城市是以人为主体,包含诸多相互关联要素的有机整体,产生和形成于人类的实践活动中。人是城市的主体,人塑造了城市。但同时,城市的复杂性也反映在人的群体行为的复杂性上,人口在城市中的聚集和在不同城市空间之间的迁移构成了城市人口研究的两个最大的困难:人口的海量性和流动性。人们发现通过传统的统计计数的方法很难掌握城市人口集聚的时空分布。无法掌握准确的城市人口集聚时空信息则与之相关的问题研究也难以开展,获取城市人口集聚的时空信息成为研究城市精细结构演绎机理的重要基础。本文在已有研究基础上,提出了基于多源数据的城市人口集聚空间化方法,通过分析城市昼夜人口的集聚特征与规律揭示城市人口集聚的时空差异及其背后的城市原因。同时,本文探索将城市人口集聚成果应用于解决当前城市研究问题,针对城市能源的地理空间化难题展开应用研究,具体研究内容及结论如下:（1）明确了统计人口与时间人口的含义,指出时间人口在数学上是人口分布在时间采样上的数学期望,有效规范了瞬时刻人口随机性与时间人口之间的关系。对时间、空间、手机信号与人口结构等变量进行了组合,每一个组合被称作一个时空场景。以此为基础,本文提出了基于“时间—空间—行为”场景的人口空间化模型,模型的核心是遵循城市运行模式,将城市人口在时空上的行为与人口结构与感知方式场景化,每一个场景对应明确的人口结构、时间、空间以及数据感知方式,例如工作日白天,3—6岁的幼儿应该处于幼儿园,而且这些幼儿不能被手机信号感知,而在中心城区上班的工作人口是可以被手机信号感知的。每一个场景具有相应的人口空间化模型。所有的场景共同体组成了城市人口的集聚态。（2）人口的昼夜集聚是城市最基本、最主要、最频繁的人口时空变化模式。基于“时间—空间—行为”场景的人口空间化模型,本文计算了武汉市中心城区100米格网的昼夜两种时态的人口集聚数据,误差分析表明该数据的空间精度较高（夜间在社区尺度上达到零误差）。分别对昼夜人口集聚的频率分布、空间分布、变化差异等特征开展数据分析。数据分析发现,武汉市中心城区人口集聚呈现出一种新的幂律分布特征:“人口密度—分布面积”关系符合Clark分布,白天/夜间的函数拟合系数R~2分别达到0.96693和0.93593。数据结果还表明:城市昼夜人口的空间分布存在明显差异,白天人口不但分布的范围更广,且分布范围内的人口密度空间梯度变化相对较平滑,夜间人口不但分布的范围更小,且分布范围内的人口密度空间梯度变化相对更剧烈;昼夜人口集聚差异表明武汉目前的城市发展处于一种职住上的均衡态,中心城区并非完全纯粹的商业区,其间也夹杂着相当数量的居住区,由此中心城区内的人口流动主要以内部流动为主,这种格局的形成与城市格局演变有密切关系。（3）提出了一种人口空间分布频率域分析方法。将人口空间化格网进行离散图像化表示。基于傅里叶变换从频率域的角度开展分析,通过能量分布与共轭性特征分析人口集聚的空间变化。结果显示该方法可以清晰的反映人口集聚的空间变化梯度,并且利用傅里叶变换共轭性与地理空间的正交性特征,该方法可以有效地揭示人口分布空间变化的主方向,结果显示武汉中心城区人口分布空间变化呈现“山水十字轴”特征。（4）提出了城市人口昼夜集聚差异的五种空间模式:“交通线”模式（Axis Pattern）、“三明治”模式（Sandwich Pattern）、“光晕”模式（Degradation Pattern）、“椒盐”模式（Spiced salt Pattern）和“单体”模式（Single Pattern）,其中“交通线”模式是当前武汉中心城区人口昼夜集聚差异最大的一种空间模式,远大于因为工作、外出等迁移形成的人口昼夜集聚空间差异。（5）从人口集聚的城市驱动力分析、人口集聚时空差异与城市空间形态的相关性以及与城市运行密切相关的城市能源供需结构的空间表达三个方面开展了人口集聚时空差异的城市运行驱动分析。在人口集聚的城市驱动力分析方面:围绕资源环境与生产生活两类要素构建了共17个探测因子。探测结果显示,城市要素对白天人口集聚的影响力大于对夜晚人口的影响力,衣食住行依然是决定人口分布的最显著因素。数据也再此验证了已有研究的结论:生产生活因素对人口集聚的影响要大于资源环境因素对人口集聚的影响,但是本文的分析也发现了有的资源环境类因子影响力很接近甚至略微超越生产生活因子的影响力;在人口集聚时空差异与城市空间形态的相关性方面:提出并构建了城市空间活力综合评价指标体系。探测结果显示,夜间人口集聚对城市空间活力的解释优于白天人口集聚对城市空间活力的解释,多时态的人口集聚数据对城市活力空间的解释优于单时态的人口集聚数据。这为研究城市景观格局问题选配人口数据提供了理论和数据支撑,具有理论和指导意义;在人口集聚时空差异与城市能源供需结构的空间表达方面:基于人口与城市能源消费异速增长的近线性关系,提出了城市光伏能源供需结构的空间表达模型,确定了光伏能源估算的两个基础性参数:武汉市中心城区居民生活类建筑的建筑屋顶光伏可利用系数fr.pv=0.45,非居住类建筑的屋顶光伏可利用系数fr.pv=0.71,并验证了这两个参数的有效性。完成了武汉市中心城区的光伏能源供需结构的空间化。分析了光电转化率对城市能源空间结构的影响,结果显示,在武汉中心城区,光电转化率每提高5个百分点,其光伏能源分布面积的峰值自给率会平均提高20个百分点。结果显示光电转化率对城市光伏能源利用和城市能源供需结构具有极其重要的影响。如何感知城市人口集聚的时空差异,尤其是昼夜高精度人口聚集差异,一直是地理学研究的一个热点和难点,相关研究尚不多见,与城市人口集聚时空差异相关的研究更是尚未开展。本文瞄准这一问题开展研究,力求解决昼夜城市人口空间化的难题,通过研究昼夜的城市人口集聚的态势、规律、与城市的关系以及探索应用该数据解决城市问题,为认识城市、研究城市演绎机理提供理论依据,为城市国土空间优化、城市资源能源高效配置、城市精细化治理提供理论方法与数据支撑。