Spatial and topological features of urban road networks have been observed variously in the past. No previous study, however, has investigated and compared an extensive data set from cities all over the world regarding their network properties. In this work, re-spectively 20 large cities from 5 continents and Germany are analyzed. In the process, node degree, link length, shortest paths, detour index as well as measures for rectangu-larity are used to characterize and to differentiate the networks. While most networks properties are quite diverse from continent to continent, the detour index as a measure of efficiency shows remarkable similarities and homogeneity over all regions, independ-ent of their spatial network structure. It is shown that in some cities this efficiency is mainly sustained by a subnetwork of major roads, while in others it relies on a balance between minor and major roads. Rectangularity in all regions is shown to be predomi-nant in the structure of minor road subnetworks, while it is shown that this feature is not trivially connected to the node degree. / Räumliche und topografische Eigenschaften urbaner Straßennetzwerke sind in der Ver-gangenheit vielfältig untersucht wurden. Keine der bisherigen Studien hat jedoch eine umfassende Anzahl weltweiter Städte auf ihre Netzwerkeigenschaften untersucht. In dieser Arbeit werden jeweils 20 Großstädte aus 5 Kontinenten analysiert. Knotengrad, Kantenlängen, kürzeste Pfade, Detour Index sowie die Rechtwinkligkeit werden schritt-weise untersucht, um die Netzwerke zu charakterisieren und voneinander zu differen-zieren. Während die meisten Netzwerkmaße große Unterscheide von Kontinent zu Kon-tinent aufweisen, lassen sich beim Detour Index, welcher ein Maß für die Effizienz im Netzwerk dient, bemerkenswerte Gemeinsamkeiten in allen Regionen unabhängig von der räumlichen Netzwerkstruktur feststellen. Es wird gezeigt, dass die Effizienz in eini-gen Städten hauptsächlich durch ein Teilnetz von Hauptstraßen getragen wird, während sie anderswo auf einer Balance zwischen Haupt- und Nebenstraßen beruht. Vor allem in der Struktur von Nebenstraßennetzwerken kann Rechtwinkligkeit festgestellt werden, während gleichzeitig wird, dass letztere in keinem trivialen Zusammenhang mit dem Knotengrad steht.

Spatial and topological features of urban road networks have been observed variously in the past. No previous study, however, has investigated and compared an extensive data set from cities all over the world regarding their network properties. In this work, re-spectively 20 large cities from 5 continents and Germany are analyzed. In the process, node degree, link length, shortest paths, detour index as well as measures for rectangu-larity are used to characterize and to differentiate the networks. While most networks properties are quite diverse from continent to continent, the detour index as a measure of efficiency shows remarkable similarities and homogeneity over all regions, independ-ent of their spatial network structure. It is shown that in some cities this efficiency is mainly sustained by a subnetwork of major roads, while in others it relies on a balance between minor and major roads. Rectangularity in all regions is shown to be predomi-nant in the structure of minor road subnetworks, while it is shown that this feature is not trivially connected to the node degree.:Table of Contents List of Figures V List of Tables VI Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Preliminaries 4 2.1 Complex Networks 4 2.2 Network Characteristics 5 2.2.1 Node Degree 5 2.2.2 Link Length 6 2.2.3 Shortest Path Length 7 2.2.4 Detour Index 7 2.2.5 Rectangularity 8 2.3 Data 11 2.3.1 Data Source and Analyzed Cities 11 2.3.2 Data Structure 12 2.3.3 Data Quality 14 2.4 Data Preprocessing 15 2.4.1 Removal of Dead Ends 16 2.4.2 Removal of Transient Nodes 17 2.4.3 Merging of Multi-Node Intersections and Roads with Separated Lanes 17 2.5 Network Modifications 20 Chapter 3 Results and Discussion 23 3.1 Unmodified Networks 23 3.1.1 Node Degree 23 3.1.2 Link Length 25 3.1.3 Network Efficiency 28 3.1.4 Rectangularity 30 3.2 Modified Networks and Comparison to Unmodified Networks 36 3.2.1 Node Degree 37 3.2.2 Link Length 39 3.2.3 Network Efficiency 41 3.2.4 Rectangularity 46 Chapter 4 Conclusion and Outlook 49 References 51 Appendix A Detailed Results of Unmodified Networks 55 Appendix A.1 Europe 55 Appendix A.2 Anglo America 56 Appendix A.3 Latin America 57 Appendix A.4 Asia 58 Appendix A.5 Africa 59 Appendix A.6 Germany 60 Appendix B Corrupted Networks due to Merging of Intersections with Radius 50 m 61 Appendix C Modification 2 62 Appendix D Spatial Distributions of Network Measures 63 Appendix D.1 Node Degree 63 Appendix D.2 Link Length 64 Appendix D.3 Detour Index 65 Appendix D.4 Rectangularity 66 Appendix E Detailed results of modified networks 67 Appendix E.1 Europe 67 Appendix E.2 Anglo America 68 Appendix E.3 Latin America 69 Appendix E.4 Asia 70 Appendix E.5 Africa 71 Appendix E.6 Germany 72 / Räumliche und topografische Eigenschaften urbaner Straßennetzwerke sind in der Ver-gangenheit vielfältig untersucht wurden. Keine der bisherigen Studien hat jedoch eine umfassende Anzahl weltweiter Städte auf ihre Netzwerkeigenschaften untersucht. In dieser Arbeit werden jeweils 20 Großstädte aus 5 Kontinenten analysiert. Knotengrad, Kantenlängen, kürzeste Pfade, Detour Index sowie die Rechtwinkligkeit werden schritt-weise untersucht, um die Netzwerke zu charakterisieren und voneinander zu differen-zieren. Während die meisten Netzwerkmaße große Unterscheide von Kontinent zu Kon-tinent aufweisen, lassen sich beim Detour Index, welcher ein Maß für die Effizienz im Netzwerk dient, bemerkenswerte Gemeinsamkeiten in allen Regionen unabhängig von der räumlichen Netzwerkstruktur feststellen. Es wird gezeigt, dass die Effizienz in eini-gen Städten hauptsächlich durch ein Teilnetz von Hauptstraßen getragen wird, während sie anderswo auf einer Balance zwischen Haupt- und Nebenstraßen beruht. Vor allem in der Struktur von Nebenstraßennetzwerken kann Rechtwinkligkeit festgestellt werden, während gleichzeitig wird, dass letztere in keinem trivialen Zusammenhang mit dem Knotengrad steht.:Table of Contents List of Figures V List of Tables VI Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Preliminaries 4 2.1 Complex Networks 4 2.2 Network Characteristics 5 2.2.1 Node Degree 5 2.2.2 Link Length 6 2.2.3 Shortest Path Length 7 2.2.4 Detour Index 7 2.2.5 Rectangularity 8 2.3 Data 11 2.3.1 Data Source and Analyzed Cities 11 2.3.2 Data Structure 12 2.3.3 Data Quality 14 2.4 Data Preprocessing 15 2.4.1 Removal of Dead Ends 16 2.4.2 Removal of Transient Nodes 17 2.4.3 Merging of Multi-Node Intersections and Roads with Separated Lanes 17 2.5 Network Modifications 20 Chapter 3 Results and Discussion 23 3.1 Unmodified Networks 23 3.1.1 Node Degree 23 3.1.2 Link Length 25 3.1.3 Network Efficiency 28 3.1.4 Rectangularity 30 3.2 Modified Networks and Comparison to Unmodified Networks 36 3.2.1 Node Degree 37 3.2.2 Link Length 39 3.2.3 Network Efficiency 41 3.2.4 Rectangularity 46 Chapter 4 Conclusion and Outlook 49 References 51 Appendix A Detailed Results of Unmodified Networks 55 Appendix A.1 Europe 55 Appendix A.2 Anglo America 56 Appendix A.3 Latin America 57 Appendix A.4 Asia 58 Appendix A.5 Africa 59 Appendix A.6 Germany 60 Appendix B Corrupted Networks due to Merging of Intersections with Radius 50 m 61 Appendix C Modification 2 62 Appendix D Spatial Distributions of Network Measures 63 Appendix D.1 Node Degree 63 Appendix D.2 Link Length 64 Appendix D.3 Detour Index 65 Appendix D.4 Rectangularity 66 Appendix E Detailed results of modified networks 67 Appendix E.1 Europe 67 Appendix E.2 Anglo America 68 Appendix E.3 Latin America 69 Appendix E.4 Asia 70 Appendix E.5 Africa 71 Appendix E.6 Germany 72