华东师范大学地理科学学院
张红副教授团队
道路网空间复杂性及演化模拟方面的
系列成果介绍
导读
城市是复杂而有序的“生命体”，道路网则是支撑其空间与功能的“血脉”。在迈向交通强国和城市高质量发展的进程中，如何科学认知道路网的空间复杂性，提升其“秩序”与“效能”，已成为城市规划与治理的关键议题。然而，传统研究多侧重道路形态或单尺度连通结构，对道路网跨尺度自相似性、时空分形演化规律及结构合理性的系统刻画仍显不足，对“稠化—新增”自组织生长机制及形态—结构—功能耦合关系亦有待深化。作为“大自然的语言”和“21世纪的重要科学范式”，分形理论与复杂网络为揭示道路系统的隐藏逻辑提供了重要方法与理论支撑。
华东师范大学地理科学学院张红副教授团队长期聚焦城市空间复杂性问题，运用分形几何、复杂网络与空间模拟等方法，系统揭示了城市道路网的分形结构、演化机制及其驱动规律。团队此前在 International Journal of Geographical Information Science，Annals of the American Association of Geographers 发表多篇研究论文（参见相关成果1-3），较早且系统地论证了道路网的等级层次、结构分形与异速生长特征，并在《地球信息科学学报》》“纪念陈述彭先生百年诞辰”专刊发表综述，获多家学术平台转载（参见相关成果4）。近期，团队围绕道路网分形特征的敏感性识别、多类分形的耦合演化及其驱动因素、多情景演化模拟等方向取得一系列新进展，并已面向我国及周边区域交通互联互通等重大决策提供咨询服务。
成果概述
（1）道路网拓扑结构分析的模型与计算方法
团队从“如何读懂道路网络”切入，较系统构建了道路网络拓扑结构分析的模型体系（参见相关成果5-7）。在英文专著《Topological Structure of Road Networks: Models and Computation Methods》中（图1），团队从多种网络表征方式出发，构建道路网图模型，系统引入无标度、小世界、层级网络等复杂网络理论，揭示道路网在“节点—边”“道路—道路”等不同尺度的连接模式。创新构建了加权自中心网络模型，发展了多种顾及空间约束和择优链接的路网生长模拟模型，实现了对道路网层级结构的定量刻画，为路网结构合理性评估、交通功能区识别等奠定了统一的拓扑分析框架（图2）。
图1 英文专著封面
图2 专著中道路网拓扑结构分析与
模拟方法示意
（2）不同表征方式下道路网结构分形特征的一致性
许多生物体以分形方式生长，这一特性有助于最大化空间填充并高效传递信息流。道路网络是典型的几何与结构分形体，其结构复杂性不仅受交叉口格局影响，也与网络的表征方式密切相关（参见相关成果8）。基于此，本研究采用街道段原始图、街道段对偶图和路划对偶图三种常见拓扑表征方法，对美国人口最多的100座城市道路网络的结构分形特征进行分析（图3）。结果表明：道路网结构分形性是一种内在属性，在不同拓扑表征方式下均稳定存在；基于路划表征所测得的结构分形维数显著高于基于路段表征的结果；尺度变化对结构分形无显著影响，而交叉口数量及其组成对道路网结构复杂性具有显著影响（图4）。
(a)道路网的多种结构表征方式
(b)道路网结构分形维计算过程
图3 道路网结构的多种表征方式(a)及其结构分形维计算过程(b)
图4 典型交叉口及其多种结构表征方式
（3）道路网分形自组织演化
城市是持续演化的空间复杂系统，其内部秩序与演化模式仍有待揭示。以1971—2018年香港街道网络为例，我们从几何分形（GF）、拓扑分形（TF）和层次分形（HF）三个维度分析其演化特征。结果表明，街道网络在形态与结构上始终保持分形特征，GF、TF 和 HF 维数整体呈波动上升，反映出街道网络不断向更成熟、更复杂状态演化。半径长度GF维数呈现双分形特征，数值分别集中在 1.653-1.832 和 0.677-0.892 两个区间，对应明显的核心–边缘结构。TF维数稳步上升，并与GF维数差距逐渐扩大，说明在几何扩展基础上，网络结构持续优化。街道网络主要通过空间外扩、局部加密、垂直分层、层级丰富化和“捷径”生成实现自组织演化（参见相关成果9）。
图5 香港道路网的几何双分形特征
及其核心—外围空间格局
（4）道路网分形演化驱动因素的时空异质性
尽管道路网络的分形特征已得到广泛验证，但其在多重影响因素作用下的几何与结构分形的时空演化机制仍研究不足。本研究引入地理—时间加权回归（GTWR）等模型，将分形指标与地形、基础设施投入、人口密度及用地结构等因素进行耦合分析，以揭示道路网分形演化的时空差异及驱动机理。结果显示，道路网几何与结构分形维度均呈现典型的核心—边缘格局：内陆城市的几何分形维数增长更为显著，而沿海核心区变化趋于平缓并逐步收敛。道路网络的分形演化由地形、基础设施投资和人口密度等因素共同驱动，且其影响存在显著空间异质性，反映出不同区域在道路网络优化与扩展上的差异化过程（参见相关成果10）。
图6 长三角城市道路网分形维分布及
GTWR驱动系数的空间格局
结语
城市是不断演化的“有机生命体”，分形与复杂网络为揭示其空间“生命密码”提供了重要分析视角和方法工具。未来，团队将继续围绕城市“自然-社会经济-信息”三元空间的分形自组织及演化模拟开展深入研究，为交通强国建设和区域高质量治理提供更加有力的理论支撑与技术保障。
相关成果
1.Zhang, H., Li, Z.*. 2011. Weighted ego network for forming hierarchical structure of road networks. International Journal of Geographical Information Science,25(2):255-272.
2.Zhang, H.,Li, Z.*, 2012, Fractality and self-similarity in the structure of road networks. Annals of the Association of American Geographers, 102(2): 350-365.
3.Lan, T., Li, Z., Zhang, H. 2019, Urban allometric scaling beneath structural fractality of road networks. Annals of the American Association of Geographers, 109(3):943-957.
4.张红*,蓝天,李志林.分形城市研究进展：从几何形态到网络关联[J].地球信息科学学报, 2020, 22(04):827-841.
5.Zhang, H., 2024, Topological Structure of Road Networks: Models and Computation Methods. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore.
6.Lan, T., Zhang, H.*, Li, Z., 2022, Exploring the evolution of road centrality: A case study of Hong Kong from 1976 to 2018. Applied Geography, 146: 102767.
7.Zhang, H., Xu, S., Liu, C.*, Liu, X., 2021, Near “real-time” estimation of excess commuting from open-source data: Evidence from China’s megacities. Journal of Transport Geography, 91: 102929.
8.Zhang, H., Gao, P., Lan, T., Liu, C.*, 2021, Exploring the structural fractality of road networks by different representations. The Professional Geographer, 73(2): 348–362.
9.Zhang, H.*, Lan, T.,. Li, Z. 2022. Fractal evolution of urban street networks in form and structure: a case study of Hong Kong. International Journal of Geographical Information Science, 36(6): 1100–1118.
10.Zhang, H., Li, Z.*, Lu, Z., Zhang, Q., 2025, What drives the fractal evolution of urban road networks? Evidence from the Yangtze River Delta, China. Chaos, Solitons and Fractals, 200: 117005.
作者简介
张红，华东师范大学地理科学学院副教授、硕士生导师，湖北省“楚天学子”，四川省学术技术带头人后备人选。主要研究方向为地理信息分析、复杂网络与数字人文。主持省部级及以上科研项目10余项，发表论文70余篇，其中4篇通讯作者论文入选ESI全球TOP 1%高被引论文；出版中、英文独著各1部，其中中文专著所属丛书入选“2024年中国地理科学十大研究进展”。获软件著作权1项、授权专利5项。现任《Chinese Geographical Science》《Regional Science and Environmental Economics》《地域研究与开发》《世界地理研究》等期刊编委或青年编委，研究成果曾获中央主要领导人批示。系教育部课程思政团队核心成员，上海市重点课程《数字人文与空间计算》负责人。
