（交通运输规划与管理专业论文）基于GIS的公路网规划辅助系统研究.pdf

摘要 我国公路交通事业经过二十多年的高速发展，仍然存在着规模不足、结构不 合理、布局不完善、区域发展不平衡等问题。因此，路网规划工作的科学性、合 理性、高效性就显得尤为重要。本文以总量控制法为研究依据，将地理信息系统 ( g i s ) 引入公路网规划，并应用用g i s 软件平台m a p i n f o 构建了用于公路网规划 的辅助系统，目的在于改进公路网规划数据的处理方法，提高公路网规划的计算 机化和操作过程的可视化，并全面提升规划的工作效率。 本文就公路网规划辅助系统的可行性、实用性以及具体设计和功能实现等相 关问题进行了理论分析与研究。在g i s 相关技术支持下，建立了系统的空间数据 库和属性数据库，对规划数据进行组织和管理；设计了系统应用界面，实现通用 地图操作、空间分析、公路网规划指标计算、规划成果表现和输出等功能；并以 辽宁省公路网规划为例进行实例应用。 本文的研究提出了公路网规划的新思路，其进一步完善必将为规划结果的调 整和动态管理提供更加便捷的应用工具。 关键词：公路网规划地理信息系统( g i s ) m a p i n f o a b s t r a c t i nc h i n a ，w h i l et h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n d e v e l o p e dq u i c k l y , t h eh i g h w a y c o n s t r u c t i o na l s oh a ss o m eq u e s t i o n s ，s u c ha st h es c a l ei si n s u f f i c i e n t ，t h es t r u c t u r ei s n o tr e a s o n a b l y ，t h eh i g h w a yn e t w o r ki si m p e r f e c t ，r e g i o n a ld e v e l o p m e n ti sn o t b a l a n c e da n ds oo n s o ，t h eh i g h w a yn e t w o r kp l a n n i n gi si m p o r t a n t b a s e do nt h e g e n e r a lt h e o r yo ft o t a lq u a n t i t yc o n t r o lm e t h o d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) a n di t su s i n gi nt h eh i g h w a yn e t w o r kp l a n n i n gf i e l d t h i s p u r p o s ei st o d i s c u s st h em e t h o do fc h a n g i n gt h em a n a g e m e n to fh i g h w a yn e t w o r k p l a n n i n gd a t a ，a n de n h a n c et h ep l a np r o c e s sc o m p u t e r i z i n gw i t ht h eo p e r a t i o n b a s e do nu s i n gm a p l n f o ，t h ep a p e rr e s e a r c ho nh o wg i su s e do nt h eh i g h w a y n e t w o r kp l a n n i n g t h ep a p e rb u i l ts p e c i a la u x i l i a r ys y s t e mw h i c hc a nu s ef o ri l i g h w a y n e t w o r kp l a n n i n ga n dd e v e l o pt h eh i g h w a yn e t w o r kp l a n n i n g t h i sp a p e re s t a b l i s h e d t h es y s t e ms p a t i a ld a t a b a s ea n dt h ea t t r i b u t ed a t a b a s e ，c a r r i e so nt h eo r g a n i z a t i o na n d t h em a n a g e m e n tt ot h ep l a n n i n gd a t a t h ep a p e rd e s i g n e dt h es y s t e ma p p l i c a t i o n c o n t a c ts u r f a c e ，t h er e a l i z a t i o ng e n e r a lp u r p o s em a p o p e r a t i o n ，t h es p a t i a la n a l y s i s ，t h e h i g h w a yn e t w o r kp l a n n i n gt a r g e tc o m p u t a t i o n ，t h ea c h i e v e m e n tp e r f o r m a n c ea n d o u t p u t t h es y s t e ma p p l i c a t i o nm a ye n h a n c et h ev i e w a b l ed e g r e ei nt h eh i g h w a y n e t w o r kp l a n n i n g ，i t sf u r t h e rc o n s u m m a t e sa l s ow i l lc e r t a i n l yc o n v e n i e n t l yp r o v i d e s ， t h eh i g h l ye f f e c t i v ea p p l i c a t i o nt o o lf o rt h ep l a nr e s u l ta a j u s t m e n ta n dt h ed y n a m i c m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：h i g h w a yn e t w o r kp l a n n i n g g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) m a p l n f o 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叶蛊w g 年岁月：日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 叶莹斯i 年岁月工7 日 导师签名：沙。万年厂月衫日 第一章概述 1 1 研究背景 交通运输是国民经济的基础性、服务性产业，对国民经济的发展具有重要的 促进作用，是合理配置资源、提高经济运行质量和效率的重要基础。纵观发达国 家的经济起飞无不与交通运输的超前发展有关“。早在1 8 世纪，亚当斯密在 国富论中就深刻地指出：“在切改良中，以交通运输改良最为有效”“1 。 公路运输的显著特点是机动灵活、适应性强、可达性好，是惟一能实现“门 到门”服务的运输方式，其他运输方式一般都要借助公路转运后才能完成运输任 务。自新中国成立来，我国的公路建设发展取得了巨大成就，截至2 0 0 4 年底， 全国公路里程达到1 8 7 0 7 万公里，其中高速公路里程3 4 3 万公里，等级公路 1 5 1 5 8 万公里，等级公路里程比重为8 1 o “3 。伴随着公路建设的快速发展，我 国的公路交通运输事业也突飞猛进，在综合运输中的地位逐年上升。截至2 0 0 4 年底，公路客运量达1 6 2 5 亿人次，占综合运输客运量的9 1 7 ；公路货运量达 1 2 4 5 亿吨公里，占综合运输货运量的7 4 3 ”1 。 在公路建设和公路交通运输事业迅猛发展的同时，我国的公路建设还存在着 规模不足、结构不合理、布局不完善、区域发展不平衡等问题“1 。面临我国资源 紧张、资金有限的状况，提高公路建设决策的科学性，防止重复建设、提高交通 资源利用效率等均具有十分重要的现实和长远意义。因此，公路网规划工作显得 尤为重要。 公路网规划通过对区域内公路客货流的发生、吸引、分布和路网交通流分配 的分析，合理地确定公路等级和公路网布局，使规划的公路网方案能够符合公路 客货流的流量和流向分布规律，从而有效地减少公路使用者的运输时间和费用， 提高公路运输效益。 目前大部分的规划工作均是采用纸质地图或c a d 制图来制订路网规划方案， 这种作业方式存在一定不便之处。首先，纸质地图不易修改，当一个路网方案同 规划目标比较后，认为不可行或不合适，需要作修改或重新规划时，其修改或重 新制订的工作量大，由于内容比较繁多，容易出现差错，故准确性难以保证，大 量的重复作业不可避免；其次，利用纸质地图进行多方案比较时，直观性不强， 影响决策的效率，遇到各种交通规划管理中的问题也不易迅速解决。此外，交通 网络是不断变化的，与交通规划相关的大量交通信息得不到及时地更新，也不易 及时完整地保存下来，以供下次规划时使用。虽然一些交通规划部门研制开发了 部分交通规划数据库，但这类数据库基本上属于字符型的统计数据库，在图形表 现和空间分析等功能方面还存在一定的不足，制约了交通规划工作效率的提高。 因此，在公路网规划中，如何运用具有强大生命力的高新技术，高屋建瓴， 及时把握社会经济和交通发展的客观趋势，增强规划的超前意识和宏观指导，为 交通建设的宏观决策部门提供信息支持，是一个崭新的课题，地理信息系统在公 路网规划中的应用研究正是在这种形势下提出的。在规划过程中，通过引入地理 信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) ，可以改变以往手工作业 的方式，使路网的调整、修改和更新实现图上作业，亦可方便地进行新旧方案比 较、论证，从而提高交通规划的工作效率。本文拟通过g i s 软件m a p i n f o 进行公 路网规划操作的辅助系统研究，探索公路网规划数据分析、处理以及操作过程的 计算机化、信息化和可视化。 1 2 国内外研究概况 地理信息系统( g i s ) 是一门介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，是近 年来迅速发展起来的一门新兴技术学科。随着计算机绘图和空间分析技术的发 展，g i s 将不同行业中对空间数据处理过程的不同应用有机地联系起来，形成一 种技术系统，在诸如自动化数据采集获取、空间数据分析、数据输入显示等应用 技术方面得到很大发展。 g i s 在交通运输方面的应用1 ，即g i sf o rt r a n s p o r t a t i o n ( g i s t ) ，是收 集、存储、管理、综合分析和处理空间信息和交通信息的计算机软硬件系统。它 是g i s 技术在交通领域的延伸，是g i s 与多种交通信息分析和处理技术的集成， 它的主要功能有：基本g i s 功能、叠加功能、动态分段、地形分析、栅格显示功 能和路径优化等功能。 1 2 1 国外交通地理信息系统发展研究概况 2 0 世纪9 0 年代，美国、日本和西欧开始应用g i s 研究智能车辆道路系统 ( i v h s ) ，进而发展为现在各国都在研究的智能交通系统及在性质、功能、结构方 面存在差别的众多其他系统，例如交通监控系统、智能化公交系统、营运车辆管 理系统、道路及桥梁管理系统、交通公众信息发布系统等。因为这些系统都是在 g i s 基础上进行开发的，而且都是应用在交通方面的，所以人们统称其为交通 g i s 。g i s 在国内外公路管理中的应用，极大地提高了现代化条件下的交通管理 水平和交通网络的运行效率。同时也成为各国在公路规划建设管理中的一种模 式。如。“加拿大c r i p p e nc o n s u l t a n s t st h er e i dc o l l i n s a n di s s o c i t a t e s 公 司利用g i s 完成了道路通道选择和初步设计的实验工作。该条公路位于温哥华 岛，长1 2 7 k m ，4 车道，跨过3 7 个主要河流，与1 0 条公路相连，经过2 8 个建筑 物。g i s 在该项目中占有主导地位，主要解决信息管理、处理、提供分析工具， 满足决策需要。 目前，国外对交通g i s 的研究主要有以下方面： ( 1 ) 数据采集技术。包括对各种数据采集技术的现状和特性进行评估，了解 它们相互间的关系和集成的可能性；从运输的需求方面来设计技术上可行的数据 采集方案；在交通g i s 的发展规划中，制定相应的策略来研究比选和使用新的数 据采集技术。如美国印第安纳州交通部门采用交通g i s 管理全州的9 2 0 0 0 英里长 的公路，上千座桥梁、铁路、航道和民航机场。 ( 2 ) 数据库维护技术。随着交通g i s 的发展和推广，数据库维护对用户越来 越重要，当前的研究包括新的数据采集技术对数据库维护产生的影响研究：用新 技术采集的数据和原有库存数据的合并与协调统一问题研究；存放在不同图层的 数据按不同比例使用时最佳的连接方式研究；c a d 与交通g i s 之间的数据模型的 连接研究；遥感数据的有效利用的研究等。如加拿大a l b e r t a 省交通厅建立了全 省公路设施维护g i s ，使用专用检测车，定期检测路面平整度和损坏程度等指标。 由车载全球定位系统( c , p s ) 准确定位点，测得数据后，立即传输到公路养护 部门，自动生成路段养护报告。 ( 3 ) 与g p s 、i t s 的集成发展。主要研究这些技术间合适的切入点，分析和 评估这3 种技术的发展现状和方向，研究如何将这3 种技术有效集成，并分析这 种联合发展的可行性，最终满足i t s 的需要。 1 2 2 国内交通地理信息系统发展研究概况 国内各省市、自治区及有的地市交通管理部门纷纷与g i s 研究单位合作，采 用g i s 技术成功地开发了宏观交通管理信息系统、运营管理信息系统以及更高层 次的交通信息系统。如国家发展与改革委员会综合交通运输信息系统、交通部全 国干线公路网图库管理信息系统、北京市公路管理信息系统、黑龙江省综合运输 g i s 、广东省综合交通管理g i s 、广东省综合交通规划信息系统、全国( 铁路) 客运g i s 、江苏省智能化交通g i s 等等。此外，亦有不少城市或是引进国外先进 交通g i s 系统，或是使用国内自己开发的交通g i s 系统、出租车定位调度系统等， 此外城市突发事故报警系统在许多城市也在广泛使用。 国内很多科研单位也对g i s t 作了大量的研究工作。如中国城市规划设计研 究院研制开发t g i s 支持下交通需求分析软件，该软件将g i s 与交通分析相结合， 将g i s 直接应用于城市交通规划；东南大学、同济大学的交通规划研究人员在这 方面也进行了积极的开发与研究，如东南大学的王炜教授开发的t r a n s t a r 软件， 也能实现地理信息系统的部分功能。 1 2 3 主要存在问题 随着社会经济发展水平的不断提高，人们对公路交通的需求不再满足于通达 和可行，而是对出行的快速、便捷、舒适、多样化等方面提出了更高的要求。这 就要求在进行公路网规划时考虑到公路交通供给对需求的满足程度，及时了解交 通动态，准确掌握规划所需的数据和基本信息。我国目前的公路网规划主要存在 问题如下： ( 1 ) 在公路网规划中的网络数据处理一直是规划中的重点和难点，也是规划 工作人员耗时较多的一个部分。快速、准确地进行路网计算并将结果图示表现， 依靠传统的做法( 如软件c a d 制图) 十分费时、费力，难以胜任规划中的各个环节。 虽然一些交通规划部门也研制开发了部分路网规划的数据库，但这类数据库基本 上属于字符型的统计数据库，缺乏图形和空间分析等功能，相关的数据和图形处 于独立状态，无法相互转化。 ( 2 ) 规划过程无法对现有道路格局进行空间分析和可视化表达，不能够为信 息利用者提供清晰、全面的信息表达方式，制约了规划决策的科学性和合理性。 ( 3 ) 传统的手工作业不易修改，当一个路网方案同规划目标比较后，认为不 可行或不合适，需要作修改或重新规划时，其修改或重新制订的工作量大，由于 内容比较繁多，容易出现差错，故准确性难以保证，大量的重复作业不可避免。 ( 4 ) 利用纸质地图进行多方案比较时，直观性不强，影响决策的效率，遇到 4 各种交通规划管理中的问题也不易迅速解决。 ( 5 ) 交通网络是不断变化的，与交通规划相关的大量交通信息得不到及时地 更新，也不易及时完整地保存下来，不利于公路网规划的动态管理。 1 3 本文研究内容 目前在国内广泛应用的公路网规划理论有四阶段法和总量控制法。基于四阶 段法需要花费大量资金进行交通量调查，应用受到限制的实际状况，本文选择运 用总量控制法进行公路网规划研究。针对上述存在的主要问题，运用g i s 软件 m a p i n f o 具体实现，主要研究内容如下：( 流程图如图l 所示) ( 1 ) 在探讨g i s t 的基础上，分析公路网规划的特征，构建以g i s 软件 m a p i n f o 为平台的公路网规划辅助系统：并对系统目标与功能设定进行分析研 究，部分流程采用二次开发语言m a p b a s i c 以及v b 等工具实现。 ( 2 ) 针对公路网规划中的大量数据信息，研究m a p i n f o 平台下的空间信息查 询和分析功能，探讨数据和图形间的相互转换问题。 ( 3 ) 按照总量控制法的步骤和要求，研究m a p i n f o 平台下评价指标、节点重 要度等指标的算法。 ( 4 ) 利用g i s 的空间分析和m a p i n f o 的相关功能，进行公路网规划布局方案 设计的辅助决策，在此基础上，研究节点重要度、路网布局等专题图的生成和输 出。对于操作过程中出现的问题，借助其他相关软件进行开发和完善。 ( 5 ) 以辽宁省公路网规划为例进行应用，说明上述研究内容的具体操作方法 和实现过程。 论文概述 g i s 平台下公路网 规划辅助系统构建 基于g i s 的公路网规 划辅助系统设计 实例研究 数据库设计 系统功能实现 竺至望墨 i 对传统公路网规划的改进 图1本文研究思路流程图 6 第二章基于g is 平台的公路网规划辅助系统构建 2 1 需求定位 2 1 1 公路网规划特征分析 公路网规划就其工作性质而言是一项十分复杂、涉及面极广的大型系统工 程。从本质上讲，公路网规划属于一门软科学，社会性、综合性和交叉性是其明 显特性“3 。 具体地讲，公路网规划具有如下特征： ( 1 ) 从公路网规划所需的信息和数据来看，规划信息是一个综合和交叉的集 合体。规划前必须采集的信息包括国家有关政策方针信息、资源环境信息、人口、 经济及土地利用等社会经济信息，道路信息、道路运输站场信息、公路网结构信 息等公路交通基础设施信息，以及综合运输网络信息和综合运输交通信息等。因 此，如此庞大的数据信息迫切需要完善的系统进行管理，以保证后期规划过程的 准确和科学。 ( 2 ) 在进行公路网规划时，必须将公路网系统作为一个整体与所在区域的社 会经济系统联系起来研究，主要从国民经济和社会经济发展的需要来研究公路建 设的必要性和具体实施方案，它不仅要考虑公路建设本身的经济效益，更要从区 域的社会发展、环境保护、资源开发和国防建设等角度来研究公路建设的可行性。 ( 3 ) 对于现代的公路网规划，更加强调规划过程的定量分析，即要求从大量 的历史统计资料与现状统计资料中找出规律，从而发现问题，预测未来。 ( 4 ) 公路网规划方案的最终确定必须以反复调整、比较为前提，以达到最优 的公路网规划方案为目的。这就决定了规划过程的大量反复和重复工作，迫切需 要提高规划的准确性和科学性。因此，运用计算机来代替传统的手工操作，实现 规划过程的可视化是其发展的必然趋势。 2 1 2 公路网规划对g l s 的需求 ( 1 ) 大容量数据存储和信息共享的要求“4 1 如上所述，公路网规划数据量大，涉及数据信息种类较多，表现形式多样， 现阶段的数据存储无法满足信息时代对数据高效存储和管理利用的要求。而g i s 的出现，可以很好地解决这个问题，其本身具有的对各种数据的存储和管理功能 将使各种类型的数据得到高效的管理和利用，大大提高对规划数据的存储效率和 调用速度。同时，科技的不断进步也要求实现信息或数据在社会中的通讯或共享， 公路网规划信息数据共享更是当前发展的一个趋势。现有的公路网规划设计数据 还没有和地理信息系统接轨，其数据格式还无法和基础地理信息数据库兼容，这 样就使得公路网规划设计的数据无法被更多的用户使用，也无法在更多的相关专 业得到数据配合。公路网规划设计融入基础地理信息数据库中去，必将实现更大 范围的数据共享。 ( 2 ) 规划技术不断发展的要求 现阶段，一些相关部门的信息管理系统已经初步建成，初步实现了对非空间 数据的计算机组织和管理，测绘部门也开始使用g i s 技术进行空间数据的建设和 管理。但是大多数公路网规划设计部门还是停留在手工和使用a u t o c a d 进行设计 阶段，已建立的管理信息系统里丰富的基础资料不能为公路网规划设计部门直接 使用，规划设计成果也无法和现有的管理信息系统相结合，管理信息系统无法对 设计成果进行准确、科学的审核和调整。因此，将g i s 技术引入公路网规划的过 程之中，必将大大提高规划的效率和准确性，更好地为交通建设和社会发展服务。 ( 3 ) 对规划结果实行动态管理的要求 随着公路和其他交通方式的不断建设和发展，已有的公路网规划在其既定规 划期限内可能会与区域的公路发展有不相适应之处，传统的规划成果就无法发挥 对未来的公路建设进行指导的作用。建设和谐社会的目标要求公路发展与社会经 济发展相适应，并能适度超前和引导社会经济的发展。因此，对规划成果实行动 态管理必将成为公路网规划的发展趋势，而g i s 强大的空间分析功能将使其在这 样的动态管理中得到广泛应用。 总之，g i s 的出现和在公路网规划中的引入，使数据资料的获取和管理更加 系统、高效、准确，带来数据搜集、管理方法的革命，而g i s 特有的对空间数据 的存储、管理和分析功能也将实现公路网规划过程的可视化操作，给公路网规划 带来极大的方便和好处。 2 1 3 系统目标 公路网规划是公路建设的重要前期工作之一，是进行公路建设决策的支持系 统。公路网规划的目的就是要从科学、实事求是的观点出发，分析模拟区域客货 运输的交通状况，剖析公路网建设发展存在的问题及其根源，预测区域社会经济 发展趋势和交通需求，制订合理可行的公路网规划方案和建设时序，为区域公路 近期和长远发展建设提供决策依据“1 。考虑到公路网规划的现状特征、技术要求、 系统自身功能的完备性，用户操作应用的方便与灵活性，基于g i s 地理信息系统 的公路网规划辅助系统目标设定为： ( 1 ) 数据组织科学合理，不冗余。公路网规划中涉及到社会经济、人口、车 辆保有量、客货运输量等各方面的数据，系统应能实现地理信息数据与属性数据 的紧密结合，保证g i s 地理空间数据与非空间属性数据信息输入的准确性与可用 性，并且能够提供便捷的属性和空间数据库建立、维护方法。 ( 2 ) 数据内容详实、准确、完整。提供公路网规划相关信息数据可视化更新、 检索、查询、统计、分析的工具，并以丰富的专题图、表达式显示各类数据统计、 分析、查询结果，提供多样化的结果输出、分析方法。 ( 3 ) 指标及评价算法处理严密、稳定，能满足公路网规划的方案制订要求。 ( 4 ) 系统应用灵活，设计界面友好、功能强大、操作简单，系统内各部分既 紧密联系，又可单独使用。 ( 5 ) 系统具有可维护性，预留数据接口与其他应用软件的结合，使其能潜入 其他软件，也能与其他软件兼容。系统具有超前性和开放性，为以后的扩充留下 余地。 2 2 系统实现技术 22 1 地理信息系统简介 地理信息系统“是一种采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地 理分布有关地理数据的信息管理系统，是以地理空间数据库为基础，在计算机软、 硬件环境支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示， 并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理数据研 究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。 简而言之，它是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管 理系统，是一种特殊而又十分重要的信息系统。 1 、地理信息系统的组成 实用的地理信息系统基本组成一般包括以下五个主要部分“”：系统硬件、 系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。各部分之间的关系如图2 一l 所示。 图2 1 地理信息系统构成示意图 ( 1 ) g i s 的硬件系统用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据。计 算机是g i s 的主机，它是硬件部分的核心，包括从主机服务器到桌面工作站，用 作数据的处理、管理与计算。 ( 2 ) g i s 软件是地理信息系统的核心，用于执行g i s 功能的各种操作，包括 数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面( g u i ) 。 ( 3 ) 地理信息系统的操作对象是空间数据，它具体描述地理实体的空间特 征、属性特征和时间特征。一个地理信息系统中最重要的部件就是空间数据。空 间数据和相关的属性数据可以通过自己的采集或者从商业数据提供商处购买，地 理信息系统将把空间数据和其他数据源的数据集成在一起，通过数据库管理系统 来组织、保存和管理空间数据。 ( 4 ) g i s 的应用人员包括系统开发人员和g i s 技术的最终用户，他们的业务 素质和专业知识是一个地理信息系统工程及其应用成败的关键。 ( 5 ) g i s 应用模型的构建和选择也是系统应用成败关键的重要因素，虽然g i s 为解决各种现实问题提供了有效基本工具，但对于某一专门应用目的，必须通过 构建专门的应用模型。这些模型是客观世界中相应系统经由观念世界到信息世界 的映射，在g i s 技术中占有十分重要的地位。 2 、地理信息系统的基本功能 广义地说，地理信息系统是存储和处理与地理空间分布相关信息的集合，其 基本功能有“小”1 ： i o ( 1 ) 数据采集与编辑 地理信息系统的数据通常抽象为不同的专题或层。数据采集与编辑功能就是 保证各层实体的地物要素按顺序转化为x 、y 坐标及对应的代码输入到计算机中。 ( 2 ) 数据存储与管理 数据库是数据存储与管理的最新技术，是一种先进的软件工程。g i s 数据库 是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。由 于g i s 数据库数据量大，空间数据与属性数据联系紧密，而且空间数据之间具有 显著的拓扑结构，因此g i s 数据库管理功能包括与属性数据有关的d b m s 功能以 及对空间数据的管理技术。其中对空间数据的管理技术主要包括：空间数据库的 定义、数据访问和提取、从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空 间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。 ( 3 ) 数据处理和变换 由于g i s 涉及的数据类型多种多样，同一种类型数据的质量也可能有很大的 差异，该项功能保证了在规范和统一系统数据的基础上，建立满足用户需求的数 据文件。 ( 4 ) 空间分析和统计 空间分析和统计功能是g i s 的一个独立研究领域，它的主要特点是帮助确定 地理要素之间的空间关系，不仅成为区别于其他类型系统的一个重要标志，而且 为用户提供了灵活地解决各类专门问题的有效工具。 ( 5 ) 产品制作与显示 g i s 产品是指经由系统处理和分析，产生具有新的概念和内容，可以直接输 出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明，其中地图图 形输出是g i s 产品的主要表现形式，包括各种类型的符号图、点值图、等值线图、 立体图等。 一个运行的g i s ，其产品制作与显示的功能包括：设置显示环境、定义制图 环境、显示地图要素、定义字型符号、设置字符大小和颜色、标注图名和图例、 以及绘图文件编辑等。 ( 6 ) 二次开发和编程 g i s 的二次开发环境功能包括提供专用语言的开发环境，用户可在自己的编 程环境中调用g i s 的命令和函数，或者系统将某些功能做成专门的控件供用户的 开发语言( c 、c 十+ 、v b 、v c + + 、d e l p h i 等) 调用等。这样，用户可以非常方便地 编制自己的菜单和程序，生成可视化的用户应用界面，完成g i s 的各项应用功能 的开发。 2 2 2 系统的g l s 平台选择 随着计算机技术的发展与革新，g i s 技术已经相当成熟，商业化g i s 平台产 品己成为当今发展最快的软件产业之一，据统计，全球己有4 0 0 多种g i s 软件产 品。例如美国环境研究所( e s r i ) 的a r c g i s 、美国m i s 公司研制的m a p l n f o 、美国 a u t o d e s k 公司开发的a u t o c a dm a p 和美国b e n t l e y 公司的m i c r os t a t i o n g e o g r a p h i e s 等。国产g i s 软件有武汉测绘科技大学吉奥信息中心研制的 g e o s t a r 、中国地质大学中地信息中心研制的m a p g i s 、中科院地理所超图公司研 制的s u p e rm a p 等。 表2 1g i s 平台软件比较 g i s 平台优点缺点 1 、数据统计分析功能强，用户界面友好，数据 与地图有机地结合，实现了数据的可视化、思维 的可视化，为用户提供了一个崭新的决策支持方 1 、空间分析能力稍差，难以 m a p l n f o式； 完成复杂的空间分析功能； 2 、利用数据库的空间数据管理组件s p a t i a l 存 2 、实体的编辑能力稍差，不 取、管理空间数据，真正实现数据的唯一性，保 够灵活。 证数据的安全性。 1 a u t o c a dm a p 平台的功能 1 、简单易用，方便灵活的编辑功能，继承用户 扩展较难： 习惯； 2 、缺乏有效的数据管理手段， a u t o c a dm a p 没有好的数据索引体制和元 2 、通用的图形格式，不必为数据多做处理工作： 数据支持，不适合对数据管理 3 、经济实用。 要求较高的部门； 3 、大数据存取速度有待解决。 1 、利用a r cs d e 数据库存取、管理空间数据， 真正实现数据的唯一性，保证数据的安全性： l 、a r c s d e 的l i c e n s e 限制较 2 、a r c g i s 强大的数据分析、数据处理、数据共 严、价格较高。系统的并发用 享功能，满足用户的广泛的需求； 户较多时，l i c e n s e 的购置成 a r c g i s 3 、采用了工业标准的c o m 体系结构，具有开放、 本将会很高； 强大、全面的开发环境，可非常容易地实现与系 2 、数据库维护要求高。数据 统的集成； 库维护人员要有较好的 4 、模块化和可伸缩的特性，在构造系统时提供 o r a c l e 数据库知识、a r c g i s 系列产品知识。 更大的灵活性。 从目前国内众多地理信息系统使用的g i s 软件的应用情况来看，大部分单位 使用国外进口软件，以a r c g i s 、m a p i n f o 较多。这里主要研究比较了目前国内规 划部门比较常用的三种g i s 平台：m a p i n f o 、a u t o c a dm a p 与a r c g i s 。其详细比 较结果如表2 1 所示。 统过比较，我们不难看出a r c g i s 和m a p l n f o 是目前世界上最优秀的g i s 平 台，但是与m a p i n f o 相比，前者缺乏对属性数据的分析和管理功能，而且基于 a r c g i s 平台构建的系统所需投入相对较大。公路网规划辅助设计实用性强，要 求属性数据与空间数据能够很好地结合和转化，而且基于m a p i n f o 平台的系统基 本可以满足当前规划需求。因此，从使用的角度来看，选择m a p i n f o 平台来构建 本系统是最理想的选择。 223m a pn f o 实现公路网规划辅助系统的方法 m a p l n f o 是美国m a p l n f o 公司的桌面地理信息系统软件“，是一种数据可视 化、信息地图化的桌面解决方案。它依据地图及其应用的概念、采用办公自动化 的操作、集成多种数据库数据、融合计算机地图方法、使用地理数据库技术、加 入了地理信息系统分析功能，形成了极具实用价值的、可以为各行各业所用的大 众化小型软件系统。m a p l n f o 含义是“m a p p i n g + i n f o r m a t i o n ( 地图+ 信息) ” 即：地图对象+ 属性数据。 1 、m a p l n f o 主要功能及其在辅助系统中的实现 ( 1 ) 强大的地图输入、处理能力” m a p l n f o 支持多种数字化仪和数字化接口；也支持光栅图象( r a s t e ri m a g e ) 的输入。其格式可以是：g i f 、p c x 、b m p 、t p g 、s p o t 、j p e g 、t a g 、t i f f 等为后 缀的图象格式。m a p l n f o 还可以进行屏幕显示，根据实际需要还可以对其矢量化， 并存成单独的矢量地图层，以增加图形界面的效果。此外，d x f 格式( c o r e l d r a w 、 a u t o c a d 和其它c a d 软件包的图形数据交换格式) 的数据文件也可以直接运用于 m a p i n f o 中。 在地图处理方面，m a p l n f o 提供了强大的绘图工具箱和命令。包括画直线、 折线、椭圆( 或圆) 、区域、圆弧、矩形( 或正方形) 、多边形、多边线和文本，以 及改变状态和增加节点( n o d e ) 命令。另外，抓节点( s n a p ) 功能可增加对图形编辑 的准确性。视图工具( z o o mt 0 0 1 ) 可以对矢量图和光栅图象进行任意比例的无级 缩放，用户不仅可纵观全局，还可以详细观察局部细节。 公路网规划所收集到的地图资料可能有d x f 、b m p 、j p e g 等为后缀的图象格 式，还可能需要将纸质数据通过扫描仪进行转化，而m a p i n f o 强大的地图输入和 处理能力可以将格式统一。用户可以通过地图分层技术，根据不同需求或一定的 标准对各种图形元素进行分层组合，将一张布满各种信息的综合地图分成数量可 多可少的不同图层，使复杂的地图变成简单易处理的多层次的地图层。例如在公 路网规划中，对于某一区域的地图，可以分别设置行政区划层、节点层、地形层、 路线层等。对于每一图层又可以针对其信息数据的不同内容要求，运用不同的数 据格式和数据库类型( 如d b a s e 、f o x b a s e 、l o t u u s l 2 3 、o r a c l e 、s y b a s e 等) 进行 属性信息的编辑和管理。而在用户对地图或数据库进行显示、编辑、查询等操作 时，又可以对任意图层实现显示、可编辑的开关控制。 ( 2 ) 灵活的数据查询分析功能“ 在地图上显示信息只是最初的一步，m a p i n f o 真正的精华之所在，是其分析 查询的功能，即它能够精确地在地图上查询、分析与其相应的数据库信息。 由于8 5 以上的数据具有地理信息，仅对其进行数学统计就已经是一项非常 繁重的构造，更何况进行精确分类、查询和判断分析。公路网规划的基础数据也 是如此，在进行数据分析和相关指标计算时，可以利用m a p i n f o 提供的信息快速 查找命令f i n d 和查询。其中f i n d 对带有索引数据项的地图进行查找，并可限定 地理边界进行限定查找，速度极快；s q l 查询可支持多数据联合操作，可使用复 杂的表达式，形成新的结果表，也提供了区域( 包括矩形、圆形和多边形的区域) 查询工具、缓冲区( b u f f e r ) 查询和一些常用的逻辑与数学的分析查询函数，用户 随时可运用灵活的查询工具、运用函数建立表达式的方式完成，在计算公路网规 划指标时，即可充分运用s q l 查询，便捷求解。 ( 3 ) 多样化的数据表达能力o ” m a p i n f o 采用了地图、浏览表格及直观图等3 种不同的方式对数据库信息进 行描述，这3 种视图均可动态连接。即当用户改变某一视图的数据时，其它视图 会实时自动地作相应的改变。其中直观图表达方式使数据更加直观的表现在用户 面前。其图形可为直方图、圆饼图、面积图和线段图，既有二维又有三维立体表 达方式。 在公路网规划过程中，对于信息数据和查询分析的结果，可以采用m a p i n f o 1 4 中主题图( t h e m a t i cm a p ) 的显示方式，它以条形图( b a rc h a r t ) 、饼形图( p i e c h a r t ) 、点密度图( d o td e n s i t y ) 、区块图( r a n g e s ) 、数量分级图( g r a d u a t e d ) 等多种模式，运用用户自定义的颜色、填充模式、图形图例等图形显示类型，直 观、生动地把数据和分析查询结果显示在屏幕上，以利于用户迅速地了解和判断 有关的数据和查询结果，必要时系统可自动修改地图窗口的显示中心、地图比例 尺，使结果显示清楚醒目。 ( 4 ) 精美的地图输出功能1 由于各种分析查询结果是以地图方式输出，使用户可以直接得到含有大量直 观地理信息的地图，而不是简单的表格和文字。m a p i n f o 还提供了l a y o u tw i n d o w 功能，灵活地调整了版面内容及其间的相对比例，用户可以把地图、浏览表格、 直观图和文字说明结合起来一同输出，使输出的信息更加丰富清楚。 如果是m a p i n f 0 3 0f o rw i n d o w s 版，则它基于w i n d o w s 操作系统，凡是 w i n d o w s 支持的外设m a p l n f o 均支持，其输出设备的多样性使人们在m a p i n f o 上 可以十分方便输出任意比例的矢量和栅格图形、电子表格和图表及图例等内容。 对于公路网规划来说，区位线、重要度最大树、布局等重要规划成果都必须通过 地图形式显示，而m a p i n f o 的地图输出功能恰好地满足了规划的需要。 ( 5 ) 功能齐全的系统开发工具 m a p l n f o 系统软件还提供有m a p b a s i c 作为与m a p l n f o 配套的开发工具“， 它不但向下兼容标准的b a s i c 语言，而且有数据库操纵语言，以及地图信息系统 特有的地图目标对象操纵语言。m a p b a s i c 提供了3 8 0 多种函数和命令，编程简 单、程序结构化强，可以完成用户的各种需求。与传统的桌面地图软件系统相比 较，良好的软件集成环境和面向对象及事件驱动的编程思想，无疑都是m a p b a s i c 的极大优点。 针对公路网规划的特殊需求，借助开发工具可以迅速地制定出用户特需的菜 单或对话框，用户不仅可以修改标准菜单，而且可以在原菜单条上增加新的菜单 项。此外，用户不仅可用m a p b a s i c 方便、准确地描绘线路；而且可以设计各种 新的图形符号。m a p b a s i c 含有一系列s q l 函数和许多非常实用的语句，无疑大 大地增加了m a p b a s i c 对数据进行操作的能力。 ( 6 ) 支持多种硬件操作平台 能够支持多种硬件操作平台以及较低的工作环境要求都是m a p i n f o 的特点。 m a p i n f o 和m a p b a s i c 都有可用于d o s 、w i n d o w s 、m a c i n t o s h 、s u n 和h p 等多种 软硬件平台的版本，而且用m a p b a s i c 编写的程序可以运行于任意一种平台之上。 这样的工作环境要求使得用户可以根据自己的实际要求和经济承受能力选用适 当的产品，适用于不同地域条件下的各种层次公路网规划。 2 、二次开发语言m a p b a s i c m a p i n f o 提供了二次开发语言m a p b a s i c 和开发集成环境。m a p b a s i c 有别于 传统的b a s i c 语言，它和v b 类似，都是一种结构化的编程语言，支持可视化对 象，支持事件驱动方式。m a p b a s i c 不仅仅是对基本b a s i c 语言的扩展，还增加 了对电子地图操作的指令，以及对数据库的操作指令。在开发集成环境下编译m b 源码文件，最后得到的执行文件格式为m b x ，该文件并不是普通的可执行文件， 而是伪二进制码，必须在m a p i n f o 环境下解释运行。 ( 1 ) m a p b a s i c 的特性 支持可视化对象：m a p b a s i c 可以用于定制m a p i n f o 的用户界面。m a p b a s i c 程序可以修改或者替换标准的m a p i