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论文题目：城市道路网层次骨架划分优化方案设计
一、选题的背景及意义
1.1选题背景
城市空间系统骨架可以理解为系统中联系各个要素的线型因子和重要空间节点组成的网状骨架，承担着系统中要素之间的信息交换功能，是城市空间发展的支撑网络。城市道路网络是城市空间系统的重要实体骨架系统，是组织城市各种功能的“骨架”，而道路网络骨架系统的规划布局形式直接引导着城市的发展形态（图1），进一步影响城市地域功能结构的变化。
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图1. 不同城市的道路骨架形式 |
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目前城市道路层次划分方法主要包括定性和定量两种方法。定性方法是通过道路本身的使用功能和物理特性对城市道路进行分级，但国内对道路的语义等级信息标准不一样，这种对分级标准理解上的差异和缺乏定量的分级程序必然导致在实际的道路分级工作中以主观定性判断为主，缺乏科学性；另外，在语义信息缺省的情况下难以完成道路层次划分工作；定量的方法主要是集中于对道路几何特征、拓扑关系等特征的分析，通过空间句法、图论以及stroke模型等建立道路重要性评价体系，并确定权值计算出道路骨架系统。这类方法较前定性方法更稳定，能够描述道路间的相对关系和道路在整个路网的结构性地位。
本课题将道路层次骨架的概念指导道路网的分级与选取中。首先阐述道路层次骨架的指导理念，然后提出道路骨架性的定量描述方法，最后确定道路等级结构的定量划分方法以确定城市道路骨架网络。
1.2选题意义
在方法层面上，本课题是一种基于城市道路网数据，结合改进的Stroke模型和复杂网络分析方法提取出城市道路骨架，能够更科学、稳定地反映城市道路等级以及每条道路在整个路网中的结构性特征。
在应用层面上，本课题涉及到交通地理信息和城市规划技术领域，有助于进一步分析城市道路网络的空间结构和城市规划实施的评估。
二、国内外的研究现状
2.1城市道路网层次结构
道路网层次结构可根据其抽象程度划分为三个内容：等级结构、衔接结构和布局结构。
（1）等级结构：指组成道路网的基本道路类型的集合，以及各道路类型间的层次关系，包括其在整个道路网中所占的比重。等级结构的层次关系主要表现为序数关系，如：主、次、支等。
（2）衔接结构：又称拓扑结构，指组成路网的基本单元间的相互关系。衔接结构忽略了道路的一些具体几何属性，强调路网基本组成单元间的衔接关系和规则，及由此形成的网络拓扑结构。
（3）布局结构：是具有几何尺度的真实道路网，包括等级结构和拓扑结构。
按抽象程度可认为，等级结构为衔接结构的一次抽象，衔接结构为布局结构的一次抽象，即等级结构是对布局结构的二次抽象。按道路网等级结构对道路进行划分，不仅能够决定道路的类型、功能，同时也能明确道路的层次和衔接原则。相较于其他两种路网结构，对道路网等级划分的研究关注较多，当下国内外城市道路等级划分情况如下：
（1）国外城市道路等级划分：①美国城市道路等级大致分为高速路和快速路、主干道路、次干道路、集散道路、区域道路；②英国城市道路等级大致分为主要道路、次要道路、区域道路、地方道路、出入口道路；③日本城市道路等级大致分为高速路、基干道路、次干路、支路、特殊道路。
（2）国内城市道路等级划分情况：我国城市道路主要分为四级：快速路、主干道、次干道、支路，对他们的大致定义为：
①快速路：在人口200万以上的大城市和长度超过30km的带型城市中设置，与其他干路构成系统，与城市对外公路有便捷的联系；
②主干道：连接城市的各个主要部分的重要交通干路，承担城市的主要客货运交通流动功能；
③次干道：连接城市内部各个功能区间的交通，起着疏通和交流的作用。
④支路：与次干道和居民区、工业区等功能区的内部道路相连接，用以弥补主干道路往的不足。
由此可见，根据分级的不同，各个道路的服务等级和对象也不同，因此，城市道路等级划分的准确性和可靠性至关重要。
2.2道路网层次骨架划分研究现状
目前城市道路层次划分方法主要包括定性和定量两种方法。
（1）基于定性方法的道路层次划分方法研究
定性方法是通过道路本身的使用功能和物理特性对城市道路进行分级。1999年，李朝阳、王新军等指出我国城市道路分类方法存在缺乏延续性，各类道路定义和界定模糊等问题，进而提出应注重城市道路功能分类方法。该方法中的道路等级划分指标依据的是道路自身语义信息，适用前提为道路的语义信息完整。王建军、王吉平等（2005）结合道路的功能特点，提出调整规范推荐路网级配的定性方法和基于车流合理分担率计算路网级配的定量方法；李建远等（2006）研究了城市道路网的分层方法与存取技术，从定性的角度提出了道路网的分层依据。这类方法本质上是道路的语义等级信息与道路在实际中的功能性的对应关系，但国内对道路的语义等级信息标准不一样，如《城市道路交通规划设计规范》（GB50220-95）和《城市道路设计规范》（GBJ124-88）对快、主、次、支四级道路的定义都不相同，这就会导致道路分级标准的差异性；另外，在语义信息缺省的情况下难以完成道路等级划分工作。基于定性的城市道路划分方法缺乏科学性和稳定性，通过量化指标的方法对城市道路等级进行划分与提取得以提出。
（2）基于定量方法的道路层次划分方法研究
定量方法主要包括基于智能模型的方法和基于结构特征的方法。①基于智能模型的方法主要是以道路的空间多特性为依据，采用数理统计和机器学习的方法对道路进行划分，如基于遗传算法的道路网选取模型通过生成道路网拓扑关系，构建道路的几何分布特性，利用各种遗传算子,不断进行遗传,获取保持良好空间分布特性的道路网络；基于知识选取的原理将道路层次骨架知识进行计算机能够识别的形式化表达,形成知识库，在道路选取过程中,对符合选取要求的自动完成选取；基于案例推理的选取方法将道路层次骨架划分案例构建案例库，将案例泛化成案例模型,最后依据获取的案例模型对相同或相近类型道路网进行类比和推理选取。此类方法对先验规则的依赖性过高。②基于结构特征的方法主要是集中于对道路几何特征、拓扑关系等特征的分析，通过空间句法、图论以及stroke模型等建立道路重要性评价体系，并确定权值计算出道路骨架系统。如Thomson于1990年从道路连通性角度提出，具体指的是由长度较长、连通性好、没有分支、走向连贯的一组线段组成的对象，其中文翻译为“路划”。该方法的优点在于能够突破等级限制，从整体上考虑道路的连通性；文国玮（2001）指出，城市道路应按城市骨架分级，所谓城市骨架指的是道路在城市总体布局中的位置和作用，但并未对这种“城市骨架性”作进一步的严格定义和定量描述，进而建立划分道路等级的程序；Jiang Bing（2004）首次将中介中心性引入道路选取，把道路视为节点，把具有交叉关系的两条道路表示为两个节点之间的连线，通过计算中介中也性值可评价各节点对应道路在该网络中的连通性地位，并可依据该值对道路进行选取；叶彭姚等（2011）首先定义了道路骨架性是城市道路分级方法的重要依据，然后提出了定量描述道路骨架性的计算指标和依据道路骨架性定量划分道路等级的计算分级法，最后通过对多个城市道路网的比较研究，验证了所提出的城市道路计算分级法的合理性和可行性；徐柱（2012）将中介中心性与Stroke结合，提出了基于路划功能评价的道路网选取方法，该方法很好地将图论中的分析工具与Stroke相结合，取两者所长，选取结果比较理想，且具有较好的适用性；何海威、钱海忠等学者（2015）提出了基于路网层次骨架控制的道路自动选取方法。该方法以Stroke为单位，利用中介中心性值对Stroke进行层次结构划分，并采用结构特征识别完善道路层次骨架；然后通过基于层次骨架间的连通关系建立逐层传递的Stroke重要性计算模型；最后，通过自上而下的逐层计算，得到Stroke重要性，并据此完成道路网选取。这类方法较前基于定性和智能的划分方法更稳定，能够描述道路间的相对关系和道路在整个路网的结构性地位。
2.3当前研究存在的问题
相比语义划分和和智能模型划分方法，基于结构特征的道路骨架划分更加稳定，比较有代表性的方法有基于复杂网络分析的方法、基于空间句法的方法以及基于stroke模型的划分方法。基于Stroke的方法在保持道路几何连续性和道路目标纵向层次特性上要优于空间句法和复杂网络分析方法。但现有研究采取的是一种对整个道路网络进行全局评价、排序和选取的策略，没有体现出其与其他各层级道路之间的依存关系，对stroke生成过程中路段合并顺序也缺乏有序性，这会导致道路骨架划分结果的多样性，同时合并过程对若干孤立路段应该具有一定的敏感性。
三、选题研究的内容
（1）城市道路层次骨架及其特征分析
（2）基于复杂网络分析的城市道路骨架提取方法
（3）典型道路网络层次骨架划分结果与优化方案对比分析
四、研究的时间安排与计划
第1周：明确设计任务，搜集文献资料，整理文献资料，完成开题报告及文献综述；
第2-4周：根据任务书并与指导老师沟通，整理形成毕业设计的实验方案、工作思路及纲要;
第5-6周：开展各项实验，完成数据采集工作，并对数据进行预处理;
第7-10周：与毕业设计相关的理论研究，并对实验数据进行实验与分析；
第11-12周：毕业设计报告撰写，完成初稿，并交指导老师审阅；
第13-14周：根据指导老师意见修改报告，进一步完善报告内容和报告格式；
第15-16周：定稿打印，并完成相关毕业设计简介、答辩用PPT演示文稿等。
五、特色与创新
本课题提出了一种基于图论思想的城市道路层次骨架划分方法。首先，提出了一种基于密度聚类思想的道路网 Stroke 生成表达和计算方法；在此基础上，利用图论模型建立道路重要性评估指标体系；最后，计算参数权重确定道路层次骨架。这种优化方法能够在对整个道路网络进行全局评价、排序和选取的策略上，体现出其与其他各层级道路之间的依存关系，对 stroke 生成过程中路段合并顺序保持有序性，使道路骨架划分结果的更加精确，同时使合并过程对若干孤立路段的敏感性降低。
六、参考文献
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[4]何海威,钱海忠,刘海龙,王骁,胡慧明.道路网层次骨架控制的道路选取方法[J].测绘学报,2015,44(04):453-461 470.
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[7]叶彭姚.城市道路网结构特性研究[D].同济大学;同济大学交通运输工程学院,2008.
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[15] 陈律余. 基于空间聚类的城市空间格局要素抽取研究[D].南京师范大学,2016.
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资料编号：[85652]
论文题目：城市道路网层次骨架划分优化方案设计
一、选题的背景及意义
1.1选题背景
城市空间系统骨架可以理解为系统中联系各个要素的线型因子和重要空间节点组成的网状骨架，承担着系统中要素之间的信息交换功能，是城市空间发展的支撑网络。城市道路网络是城市空间系统的重要实体骨架系统，是组织城市各种功能的“骨架”，而道路网络骨架系统的规划布局形式直接引导着城市的发展形态（图1），进一步影响城市地域功能结构的变化。
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