地理环境对大型城市道路网络和通勤的影响研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 顾笑颜 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 葛全胜 |
| 关键词 | 地理环境 道路网络 扩散模型 城市通勤 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 道路网络是城市重要的基础性设施，支撑了居民的交通出行和城市的正常运转。城市化进程通常伴随道路网络的扩张和细密化发展，也因此有效拓展了城镇边界，扩大了城市之间的社会经济关联并增进了协同发展。城市道路网络受到地理环境的制约和影响，道路方向在空间上呈现各向异性，道路密度分布也存在显著的空间异质性。例如，平原地形为城市发展提供了良好的物理基础，使其道路发展具有较高的自由度。崎岖的丘陵和山地因其地面坡度高，地质条件复杂，土地整备和建设成本更高，使得道路不得不沿着特定区域延伸，区域内的道路密度显著低于平原地区。虽然现代工程技术发展能在一定程度上缓解地理环境要素的制约作用，但地理环境对城市建设空间的约束效应仍不可忽视。地理环境不仅直接影响道路网络的空间布局和结构特征，还会通过道路网络影响城市通勤的时空分布和通行效率，可以认为地理环境间接影响居民日常通勤。深入探索地理环境对道路网络和通勤的影响具有重要的理论和实践意义：在理论上，能够增强对地理、交通和通勤三方面的理解；在实践上，有助于优化城市空间规划和交通布局，为缓解交通拥堵提供参考依据。 已有研究较多考察城市道路自身的几何和结构特征，探索城市道路呈现的普遍规律以及不同城市聚类的道路特征分异，对地理环境的影响分析相对不足。部分研究虽然囊括社会经济、地理环境等各要素，基于此开展城市道路网络综合性分析，但对地理环境的考量仍不全面，道路特征分析也多局限于道路长度和密度等几何指标。为了填补现有研究空白，本文以全球100 座有代表性的大型城市为研究对象，构建了地理环境和城市道路网络指标集，分别在城市尺度和街区尺度下研究了地理环境对城市道路网络的影响机制。进一步地，本文提出了一种基于深度学习的城市道路网络自动生成模型，并将其应用于城市通勤模拟分析，探索了地理环境变化对城市通勤的影响。具体的研究工作及结论如下： （1）提出了综合表达地理环境和道路网络各方面特征的指标体系，构建了全球100 座大型城市的特征指标数据集。指标体系包含地形地貌指标和地理障碍指标两大类。地形地貌指标从高程、坡度、地形起伏、山脊和山谷等方面描述地形表面，地理障碍指标包括水域面积和山体面积，表达了水域和山体对城市道路的约束和障碍效应。道路网络指标包括分形维数、迂回度和方向熵，分别体现了道路网络几何拓扑特征、通勤效率以及方向分布。 （2）研究了城市尺度和街区尺度的地理环境对城市道路网络的影响机制，同时考虑社会经济要素，分析对比了地理环境要素和社会经济要素对城市道路结构特征的影响差异。城市尺度下，基于地理环境要素可将全球城市划分为四种类型：丘陵型、内陆山地型、平原型和沿海型。平原型城市道路网络几何分维最高，道路迂回度最低，丘陵型城市和内陆山地型城市的方向熵值高于其余两类城市。表明地表起伏和水域显著限制道路向四周扩展，抑制了道路空间覆盖度，提高了道路迂回度。街区尺度下各地理环境要素对道路网络的影响与城市尺度相似，但地理环境解释率均有所下降。与城市尺度相比，街区尺度地理环境要素对几何分维的解释率由35.6%减小到29.2%，对迂回度的解释率由35.1%减小到15%，对方向熵的解释率由10%减小到6.5%，证明地理环境对道路网络的影响更多地体现在较大的城市尺度，随着空间尺度减小，地理环境的约束效应相应减弱。综合比较地理环境和社会经济两类要素，研究发现地理环境指标能够更好地解释道路几何分维和迂回度变化，而对于道路方向熵，社会经济要素的影响相对更大。 （3）在理解地理环境对道路网络影响的基础上，提出了城市道路网络生成模型，实现城市道路网络的高效生成。模型以地理环境要素作为条件因子，采用条件扩散模型学习城市街区布局和设计风格。相比于其它研究，该模型考虑了地理环境的约束效应，在几何和图像两方面取得良好的生成效果。模型在生成阶段不依赖于道路网络数据，可直接利用地理环境数据复原生成道路网络。对比实验显示，采用全部条件因子作为输入的扩散模型优于其它模型，证明了条件因子在控制道路生成过程中的重要性。基于地理障碍与道路长度构建的回归模型结果显示水域面积的系数（-9.80）小于山体面积系数（-8.36），证明水域对城市道路的约束和限制作用更强。 （4）结合重力模型和交通流分配模型，提出了通用的城市通勤分析框架，分析了地表高程、地表粗糙度和水域对城市通行流量和通行时间的影响。通用分析框架的优点在于不依赖特定城市统计数据或交通大数据，使用公开的DEM、人口和道路网络数据，能够适用于全球不同类型的城市和地区。地理环境对城市的通勤影响分析结果表明，高程与城市通行流量和通行时间的关系可用指数衰减模型表达，高程增加对最大通行流量和最大单位通行时间的影响强于平均通行流量和平均单位通行流量。此外，模拟分析了城市道路网络和城市通勤对地理环境变化的响应机制。地表粗糙度增大和水域扩张均可造成道路网络连通性下降，地表粗糙度引发的城市道路网络结构变化更大。但两类要素变化对通行时间和通行流量的影响在不同的城市存在差异化表现。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 162 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217308]  |
| 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 | 顾笑颜. 地理环境对大型城市道路网络和通勤的影响研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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