城市空间组织模式与交互（一）｜周六直播·复杂系统视角的城市科学读书会

导语

城市作为人类活动的集中地，运行方式复杂而精彩纷呈，正如一个庞大的机器，在无数小齿轮的相互作用下运转。这种精密的运转从何而起？不同规模的城市遵循着怎样的共同规律？这些规律又怎样在经典地理学、区域科学和复杂性科学之间建立联系？

理解城市的产生机制、空间模式和空间交互是研究城市科学的第一步，所以，“复杂系统视角下的城市科学”读书会第二次分享，我们邀请到董磊老师以《空间组织模式与交互（一）》为题，介绍城市空间组织与交互的多种经典和前沿模型及这些模型的发展脉络，并针对模型中的争议展开讨论。

集智俱乐部的“城市科学”读书会由北京大学助理教授董磊联合明尼苏达大学助理教授朱递、中南大学地球科学与信息物理学院教授李海峰、北京航空航天大学计算机学院博士寄家豪共同发起，通过对“城市作为复杂系统”的理论、研究方法及应用的分享、讨论和梳理，促进相关领域学者的交流，推动交叉学科间的合作，促进城市科学的发展和研究。本系列读书会线上进行，2023年7月1日开始，每周六晚 20:00-22:00，持续时间预计10周。欢迎对城市科学这一前沿领域有兴趣的朋友报名参与！

分享简介

本期读书会，董磊老师将介绍城市空间组织模式与交互的多种经典和前沿模型。

引言部分介绍城市是如何在第一自然特征（1st Nature Geography）和第二自然特征（2nd Nature Geography）的双重影响下形成的，以及每种特征在城市形成中扮演什么样的角色；
第一部分介绍齐普夫定律（Zipf’s Law）及由该定律扩展出的多种城市位序规模模型与实证研究，包括 Yule-Simon Model、Gabiax Model、Interaction Model 等，并讨论以上模型在实际观测数据中的有效性。其中，重点介绍带有空间属性的齐普夫定律（Spatial Zipf’s Law）及考虑人口流动情况下的城市增长模型（Interaction Model）；
第二部分以中心地理论（Central Place Theory）这一经典地理学理论为切入点，探讨城市及人类居住地空间分布的模式，并引入超均匀分布（Hyperuniformity）这一新的空间模式来刻画城市的分布规律；
第三部分介绍一些被“忽视”的理论模型与实证工作，包括领地分割假设（Territorial Division），关于城市人口密度分布模式的争议，以及城市层级结构背后的驱动机制。

分享大纲

城市的形成：为什么有的地方出现了城市，有的地方没有？

1st Nature Geography
2nd Nature Geography

一、空间组织模式-城市的位序规模

Zipf’s Law and his seminal book
Rank clock
Yule-Simon model
Gabiax model
Spatial Zipf’s law
Interaction model

二、空间组织模式-中心地理论（Central Place Theory）

中心地理论的假设、验证与问题
超均匀分布（Hyperuniformity）

三、空间组织模式-“沉睡的理论与模型”

Territorial Division
人口密度分布的争论
如何理解城市层级结构的空间维度？

核心概念

第一自然特征 1st Nature Geography
第二自然特征 2nd Nature Geography
齐普夫定律 Zipf’s Law
Yule-Simon 模型 Yule-Simon Model
纯生过程 Pure Birth Process
Levy Stable Law
Fokker–Planck Equation with Itô’s Convertion
中心地理论 Central Place Theory
超均匀分布 Hyperuniformity
领地分割 Territorial Division

主讲人介绍

董磊：北京大学助理教授；清华大学博士，北京大学、MIT博士后。研究兴趣城市复杂系统中的理论与应用问题。

个人主页 http://donglei.org/

直播信息

时间：

2023年7月8日（本周六）晚上20:00-22:00

参与方式：

扫码参与复杂系统视角的城市科学读书会，加入群聊，获取系列读书会回看权限，成为城市科学社区的种子用户，与社区的一线科研工作者与企业实践者沟通交流，共同推动城市科学社区的发展。

参考文献

城市的形成：为什么有的地方出现了城市，有的地方没有？

• Maarten Bosker, Eltjo Buringh, City seeds: Geography and the origins of the European city system, Journal of Urban Economics, Volume 98, 2017, Pages 139-157, https://doi.org/10.1016/j.jue.2015.09.003.

一、空间组织模式-城市的位序规模

• Gabaix Xavier, Zipf’s Law for Cities: An Explanation*, The Quarterly Journal of Economics, Volume 114, Issue 3, 1999, Pages 739–767, https://doi.org/10.1162/003355399556133

• Verbavatz, V., Barthelemy, M. The growth equation of cities. Nature 587, 397–401 (2020), https://doi.org/10.1038/s41586-020-2900-x

• Simon, Herbert A. On a class of skew distribution functions, Biometrika, Volume 42, Issue 3-4, December 1955, Pages 425–440, https://doi.org/10.1093/biomet/42.3-4.425

• Mori T, Smith TE, Hsu WT. Common power laws for cities and spatial fractal structures. Proc Natl Acad Sci USA. 2020 Mar 24;117(12):6469-6475, https://doi.org/10.1073/pnas.1913014117

• Zipf, G. K. (1949). Human behavior and the principle of least effort. Cambridge: Addison Wesley Press.

二、空间组织模式-中心地理论（Central Place Theory）

• Dong, L., Hyperuniform organization in human settlements https://arxiv.org/abs/2306.04149

• Schläpfer, M., Dong, L., O’Keeffe, K. et al. The universal visitation law of human mobility. Nature593, 522–527 (2021), https://doi.org/10.1038/s41586-021-03480-9

参看：《集智科学家董磊Nature刊文，揭示人类出行的普遍模式》

三、空间组织模式-“沉睡的理论与模型”

• G. Edward Stephan, Territorial Division: The Least-Time Constraint Behind the Formation of Subnational Boundaries. Science 196, 523-524(1977), https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.196.4289.523

《齐夫定律为何普遍存在？从最省力原则到最大化多样性》

城市科学读书会启动

随着工业化和现代化的发展，世界范围内的城市化率不断提高，越来越多的人口聚集在城市，使得交通拥堵、环境污染、资源短缺等城市问题日益严峻。为了建设一个让人们幸福生活、可持续发展的城市，我们对于城市的基本运行规律迫切需要科学的认知。

近十几年来，数据获取手段的进步及计算技术的发展，为研究城市问题提供了新的机会。智能手机、物联网、卫星遥感使我们可以获取高精度的城市数据，提供了数据基础；机器学习、人工智能的发展，为处理大规模多源异构数据提供了技术手段。

除了数据与方法外，复杂性科学（Complexity）也极大地推动了城市科学的跨学科发展。复杂性科学从演生的视角，在不同的时空尺度上研究城市现象的基础规律，丰富了城市科学的理论框架；同时，基于复杂系统的模拟方法也在实践中有广阔的应用前景。

在这个大背景下，集智俱乐部的“城市科学”读书会由北京大学助理教授董磊联合明尼苏达大学助理教授朱递、中南大学地球科学与信息物理学院教授李海峰、北京航空航天大学计算机学院博士寄家豪共同发起，通过对“城市作为复杂系统”的理论、研究方法及应用的分享、讨论和梳理，促进相关领域学者的交流，推动交叉学科间的合作，促进城市科学的发展和研究。

本系列读书会线上进行，2023年7月1日开始，每周六晚 20:00-22:00，持续时间预计10周。读书会详情及参与方式见后文。