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对城市道路空间结构的认知，有助于探明城市道路交通的潜在规律，为城市交通问题的解决提供合理策略。传统GIS网络分析依赖于地理空间下城市路网的空间特征和微观拓扑关系，忽略了个体拓扑特征的差异性及微观个体对宏观整体结构的影响，难以对拓扑特征和拓扑结构的复杂性展开深入研究，以探索城市交通网络所蕴含的空间结构特征。
网络科学的迅猛发展为GIS网络分析理论方法的发展提供了新的契机。作为一种从统计物理学视角以复杂网络的形式模拟和表达复杂系统的全新思维方式，网络科学旨在从网络的视角描述和刻画实体之间的连接关系及其相互影响过程，可为城市路网结构特征识别提供全新的研究视角和理论方法。GIS网络分析亟需发展一套包含网络拓扑特征识别的更为完整的研究方法，使得微观个体特征与宏观整体结构特征有机结合，对复杂的城市交通网络进行更准确的模拟表达和分析，定量化探索城市路网结构特征及其对交通的影响。
为了发现城市道路网络隐含的复杂网络拓扑特征，本研究在拓扑空间下对城市路网进行了抽象表达，引入网络科学中的统计物理分析方法分析城市路网结构复杂性特征，扩展地理网络分析方法，使针对微观个体拓扑关系的GIS网络分析方法向顾及宏观整体拓扑特征和拓扑结构的复杂网络研究方法过渡，从拓扑空间视角发展GIS网络分析方法，以期促进地理信息科学和网络科学的学科交叉。
本研究首先提出在路段、路链和群落三种粒度下构建城市道路网络在拓扑空间下的表达模型，然后，结合真实城市路网数据，从不同角度分析了城市路网结构特征，并针对当前城市交通中的具体问题提出研究思路和解决方法。包括:1）针对城市路网优化问题，借鉴小世界网络模型演化规则，利用特征分析识别出路网中的关键节点，通过对关键节点的改造实现以最小代价合理优化城市路网的方案;2）针对城市路网结构健壮性评价，借鉴无标度网络结构健壮性分析方法，提出基于拓扑异质性的城市路网结构健壮性评价方法，既可以从宏观上观测路网结构健壮性，也可以对微观个体进行分析，识别出路网中的脆弱节点，为保护道路网络核心节点、提高城市路网健壮性提供解决思路;3）针对城市路网布局问题，结合拓扑空间下节点度分布和度关联特征分析，探讨了道路级配问题和微观层面中道路搭配等路网布局问题，为从拓扑特征入手研究城市路网布局及优化问题提供了新的研究思路;4）针对城市路网结构对交通状态的影响问题，通过发展拓扑空间下的道路邻近性判定方法，利用交通状态时序相似性评价方法，分析了空间邻近道路交通状态的自相关特征，解释了城市道路交通状态的空间自相关现象。