（地图制图学与地理信息工程专业论文）交通网络信息可视化技术方法研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：张鸯：霞日期：2 垒f 坚：圭：2 q 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：弘垒基 导师签名： 8 舢04川35 啪7iiii1i 舢y 摘要 摘要 随着信息采集与存储技术的进步，交通部门管理的数据日益增多。如何将海量交通 数据可视化，已经成为一个新的研究方向。本文以国家“9 7 3 ”项目子课题“城市交通 系统结构优化方法为依托，对城市交通系统信息可视化技术进行研究。 论文在对交通系统、交通系统信息及其主要特征、交通系统信息可视化需求分析的 基础上，研究了交通网络信息的基本内容并将其归结为车速、流量和车辆密度三个可视 化变量，同时分析指出信息的多维性和时态性是交通可视化工作的重点。接着指出了交 通网络信息的三种可视化形式：地图、图表和时间动画，重点研究了与之对应的可视化 技术( 1 ) 要素与专题表达可视化；( 2 ) 图表分析可视化；( 3 ) 动态可视化，详细论述 了实现原理与技术方法。上述方法能直观地表达交通信息特性，易于发现潜在的交通趋 势和模式，尤其是动态可视化方法，通过时间动画画面的平移或帧的变化有效表达了交 通信息的时态性。 在此基础上，基于n e t 平台和a r c g i se n g i n e 组件开发了一个交通信息可视化原型 系统，该原型系统实现了本文所提出的交通网络信息可视化技术方法。以南京市交通网 络数据为例对其进行应用验证，结果表明该系统原型可实现交通网络信息可视化的功 能，取得了好的表现效果，可体现交通网络信息的多维性和时态性，便于进一步的知识 挖掘。 关键词：g i s ；交通网络信息；可视化；时间动画 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hi n f o r m a t i o nc o l l e c t i n ga n ds t o r i n gt e c h n i q u e si m p r o v e dg r e a t l ya n dc o n s t a n t l y , e f f e c t i v ev i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa r eb e c o m i n gc r u c i a la st h ea m o u n t so fe v e r - i n c r e a s i n g t r a f f i cd a t ac o l l e c t e db yt r a f f i cn e t w o r ki sb e c o m i n gt o ol a r g et ob ea n a l y z e dm a n u a l l y i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e si nu r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma r es t u d i e dw i t ha i mt o p r o v i d ev i s i b l ek n o w l e d g ew h i c hc a nf a c i l i t a t ei nm a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n - m a k i n gb y t r a f f i c p r o f e s s i o n a l s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a m ( 9 7 3p r o g r a m ) “s t r u c n l r a l o p t i m i z a t i o nm e t h o do fu r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ” 、聃ma na n a l y s i so ft r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t r a f f i ci n f o r m a t i o na sw e l la si t ss i g n i f i c a n t c h a r a c t e r s ，r e q u i r e m e n t sf o rv i s u a l i z a t i o ni nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma r ec o n c l u d e d ，w h i c h i n v o l v ed i f f e r e n tt r a f f i cu s e r s t h e nt r a f f i cn e t w o r ki n f o r m a t i o n ，w h i c hc o n s t i t u t e sm o s tp a r t o ft r a f f i ci n f o r m a t i o n , i sp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e da n di sc o n c l u d e da st h r e ef u n d a m e n t a l e l e m e n t s - v e h i c l es p e e d ，v o l u m ea n dd e n s i t y t h et h r e et y p i c a l l yf e a t u r i n gm u l t i - d i m e n s i o n a l a n dt e m p o r a lc h a r a c t e r sa r et a r g e t so fs u b s e q u e n tv i s u a l i z a t i o nw o r k t h e nm a p ，g r a p ha n d t i m ev i d e oa r ea d d r e s s e da se s s e n t i a lv i s u a l i z a t i o nu t i l i t i e sf o rt r a f f i cn e t w o r ki n f o r m a t i o na n d t h ec o r r e s p o n d i n gv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa r ep r o p o s e d ，n a m e l y , m a p b a s e dv i s u a l i z a t i o n ， g r a p h b a s e dv i s u a l i z a t i o na n dd y n a m i cv i d e o l i k ev i s u a l i z a t i o n t h ea l g o r i t h m sf o rt h ea b o v e v i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa r et h e nd i s c u s s e di nd e t a i l ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ya n dp r o l i f i c a l l y d i s p l a yt r a f f i cd a t at h u sh e l p i n gi ni d e n t i f y i n gp o t e n t i a l l ye m b e d d e di n t e r e s t i n gt r e n d so r p a t t e r n s s p e c i a l l y , t h ed y n a m i c v i s u a l i z a t i o nm e t h o dc a nw e l l v i s u a l l yr e p r e s e n t m u l t i d i m e n s i o n a lt e m p o r a ld a t aw i t ht i m e - v a r y i n go n w a r dp i c t u r eo rc h a n g i n gf r a m e si n v i d e o b a s e do na l lt h ea b o v ew o r k ，ap r o t o t y p es o f t w a r es y s t e mf o rt r a f f i ci n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o ni sd e v e l o p e di n n e tf r a m e w o r kw i t ha r c g i se n g i n ec o m p o n e n t s ，i nw h i c ha l l t h ep r o p o s e dv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sa r ep r o g r a m m e da n dv a l i d a t e d w i mt h et r a f f i cn e t w o r k d a t a b a s eo fn a n ji n gc i t ya sa na p p l i c a t i o nc a s e ，t h er e s u l t ss h o w st h a tt r a f f i ci n f o r m a t i o ni s w e l lv i s u a l i z e d ，d i s p l a y i n gi t sm u l t i d i m e n s i o n a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c st h u sf a c i l i t a t i n g i nf u r t h e rk n o w l e d g e - m i n i n gw o r k k e y w o r d ：g i s ；t r a f f i cn e t w o r ki n f o r m a t i o n ；v i s u a l i z a t i o n ；t i m ev i d e o i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 选题背景与意义1 1 2 国内外研究概要2 1 2 1 信息可视化技术研究进展2 1 2 2 交通信息可视化研究现状4 1 3 本文的研究内容6 第二章城市交通系统及可视化技术8 2 1 城市交通系统8 2 2 城市交通系统信息9 2 2 1 城市交通信息9 2 2 2 城市交通信息特征l o 2 2 3 城市交通信息应用需求1 1 2 3 信息可视化1 l 2 3 1 信息可视化过程1 1 2 3 2 信息可视化技术1 2 2 4 本章小结1 5 第三章交通网络信息可视化1 6 3 1 交通网络信息分析1 6 3 1 1 交通网络信息基本量1 6 3 1 2 多维性与时态性1 8 3 1 3 交通网络数据内容1 9 3 2 可视化形式2 0 3 3 可视化技术方法2 4 3 3 1 要素及专题表达可视化2 4 3 3 2 统计分析可视化2 7 3 3 3 动态可视化2 9 3 4 本章小结3 3 第四章原型系统设计与开发3 4 4 1 开发环境3 4 4 1 1 n e tf r a m e w o r k 开发平台3 4 4 1 2a r c g i se n g i n e 组件3 5 i i i 东南大学硕士学位论文 4 1 3 案例数据介绍3 5 4 2 系统功能界面设计3 7 4 2 1g i s 基本功能模块3 7 4 2 2 专题表达模块3 8 4 2 3 图表可视化模块3 9 4 2 4 动态可视化模块4 1 4 3 系统实现与结果4 2 4 4 系统优化4 8 4 5 本章小结4 9 第五章总结，。5 0 5 1 论文工作总结5 0 5 2 展望5 0 参考文献5 2 致谢。5 5 作者简介5 6 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 信息是城市交通系统的灵魂，城市交通各个子系统都需要大量的、实时的交通信息 作为基础数据，其中基础交通信息主要指交通网络( 流) 信息。随着城市交通系统信息 化建设的日益推进和完善，可用的交通数据量激增，相关部门和人员要处理越来越多的 各种形式的交通数据。数据丰富的同时也产生了对高效数据可视化分析工具的需求，如 果没有强有力的可视化与分析工具，理解如此庞大的数据已经远远超出了人脑的理解能 力。日益完善、高效的交通信息采集系统( 如传统的固定点交通流检测方法和浮动车运 行数据系统) 结合数据库系统已经可以高效地实现数据的录入、查询、统计等功能，但 无法直观地传达交通信息，不易发现数据中存在的关系和规则，更不能根据现有的数据 预测未来的发展趋势。为了满足交通信息领域对数据可视化表达分析及预测的要求，交 通信息可视化技术正成为一个新的研究热点。 城市交通系统的重要任务之一就是在现有的交通网络基础上，通过对交通网络现状 的调查和分析，提供给出行者和决策管理部门可靠的出行和调度方案，或者预测未来一 段时期内在人口增长、社会经济发展和土地利用条件下对交通的需求，进而通过交通网 络分析规划制定出相应的交通网络形式，并对上述拟定的方案进行评价，进度安排和经 费预算等。 交通网络是利用计算机辅助手段进行交通分析的基础，交通网络不仅内容广泛而且 不断变化发展【l 】。首先，交通网络信息具有多样性，既包括各种与交通网络和交通设施 有关的空间数据和属性数据，还包括许多复杂的地理要素，如立交桥、复杂的十字路口和 各种具有转向限制的路段和交叉口等1 2 】。不仅如此，交通网络信息还会随着时间的推进 不断发展变化，有时还需要根据交通分析评价的结果以及交通管制部门的干涉及时更新 和调整。为了充分表达交通网络信息及交通分析结果，提高交通运行状况信息的传达效 率，要求交通网络信息及其分析结果的展现有良好的可视化效果。研究交通网络信息可 视化技术，使交通网络信息的表现与分析有所见即所得的效果，不仅有助于数据分析同 时也是进行有效决策所必需的辅助手段，能有效地提高工作效率。 国外的一些比较成熟的交通分析软件，以t r a n s c a d 为例，具有比较完善的图形编 辑和可视化功能p ，4 j 。由于在实际的工程应用中，国外交通分析软件的理论模型和数据表 现方式并不完全适合国内的交通现状和国民的认知习惯，国内相关部门和研究机构在交 通规划和交通管理中，通常需要自己开发一些应用程序模块。如东南大学交通学院自行 研发了交通网络系统分析软件t r a n s t a r ，该软件能根据评价指标对交通网络进行分析与 评价、预测并能对方案实施后的影响进行评价，为交通规划与管理提供可靠的决策依据。 但由于投入不足，同时缺乏相关计算机软件专业开发人员，这些程序模块和软件往往侧 重于交通分析，在交通网络的可视化表现与分析等方面存在很大不足。所谓可视化，是 利用计算机图形学、人机交互技术来表现数据并获得对数据更深层次认识的过程。可视 东南大学硕士学位论文 化发展到今天已经形成了成熟的科学可视化理论，数据可视化理论正在发展，信息可视 化也正在兴起，它们是可视化技术在不同领域的应用结果。而交通信息可视化则是信息 可视化技术在交通领域的发展与应用。另外，在讨论交通信息可视化的相关问题时，不 能忽视的- r 7 学科技术就是地理信息系统( 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 ，g i s ) 。g i s 技 术已经在交通信息系统中充当了重要角色，并发展成为交通地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m t r a n s p o r t a t i o n ，g i s t ) 。g i s 能有效地实现对空间数据的可视化，目 前一些比较成熟的商业g i s 软件( 如a r c g i s 、m a p l n f o 、s u p e r m a p 等) 已经具有强大的 图形编辑、可视化和专题图制作功能，在各行各业也得到了广泛的应用，缺点是通用性 强而专业性弱，无法独立完成复杂的交通分析。因此，在国内还没有一套完整的交通信 息可视化技术理论和足够专业的交通可视化分析软件的现状下，研究信息可视化技术的 相关理论和技术( 包括g i s 对可视化的支持) 在城市交通系统中的应用及发展，为交通 信息高效可视化表现和分析提供理论依据和技术支持，显得尤为重要。 交通信息可视化技术的研究，将为城市交通数据提供完整的信息可视化表现形式以 便于从多个角度进行分析及趋势预测等。可视化技术不仅能直观有效地表达交通网络信 息的分布状况，为出行者和交通管制部门提供动态向导而且能够为交通发展战略和政策 的制定提供依据和支持。同时，新一代的信息可视化理论和技术( 如面向像素的可视化 技术和数据挖掘技术以及时态信息可视化技术等) 的发展及其在交通领域的应用推广也 会使交通信息科学的研究深度和广度进一步增强，对g i s t 的理论研究和软件研发也具 有借鉴意义。 1 2 国内外研究概要 1 2 1 信息可视化技术研究进展 视觉是人类信息的最主要来源。医学研究显示，人类日常生活所获取的信息8 0 来 源于视觉。2 0 世纪8 0 年代提出的可视化技术，就是为了充分利用人类的视觉潜能和脑 功能而发展起来的。这项技术一经提出就得到迅速发展。可视化是利用计算机图形学和 图像处理技术，将数据转换成图形或图像在多媒体上显示出来并进行交互处理的理论、 方法和技术1 5 j ，涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉、用户界 面方法学、系统设计、信号处理及人机交互技术等多个领域和学科。 可视化技术最早见于科学计算领域，并发展形成了可视化技术的一个重要分支一科 学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 。科学计算可视化指的是应用计算 机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据和计算结果转换为图形或图像 在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。科学计算可视化是发达国家在 8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。1 9 8 7 年2 月，美国国家科学基金会 在华盛顿州召开了有关科学计算可视化的首次会议。会议汇聚了来自计算机图形学、图 像处理以及从事不同领域研究的科学计算专家。会议认为“将图形图像技术应用于科 学计算是一个全新的领域”，并指出“科学家不仅需要分析由计算机得出的计算数据， 2 第一章绪论 而且需要了解在计算过程中数据的变化情况，而这些都需要借助于计算机图形学及图形 图像处理技术 。会议将这一涉及到多个学科的领域定名为“v i s u a l i z a t i o ni ns c i e m i f i c c o m p u t i n g ”，简称为s c i e m i f i cc o m p u t i n g 。这次会议以后，美国和西欧及日本各著名 大学、研究所超级计算中心以及大公司纷纷进行科学计算可视化理论和方法的研究，并 在重要的国际计算机图形学会议上发表论文。自1 9 9 1 年以来，美国电气电子工程师协 会( i e e e ) 每年举行一次有关科学计算可视化的学术会议，并出版论文集。1 9 9 5 年，美国 i e e e 又增加了一种新刊物 i e e et r a n s a c t i o no nv i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e rg r a p h i c s ) ) 。 与此同时，美国、德国的超级计算中心、研究所及大公司着手开发应用科学计算可视化 的软件系统。经过短暂的2 0 年，对科学计算可视化的理论和方法的研究已经在国际上 蓬勃发展起来，并开始走向应用。 科学计算可视化技术的成功应用进一步促进了可视化技术本身的发展和应用的迅 速推广。信息可视化是可视化技术在不同领域的应用结果，目前已成为可视化技术的另 一个重要研究方向。1 9 9 5 年，在美国首次召开了信息可视化专题研讨会，此后每年召开 一次。信息可视化的研究在国外开展得较多。目前国际上已有多个有关信息可视化的会 议及杂志，并已有多个信息可视化的原型及商用软件问世。美国在信息可视化研究领域 有四家著名单位：施乐公司的p a l oa l t 实验室，马里兰大学的人机交互实验室，佐治亚 理i 大学的g v u 中一t 二, ( g r a p h i c sv i s u a l i z a t i o na n du s a b i l i t yc e n t e r ) 和a t & t 下属的l u c e n t 技术公司。目前国内对信息可视化的研究尚不多见，鲜见的相关文章多偏于理论和模型 设计，与其它学科的结合不多。而信息可视化的价值应该体现为跨学科的，广泛而活跃 的应用【6 】。本文的研究内容属于信息可视化技术在交通学科领域的应用。 从上面可以看出，科学计算可视化和信息可视化形成了可视化技术的两大主要分 支，它们是可视化技术运用于不同范畴领域的结果。二者的本质区别在于研究的出发点 不同，科学可视化研究如何把科学数据表现为科学家容易理解的直观现象，而且这些数 据往往具有明显的物理表征；而信息可视化的数据往往是抽象的，并不具备自然的、明 显的物理表现，信息可视化的目的就是从中发现和提取有用的信息，如数据间的联系， 趋势预测分析等。j i mf o l e y 在关于计算机图形学的“十大尚未解决的关键问题”【7 j 一文 中，将信息可视化列在第三位。f o l e y 认为，随着存储成本的急剧下降和随之而来的数 据仓库技术的日益普遍，信息可视化将会越来越重要，因为在计算机能够处理的信息中， 只有很少一部分是具有几何属性的，剩下的绝大部分都是没有几何属性的抽象信息。我 们可以利用数据分析挖掘技术获取数据之间的复杂关系，而新的信息可视化技术将帮助 我们探究这些关系。 信息可视化是多学科交叉技术，结合了科学可视化、人机交互、数据挖掘、图像技 术、图形学、认知科学等诸多学科的理论和方法。从根本上说，信息可视化是一种工具， 一种辅助性的手段，它的效用以及对可视化结果的分析与所结合的学科背景和应用领域 密切相关。作为一种应用技术，信息可视化相关的领域越多，它的应用与研究潜力就越 大，行业应用反过来又会促进信息可视化技术自身的发展。在城市交通领域，信息可视 化技术研究如何高效地利用海量交通数据获取交通信息及分析结果。有效的可视化技术 东南大学硕士学位论文 使得我们能够观察、操纵、探索、过滤、发现、理解大规模的看似杂乱无章的数据，并 能即时方便地与计算机终端进行交互，从而可以极其有效地发现隐藏在数据内部的特征 和规律。在当前这个数据海量增长和存储，信息日益丰富的时代，可视化技术的研究和 应用开发将从根本上改变我们表示和理解分析大量复杂数据的方式，其在各行业领域内 的影响广泛而深入，能引导相关人员获得新的知识，提供有效的决策支持。 1 2 2 交通信息可视化研究现状 城市交通信息可视化技术是信息可视化在交通领域的行业应用。最近十几年来，国 内外在交通信息可视化方面的研究工作有很多，根据可视化的成果表现形式大体上可以 分为如下五个方面( 1 ) 交通要素表达与专题表达；( 2 ) 高维( 三维及以上) 可视化；( 3 ) 交通仿真模拟；( 4 ) 动态实时可视化；( 5 ) 与其它数据融合分析技术相关的可视化。以 上技术并不是完全孤立的，很多研究和应用综合了两种或两种以上的技术。从这些技术 研究进展可以看出，g i s 相关技术和方法在交通信息可视化中发挥了重大作用，也表现 出巨大的应用潜力和发展前景。 ( 1 ) 交通要素表达与专题图 g i s 对空间要素的可视化表达，最传统有效也是目前应用最广泛的方式就是地图。 g i s 对地图相关的可视化理论研究已经相对比较成熟。针对交通领域研究对象的特点， g i s t 也提出了一些相应的可视化表达手法。早在1 9 9 6 年，g a n t e r 和c a s h w e l l l 8 j 就研究 了g i s t 中动态交通网络数据的表达方法，并开发实现了一个动态交通数据可视化原型 系统，用户可以对某一时间段内的动态交通数据进行筛选，符号化和重放操作，以此来 发现其中蕴藏的交通模式和趋势。m i c h e ld o ss a n t o ss o a r e s 9 j 采用中间件技术对交通信号 控制下的道路交通数量特征如车辆密度、车速、占有率、等待时间进行了可视化。国内 在这方面的研究起步相对较晚，大部分研究都是围绕交通模型展开的【2 , 1 0 - 1 5 】，如基于特 征的城市交通网络非平面数据模型1 0 , 1 1 】，面向对象的时空数据模型【1 2 , 1 3 , 1 4 j ，面向交通网 络的三维g i s 数据模型u 副等。 另外，专题图也是交通要素表达不可或缺的，在g i s t 中有广泛的应用，它不仅能 直观地反映制图对象的质量特征，数量差异和动态变化，而且能反映各种现象的分布规 律及其相互联系，是分析和表现数据的一种有效方式。目前，国内外对专题图的研究已 经比较成熟。包括专题数据的组织访问方式，专题分类分级算法，专题符号的设计和开 发实现以及专题图的精度评价等方面。国内外很多g i s t 软件对专题图提供了较好的支 持。t r a n s c a d n 6 1 对交通对象专题图提供了较好的支持。用户可以使用样式、标签、图 例强化地图，同时可以改变地图要素的颜色、图案、符号和线等。国内外成熟的商业 g i s 产品也提供了强大的通用专题图技术支持，例如a r c g i s 、m a p l n f o 和s u p e r m a p 等， 这些g i s 产品大多提供了组件或二次开发工具，用户可以在自己的应用系统中通过组件 开发的方式嵌入相关g i s 功能，目前较为流行的g i s 组件开发工具是a r c g i s 提供的 a r c g i so b j e c t s 或者a r c g i se n g i n e 。 ( 2 ) 高维( 三维及以上) 可视化 4 第一章绪论 现有g i s 的缺陷之一就是不能有效地处理多维数据。目前g i s 在三维地形可视化方 面已经取得了相应的进展和成就，如数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l d e m ) 在 各行各业的广泛应用，三维地形可视化也使得数字城市成为可能。在三维( 及以上) 可 视化的过程中，面临的突出问题主要是数据插值算法和系统效率问题。高维数据可视化 必须要充分利用已有的数据点【l 7 1 ，同时考虑数据源的异构性并且要明了不同插值和外推 算法的优劣性。交通数据高维可视化过程的复杂度、软硬件要求和生产时间及花费问题 也是重点讨论对象【l 引。国内对三维数据可视化的研究主要集中于d e m 和t i n 的理论及 实现方面，也有一些具体的小范围区域技术应用如三维校园、三维城市等。左小清【1 5 】 对交通网络三维数据模型作了较全面的研究。 ( 3 ) 交通仿真模拟 在道路交通管制中，微观交通仿真可视化技术发挥着越来越大的作用。v i s s i m t l 9 1 是一款近年来新研制的微观交通模拟仿真软件，它通过模拟驾驶者的一系列行为对道路 交通网络上行驶的车辆行为进行建模。v i s s i m 在检查复杂交通问题方面具有很大优势， 如交通事件的影响分析等，能对经验交通模型进行仿真与可视化【2 0 1 。国内武汉理工大学 博士商蕾【2 l 】对城市微观交通仿真模型作了较系统的研究。在交通领域，更多的是仿真模 拟与其它技术的综合应用。传统的应用是交通仿真与虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , v r ) 技 术的综合使用，但虚拟现实技术需要大量的交通信息数据和较多的用户参与，限制了其 应用的推广。a m i rh b e h z a d a n t 2 2 j 提出了基于扩增实境( a u g m e n t e dr e a l i t y , a r ) 的实时 交通仿真模拟技术，该技术能充分利用无线通信的优势在移动车辆和a r 仿真系统间传 递数据。 ( 4 ) 动态实时可视化 城市交通是不断发展变化的，道路信息每时每刻都在变化。在很多交通应用系统中 都要求交通网络数据能实时传递和显示，以便用户做出实时的正确判断和选择。提供实 时路况信息如道路的拥堵状况和相关交通管制情况，这样就能为相对静态的交通地理数 据提供一层动态信息，更好地支持动态决策分析和判断。可以利用全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 技术和动态监测技术提供动态交通数据实现车辆的动态路径选 择，通过对城市交通运行状况的可视化展现，实现一种实时的、基于互联网的动态最短 路径选择解决方案。在动态实时可视化中，系统瓶颈问题多体现在数据传输效率( 网络) 和系统响应时间方面。明尼苏达大学的s h a s h is h e k h a r 2 3 1 等人采用g u i c g iw e b s e r v e r d bs e r v e r 三层体系结构较好地实现了数据的动态传输和交通信息可视化，并对 限制系统效率的一些问题进行了优化。 ( 5 ) 与数据融合与分析相关的可视化技术 交通数据的来源具有多样性，g p s 技术的发展使得交通数据的获得更加快捷方便， 也极大地推动了g i s 技术在交通信息可视化中的应用。相关的技术如浮动车数据 ( f l o a t i n gc a rd a t a , f c d ) 处理技术【2 4 啦j 日前也成为国内外的研究热点。f c d 系统在我 国的发展相对比较滞后，近些年才在北京、上海、广州、杭州、宁波等城市开展f c d 系统的推广和应用。2 0 0 4 年1 2 月，我国第一个以f c d 技术为基础的实时道路交通信息 东南大学硕士学位论文 采集与服务系统在宁波建立。该系统利用每分钟采集的3 0 0 0 辆出租车g p s 数据，获得 宁波市区大范围的道路交通速度信息，并能提供起始地和目的地之间时间最短或距离最 短的路径服务。通过对道路实时交通数据的分析，还可以获得道路2 4 小时速度分布图、 主要道路的出行时间、全市路网2 4 小时速度分布概率直方图、市中心路网和全市路网 速度分布概率比较、道路一周内每天速度分布曲线比较等一系列非常有价值的交通可视 化信息，为城市道路和交通规划提供基础数据。q u i r o g a 2 7 】研究了如何限制g p s 数据的 集成粒度使得显著减少数据存储量的同时又能保证较好地连续再现交通运行状态。另 外，在通用可视化工具中不同格式数据的快速整合技术也是必需的研究方向【2 引。 g i s 有强大的空间分析功能，比较常见的就是路由选择和最短路径选择。利用g i s 的空间分析与可视化功能，可以为交通出行和管制人员提供决策支持。这也是当前g i s 在交通领域的重要应用方面之一，如交通诱导系统的研制【2 9 1 ，交通系统优化1 3 0 】，交通事 件检狈l j 3 1 , 3 2 】等。 计算机技术尤其是数据库技术和计算机图形学的发展使得信息可视化技术在理论 和技术实现上都有了很大的进步，交通信息可视化技术同样也得到了新的发展。例如， 面向像素技术的应用使得海量高维信息可视化成为可能；数据仓库和数据挖掘技术的发 展使交通信息可视化表达与分析具有了更加强大的理论和技术支持。数据挖掘是从海量 数据中提取隐含的有价值有意义信息的过程，可视化是直观地探索数据分析结果的技 术，二者的联合使用在很多场合能有效地实现数据分析及可视化应用，将g i s 技术与数 据挖掘技术联合起来对海量多维数据进行分析，为交通信息可视化分析提供了一种新的 思路1 33 。美国明尼苏达州s h a s h is h e k h a i 2 3 , 3 4 j 等人对此作了较细致的研究，结合g i s 可 视化技术并应用数据仓库多维可视化相关技术如聚簇分析、重分类、关联规则发现、异 常点检测等对交通流信息如占有率、流量、车速等进行多种形式的分析可视化实现。也 可以对交通模式进行可视化分析以发现潜在的交通事件【3 5 1 。目前国内对数据挖掘可视化 的相关研究展开的也比较多，但是大多局限于理论研究层次，与专业领域结合的并不多 见，系统应用于交通领域的更少。 从以上几个方面可以看出，交通信息可视化是一门综合应用技术，涉及多学科多领 域，g i s 、仿真模拟、虚拟现实、数据挖掘等技术在交通信息可视化中有着广泛的应用， 为海量交通数据的有效利用和信息表达分析提供了强有力的技术支持。交通信息可视化 的研究需要综合应用多种技术。 1 3 本文的研究内容 本文的研究对象是城市交通网络信息可视化技术，首先研究交通系统的结构，分析 交通信息的内容及其主要特征，归纳交通系统各部门对交通信息可视化技术的应用需求 并总结了通用的信息可视化技术。在此基础上，详细研究交通信息的主要部分即交通网 络信息的内容，并将其归结为车速、流量和车辆密度三个可视化变量，同时分析指出其 多维性和时态性是交通可视化工作的重点。接着提出了交通网络信息可视化的三种形 6 第一章绪论 式：地图、图表和时间动画，重点研究了与之对应的可视化技术，详细论述了实现原理 与技术方法。最后，基于n e t 平台和a r c g i se n g i n e 组件开发了一个交通信息可视化原 型系统，该原型系统实现了本文所提出的交通网络信息可视化技术方法。并南京市交通 网络数据为例对其进行应用验证。 论文共分为五个部分。 第一章说明本文的研究背景、研究目的及意义，列出主要研究内容。主要阐明城市 交通信息可视化技术对于挖掘海量交通数据，有效利用交通信息，用于相关部门决策支 持的意义。 第二章分析了交通系统信息的构成，交通信息的主要特征，交通规划、交通管理控 制、出行者信息服务等对交通信息可视化技术的应用需求，从而引入城市交通信息可视 化技术的研究，同时总结了通用信息可视化技术的发展与应用。 第三章详细介绍了交通信息的主要组成部分即交通网络信息的构成，将其归结为三 个基本量，分析了交通网络信息的多维性和时态性，这两个特性也是后续可视化工作需 要重点体现的特征。根据交通网络信息内容研究了交通网络数据的组成内容。接着提出 了交通网络信息可视化的三种形式，重点阐述了对应的可视化技术原理及实现方法，即 要素与专题表达可视化、统计图表可视化以及动态可视化。 第四章介绍了n e tf r a m e w o r k 组件开发环境下实现的交通网络信息可视化系统原 型。介绍了系统的功能结构设计以及应用南京市交通网络数据库实现的可视化结果。 总结部分对论文所做工作做了总结，提出下一步交通信息可视化技术研究工作的设 想。 7 东南大学硕士学位论文 第二章城市交通系统及可视化技术 2 1 城市交通系统 城市交通在城市的发展中占有至关重要的地位，不仅是城市的一个重要组成部分， 同时也决定了城市中居民的生活方式。从本质上说，它是一种人文活动在空间上的体现， 这种活动的主体和客体时刻都处在不断的发展变化中，传输着大量的能流、物流，具有 极强的空间性与时序性【3 6 】。 信息是城市交通系统的灵魂，交通流量、道路通行能力、车速、车流密度和时空占 有率等交通信息是交通规划、交通管理控制、交通诱导等必不可少的基础信息。通过全 面、丰富、实时、直观的道路交通信息不但可以把握城市道路交通的运行现状，而且经 过分析处理可以对交通运行状态进行预测，为城市的交通规划决策、交通管理控制、交 通信息服务等提供科学依据。 按照信息采集、传输、处理和应用四个步骤，城市交通系统的信息流可描述为如图 2 1 所示。 信息采集信息分析 信息应用 图2 - 1 城市交通系统信息流 城市交通系统关注的对象可以分为三类，一是路线相关对象，如公路、航道、航线 及这些线路上的各类设施，站点、码头、机场及监管设施等；二是交通工具，各种汽车、 轮船、飞机等，包括行人；三是交通工具在线路上的运行状况，流量、运量、是否堵塞、 事故。这些数据除了具有海量、结构复杂、覆盖面广、分布线长、动态流动等特点外， 第一方面与第三方面的数据还具有鲜明的空间分布特征，这是交通数据区别于其它领域 数据如商业金融数据的一个最为突出的特征。 城市是一个由各种具有空间位置信息和属性信息的要素组成的综合体，城市交通与 其它空间要素有着密切的联系，如城市分区、城市水系分布、城市内大型公建的分布、 门牌地址、居民点分布以及城市内地形状况等。这些要素作为城市交通所处的地理环境， 对城市交通的分布及发展有着重要的作用。城市道路系统构成了城市交通的空间结构， 交通管理数据大多沿道路线性多层分布。所谓多层，指沿着同一路线有多层信息，每层 信息有不同的分段表现，如一条道路有长度、技术等级、车道宽、设计车速、特殊阻抗 8 第二章城市交通系统及可视化技术 等基本属性数据，又有交通流量、平均车速、时空占有率、服务水平等交通流数据；每 一种数据可能有不同的长度分段表现，如交通流量有着实时的频繁的分段变化。在空间 信息系统如g i s t 中，线性参考系统和动态分段技术能将点状和线状实体关联到基础路 网上【3 7 1 ，这类非独立的相对参考技术保证了交通数据的完整性，即一个交通对象的变化 可以自动地反映到另一个关联交通对象中。 2 2 城市交通系统信息 2 2 1 城市交通信息 城市交通信息具有多样性，可从不同角度分类。例如按时间属性可分为静态信息( 如 路网结构、道路渠化状况、交通区状况等) 、动态信息( 道路实时交通状况) 、历史信息 ( 如交通调查历史数据等) 、预测信息( 如预测的交通发生量吸引量以及可能发生的交通拥 堵) 和评价信息( 对路网服务水平的评价等) ；根据信息级别可以分为微观交通流信息( 如 车辆个体信息等) 和宏观交通信息( 如交通流量、车辆密度等) ；根据反映的交通对象 可划分为交通流( 网络) 信息、交通设施信息和道路环境信息三大类，具体见表2 1 。 表2 1 交通信息按对象分类 名称交通信