（交通运输规划与管理专业论文）基于GIS的路网分析系统的研究与构建.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 路网分析是交通规划与管理决策的重要依据。基于g i s 的路网分析系统 是实现可视化路网分析的重要手段，通过这种手段，使得对路网分析的结果 更加直观、准确，从而为制定出更加有效的交通规划、建设、管理与控制的 政策及措施打下基础。 论文首先描述了g i s 的组成与功能，在研究0 i s 的数据结构的基础上， 提出了基于g i s 的交通空间数据和属性数据的组织。由于矢量结构在反映网 络信息方面具有独特的优势，考虑采用矢量数据模型来描述道路网络。同时 考虑将g i s 中的空间对象分图层存放，以保证系统的有序性。交通分析过程 中要用到的大量基础数据以属性数据的形式进行组织，属性数据采用表的形 式存储，类型主要包括基础数据、交通运输、交通基础设施、o d 数据4 大 类。 然后论文对路阻函数的建立及路网分析中最短路径的求解进行了研究。 在对一些常用的阻抗函数分析的基础上，提出了基于公路网和基于城市道路 网的两类阻抗函数。将费用和时间作为影响公路交通阻抗的两大要素，并最 终换算成费用，作为路段的综合阻抗值。以时间作为描述路段交通阻抗的表 征参数，分别求得路段行驶时间、交叉口延误和交叉口转弯罚因子，三者加 和作为阻抗值。在经典d i i k s 打a 最短路径算法的基础上，从简化路网与算法 本身两个角度提出了改进的思路。同时，本文通过将节点阻抗转化为边阻抗 的方法解决了最短路径算法无法处理节点阻抗的问题。 最后，论文初步构建了基于g i s 的路网分析系统，对系统的框架和功能 进行了研究与分析：系统主要由系统管理、数据管理、图形管理和路网分析 四个部分组成，基于g i s 的数据库功能和路网分析功能是系统的两大核心功 能：并对系统的相关模型，包括最短路径模型、全有全无分配模型、容量限 制模型、静态多路径模型进行了阐述，为系统的开发提供了理论指导。 关键词g i s ；路网分析；系统构建；路阻函数：t r a n s c a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t r o a dn e t w o r k a n a l y s i s i so fg r e a t i m p o r t a i l c ei nt r a f ! e i cp l a l l n i n ga n d m a l l a g e m e m r o a dn e t w o r ka n a l y s i ss y s t e mb a s e do ng i si sa ni m p o n a n tw a yt o r e a l i z ev i s u a l i z a t i o n ，w h i c hm a k e st h ea n a l y t i c “r e s u l tm o r ev i v i da n da c c u r a t e ， a n da c c o r d i n g l yl a y st h ef o u n d a t i o nf o re s t a b l i s h i n gp o l i c i e sa i l dm e a s u r e so n t r a m cp l a n n i n g ，c o n s t m c t i n g ，m a n a g e m e n ta i l dc o m r o im o r ee f r e c t i v e l y f i r s t l y ，t 1 1 et h e s i sd e s c r i b e sm a k c u pa n d 血l c t i o no fg i sa n dp r o p o s e st h e o r g a n i z i n go fs p a c ed a t aa n da t t r i b u t ed a t ab a s e do ng i sa f t e rs t u d y i n gt h eg i s d a t as t r u c t l l r e t h et h e s i ss u g g e s t su s i n gv e c t o rd a t am o d e lt od e s c r i b et h er o a d n e t w o r kb e c a u s ev e c t o rs t m c t u r eh a s a d v a n t a g e i n r e p r e s e n t i n g n e t 、o r k i n f o h n a t i o n t h es p a c eo b j e c t sa r es t o r e di nd i f 艳r e n tl a y e r st oe n s u r et h eo r d e l l a r g eq u a n t i t yo fb a s i cd a t ai n c l u d i n gb a s i c ，t r a n s p o r t a t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n i n f a s t r u c t u r ea n do dd a t aa r es t o r e di nm ef b mo ft a b l ea sa t t r i b m ed a t a t h e n ，m et h e s i sa i l a i y z e sm er o a di m p e d a n c ef u n c t i o na i l ds h o r t e s tp a t h a l g o r i t l l m ng i v e st w ok m d so fi m p e d a n c ef h n c t i o n s ，w h i c ha r eu s e di nh i 曲w a y a r l dc i t yr o a dr e s p e c t i v e l yb a s e do na n a l y s i so fi m p e d a n c ef u n c t i o ni nc o m m o n u s e e x p e n s ea 1 1 dt i m ea r et h et w of a c t o r st oi n n u e n c et h eh i 曲w a yi m p e d a i l c e a n dt i m ei sc o n v e n e dt oe x p e n s e c i t yr o a di m p e d a l l c ei sd e c i d e db yt i m e ，w h i c h i ss u mo fr o a dt r a v e lt i m e ，i n t e r s e c t i o nd e l a ya n dt l l m i n gp e n a l t y b a s e do n d 巧k s t r as h o r t e s tp a t l la l g o r i t h m ，t h et h e s i ss u g g e s t si m p r o v e m e n ti n 、y so f s i m p l i f y i n gm en e t w o r ka n di m p r o v i n gt h ea l g o r i t h mi t s e l b yt r a n s f o r i l l i n gt h e i n t e r s e c t i o ni m p e d a n c et or o a d i m p e d a n c e ，t h et h e s i ss o l v e st h ep r o b l e mo f d i j k s t r as h o r t e s tp a t ha l g o r i t l l mn o td e a l i n gw i mt h en o d ei m p e d a n c e f i n a l l y t h et h e s i sd e s i g n st h em a dn e t w o r ka n a l y s i ss y s t e mi n i t i a l l yb y r e s e a r c h i n ga 1 1 da n a l y z i n gf j a m e w o r ka 1 1 df u n c t i o n so ft h es y s t e m i tc o n s i s t so f f o u rp a r t sw h i c ha r es y s t e mm a n a g e m e n t ，d a t am a l l a g e m e n t ，g r a p hm a n a g e m e n t a 1 1 dr o a dn e t w o r ka n a l y s i s g i sd a t a b a s ea n dr o a dn e t w o r ka n a l y s i sb a s e do ng i s a r et 1 1 et w 0m a i nf h c t i o no ft h es y s t e m t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e st l l er e l a t i v e m o d e li n c l u d i n gs h o n e s tp a t hm o d e l ，a uo rn o n ea s s i g n m e n tm o d e l ，c a p a c i t y r e s t r i c t i o na s s i g 呦e n tm o d e la l l ds t a t i cm u l t i p a t l la s s i g n m e n tm o d e l na i m st o g i v et h e o r e t i cg u i d a n c et od e v e l o pt h es y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 k e y w o r d sg i s ；r o a dn c t w o r ka n a l y s i s ；s y s t e md e s i g n ；i m p e d a n c ef u n c t i o n ； 1 y a n s c a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 目前，我国许多城市和交通部门正在策划或宸开智能交通系统的项目建设 而g i s 与g p s 的完善结合将是智能交通系统的重要内容。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外g i s 应用现状 9 0 年代以后，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是一 些政府决策部门，由于受地理信息系统影响而在一定程度上改变了现有机构 的运行方式、设置与工作计划等。社会对地理信息系统认识普遍提高，需求 大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。 国外对于g i s 的研究热点体现在以下几方面m 5 】： ( 1 ) 传统g i s 的功能扩展 传统的g i s 只能提供有限的空间分析功能，缺乏解决专业问题( 如交通 规划、管理) 的模块，无法实现优化选择、现实模拟、决策分析等功能。g i s 只有与专业的分析模块结合起来，才能发挥其强大的空间数据组织与表现功 能。因此，在交通规划与管理过程中，o i s 仅提供了一个空间数据环境，能 否解决实际问题还取决于利用相关的交通专业知识进行分析的模块设计。可 以把这些专业模块植入g i s 中，也可以将g i s 与其它专业系统相结合。 n i j k a m p 和s c i l l t e n 在1 9 9 3 年提出，可以将有关的空间分析模块植入g i s 中， 用于解决城市与区域规划问题。由于交通规划与管理者并非g i s 专家，因此， 有针对性的、友好的用户界面及操作环境是g i s 应用的关键。 ( 2 ) 数据问题 数据是g i s 应用中的重点和难点。在g i s 应用中数据的采集与整理的 对闻、投资可达8 0 iy a a 如p 和h e a l e y 在1 9 9 4 年提出，g i s 应用很大程度 上取决于适当的数据获取与合理的数据组织。h i g g s 和m a r t i n 在1 9 9 7 年指出， 随着g i s 的成熟，对于数据的质量及获得的可能性将吸引更多的注意力。在 解决如何将空间属性信息加入g i s 的问题上，d m m m o n d 在1 9 9 5 年提出了地 址匹配( a d d r e s sm a t c h i n g ) 的方法，可以方便地把调查访问的社会经济数据 录入g i s 中使用。h i g g s 和m a r t i n 介绍了基于邮政分区和街道的空间数据及 属性数据组织方法，同时强调建立统一的数据标准，以利于数据交换与共享。 近年来，g i s 结合w 曲技术，已经成为数据传播、共享的重要方法与便捷途 径。 ( 3 ) g i s 集成 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在交通领域，g i s 、全球定位系统( g p s ) 、智能运输系统( i t s ) 代表的 是交通规划、管理与控制的前沿技术。将三者有效地集成起来，能够大大提 高交通的现代化和智能化程度。因此，寻求这些技术之间的合适切入点，包 括三者的发展现状、方向，集成的方法与集成的模式，空间数据标准等等都 是当前的研究熟点。此外，通过互联网络发展i n t e m e tg i s 或w e bg i s ，利用 现代通信技术使g i s 进一步与信息高速公路接轨也是发展的必然。 在g i s 的具体应用方面，美国、日本、澳大利亚等许多国家在城市规划、 交通设施、公共服务、动态监测等方面都广泛应用g i s 进行科学决策。加拿 大温哥华岛一条长1 2 7 公里的公路便是利用g i s 完成了道路通道选择和初步 设计工作，g i s 在该项目中占有重要地位，主要解决信息管理、处理、提供 分析工具满足决策的需要等。美国、英国、日本等国家将g i s 作为智能运输 系统中重要的一部分来研究。在美国，应用g i s 的城市和地区的比例由1 9 9 2 年的4 0 迅速上升到1 9 9 7 年的8 7 。美国首都华盛顿特区启用3 4 个地理信 息予系统进行城市动态管理，定时发布交通状况信息，导向车辆运行；纽约、 佛罗里达州等也都建立了公路网交通管理地理信息系统。s o m e r s 在1 9 9 1 年 详细介绍了美国弗吉尼亚州f a i r f 奴县政府的g i s 系统，它包括地理编码、 自然地理信息、道路、人口、管线、规划分区、土地利用等7 5 层信息，实际 地理精度达到2 英尺左右、涉及到交通、规划、环境、统计等近2 0 个部门， g i s 规划与管理是该系统的重要组成部分。【4 。】 软件方面，9 0 年代中期，国际上已开发出许多g i s 软件，著名的如： a r c i n f o 、m a p i n f o 、g e n a m a p 、i n t e r g r a p h 、s y s t e m g 。但这些 软件并不是单独针对交通信息系统的开发，而是面向各个与地理相关的领域。 虽然g i s 的应用已经取得了较大的进展，但还远远没有充分发挥g i s 的 强大功能以解决实际的规划、管理问题。g 1 s 自身的一些局限性，如：专业 模块有限、缺乏良好的用户界面、数据采集与录入的繁琐、投资大、见效时 间长等等，在某种程度上制约了g i s 的发展。由此可见，g i s 的应用研究任 重道远。 我国地理信息系统方面的研究工作始于8 0 年代。1 9 8 7 年由国家计委和 中国科学院建立的资源和环境国家重点实验室标志着我国g i s 技术和应用研 究的起点，之后从事了资源与环境信息系统国家规范研究、区域管理信息系 统数据分类与编码规范化等方面的研究。9 0 年代后，随着计算机技术的迅速 发展，国民经济建设和城市化进程加快，对g i s 的需求出现了一股热潮。北 京、上海、广州、深圳、海口、北海、厦门、淄博等都建立或初步建立了g i s 西南交通太掌坝研幂毒寻俘监器爨! 塑 望婴醒嘴圳朔j 弹龌i 器塑蓑臣 辊翥鞘堑毛刺辆； ! g i 婆囊囝雪 要星 蓁咀魁断蝤鄞薹盈警翌豪孔磐矧莳一酮射墅产蚓醚鲁倒刘；氆嗟 搏獭趟遁i 射戳囊鬟嚣蟹因锩疗延州举弼瓠强孵黜。蜜掣踅鞲似豁1 午璨侄系 统微机襄掌餐帮跫黎菰摇j 辜蔫室薹击篮烛燃筒鏊拓苎霭器妻誉投掣仑撵蓉拿 王歪。嚣酣撼嘶带黝鞠簇目辩诣；羹霏j 薹鬟羹鋈 像扫描 数据查询和分析 模块 数据查询：图形数据查询、属性数据查询 数据分析：数据预处理、信息分析 图像处理模块主要包括影像增强、分类、识别和分析 信息输出模块 图形显示、表格输出、地图生成、曲线及 图表生成 地理 数据库 空间数据 表现地理空间实体的位置、大小、形状、 方向以及拓扑关系 属性数据 按照属性值的级别来分类以进行属性的 概括和显示 2 2g i s 的功能 2 2 1g i s 的基本功能 g i s 的基本功能包括空间数据( 如地形图、交通网络等) 和非空间数据( 如 地形属性数据) 的操作和处理功能、制图功能、空间查询与空间分析功能、地 形分析功能 1 。 (1 ) 数据的操作与处理功能 gi s 具有数据输入、存储、编辑、查询、显示和输出等基本功能，另外 还能对空间数据进行一系列的操作运算与处理。 (2 ) 制图功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 分析方法等；为铁路、公路等的客运主管部门分析客流情况、制定行车计划 等业务服务。 交通项目管理 国家对交通基础设施的建设力度逐年加大，每年有数耳甚多的交通工程 项目( 包括新建项目及改造项目) 投入建设，而每一个项目都要投入大量的 建设资金，主管部门需要对每一个工程甚至每一个工程段都有一个全面的了 解，包括施工单位、建设资金数量、施工进度、工程质量等，g i s 为有效管 理上述信息提供了有效手段，通过相应的g i s 集成系统，可对每一个项目甚 至于每一个工程段进行可视化管理，主管部门能及时地了解到各工程或工程 段的分布及其相关信息。 综上所述，将g i s 与交通信息分析和处理过程相结合，能够为交通规划、 管理提供科学的决策依据。这一先进的、科学的研究手段，在交通工程领域 中有着强大的发展潜力和广泛的应用前景【”。 1 4 论文研究内容 本文共分六章，各部分内容如下： 第一章：本章为绪论部分，主要介绍了论文选题的背景、研究意义、目 前国内外的研究现状和本文的主要研究工作。 第二章：对g i s 的基本理论知识进行了介绍。 第三章：介绍了基于g i s 的数据结构、数据分类与数据组织方法。 第四章：研究了在路网分析过程中所用到的关键技术：路阻函数的确定 与最短路径的求解。 第五章：在上一章关键技术研究的基础上，基于t r 姐s c a d 软件平台， 构建了g i s 环境下的路网分析系统，研究了系统的框架与功能，对系统相关 的模型进行了描述，旨在为系统设计提供理论依据。以成都市道路网系统为 案例，进行了系统部分功能的演示。 最后，对全文进行了总结。提出了本论文尚未解决有待今后继续进行研 究的问题，并对将来的研究工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章g i s 概述 2 1g i s 的定义及组成 2 1 1g i s 的定义口7 “】 g i s 是地理信息系统( g e o 留印h i ci r 面r m a t i o ns y s t e m ) 的简称。它是在 多门学科的基础上发展起来的，这些学科包括地理学、地图学、摄影测量学、 遥感技术、数学和统计科学、计算机科学，以及一切与处理和分析空间数据 有关的学科。由于g i s 涉及的面十分广，站在不同的角度，给出的定义就不 同。通常可以从4 种不同的途径来定义g i s ： ( 1 ) 面向功能的定义 g i s 是采集、存储、检索、操作、分析和显示地理数据的系统。 ( 2 ) 面向应用的定义 这种方式根据g i s 应用领域的不同，将g i s 分为各类应用系统，如土地 信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。 ( 3 ) 工具箱定义方式 g i s 是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。 这种定义强调g i s 提供的用于处理地理数据的工具。( 4 ) 基于数据库的定义 gis是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数 据进行操作的操作集合，用于对数据库中空间实体的查询。 gis具有明显的交叉学科性质，但其核心是计算机科学，基本技术是数 据库、地图可视化及空间分析。综合以上定义，可以认为，g i s 是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，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 间和动态地理信息的计算机技术系统。g i s 实现了图形与数据的结合，以数 据可视化的方式，为管理者提供了一种崭新的决策支持方法。 2 1 2g i s 的组成 g i s 由计算机硬件、软件和数据三个部分组成【6 j ，如表2 1 所示。 g i s 由计算机硬件、软件和数据三个部分组成【6 j ，如表2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 输出全要素图，而且可以根据用户需要分层输出专题地图以显示不同要素和 活动位置，或有关属性内容。 ( 3 ) 空间查询与分析功能 g i s 可进行空间图形与属性的双向查询，并可根据需要进行最佳路径分 析，但是其面向用户的应用功能不仅仅表现在它能提供一些静态的查询、检 索数据，更有意义的是在于用户可以根据需要建立一个应用分析模式，通过 动态的分析，为评价、管理和决策服务。 g i s 的空间分析分为两大类：矢量数据分析和栅格数据分析。矢量数据 分析通常包括：空间数据的属性分析，多边形的重新分类、边界消除与合并， 点线、点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠加，缓冲区分析，网 络分析，目标集统计分析。栅格数据分析功能通常包括：记录分析、叠加分 析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析。 ( 4 ) 地形分析功能 地形分析主要通过数字地形模型( d t m ) ，以离散分布的平面点来模拟 连续分布的地形，再从中提取各种地形分析数据，地形分析主要包括以下内 容：等高线分析、透视图分析、坡度坡向分析、断面图分析等。 2 2 2 交通g i s 的功能 g i s 能够对各种地理信息进行处理，可应用于土地、矿产、环境、森林、 河流、海洋等诸多领域。各个领域有其共性也有特性，g i s 在交通系统的应 用就有与其它领域相同而又特殊的方面。因此，交通g i s 所包含的基本功能 与其它应用g i s 也不尽相同，其功能主要包括 3 。 3 2 】： ( 1 ) 数据的存取管理 数据问题是交通系统的核心问题，而对数据的有效管理却一直是一个较 为复杂的问题。g i s 技术给数据管理注人了新的活力，它分为属性数据管理 和空间数据管理，二者之间通过有效的关键字来联接，通过二次开发接口可 以方便地进行存取调用操作。 ( 2 ) 信息的检索 g i s 中的查询、检索功能非常强大，可以进行单值查询、多要素查询， 并可以构造查询表达式。查询的数据在地图上显示出来，实现数据可视化。 ( 3 ) 电子地图显示 电子地图是经数字化后形成的可视化、可缩放、可编辑的矢量化地图。 在此基础上，建立起交通数据库，包括属性信息和空间信息的数据。电子地 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 图可全屏显示、放大、缩小、漫游、鹰眼漫游、旋转、动态标记、分层显示 等。 ( 4 ) 最佳路径选择 在实际生活中常常会遇到这样的问题：从甲地出发到乙地，走哪条路最 近? 利用g i s 中的最短路分析功能可以迅速确定最佳路径，可以是最短距离、 最短时间，最小费用等，并支持路线的方向性( 如单行线、禁左等) 。 ( 5 ) 动态分段和路径系统 动态分段和路径系统是一类特殊的线性特征，它通过里程数等量测标准 而不是空间坐标数据来标注线性特征。路径系统将整个交通路网用路径和里 程来描述，更符合人们的习惯，易于接受。在路径上加入线性事件段而不必 将路径真正的分成若干个段，实现动态分段。 ( 6 ) 缓冲区域分析 高速公路会对沿线一定范围的经济发展产生影响，g i s 的缓冲区域分析 可以辅助进行类似的分析工作。缓冲区域可以分为点的缓冲区、线的缓冲区 及区域的缓冲区。 ( 7 ) 车辆导航与跟踪监控 显示各种比例尺下的电子地图，迅速可靠地为车辆驾驶员提供各种查询 信息，并且在监控中心实时接收移动车载g p s 定位数据，转换地理坐标为屏 幕坐标，实时对车辆所在位置进行修正，从而对监控车辆进行实时跟踪、调 度管理。 2 3g i s 的数据结构【3 0 3 8 】 2 3 1g i s 的数据 地理空间实体可以抽象为点、线、面三种基本要素来表示其位置、形状、 大小、高低等。 点。又称为元素或像元，是一个数据点，具有一对( x ，y ) 坐标和至少 一个属性，逻辑上不能再分。这里所谓逻辑上不能再分是指抽象的点而不是 几何点。因为事实上抽象的点可以是实体线段或面块，对某个比例尺或图像 分辨率而言，它们可以被抽象为以一对坐标表示的点。 线。是由一个( x ，y ) 坐标对序列表示的具有相同属性的点的轨迹。线 的形状决定坐标对序列的排列顺序，线上每个点有不多于2 个邻点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 面，是以( x ，y ) 坐标对的集合表示的具有相同属性的点的轨迹。面的 形状不受各点坐标对排列顺序的影响。凡是面的内部点可以有多余3 个的邻 点，面内每个点至少具有一个相同的属性。 如果考虑平面位置与高程相结合，则还有三维的体元素，作为点、线、 面三个基本要素的外延。总之，从几何上讲，正是通过上述基本要素构成了 人们对各种地理实体的认识。 g i s 对地理空间数据的处理与研究是其有别于其它信息系统的特点之 一。g i s 的数据分为空间数据和属性数据两类。空间数据表达空间位置与拓 扑关系，属性数据表达的是各类属性的值。 ( 1 ) g i s 属性数据 g i s 属性数据主要是与各种专题地图有关的数量、类别、等级和描述性 信息，除了通过统计、观测等直接产生的属性数据以外，还可以通过从地图 图例中提取编码得到，也可以由遥感影响分类提取后产生。 在属性数据的支持下，图形数据( 空间数据) 就不再仅仅是具有几何意 义的像元或图形，而是具有地理意义的地理实体。逻辑运算和地理分析、地 理统计等空间操作都是通过属性数据与空间数据的结合与联系而得以实现 的。 在g i s 中，属性数据一般通过相应的图素，如点( 像元) 、弧段、多边 形的编号与图形建立联系。属性数据的内容有时直接记录在图形数据中，有 时则单独以某种结构存储，通过指针或关键码与图形数据相关联。 ( 2 ) g i s 空间数据 空间数据是对地理实体的空间排列方式和相互关系的一种抽象描述。 g i s 空间数据结构分为矢量结构和栅格结构。矢量数据结构用点、线、面来 表达，栅格数据结构用空间单元或像元来表达。现代的一些地理信息系统结 合了两种数据结构的特点，或采用混合数据结构或矢量栅格一体化的数据结 构。 矢量数据结构与栅格数据结构相比，各自具有以下一些特点。 矢量结构设计的数据量少，占用计算机存储空间小； 对原物体的显示效果方面，矢量结构较栅格结构要好； 若要改变地块的形状或大小，矢量结构不仅要改变各矢量线段，而且 还要改变各连接指针；而栅格结构则仅删添一些像元即可完成，所以栅格结 构在数据更新、修改等方面优于矢量结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 地物用沿线走向的一组相邻像元来表示。由线的定义可知，每个线上的像元 最多只有两个相邻像元在线上。面状地物或区域则用具有相同属性的相邻像 元集合表示。由面的定义可知，每个像元可以有两个以上的相邻像元属于同 一区域。由于栅格结构的行列阵列的形式很容易为计算机存贮、操作和显示， 特别是适合于高级计算机语言建立文件或矩阵处理，所以这种结构容易在计 算机上实现，而且算法简单，易于扩充和修改，特别是易于同遥感影像、数 字摄影测量数据的结合处理，给地理空间数据处理带来极大的方便。 因为在栅格结构中，是将地面分划成相互邻接的大小均匀格网方块，然 后使每一地块于一个栅格像元相对应，因此，由栅格结构所表示的地表数据 是不连续的是经过量化的离散值，而每一个像元大小与它所代表的实地地 块大小之比就是栅格数据的比例尺。这样，在使用栅格数据计算面积、长度、 距离、形状等空间指标时，若像元所代表的实地地块尺寸较大，则会造成较 大的计算误差。在许多栅格数据处理时，使像元尺寸变小可以减小这种误差。 此外，为解决由于像元尺寸大小引起的精度损失，常假设栅格表示的量化表 面是连续的，以便可以利用某些具有连续求导的数学函数作为分析处理栅格 数据的工具。当然，提高栅格数据的分辨率可以提高其数据精度，但是也带 来数据量大的问题。通常，栅格数据的分辨率与其数据量之间成平方指数率 的函数关系。 在栅格结构中，每个像元是处于二维数组中的一个元素，通常该元素仅 有一个代码，表示该位置上的属性。但是由于在一个像元表示的地表范围内， 可能存在多于一种的地物，即在同一空间位置上可能存在多重属性。这类似 于遥感影像中的混合像元问题，影像记录的光谱数据是每个像元所对应的地 表区域内所有地物类型的光谱辐射的综合效果，因而这里包含有属性方面的 偏差。 从栅格数据的属性精度考虑，解决多重属性的问题通常是采用数据层叠 加的方法来处理。在栅格结构中，对某空间位置上的几个地理属性，可以分 别采用n 个二维数据层叠加在一起后，构成与实地相符合的地理模型。这种 叠加技术对于绝大多数栅格数据处理是十分重要的。 2 3 4 矢量栅格一体化 矢量数据以点、线、面方式编码并以( x ，y ) 坐标串存贮管理，栅格数据、 扫描图片或照片是通过一系列网络单位表达连续地理特征。栅格和矢量结构 最根本的不同在于表达空间对象的方法，栅格结构采用面域来直接描述空间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 目标对象，而矢量结构通过记录目标的边界，用边界来表达空间目标对象的 面要素。g i s 应用中，应结合矢量、栅格数据，取长补短。 矢量栅格一体化技术，是将g i s 中的矢量与栅格数据相结合，统一起来， 进行查询、显示和分析。由于结构差异，在表示不同形式的地理信息方面各 有所长，将它们结合起来，将有诸多方面的优点。矢量栅格一体化的实现， 通常以表示地表形态的栅格数据为背景，叠加上矢量和其它空间专题信息， 二者同步漫游显示、查询、检索、分析，使用户在查询所关心区域的基本信 息的同时，又对该区的地形有总体感性认识，可应用于资源清查、城乡规划、 宏观决策等诸多方面。统一的空间定位为矢量、栅格提供共同的定位基础， 这个定位基础包括投影、比例尺和坐标。当数据来源不同时，必须将它们统 一到共同的基础上来，使二者比例尺和坐标匹配，以实现一体化操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章基于g i s 的交通数据组织 3 1 空间数据及其组织 交通g i s 最重要的部分之一是数据，而且空间数据占有较大比重，用来 描述各类实体的空间位置及其拓扑关系。上一章介绍了g i s 中的两种空间数 据结构：栅格结构和矢量结构。由于矢量数据在反映网络信息方面具有独特 的优势，并且在表示道路网络这种线状地物方面具有直观性，便于网络分析， 还可以节省数据存贮空间等，优先考虑采用矢量数据模型来描述道路网络。 3 1 1 分层组织 在g i s 环境下，处理的对象量大且属性多。不同事务处理所针对的只是 其中的部分对象。因此，考虑将g i s 中的空间对象分层存放，将不同类别的 空间数据分别以点、线、面的形式存于不同的图层。在进行不同的事务处理， 可将所需要的图层分别调入，保证地图的简洁性。 在道路网络中，最直观的来看，行政区域是面，道路是线，交叉口、交 通枢纽是点。具体会涉及到以下一些主要的信息图层： 行政区划图层。该图层记录道路所经行政区域。 地理背景图层。该图层记录道路网络所处的地理环境，包括河流、湖 泊、铁路、管线设施等。 交通分区图层。该图层记录为了便于进行路网交通分析而将区域进一 步细分形成的交通小区。交通小区划分需要遵循一定的原则，使得既不影响 交通分析的精度，又不会使研究工作过于繁重。 道路网络图层。该图层是进行交通分析的核心图层。为了便于分析， 交通小区的形心通过连线与路网连接，并入该图层。连接线的阻抗( 时间、 距离、费用) 为区内出行的平均阻抗。 设施枢纽图层。该图层记录网内管理设施、服务设施、安全设施、客 货运枢纽、站点等的位置。 道路节点图层。该图层是记录路网起讫、交叉特征的点图层。 小区形心图层。在进行交通分析时，通常采用交通分区的形心来表示 其所有的属性和特点。 根据实际情况，在组织路网的空间数据时，可能会采用以上所提到的数 个图层，也可能将某些图层合并形成一个图层，如和，还有可能一个图 层进一步被细分成若干个图层，如根据道路的等级与研究的范围，基础路网 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 可以分为高速公路、一级、二级、三级、四级、等外公路图层，城市道路分 为快速干道、主干道、次干道、支路等等。图层的划分总体上以简洁和高效 为标准。 3 1 2 动态分段【3 9 刊】 传统g i s 中的拓扑关系是基于节点弧段结构的，在描述所有弧段空间位 置的同时，对于每条弧段，至少存在一条属性记录与之对应。同一弧段上的 所有位置都具有相同的属性特征。然而道路的属陛具有多重性，各个属性对 应的路段变化点是不同的。传统g i s 解决这一问题有两种办法：等长分段法 和变长分段法，即将路段物理打碎成足够小的小段，以保证在每一小段内其 对应的属性数据是不变的。但这两种方法都带来工作量和数据量巨大且容易 失真的问题。 美国威斯康星交通厅的戴维- 弗莱特先生于1 9 8 7 年提出了动态分段 ( d y n 啪i cs e g m e n t a t i o n ) 的思想。动态分段是对现实世界中的线性特征及其 相关属性进行抽象描述的数据模型和计算手段，它可以根据不同的属性按照 某种度量标准对线性要素进行相对位置的划分。 综上所述，动态分段是在传统g i s 数据模型的基础上利用线性参照系统 和相应算法，在需要分析、显示、查询及输出时，在不改变要素位置( 坐标) 的前提下，建立线性要素上任意路段与多重属性信息之间关联的技术。动态 分段功能在许多大的g i s 平台软件上都能够实现。本文对其技术路线与实现 过程不予深入探讨。 路面类型分段 路面状况分段 车道数分段 动态分段 沥青混凝土沥青 优良优 4 2 4 图3 1 动态分段示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 2 属性数据及其组织 3 2 1 属性数据 交通分析过程中要用到的大量基础数据以属性数据的形式进行组织，空 间数据也只有与属性数据对应结合起来才有意义。属性数据的类型主要包括 基础数据、交通运输、交通基础设施、0 d 数据4 大类。 ( 1 ) 基础数据 基础数据包含社会经济、资源环境、自然条件、土地利用和政策方针5 个方面，见表3 1 。 表3 1 基础数据表 类型内容 土地面积总面积、耕地面积 人口总人口、各产业人口 社 工农业产值总产值、工、农业产值 会 国民收入总收入、人均收入 经 社会总产值农业、工业、建筑、运输、商业产值 济 主要产品产量煤炭、石油、金属矿石、钢铁、矿建材 料、水泥、木材、非金属矿石、化肥及 其它的产量 资源环境矿藏分布、蕴藏量、质量特征、工矿布局、产品产量、销量 自然条件气候、地形、地质 土地利用用地性质、开发状况、发展趋势 政策方针经济、国防、资源、开发、人口、用地、交通运输政策等 ( 2 ) 交通运输数据 交通运输数据包括公路、铁路、航空、水运、管道5 大运输方式的数据， 见表3 2 。 ( 3 ) 交通基础设施数据 交通基础设施包括区域公路网、铁路网、航空线、航道网、管道等基础 设施方面的数据和城市道路网设施两部分，反映交通基础设施的基本情况， 见表3 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 表3 2 交通运输数据表 类型内容 历年客货运输量及比重 历年客货运周转量 公路 历年交通量 运输成本、平均速度、平均运距 交通事故 汽车保有量 客货运输量 铁路客货运输周转量 营运里程 客货运输量 航空客货运输周转量 航线总里程 远洋、内河、港口 水运 船舶保有量 输油气里程、能力 管道 输油气量、周转量 表3 3 交通基础设施数据表 类型内容 总体布局 区各线路起诡点、丰善终讨占 域公路网 里程 交 等级 通 路面 基 场站规模和布局 础 各线路起讫点、主要经过点 设 里程 施 铁路网等级 通过能力 场站规模和布局 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 续表3 3 交通基础设施数据表 类型内容 起讫点 区 航空线 里程 域 机场位置、基础设施 交 吞吐能力 通 各航道起讫点、主要经过点 基 航道网 里程 础 等级 设 港口规模、设施、吞吐能力 施 起讫点、主要经过点 管道 里程、能力 总体布局 路段信息 城市道路网 交叉口 城 停车场、加油站 市 公交线网总体布局 交 城市公共线路设站情况 通 交通设施线路营运时间 基 线路车辆配备 础 总体布局 设 城市出入口路段状况 施 道路网 交叉口 停车场、加油站 城市对外交布局 通枢纽容量 ( 4 ) 0 d 数据 0 d 数据通过0 d 调查( 起讫点调查) 得到，通过o d 数据可以全面了 解交通的源和流，以及交通源流的发生规律，见表3 4 。 ( 5 ) 其它 其它一些能够为交通分析提供基础和依据的包括交通量、车速、延误等 数据，见表3 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 表3 4 0 d 数据表 类型内容 区域机动车出行o d o d 交通枢纽客流o d 数据交通枢纽货流0 d 城居民出行o d 市客流流动人口出行o d 道0 d 交通枢纽客流o d 路 停车场、加油站 o 货流境内货流o d d 0 d 交通枢纽货流0 d 数 机动车出公交车出行o d 据 行o d 境内其它机动车出行0 d 表3 5 其它相关数据表 类型内容 机动车交通量 交通量非机动车交通量 行人交通量 车速 延误 机动车停车 停车 非机动车停车 由于不同事物处理涉及到的属性数据各不相同，数据量十分巨大，在此 仅列出了部分具有代表性的一些数据需求，针对不同目的，还可删添。 3 2 2 属性数据的组织 由于涉及到的数据量巨大，为保证这些数据的易用性和易维护性，采用 表的形式进行数据的存储，且这些表都有相似的数据格式、结构，对于每一 个属性数据表，都有相关的描述字段。由于数量众多，在此以城市交通基础 设施城市道路网路段信息的属性表为例来说明，见表3 6 。 各个属性表又根据3 2 1 节所述的类别进行分类，建立分级目录，一级 可分为基础数据、交通运输、交通基础设施、o d 数据及其它5 类，其下再 分二级、三级、四级，最小一级对应相应的属性表，以便于数据调用和组织 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 的方便。例如，调用分产业人口的数据属性表，一种方法是通过基础数据 社会经济人口一分产业人口的路径实现。 表3 6 路段信息数据结构表 字段代号字段名称字段类型字段长度小数位单位 1 d 0 1路段代码字符8 l d 0 2路段名称字符 1 6 l d 0 3路段起点字符数值1 6 l d 0 4路段终点字符数值1 6 l d 0 5路段距离数值8k m ，m i d 0 6 路段费用数值 8 2 1 d 0 7 路段时间数值 8h m i n s 1 d 0 8通行能力数值 8 p c u ，h l d 0 9服务水平字符8 a b c d e 3 3 属性数据与空间数据的关联 一般在g i s 中，属性数据和空间数据是分别存储的。属性数据和空间数 据通过相应的图素，如点( 象元) 、弧段、多边形的标码( 用户标识码) 与图 形建立联系的。空间数据通过其用户标识码与属性数据表的关键字建立表连 接，实现空间数据与属性数据的互联、双向查询和空间分析等功能。如社会 经济类数据主要通过行政区代码、路段数据主要通过路段代号等同空间数据 进行连接。具体思路如图3 - 2 所示。 如前所述，在g i s 中数据以数据属性表的形式组织，有利于各种实体( 图 形) 与属性时间的关系互联。点、线、面图形数据的记录中都包含一个有序 特征值。这个特征值也可以成为关键字，其后存储其它信息。图3 2 ( b ) 表示 的是两个多边形的图形数据的存储方式。其中多边形i 和i i 是特征值( 关键 字) 。具体涉及坐标存储的表格未在此处绘出。 属性数据，如线段a ，b ，c g 有关的属性及与多边形i 和i i 有关的属 性数据则存储在属性数据表中，图3 2 ( c ) 所示的是线段的属性数据表，a 1 ， a 2 a7 分别代表a 线段的属性l ，属性2 ，属性7 ，属性的数目视需 要而定。点和面的属性以同样的方式组织。图形和属性数据表即可通过关键 字实现关联1 3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 邻接矩阵的方法存储数据将浪费大量的空间，而且在计算时亦要花费大量的 时间检查无意义的数据。 4 1 2 路网的描述 路网作为一种特殊的网络，除了遵从一般的网络表示方法和存储结构外， 必然还有其特殊性f 4 3 州 。符合需要的路网表达方法和存储结构应满足以下要 求： 存储量小： 充分考虑路网的特殊性大型稀疏网络： 能够表达路网要素及拓扑结构； 能够表达单向交通、交通路口转向限制等交通管制措施： 能够表达路网的各种特殊结构。 直观的来看路网的结构，自然会考虑到用节点对应交叉口，边或弧