网有进一步填充的潜力。1999年前香港道路网结构复杂性快速增加，2005年骤降后进入稳定发展期。这与香港交通发展历程相关。删除孤立弧段后基于路划的路网结构分形维数值从1.9982逐年增长至2.4882，小于万维网、细胞代谢网和机场网的结构分形维，体现了地理环境对道路网空间组织和生长的较强限制。(5)初步提出了一种基于街道段原始拓扑连通图，综合考虑路网自身模式特征、择优链接、街道段长度或交叉点距离限制等构建道路网演化模型，给出从结点模式、长度和复杂性等角度来评估此模型有效性的思路。(6)将道路网上述结构特征分析结果与社会经济数据，如交通碳排放、道路选取、河网分形、城镇扩张等进行相关分析。从多个角度揭示出道路网形态、结构与功能的关系，以及道路网结构分形与自相似的地理学意义。项目组在《Annals of Association of American Geographers》、《Geoinformatica》、《Journal of Mountain Science》、《测绘学报》、《长江流域资源与环境》等发表论文10篇（含1篇录用）。共计13篇已发表论文（均发表于SCI/SSCI或核心期刊）标注本项目资助。还有1篇待刊、3篇在审。