[发明专利]基于人口流动数据的城乡基础设施系统协同规划方法

权利要求书

1.一种基于人口流动数据的城乡基础设施系统协同规划方法，包括以下步骤：

1)建立人口流动产生的城乡关联网络：通过手机信令数据获得手机用户在不同时间内所停留的空间位置，将其作为人口流动轨迹的起始点和终止点，构建不同时间的人口流动轨迹，获得城乡居民流动的出行信息；将城乡的地理位置信息数据作为网络中的节点，人口流动轨迹作为网络中节点间的边联系，根据轨迹重复的次数，将轨迹联系依次进行赋值累加，采用社会网络分析方法构建节点间的有向联系矩阵，再进行二值化变换，由此构建基于人口流动产生的城乡关联网络的二值化有向联系矩阵，反映城乡居民的空间路径偏好和城乡选择；然后对城乡关联网络中的节点进行综合评级：在城乡关联网络的二值化有向联系矩阵基础上，从网络空间结构与节点综合评级两个层面，采用社会网络分析方法中的凝聚子群划分法分析城乡关联网络中联系紧密的节点，通过网络密度指标来反映节点联结关系的强弱程度，从而对不同节点进行组团划分；再选取社会网络分析方法中的中心性与结构洞指标进行节点结构评价，从网络位置和等级两个角度对城乡关联网络中的不同城乡节点发展现状进行综合评级，并判断各个节点间的竞争和合作关系；具体包括：

1.1)获取划定区域不同时间范围内的手机信令数据，筛选掉手机信令数据内的无效数据，所述无效数据包括重复定位数据、漂移数据和乒乓切换数据；根据用户ID对手机信令数据轨迹进行分类排序，对ID编号相同的进行数据归并，再对同一ID编号的手机信令数据按发生时间先后进行排序，将发生时间在前的空间位置坐标设置作为该ID编号用户流动轨迹的起始点，发生时间在后的空间位置坐标设置作为该ID编号用户流动轨迹的终止点，由此获得两条信令数据间的空间位置联系和移动方向；将同一时间内起始点和终止点相同的用户轨迹进行批量合并，每增加一个用户则该条流动轨迹数量增加1，以此类推循环，获得不同时间段内的人口流动轨迹；之后将上述不同时间段内的人口流动轨迹数据导入到ArcGIS软件中，新建shp数据格式的多个人口流动轨迹图层，按照时间段命名，实现基于GIS的地理位置数据分析；

1.2)将步骤1.1)中的人口流动轨迹图层中的起始点和终止点的地理位置坐标在ArcGIS软件中进行归并，在同一城市或乡村行政范围内的起始点和终止点进行合并，对城市和乡村进行编号，由此将人口流动轨迹图层转化为城乡联系图层；将城乡作为网络中的节点，将连接多个城乡节点的同一人口流动轨迹视为节点间的边联系，根据轨迹重复的次数，将轨迹联系依次进行赋值累加，由此建立城乡人口流动轨迹起始点与终止点的关系表数据集；

1.3)将步骤1.2)中的城乡人口流动轨迹起始点与终止点的关系表数据集导入到Excel软件中，采用社会网络分析方法构建节点间的有向联系矩阵，根据联系的数目，在所对应的矩阵表格中设置相同数目，由此获得城乡节点间具有轨迹信息的有向联系数字矩阵，即基于人口流动产生的城乡联系矩阵；将该矩阵导入到社会网络分析软件中进行二值化变换，得到二值化有向联系矩阵；

1.4)在步骤1.3)二值化有向联系矩阵基础上，采用社会网络分析方法中的凝聚子群划分法分析城乡关联网络中联系紧密的节点，从而对不同节点进行组团划分为D个组团，其中，凝聚子群是节点的一个子集合即组团，在同一组团内的城乡节点被视为地域中人口流动联系最为紧密的地区；

1.5)对步骤1.4)获得的p个组团分别计算网络密度，从而获得各个组团内城乡节点联结关系的强弱程度，以判断组团内城乡一体化的水平高低，网络密度的计算公式为：

式中，ND是网络密度，L是组团中节点间实际拥有的边连接数，n为城乡节点个数；ND取值区间是[0，1]，数值越大说明城乡各节点间联系越紧密，组团内城乡一体化水平较高，反之组团内城乡一体化水平较低；

1.6)在步骤1.3)二值化有向联系矩阵基础上，采用社会网络分析方法中的中心性与结构洞指标进行节点结构评价，从网络位置和等级两个角度对城乡关联网络中的不同城乡节点发展现状进行综合评级，判断各个节点间的竞争和合作关系，具体步骤如下：

161)通过下述公式计算节点的程度中心性和亲近中心性：

C_Oi＝∑L_ij

C_Di＝∑L_ji

式中：C_oi为节点i的外向程度中心性，C_Di为节点i的内向程度中心性，L_ij为节点i起始到其它节点j终止的单向联系数，L_ji为其它节点j起始到节点i终止的单向联系数；C_COi为节点i的外向亲近中心性，C_CDi为节点i的内向亲近中心性，d(i，j)为节点i起始到其它节点j终止的距离，d(j，i)为其它节点j起始到节点i终止的距离，n表示网络中节点个数；

若节点i的C_oi、C_Di、C_COi和C_CDi这四个指标都高于均值加一个标准差，则为一级节点；若这四个指标都高于均值且不属于一级节点的，则为二级节点；若这四个指标都高于均值减一个标准差且不属于一级和二级节点的，则为三级节点；若这四个指标其一在均值减一个标准差以下的，则为四级节点；

162)通过下述公式计算节点的中介中心性和结构洞分析中的约束性指数：

式中，C_Bi为节点i的中介中心性，L_jk表示节点j和节点k之间的联系数，L_jk(i)表示节点j和节点k通过节点i进行连接的边联系数，n表示网络中节点个数；C_Ti为节点i的约束性指数，节点k是节点i和节点j的共同邻接点，P_ij为节点i的所有邻接点中节点j所占的权重比例，P_ik为节点i的所有邻接点中节点k所占的权重比例，P_kj为节点k的所有邻接点中节点j所占的权重比例；

若节点i的C_Bi及C_Ti都高于均值加一个标准差，则为绝对核心区节点；若这两个指标都高于均值且不属于绝对核心区节点的，则为过渡核心区节点；若这两个指标都高于均值减一个标准差且不属于绝对核心区和过渡核心区节点的，则为过渡边缘区节点；若这两个指标其一在均值减一个标准差以下的，则为绝对边缘区节点；

163)对节点等级和网络位置做进一步综合评级：若节点为一级且处于网络的绝对核心区，则被视为A类节点；若节点为二级及其以上且处于网络的绝对核心区或过渡核心区，同时不为A类节点的，则被视为B类节点；若节点不为四级且未处于网络的绝对边缘区，同时不为A类和B类节点的，则被视为C类节点；若节点处于四级或处于网络的绝对边缘区，则被视为D类节点；根据综合评级标准，A类节点＞B类节点＞C类节点＞D类节点；

1.7)对步骤1.4)建立的p个组团和步骤1.6)确定的城乡节点发展现状综合评级，通过ArcGIS软件导入到步骤1.2)建立的城乡人口流动轨迹起始点与终止点的关系表数据集中，在城乡节点属性表内添加命名为“组团分类”和“节点评级”的两个字段，将属于同一组团的节点设置为相同的数字编号，将步骤1.6)得到的ABCD四类节点进行数字标注，由此建立人口流动产生的城乡关联网络模型；

2)建立不同类型功能的基础设施形成的多要素关联网络：通过网络爬虫技术对线上开源地图网站平台以重复迭代的方式遍历整个划定区域，获取不同城镇乡村范围内的不同功能的兴趣点地理位置数据，包括基础设施位置数据；运用ArcGIS软件的平面核密度估计法将不同类型功能的基础设施点位置数据转化为核密度面状数据，形成不同功能要素的关联网络图，反映城乡不同类型功能的基础设施的空间布局，即各功能类型的基础设施空间集聚和离散程度；

3)比较城乡关联网络和多要素关联网络间差异：将步骤1)的城乡关联网络和步骤2)的多要素关联网络通过ArcGIS软件进行空间叠合，城乡关联网络在上，多要素关联网络在下，共同构成基于人口流动数据的城乡基础设施多层嵌套网络模型，从中找到二者存在的不平衡和差异的部分，从而支撑城乡一体化的基础设施整体规划及配置调整。