新书推荐 | 城市人群活动时空GIS分析

序

城市是人类活动的主要空间。人类活动与城市经济、社会、环境、交通、医疗、教育等密切相关，对城市的形成、发展、空间结构和分布规律等产生影响。同时，城市空间结构布局深刻影响人类活动的时空模式，信息和通信技术的发展为捕捉人类的活动提供了新的手段。时空GIS在分析人类活动方面具有很好的先天优势和很强的发展潜力。从时空视野科学探究城市人群活动机理，是地理信息科学与城市地理学相结合的一个基础研究问题，也是新时期我国城市科学规划与发展的决策基础。

萧世教授长期从事交通地理学、时空地理信息科学研究，是该领域在国际上有重要影响的专家。《城市人群活动时空GIS分析》一书是萧世教授领导的研究团队完成的最新成果，涵盖了他所承担的国家自然科学基金重点项目、863项目子课题等，围绕时空地理信息科学面向城市人群活动而开展了诸多前沿的研究工作，这本书较为系统地论述城市人群活动的数据特点、群体规律分析与结构适应性评价、以及设施优化等时空GIS分析理论与方法，实现GIS理论在时空建模与行为分析等方面的创新研究工作。这本书的理论与技术成果具有重要的参考价值，可以辅助我国城市空间模式可持续发展科学决策与精细化城市管理科学决策。

当前大数据时代，空间信息已经渗透到国民经济与生活的方方面面，是我国新时期城市发展研究与行业应用的宝贵资源，期待越来越多的科研工作者加入空间大数据的挖掘与分析研究应用中，为我国国家战略的发展和实现贡献力量。 

2017年10月27日

序

我国正处在新型城镇化、工业化和信息化的关键时期，城市面临着复杂的经济、社会与生态可持续发展问题。城市人群活动与城市经济、社会、环境、交通、医疗、教育等各方面问题息息相关，引起社会各界广泛关注。对城市人群活动的理解与认知是解决这些问题的基础，也是地理、测绘、信息、交通、规划、社会等多学科交叉研究的热点前沿。

面向城市的地球空间信息与互联网、云计算技术持续融合，产生了城市时空大数据，成为智慧城市的重要战略资源，也为面向城市问题的人群活动研究提供了基础条件。随着地球空间信息学和信息科学、城市学等学科的不断深入交叉融合，城市空间信息学（urban informatics）逐步形成，并正在成为测绘地理信息科学的重要发展方向。城市空间信息学具有动态演变、数据驱动、众源学习、协同决策、学科交叉等典型特征，需要突破复杂城市系统的时空建模与表达、现实物理空间与虚拟网络空间的相互作用机理、时空大数据分析与挖掘的理论与方法、城市时空决策的理论与方法等关键科学问题。实现以统一的时空基准为框架、以空间信息为载体、以信息技术为支撑，动态采集城市时空信息并进行处理、分析与服务，支持绿色、低碳、可持续城市发展的目标。

《城市人群活动时空GIS分析》一书由萧世教授领导的研究团队完成。该团队自2012年以来承担了国家自然科学基金重点项目、863子课题等项目，围绕时空GIS理论与分析方法开展了诸多前沿的研究工作，发表了高水平学术论文。这本书汇集了他和合作者在时空数据分析领域十年磨一剑的研究积累，代表了当前时空数据分析的研究前沿进展，重点放在基于时空大数据的城市群体活动规律分析，体现了城市空间信息学的一个重要特征，就是把人和人群的活动作为研究对象，是对传统GIS分析以自然作为分析对象的一个重大转变，也标志着测绘地理信息科学新的发展方向。

2005年我在UCSB做访问学者时和萧教授偶遇并相识，后来邀请萧教授到武汉大学做中组部“千人计划”教授，开展合作研究，2012年我到深圳大学任校长，继续交流合作。时间过得真快，一晃十多年过去了，这其中的许多活动还记忆犹新，仿佛就在昨天，我们一起考察Smoky Mountains、长江三峡和深圳大鹏，一起组织研讨会、讨论重点项目PPT。在此之前我曾经拜读过萧教授的“Geographic Information Systems for Transportation: Principles and Applications”一书，从中可以体会到萧教授在时空数据分析领域的前瞻性和创新性工作。相信这本书的出版，可以进一步推动我国在城市空间信息学领域的原创性研究。深圳大学在郭仁忠院士的带领下，今年开始尝试办一个城市空间信息工程的本科专业，也是想在本科人才培养方面进行一些探索，这个专业的培养定位就是面向城市问题的通专融合的复合型城市空间信息人才。培养目标是希望学生通过系统学习，具备两种思维——测绘和地理思维，一个能力——ICT信息技术能力。在此基础上，形成时空数据的采集与处理、时空信息系统的开发、城市分析与应用三个培养方向，以满足粤港澳大湾区经济社会快速发展对城市时空大数据领域专业人才的需求。

相信这本书的出版能够吸引更多的年轻人参与到城市时空大数据的研究中来，也会对城市空间信息领域的人才培养起到积极的作用，并为推动以人为本的地理信息科学理论研究与技术发展发挥重要作用。

深圳大学校长李清泉 

2017年7月26日于深圳

前  言

城市是人流、物质流、能量流、信息流等高度集中与复杂耦合的区域。城市化是当前中国所发生最重要的生活方式变革。《中国城市发展报告（2011）》指出：2011 年我国城镇人口占总人口的比重首次超过50%，城镇居民的生活方式正在发生极其深刻的变化。快速城市化过程中，各种城市病逐渐显现：异常脆弱的基础设施、日益加剧的交通拥堵、不断下降的空气质量，以及逐渐降低的居民幸福感。城市人口活动与空间结构功能配置之间的相互适应匹配落差是这些现象产生的基础科学问题之一。一方面，政府部门投入巨额资金，加大城市基础设施建设，以改变日益增长的城市人口分布；另一方面，人们根据工作生活需求寻求最佳的活动范围，两者相互制约、相辅相成。如何衡量城市群体活动与空间结构之间的相互适应性就成了一个关键的重要科学研究问题，对指导我国城市空间模式可持续发展的科学决策与精细化城市管理、建设资源节约型和环境友好型社会等具有重要的研究意义。

城市空间结构深刻影响人类活动的时空模式，信息和通信技术的发展为捕捉人类的活动提供了新的手段。时空GIS 初步具备分析人类活动的技术基础，但是缺乏现实与网络空间一体化下海量人类活动时空数据的高效建模和分析方法。人类活动与城市空间的相互作用是一个复杂过程，目前的群体活动与城市空间结构之间的适应性分析研究还相当缺乏，也导致空间结构设施选址优化模型、城市规划、旧城改造等缺乏有效的群体活动分析评价支撑方法。

随着大数据时代的来临，特别是手机数据、出租车数据、公交智能卡数据、城市视频等数据的普及应用，城市人群活动研究越来越受到重视，对城市空间规划、交通规划、交通出行、设施选址优化、智能位置服务等应用有较大的促进作用。其中，手机数据存在其采样覆盖面广、活动类型丰富等特点，蕴含大量的群体活动行为，如何科学地认识群体活动的行为规律及其影响是地理科学、信息科学和人文社会科学等领域的一个重要的基础科学问题，也是当前交叉学科研究的一个热点问题。另一方面，如何达到人的活动与城市布局的合理适应均衡，是在快速城市化进程中的一个关键科学问题，也是制约城市科学发展的交叉学科瓶颈理论问题，为地理信息科学、城市地理学、人文地理学等学科交叉的一个研究前沿。

在国家自然科学基金重点项目（41231171）的资助下，围绕该问题的研究工作，开展了一系列理论与方法研究，包括：构建现实与网络空间一体化的群体活动时空数据模型，发展基于海量手机数据的大规模群体活动识别及行为模式提取理论与方法，构建大规模群体活动与城市空间结构的适应度模型及其选址优化方法。本书结合该重点基金项目的研究成果，尝试系统性论述城市人群活动的数据特点、群体规律分析与结构适应性评价以及设施优化等时空GIS分析理论与方法，实现GIS 理论在时空建模与行为分析等方面的原始创新，对指导我国城市空间模式可持续发展科学决策与精细化城市管理有重要的指导意义。

本书各章节的撰写人员分别如下：第1章，方志祥（武汉大学）、萧世(田纳西大学、武汉大学)、余红楚(武汉大学)、倪雅倩(武汉大学)；第2章，尹凌 (中国科学院深圳先进技术研究院)、萧世(田纳西大学、武汉大学)、于洪波（俄克拉荷马州立大学）、赵志远(武汉大学)、陈碧宇(武汉大学)；第3章，方志祥(武汉大学)、宋晓晴(武汉大学)；第4章，尹凌(中国科学院深圳先进技术研究院)、赵志远（武汉大学）、陈碧宇(武汉大学)；第5章，裴韬（中国科学院地理科学与资源研究所）、陈洁（中国科学院地理科学与资源研究所）、舒华（中国科学院地理科学与资源研究所）、郭思慧（中国科学院地理科学与资源研究所）；第6章，方志祥(武汉大学)、萧世(田纳西大学、武汉大学)、杨喜平(陕西师范大学)；第7章，方志祥(武汉大学)、杨喜平(陕西师范大学)；第8章，陈碧宇(武汉大学)；第9章，方志祥(武汉大学)、冯明翔(武汉大学)、于冲(武汉大学)；第10章，陈碧宇(武汉大学)；第11章，方志祥(武汉大学) 、 萧世(田纳西大学、武汉大学)。

感谢国家自然科学基金重点项目“基于海量手机数据的群体活动与城市空间结构适应度分析及选址优化”（41231171）对本课题组的大力支持，特别感谢李清泉教授、周成虎院士对本项目研究的指导！感谢参与项目研究的成员：萧世教授、方志祥教授、裴韬研究员、黄正东教授、谢蓉教授、尹凌副研究员、乐阳副教授、陈碧宇副教授、陈洁助理研究员、张韬博士、周洋博士、杨喜平博士、鲁仕维博士、赵志远博士生、余红楚博士生、冯明翔博士生、刘立寒硕士、徐金垒硕士、张希瑞硕士、宋晓晴硕士、于冲硕士生、倪雅倩硕士生等。

在本书的相关研究和出版过程中，深圳市规划国土房产信息中心（深圳市空间地理信息中心）和深圳市综合交通运行指挥中心给予了大力支持，本书作者在此表示衷心感谢！同时感谢科学出版社编辑对本书的认真校核和协调。

由于作者水平有限，书中难免存在疏漏之处，敬请各位读者批评指正。

作者     

2017年7月2日

本文为《城市人群活动时空GIS分析》（北京：科学出版社，2017.11）一书“序”“前言”。

城市人群活动时空GIS分析

萧世  方志祥  陈碧宇  尹凌  陈洁  杨喜平  著

ISBN 978-7-03-055271-6

责任编辑：杨光华

理解城市人群活动模式规律对城市空间优化、交通规划、出行与位置服务、行业设施选址与业务流优化等都具有重要意义。本书从轨迹数据质量评价、隐私问题、活动区域、人群聚集消散、可达性、适应性等多个角度来理解城市人群时空活动，与城市人群活动数据、城市功能与空间结构、人类动态等维度进行系统地联系，提出城市人群活动的时空GIS基础理论与方法，形成人群动态及其与空间结构适应性的初步分析手段，实际指导面向时空需求的城市设施选址与优化服务。本书可供地理信息、测绘遥感、城市地理、国土、交通、物流等专业科研人员参考，也可作为高等院校的本科生或研究生教材。

作者简介

萧世，美国田纳西大学讲座教授，美国科学促进会会士(AAAS Fellow)、台北中央研究院人文社会科学研究中心学术委员会委员。曾任美国田纳西大学的地理系主任、副教务长等职务。2008年度美国地理学会交通地理专业组杰出贡献奖Edward L. Ullman Award等，任美国科学基金会、美国交通部和交通委员会、中国国家自然科学基金、荷兰科学研究基金、加拿大社会科学与人文学科基金、香港研究基金会等项目的通讯评审专家。International Journal of Geographic Information Science(IJGIS)、Journal of Transport Geography(JTG) 等杂志编委，IJGIS、Transaction In GIS、CEUS、JTG等杂志客座编辑(Guest Editor)，PNAS等46多个国际高水平学术期刊的审稿专家。研究方向：交通地理；时间地理；时空GIS；时空分析. Email:[e-mail]。

方志祥，武汉大学教授、博导，美国田纳西大学Adjunct教授。中国GIS理论与方法专业委员会委员、中国城市科学研究会高级会员和城市大数据专业委员会委员、中国GIS协会第一届应急工作委员会委员、中国交通地理信息系统协会会员、世界交通运输大会智慧公交系统技术委员会委员、ACM SIGSpatial China创会委员、ISPRS、AAG、ACM成员，中国光谷创新人才。主持国家自然科学基金项目4项，参与2项国家重点研发计划项目、2项国家自然科学基金重点项目、2项973计划、2项国家863计划项目。在IJGIS、TRC、IEEE ITS等杂志发表论文80余篇(其中SCI/SSCI 50篇)，IJGIS,TRA/C/E/F,IEEE ITS、CEUS等40多个SCI期刊审稿专家，W2GIS等多个国际会议学术委员。国家自然科学基金和香港研究基金会的项目通讯评审专家。《地球信息科学学报》客座编辑(Guest Editor)。研究方向：人群活动动态时空建模与分析；智能导航。Email: [e-mail]。

陈碧宇，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室副教授，硕士生导师，武汉大学珞珈青年学者、科技部遥感青年科技人才。长期从事城市空间信息学、交通地理学、时间地理学、时空大数据分析与挖掘等方向的科研与教学工作。近年来，在本领域主流期刊发表SCI/SSCI论文30余篇，其中第一/通讯作者论文25篇(包括地理学顶级期刊Annals of AAG 论文2篇，GIS顶级期刊IJGIS论文5篇，交通顶级期刊TRB、TRA、IEEE ITS等SCI二区论文8篇)。论文获得SCI被引500余次, 5篇论文入选ESI 高被引论文。担任国际著名SCI期刊《Transportmetrica B》副主辑(Associate Editor)，《Transportmetrica A》和《Journal of Advanced Transportation》客座编辑；并担任中国地理信息产业协会GIS理论与方法工作委员会委员、中国交通运输协会青年科技工作者委员会委员。Email：[e-mail]。

尹凌，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，博士生导师，深圳市海外高层次人才。2003年与2006年分别取得南京大学地理学学士与地理信息系统硕士学位，2011年取得美国田纳西大学地理信息科学博士学位并加入中科院深圳先进院。长期从事地理信息科学研究，主要通过研发时空数据挖掘、时空现象建模、时空过程模拟以及时空数据可视分析等方法技术，结合时间地理学等理论与框架，进行人类时空行为、城市/交通规划与管理、空间流行病等领域的研究。在上述领域的主流期刊与国际会议发表论文40余篇，包括IJGIS、Transactions in GIS、Annals of AAG、JTG、Acta Tropica等，并申请中国发明专利20余项。Email: [e-mail]。

陈洁，中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室助理研究员。2004年获中国地质大学（武汉）地理信息系统、资源环境与城乡区域规划双学士学位，2010年获中国科学院地理科学与资源研究所地图学与地理信息系统博士学位并留所工作至今，其中2008-2010年由国家留学基金委公派赴美国田纳西大学地理系进修。长期从事地理信息科学、城市地理大数据分析等方向的研究工作。在上述领域核心期刊《International Journal of Geographic Information Science》、《Journal of Transport Geography》、《地理学报》、《地球信息科学学报》等发表论文30余篇。Email: [e-mail]。

杨喜平，博士，陕西师范大学地理科学与旅游学院讲师，2017年毕业于武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室地图学与地理信息系统专业，获理学博士学位。主要研究领域：时空轨迹大数据挖掘、人群移动时空模式和游客时空行为分析。目前主持国家自然科学基金青年项目和国家博士后基金项目各1项，已在国内外期刊上发表多篇论文，其中第一作者或通讯作者SCI论文4篇，中文核心4篇。

目  录

第1章绪论

 1.1城市人群活动

  1.1.1活动分类

  1.1.2活动特点

 1.2人群活动研究的主要科学领域

  1.2.1地理信息科学

  1.2.2城市地理学

  1.2.3交通工程学

  1.2.4统计物理学

  1.2.5人文地理学

 1.3本书主要内容

 参考文献

第2章时间地理学与时空GIS

 2.1时间地理学概述及基本概念

  2.1.1概述

  2.1.2基本概念

 2.2基于时间地理学框架的时空GIS

  2.2.1时间地理学与GIS的结合

  2.2.2时间地理学基本概念的GIS表达与分析

  2.2.3面向时间地理分析的GIS时空数据模型

  2.2.4行程时间不确定环境下的概率时间地理学

  2.2.5面向“物理虚拟”混合空间活动的时空GIS

 2.3本章小结

 参考文献

第3章城市人群活动轨迹数据

 3.1城市人群活动轨迹数据类型与特征

  3.1.1城市人群活动轨迹数据类型

  3.1.2城市人群活动轨迹数据特征

 3.2城市人群活动轨迹数据研究与应用

  3.2.1手机数据

  3.2.2交通智能卡数据

  3.2.3车载GPS数据

  3.2.4社交媒体签到数据

  3.2.5视频数据

  3.2.6其他数据

 3.3本章小结

 参考文献

第4章城市人群活动轨迹数据的适用性及隐私问题

 4.1轨迹数据的质量评价模型

  4.1.1轨迹数据质量评价指标体系

  4.1.2轨迹数据质量评价分析实验

 4.2轨迹数据的适用性分析

  4.2.1时空分辨率

  4.2.2语义属性

  4.2.3样本代表性

  4.2.4数据适用性

 4.3轨迹数据的隐私问题

  4.3.1轨迹数据的隐私问题概述

  4.3.2轨迹数据的隐私风险量化

  4.3.3轨迹数据的隐私保护方法

 4.4本章小结

 参考文献

第5章城市功能区识别

 5.1城市功能区的定义与划分

  5.1.1城市功能区的定义

  5.1.2城市功能区的划分

 5.2城市功能与人类行为的相互关系

  5.2.1人类行为城市功能的互动

  5.2.2传感器数据人类行为城市功能的研究范式

 5.3城市功能区的识别方法

  5.3.1城市功能区划分方法分类及原理简介

  5.3.2研究实例

 5.4本章小结

 参考文献

第6章城市人群聚集消散特性分析

 6.1城市人群聚集消散时空模式分析

  6.1.1概述

  6.1.2人群聚集消散定义

  6.1.3人群聚集消散强度等级分类

  6.1.4人群聚集消散时空聚类

  6.1.5实验结果与分析

 6.2人群聚集消散稳定性定量评价模型

  6.2.1人群聚集消散过程及序列的定义

  6.2.2人群聚集消散过程稳定性评价模型

  6.2.3人群聚集消散序列稳定性评价模型

  6.2.4实验结果与分析

 6.3本章小结

 参考文献

第7章基于城市空间结构的人群出行特征分析

 7.1城市空间结构的定义与形式

 7.2城市人群出行骨架网络与中心性分析

  7.2.1城市人群出行整体骨架结构及其时空变化

  7.2.2城市人群出行区域中心性及其时空变化

 7.3城市人群出行多层次区域主体流向提取与分析

  7.3.1城市人群主体流向计算方法

  7.3.2多层次人群主体流向的综合

  7.3.3区域主体流向的表达

  7.3.4实验结果与分析

 7.4城市不同功能区人群出行特征提取与分析

  7.4.1居住区人群出行特征分布

  7.4.2工业区人群出行特征分布

  7.4.3商业区人群出行特征分布

  7.4.4交通枢纽区人群出行特征分布

 7.5本章小结

 参考文献

第8章城市时空可达性

 8.1可达性概念及其度量方法

  8.1.1可达性概念

  8.1.2基于地点的可达性度量方法

  8.1.3基于个人的可达性度量方法

 8.2行程时间不确定性环境下的时空可达性度量方法

  8.2.1不确定性环境下地点可达性评价模型

  8.2.2不确定性对地点可达性影响的实证分析

 8.3基于空间设施选择行为的可达性评价

  8.3.1空间设施选择行为分析

  8.3.2基于设施选择行为的可靠地点可达性评价模型

  8.3.3居民设施选择行为的实证分析

 8.4本章小结

 参考文献

第9章城市人群活动与空间结构适应性分析

 9.1城市人群活动与空间结构适应性概念与分析框架

  9.1.1适应性概念

  9.1.2分析框架

 9.2人群移动模式与城市空间可达性的适应性分析

  9.2.1基于出行网络的人群移动模式表达

  9.2.2城市空间可达性

  9.2.3适应性度量与分析依据

  9.2.4适应性分析实验

 9.3人群聚集消散模式与城市关键节点适应性分析

  9.3.1人群聚集消散模式

  9.3.2城市关键节点提取

  9.3.3适应性度量与分析依据

  9.3.4适应性分析实验

 9.4人群交互模式与城市多中心结构适应性分析

  9.4.1人群空间交互

  9.4.2城市多中心结构

  9.4.3适应性度量与分析依据

  9.4.4适应性分析实验

 9.5本章小结

 参考文献

第10章面向时空需求的城市设施选址与优化服务

 10.1基于大数据的交通设施空间布局优化

  10.1.1基于手机数据的自行车站点布局优化

  10.1.2基于浮动车数据的出租车充电站布局优化

 10.2基于大数据分析的设施服务推荐及出行路径优化

  10.2.1基于个体时空约束的设施推荐服务

  10.2.2不确定环境下的可靠路径规划服务

 10.3本章小结

 参考文献

第11章面向城市人群活动的时空GIS研究挑战与展望

 11.1时空GIS研究面临的问题和挑战

 11.2时空GIS的研究展望

  11.2.1地理范式向时空维的延伸

  11.2.2时空建模理论

  11.2.3时空活动预测

  11.2.4时空活动的智慧应用

 11.3本章小结

 参考文献

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-The end-

资料来源：科学出版社武汉分社、赛杰奥

整理排版：周墨竹

责任编辑：张英浩

审核：任宇飞  王冠  

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