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《武汉大学》 2015年
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路径单元剖分法支持下的网络空间分析

禹文豪  
【摘要】:交通网络作为地理空间的基本骨架和脉络,长期以来一直是地理信息数据建模和空间分析的主要研究对象。当前信息与通讯技术高度发展,随着新一代手持移动设备、定位技术和无线遥感网络等技术的普遍应用,网络空间数据库开始持续积累海量的与人类活动有关的时空信息,这给网络地理信息研究带来了新的挑战和机遇,主要包括网络数据模型以及空间分析技术的创新。其中,模型变化的核心是,动态异质网络取代静态均匀网络成为数据建模的空间单元;空间分析方面,网络距离取代欧氏距离成为空间邻近关系的度量指标。简单的地理环境下,空间网络研究可以直接采用数学图理论的结点-弧段数据模型和结构分析算法,满足静态的网络线性特征、拓扑特征与连通性特征的表达。但是,由于图模型本质上是从离散对象角度来构建地理网络的数学描述,舍弃了某些具体的地理特征,导致目前的网络模型与现实认知结果存在较大差距。针对以上问题,论文选择从空间连续场的角度,开展基于路径剖分单元的数据模型和网络分析算法研究,主要内容包括如下五个方面:1.探讨了地理空间网络模型和空间分析研究的应用现状与未来趋势,系统阐述了空间网络研究的理论基础,包括网络元素的拓扑特征、空间网络的概念模型、计算几何与数学图理论等相关的空间网络建模支撑技术。将基于对象思想的空间网络模型划分为数学图、简单空间网络与结点-弧段模型三层次,并指出网络对象模型在表达地理异质性特征时所存在的主要障碍与不足。2.探讨了连续场思想在地理要素表达中的应用,通过分析栅格数据模型的结构定义与构建规则后,结合街道网络的固有特性,对线性要素的二维栅格组织形式进行了总结,指出基于格网像素表达网络元素可能存在的问题,包括结点与边的拓扑关系丢失、非平面结构表达困难、边的长度被过度夸大等。提出了基于弧段加密点的路径单元(Linear Pixel或Lixel)剖分法,建立了一种支持网络空间分析的一维栅格数据模型LDM (Lixel Data Model),介绍了LDM模型中栅格的具体分类与属性关联模式,提出了适宜的空间目标(点、线、面)索引机制以及网络距离新的定义。仿效数学形态学中基于平面栅格的关系运算方法,形式化定义了适用于LDM模型的膨胀算子,支持网络空间分析的区域搜索和距离计算。对一般静态交通环境和复杂动态交通环境下的LDM模型、膨胀算子展开具体分析:·给出了常规网络LDM模型与形态算子定义,讨论了栅格Lixel单元的空间布局特征、拓扑关系及属性表达。·给出了顾及道路通达约束、发生元属性约束的扩展LDM模型与形态算子定义。道路通达约束具体包括:动态交通、单向限行、结点限制连接。3.基于LDM模型描述与膨胀算子定义,实现了自然现象中的水流扩展思想,算子以空间对象映射的Lixel单元为起点,沿着网络拓扑路径向外同步蔓延,直至到达网络弧段的尽头或遇到其他支流。给出了基于该思想的算法复杂度分析、最短路径的科学理论验证和网络搜索算法在动态交通环境下的扩展形式。研究了单元剖分长度不一致导致的距离计算误差问题,引入滞后距离概念来记录误差,并给出了相应的膨胀算子数学形式。4.以城市设施POI数据为研究对象,提出了多种基于栅格LDM模型与水流扩展思想的空间数据分析和模式识别方法,包括网络Voronoi图构建、网络核密度估计及城市CBD(Central Business District)中心探测:研究了实际通行约束与设施权重影响下的扩展数据模型和空间分析方法。顾及到设施功能空间分布的线性特征,提出了一种基于颜色与高度视觉变量的三维密度可视化方法。以深圳市、广州市的实际数据为例,验证了算法的效率和有效性。5.从物理层次上的系统实现角度,对论文的模型和算法进行检验,提出了一种可实用的网络空间分析软件的研发策略。详细介绍了基于LDM模型的系统环境、数据结构定义、算法算子库及关键参量的结构定义。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:U495;P208

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