城市人类活动时空结构多尺度挖掘及应用研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王楠 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 杜云艳 |
| 关键词 | 中国城市 多源大数据 城市人类活动结构 时空特征分析 模式挖掘 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 优化城市空间结构布局、提高城市抵御风险的能力、实现城市可持续发展是当前全球面临的重大挑战。人类活动是城市发展的重要驱动力之一，其时空结构与城市可持续发展能力息息相关，并在城市规划和管理、城市生态系统保护、城市居住环境改善和城市创新发展等方面发挥着关键作用。随着城市化进程的加速和城市人口的急剧增长，城市人类活动范围不断向外扩张，城市人类活动的流动性和网络化特征逐渐加强，并促使城市空间结构不断更新和重组。在此背景下，城市人类活动呈现出高度的时空动态性，其时空结构变得更加复杂和多样，并在不同时间尺度上呈现显著差异。传统结构分析研究受统计单元、使用数据、研究时相等限制，通常仅在部分城市开展单一时间尺度研究，难以实现结构特征的多尺度演化分析。如何在更广范围、更高精度下构建统一的研究体系，对城市人类活动时空结构在不同时间尺度下进行特征刻画、模式挖掘、规律总结，是当前学科交叉背景下地理信息系统、城市地理、计算机科学等领域的研究热点。 城市人类活动时空结构定义为城市范围内人类活动强度/密度在空间和时间维度的分布结构特征。本文基于“理论解析-特征刻画-格局分析-模式挖掘-应用研究”的思路，从“年际-日内-异常事件”的时间尺度，结合多源数据获取的城市物理空间及人类活动信息构建研究方法体系，对城市人类活动的范围和时空结构特征进行多时间尺度变化监测与建模。本文主要开展三方面研究：一是提出长时间序列的城市人类活动边界提取方法，获取中国年度城市人类活动范围；二是在城市人类活动范围基础上，结合城市地理学理论、GIS时空统计和分析方法构建统一的方法体系开展多时间尺度（年际/日内/异常事件）下城市人类活动时空结构特征分析及模式挖掘；三是探索城市人类活动时空结构特征与城市可持续发展（选取城市碳排放、通勤效率2个因子）间的关系。主要研究结论如下： （1）构建多区域集成增强模型和密度阈值-城市聚类算法结合的方法框架实现具备较高精度的城市人类活动边界数据集的提取及动态制图，其揭示出时空异质性显著的城市人类活动范围扩张过程。在空间上，城市人类活动区域热点主要分布在东部沿海及发达城市群（长三角、珠三角、京津冀、成渝）；而在时间上，城市人类活动区域以4787.45km2/年的速率增长了89305.01km2，其分布重心由东部向西南方向迁移，成渝城市群成为近年新的增长热点。研究结果还表明城市土地扩张的速度远快于城市人类活动范围扩张速度； （2）构建城市人类活动时空结构特征刻画与模式挖掘的方法体系，揭示人类活动结构在年际尺度的明确演变方向和模式。提出时空对数-高斯函数模型和轨迹-多中心结构模型图，分别实现年际尺度上城市人类活动空间紧凑性结构和多中心结构的特征刻画和演化模式挖掘。对数-高斯函数能够定量表达城市区域、城市核心区和城市扩张区的人类活动强度空间衰减规律，同时揭示出城市内部（城市扩张区-城市核心区-城市区域逐级增大）和城市间（一线城市向五线城市递增，西部和中部地区更高）的人类活动空间结构紧凑性的差异。在时间趋势上，城市区域的紧凑性下降了1.8%，而在城市扩张区下降了7.2%。相较2000年，人类活动多中心结构整体上产生43%的变化，且趋向于多中心-分散方向发展。多中心-分散模式是更稳定的城市人类活动多中心结构模式； （3）将年际尺度构建的方法体系运用于日尺度，阐明人类活动紧凑性结构、集-散结构和多中心结构的特征在日内的节律变化模式及规律。结果表明，全国大部分城市的人类活动结构特征在日内保持着相似的时序波动变化，但其在日内的变异强度与城市等级和城市多中心结构模式存在很强的关联。一线和二线城市的人类活动结构特征在日内的变异性更强，城市中心的人类活动强度昼夜差异也更高；此外，单中心-紧凑模式城市表现出结构特征在日内的较大波动，而多中心-分散模式的城市波动最小； （4）应用面板固定效应模型建立小时尺度降雨事件与人类活动结构特征间的关系，探究全国城市人类活动结构在降雨事件下的时空异质性响应特征。结果表明，降雨事件对人类活动结构的平均变化率为0.34％，且随着降雨事件等级的升高，城市人类活动结构的响应程度也在增加；每增加1mm降水量，人类活动结构的平均变化显著增加0.09％；在空间上，气候更干旱、人口规模等级更高的城市对降雨事件的响应敏感性更强，且响应敏感性指数呈现出由西北向东南方向递减的空间趋势。在时间上，降雨事件对人类活动结构的影响在通勤时段和冬季更为显著。城市年均降雨量、人口密度和排水网密度是影响响应敏感性大小的最关键因素； （5）应用提升回归树模型探讨了城市人类活动时空结构特征与可持续发展因子间的关系。结果表明，城市人类活动时空结构特征和社会经济发展因素共同对城市交通碳排放和通勤效率产生重要影响。在年度结构特征方面，多中心性更高、中心之间分散性更高的城市所产生的交通碳排放更少，通勤效率更高。在日尺度动态结构特征方面，人类活动结构越稳定的城市在可持续发展方面表现更好。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 206 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199866]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王楠. 城市人类活动时空结构多尺度挖掘及应用研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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