更改

添加6,826字节 、 2023年10月8日 (日) 22:57
无编辑摘要
第1行: 第1行:  
此词条由城市科学读书会词条梳理志愿者(Yukiweng)翻译审校,未经专家审核,带来阅读不便,请见谅。
 
此词条由城市科学读书会词条梳理志愿者(Yukiweng)翻译审校,未经专家审核,带来阅读不便,请见谅。
 +
[[文件:Random geometric graph.svg|链接=link=Special:FilePath/Random_geometric_graph.svg|替代=|缩略图|201x201像素|随机几何图,最简单的空间网络模型之一。]]
 +
A '''spatial network''' (sometimes also '''[[Geometric graph theory|geometric graph]]''') is a [[Graph (discrete mathematics)|graph]] in which the [[Vertex (graph theory)|vertices]] or [[Edge (graph theory)|edges]] are ''spatial elements'' associated with [[Geometry|geometric]] objects, i.e., the nodes are located in a space equipped with a certain [[Metric (mathematics)|metric]].<ref name="Bart3">{{cite journal | last1 = Barthelemy | first1 = M. | year = 2011| title = Spatial Networks | arxiv = 1010.0302 | journal = Physics Reports | volume = 499 | issue = 1–3 | pages = 1–101 | doi=10.1016/j.physrep.2010.11.002 | bibcode = 2011PhR...499....1B| s2cid = 4627021 }}</ref><ref name="Bart22">M. Barthelemy, "Morphogenesis of Spatial Networks", Springer (2018).</ref> The simplest mathematical realization of spatial network is a [[Lattice graph|lattice]] or a [[random geometric graph]] (see figure in the right), where nodes are distributed uniformly at random over a two-dimensional plane; a pair of nodes are connected if the [[Euclidean distance]] is smaller than a given neighborhood radius. [[Transport network|Transportation and mobility networks]], [[Internet]], [[cellular network|mobile phone networks]], [[electrical grid|power grids]], [[social network|social and contact networks]] and [[neural network|biological neural networks]] are all examples where the underlying space is relevant and where the graph's [[topology]] alone does not contain all the information. Characterizing and understanding the structure, resilience and the evolution of spatial networks is crucial for many different fields ranging from urbanism to epidemiology.
   −
== 介绍 ==
+
'''空间网络 spatial network'''(也被称为'''[[几何图]] geometric graph''')是一种图,其中顶点或边是与几何对象关联的空间元素,例如节点位于有特定度量的空间中,具有空间位置信息。<ref name="Bart3" /><ref name="Bart22" /> 空间网络最简单的数学形式是[[晶格]]或[[随机几何图]](见右图),其中节点随机均匀分布在二维平面上;如果一对节点之间[[欧氏距离]]小于给定的邻域半径,则将该对节点相连。[[交通和移动网络]]、[[互联网]]、[[移动电话网络]]、[[电网]]、[[社交网络]]以及[[生物神经网络]]都是图具有空间相关性的示例,并且这些图的拓扑性质本身并不包含关于网络的所有信息。表征和理解空间网络的结构、适应力和演化过程对于如城市化、流行病学等的不同领域都至关重要。
[[文件:Random geometric graph.svg|缩略图|随机几何图,最简单的空间网络模型之一。|链接=Special:FilePath/Random_geometric_graph.svg]]
+
==Examples 例子==
'''空间网络 spatial network'''(也被称为'''[[几何图]] geometric graph''')是一种图,其中顶点或边是与几何对象关联的空间元素,例如节点位于有特定度量的空间中,具有空间位置信息。<ref name="Bart">{{cite journal | last1 = Barthelemy | first1 = M. | year = 2011| title = Spatial Networks | arxiv = 1010.0302 | journal = Physics Reports | volume = 499 | issue = 1–3 | pages = 1–101 | doi=10.1016/j.physrep.2010.11.002 | bibcode = 2011PhR...499....1B| s2cid = 4627021 }}</ref><ref name="Bart2">M. Barthelemy, "Morphogenesis of Spatial Networks", Springer (2018).</ref>空间网络最简单的数学形式是[[晶格]]或[[随机几何图]](见右图),其中节点随机均匀分布在二维平面上;如果一对节点之间[[欧氏距离]]小于给定的邻域半径,则将该对节点相连。[[交通和移动网络]]、[[互联网]]、[[移动电话网络]]、[[电网]]、[[社交网络]]以及[[生物神经网络]]都是图具有空间相关性的示例,并且这些图的拓扑性质本身并不包含关于网络的所有信息。表征和理解空间网络的结构、适应力和演化过程对于如城市化、流行病学等的不同领域都至关重要。
+
An urban spatial network can be constructed by abstracting intersections as nodes and streets as links, which is referred to as a [[Transportation network (graph theory)|transportation network]].
 +
 
 +
One might think of the 'space map' as being the negative image of the standard map, with the open space cut out of the background buildings or walls.<ref name="SocLo2">Hillier B, Hanson J, 1984, The social logic of space (Cambridge University Press, Cambridge, UK).</ref>
   −
== 例子 ==
   
城市空间网络可以通过将交叉路口抽象为节点,将街道路径抽象为连边来构建,称为[[交通网络]]。
 
城市空间网络可以通过将交叉路口抽象为节点,将街道路径抽象为连边来构建,称为[[交通网络]]。
   −
<font color="#32CD32"> 人们可能会认为“空间地图”是标准地图的负面图像,将开放空间从背景建筑物或墙壁上切开。</font> <ref name="SocLo">Hillier B, Hanson J, 1984, The social logic of space (Cambridge University Press, Cambridge, UK).</ref>
+
<font color="#32CD32"> 人们可能会认为“空间地图”是标准地图的负面图像,将开放空间从背景建筑物或墙壁上切开。<ref name="SocLo2" /></font>
 
+
==Characterizing spatial networks 空间网络的表征==
== 空间网络的表征 ==
+
The following aspects are some of the characteristics to examine a spatial network:<ref name="Bart" />
以下几个方面是检查空间网络的一些特征:<ref name="Bart" />
+
*Planar networks
 +
In many applications, such as railways, roads, and other transportation networks, the network is assumed to be [[planar graph|planar]]. Planar networks build up an important group out of the spatial networks, but not all spatial networks are planar. Indeed, the airline passenger networks is a non-planar example: Many large airports in the world are connected through direct flights.
    +
以下几个方面是可用于检验空间网络的一些特征:<ref name="Bart" />
 
* 平面网络
 
* 平面网络
   −
在许多应用中,例如铁路、公路和其他运输网络,网络被假定为平面的。平面网络是空间网络中的一个重要群体,但并非所有空间网络都是平面的。事实上,航空客运网络是一个非平面的例子:世界上许多大型机场都是通过直飞航班连接起来的。
+
在许多应用场景中,例如铁路、公路和其他运输网络,网络被假定为平面的。[[平面网络]]是空间网络中的一个重要分类,但并非所有空间网络都是平面的。例如航空客运网络即是一个非平面网络的例子:世界上许多大型机场都是通过直飞航班连接起来的。
   −
* 它嵌入空间的方式
+
*The way it is embedded in space
 +
There are examples of networks, which seem to be not "directly" embedded in space. Social networks for instance connect individuals through friendship relations. But in this case, space intervenes in the fact that the connection probability between two individuals usually decreases with the distance between them.
 +
* 网络与空间相关的方式
   −
有一些网络的例子,它们似乎没有“直接”嵌入太空。例如,社交网络通过友谊关系将个人联系起来。但在这种情况下,空间介入了这样一个事实:两个人之间的联系概率通常随着他们之间的距离而减小。
+
有一些网络的例子,它们似乎没有“直接”与空间联系起来。例如,社交网络通过朋友关系将个人联系起来,但在这种情况下,两个人之间的联系概率通常随着他们之间的距离而减小。
   −
* 沃罗诺伊镶嵌
+
*Voronoi tessellation
 +
A spatial network can be represented by a [[Voronoi diagram]], which is a way of dividing space into a number of regions.  The dual graph for a Voronoi diagram corresponds to the [[Delaunay triangulation]] for the same set of points. Voronoi tessellations are interesting for spatial networks in the sense that they provide a natural representation model to which one can compare a real world network.
 +
* 沃罗诺伊镶嵌 Voronoi tessellation
   −
空间网络可以用 Voronoi 图表示,这是一种将空间划分为多个区域的方法。 Voronoi 图的对偶图对应于同一组点的 Delaunay 三角剖分。 Voronoi 镶嵌对于空间网络很有趣,因为它们提供了一种自然的表示模型,人们可以将其与现实世界的网络进行比较。
+
空间网络可以用 [[Voronoi 图]]表示,这是一种将空间划分为多个区域的方法。 Voronoi 图的对偶图对应于同一组点的 [[Delaunay 三角剖分]]。 Voronoi 镶嵌之于空间网络很有趣,因为它提供了一种自然的表示模型,使得人们可以将其与现实世界的网络进行比较。
    +
*Mixing space and topology
 +
Examining the topology of the nodes and edges itself is another way to characterize networks.  The distribution of [[Degree (graph theory)|degree]] of the nodes is often considered, regarding the structure of edges it is useful to find the [[Minimum spanning tree]], or the generalization, the [[Steiner tree]] and the [[relative neighborhood graph]].
 
* 混合空间和拓扑
 
* 混合空间和拓扑
   −
检查节点和边本身的拓扑是表征网络的另一种方法。经常考虑节点度的分布,对于边的结构,找到最小生成树或泛化、斯坦纳树和相对邻域图是有用的。
+
检验节点和连边本身的拓扑是表征网络的另一种方法。通常我们会关注节点的度分布,而对于边的结构,找到[[最小生成树]]  Minimum spanning tree或泛化、[[斯坦纳树]] Steiner tree和[[相对邻域图]] relative neighborhood graph是有用的。
 +
==Probability and spatial networks 概率和空间网络==
 +
In "real" world many aspects of networks are not deterministic - randomness plays an important role. For example, new links, representing friendships, in social networks are in a certain manner random. Modelling spatial networks in respect of stochastic operations is consequent. In many cases the [[spatial Poisson process]] is used to approximate data sets of processes on spatial networks. Other stochastic aspects of interest are:
 +
*The [[Poisson line process]]
 +
*Stochastic geometry: the [[Erdős–Rényi model|Erdős–Rényi graph]]
 +
*[[Percolation theory]]
 +
在“真实”世界中,网络的许多方面是不确定的,随机性起着重要作用。例如,社交网络中代表友谊的新连边在某种程度上是随机的。因此,通常我们会通过一些随机操作来对空间网络进行建模。在很多情况下,[[空间泊松过程]] spatial Poisson process被用于近似生成空间网络过程的数据集。其他常用的随机操作包括:
   −
== 概率和空间网络 ==
+
* [[泊松线过程]] Poisson line process
在“真实”世界中,网络的许多方面不是确定性的随机性起着重要作用。例如,社交网络中代表友谊的新链接在某种程度上是随机的。因此,在随机操作方面对空间网络进行建模。在许多情况下,空间泊松过程用于近似空间网络上的过程数据集。其他感兴趣的随机方面包括:
+
* 随机几何:[[Erdős–Rényi 图|Erdős–Rényi 随机图]]模型
 +
* [[渗流理论]] Percolation theory
 +
==Approach from the theory of space syntax 从空间句法理论入手==
 +
Another definition of spatial network derives from the theory of [[space syntax]]. It can be notoriously difficult to decide what a spatial element should be in complex spaces involving large open areas or many interconnected paths. The originators of space syntax, Bill Hillier and Julienne Hanson use [[axial line]]s and [[convex space]]s as the spatial elements. Loosely, an axial line is the 'longest line of sight and access' through open space, and a convex space the 'maximal convex polygon' that can be drawn in open space. Each of these elements is defined by the geometry of the local boundary in different regions of the space map. Decomposition of a space map into a complete set of intersecting axial lines or overlapping convex spaces produces the axial map or overlapping convex map respectively. Algorithmic definitions of these maps exist, and this allows the mapping from an arbitrary shaped space map to a network amenable to graph mathematics to be carried out in a relatively well defined manner. Axial maps are used to analyse [[urban network]]s, where the system generally comprises linear segments, whereas convex maps are more often used to analyse [[building|building plans]] where space patterns are often more convexly articulated, however both convex and axial maps may be used in either situation.
   −
* 泊松线工艺
+
Currently, there is a move within the space syntax community to integrate better with [[geographic information system]]s (GIS), and much of the [[Spatial network analysis software|software]] they produce interlinks with commercially available GIS systems.
* 随机几何:埃尔德什-雷尼图
  −
* 渗流理论
     −
== 从空间句法理论入手 ==
+
空间网络的另一个定义源自[[空间句法]] space syntax理论。在涉及大片开放区域或具有许多互连路径的复杂空间中,决定空间元素应该是什么是非常困难的。空间句法的发起人Bill Hillier和Julienne Hanson使用轴线和凸空间作为空间元素。简单地说,轴线是穿过开放空间“最长的视野和通道”,凸空间是在开放空间中可以绘制的“最大凸多边形”。这些元素中的每一个都是由空间地图不同区域中局部边界的几何形状定义的,将空间映射分解为一组完整的相交轴线,或重叠凸空间,将分别产生轴向映射或重叠凸映射。这些映射的算法定义是存在的,并且这允许以相对明确的方式执行从任意形状的空间映射到适合图形数学的网络的映射。轴图用于分析[[城市网络]],其中系统通常由线性部分组成,而凸图更常用于分析建筑平面图,其中空间模式通常更凸地铰接,但是凸图和轴图都可以在任何一种情况下使用。
空间网络的另一个定义源自空间句法理论。在涉及大片开放区域或许多互连路径的复杂空间中,决定空间元素应该是什幺是出了名的困难。空间句法的鼻祖比尔·希利尔(Bill Hillier)和朱利安·汉森(Julienne Hanson)使用轴线和凸空间作为空间元素。宽松地说,轴线是穿过开放空间的“最长的视线和信道”,凸空间是可以在开放空间中绘制的“最大凸多边形”。这些元素中的每一个都是由空间地图不同区域中的局部边界的几何形状定义的。将空间映射分解为一组完整的相交轴线或重叠凸空间分别产生轴向映射或重叠凸映射。这些映射的算法定义是存在的,这允许以相对明确的方式执行从任意形状的空间映射到适合图形数学的网络的映射。轴图用于分析城市网络,其中系统通常由线性部分组成,而凸图更常用于分析建筑平面图,其中空间模式通常更凸地铰接,但是凸图和轴图都可以在任何一种情况下使用。
     −
目前,空间句法界正在采取行动,以更好地与地理信息系统 (GIS) 集成,并且他们生产的许多软件都与商用 GIS 系统相互链接。
+
目前,空间句法界正在努力与地理信息系统 (GIS) 更好地合作,他们生产的许多软件都与商用 GIS 系统相互链接。
 +
==History 历史==
 +
While networks and graphs were already for a long time the subject of many studies in [[mathematics]], physics, mathematical sociology, [[computer science]], spatial networks have been also studied intensively during the 1970s in quantitative geography. Objects of studies in geography are inter alia locations, activities and flows of individuals, but also networks evolving in time and space.<ref name="NetAnal2">P. Haggett and R.J. Chorley. ''Network analysis in geog-'' raphy''. Edward Arnold, London, 1969.''</ref> Most of the important problems such as the location of nodes of a network, the evolution of transportation networks and their interaction with population and activity density are addressed in these earlier studies. On the other side, many important points still remain unclear, partly because at that time datasets of large networks and larger computer capabilities were lacking. Recently, spatial networks have been the subject of studies in [[Statistics]], to connect probabilities and stochastic processes with networks in the real world.<ref name="David2">{{Cite web|url=http://www.stat.berkeley.edu/~aldous/206-SNET/index.html|title=Spatial Networks|access-date=2014-01-10|archive-date=2014-01-10|archive-url=https://web.archive.org/web/20140110202716/http://www.stat.berkeley.edu/~aldous/206-SNET/index.html|url-status=live}}</ref>
   −
== 历史 ==
+
网络和图长期以来一直是数学、物理学、数学社会学、计算机科学等许多研究的主题,而在 1970 年代,空间网络在定量地理学中也得到了深入研究。地理学研究的对象主要是个人的位置、活动和流动,但也包括随时间和空间演化的网络。<ref name="NetAnal2" />大多数重要的问题,如网络节点的位置、交通网络的演化及其与人口和活动密度的相互作用,都在这些早期的研究中得到解决。但另一方面,许多重要问题仍然不清楚,部分是由于当时缺乏大型网络的数据集和更强大的计算机能力。近期空间网络已成为统计学研究的主题,将概率和随机过程与现实世界中的网络联系起来。<ref name="David2" />
虽然网络和图形长期以来一直是数学、物理学、数学社会学、计算机科学等许多研究的主题,但在 1970 年代,空间网络在定量地理学中也得到了深入研究。地理学研究的对象主要是个人的位置、活动和流动,但也包括时间和空间演变的网络。<ref name="NetAnal">P. Haggett and R.J. Chorley. ''Network analysis in geog-'' raphy''. Edward Arnold, London, 1969.''</ref>大多数重要问题,如网络节点的位置、交通网络的演变及其与人口和活动密度的相互作用,都在这些早期的研究中得到解决。另一方面,许多重要点仍然不清楚,部分原因是当时缺乏大型网络的数据集和更大的计算机能力。最近,空间网络已成为统计学研究的主题,将概率和随机过程与现实世界中的网络联系起来。<ref name="David">{{Cite web|url=http://www.stat.berkeley.edu/~aldous/206-SNET/index.html|title=Spatial Networks|access-date=2014-01-10|archive-date=2014-01-10|archive-url=https://web.archive.org/web/20140110202716/http://www.stat.berkeley.edu/~aldous/206-SNET/index.html|url-status=live}}</ref>
      
== 参考文献 ==
 
== 参考文献 ==
13

个编辑