（大地测量学与测量工程专业论文）基于mapinfo的城市公交信息查询系统的研究与实现.pdf

摘要 随着计算机科学和地理信息科学的迅速发展，地理信息系统因其 强大的空间分析功能得到了广泛的应用。 路径分析是g i s 中最普遍也是最基本的功能，其核心是对最优 路径求解。本文研究的主要内容就是最优路径分析在公共交通中的 应用。文章的结构按照“模型建立一算法研究一系统实现”的思路 来组织。在研究公交网络模型时，详细分析了公交站点的分布情况， 并对公交站点进行了合理的抽象，借鉴了虚拟网络的概念来表示公 交网络。传统的d i j l ( s 仃a 算法以及相应的改进算法都是基于路程最 短，实际乘客出行时，换乘次数最少才是最主要的考虑因素。本文 在公交网络模型的基础上，对一种基于换乘次数最少的算法进行了 一些改进。动态分段技术是管理线性要素的一种新技术，目前已在 a r c 册盯o 等g i s 软件中得以实现，本文探讨了在m a p i n f o 软件平 台下实现动态分段思想的一些方法，并应用到公交网络分析中。最 后提出了“城市公交信息查询系统”的总体方案，并结合长沙市的 实际数据，实现了其中的一些模块。 关键词：地理信息系统；交通地理信息系统：虚拟网络；最优路径 算法；动态分段 a b s t r a c t w i m 廿l e d e v e l o p m e n t o f c 伽叩u t e r s c i e n c ea 盖l d g e o 耵叩l l i c a l i 1 1 f b r n l a t i o n s c i e n c e ，g e o 掣印h i c a l m f - o m a t i o ns y s t e mh a sb e e nu s e d w i d e l y b e c a u s eo fi t ss 仃i d n gs p a t i a la n a l y s i sr m c t i o n r o m e a l l a l y s i s i st l l em o s tg e n e 删a l l db a s i c 铀c t i o ni i lg i s i t s k e y c o n t e n ti sm eo p t i l i m mr o u t e a n a l y s i s i i l m i s p 印e r ，t l l em 咖 c o n t e n tw a s 幽e 印p l i c a t i o no fo p t i i i l 啪r o u t e a i l a l y s i s t o 廿l e p u b l i c 打舳s p o n a t i o n t h ew h o l e 疳锄e w o r ki s b a s e do ne s t a b l i s h 咄m o d e l ， s t u d y i i l ga l g o r i n l m a 1 1 da c l l i e v e m 锄t a c c o r d i n gt o 廿1 en e 船o r km o d e lo f p u b l i c 仃a i l s p o n a t i o n ，虹1 ea u m o ra n a l y s e dm e b u ss t a t i o n s d i s t r i b u t i o n 锄da b s 扛a c t e di t ，m e ne 坤r e s s e dt l l ep u b l i c 仃锄s p o n a t i o nn e 帆o r k 谢t l l v i m l a ln e t v v o r k t f a d i t i o n a l d i j k s 仃aa l g o r i m m a n ds o m er c l e v 锄t i m p r o v e da l g o r i 廿l m sa r eb 舔e d o nn l es h 帆e s tr o u t e ，b u ti 1 1f 沁t 廿l el e a s t 仃a i l s f e ri s 廿1 em o s ti m p o n 锄tw h e np 弱s e n g e r sg oo u t b a s e do nm e l e a s t t r a n s f c r ，a na l g o r i m m w a s b r o u g h t f o n v a r d t h e d y n a 芏1 1 i c s e g m e n t a t i o n i san e wt e c h i l o l o g ya b o u tm a l l a g e m e n t1 i i l e a r f 如t o r ， w h i c hh 弱b e e nr e a l i z e di i la r c ，i n f 0 s o m em e m o d s0 nh o wt or e a l i z e m ed y l l 眦i c s e g m e n t a t i o n i 1 1 m 印i l l f o w e r e d i s c u s s e d f i l l a l l y ，a n o v e r a l ls c h c m eo f ”1 1 1 f o n n a t i o n i 1 1 q u i r ys y s t e m o f b a l l p u b l i c n - 锄s p o r t a t i ”w 鹪b r o u 曲tf o n a r d ，a i l ds o m e m o d u l e s a c c o r d i l l gt om e r c a ld a t ao f c h 锄g s h a h a v e b e e no b t a m e d k e yw o r d s ： g i s ，g i s t ，v j r h l a 】n e 研。毗o p 虹m 啪r o u t ea l g o r i m m ， d y i l 锄i cs e 舯e n 诅t i o n 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 地理信息系统概述 1 1 1 地理信息系统的概念 第一章绪论 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 l s ) 是一门综合的 新兴信息科学技术和产业 李德仁，1 9 9 5 。它是测绘学、地理学、空间科学、 生态环境学、信息学、计算机科学、管理学、人工智能、专家系统与网络通讯 技术等领域的边缘交叉科学，是以这些学科为基础技术平台，用各种现代化的 方法来采集、存储、管理、分析、显示和应用与整个地球表面( 包括大气层) 空间和地理分布有关的数据信息的信息系统。 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时 提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术 系统，具有以下三个方面的特征： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性 和动态性； ( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空 间分析、多要素综合分析和动态预测能力。产生高层次的地理信息。 ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规 的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完 成的任务。 1 1 2 地理信息系统的产生与发展 g i s 是六十年代中期开始发展起来的新技术。它最初为解决地理问题而起， 至今已成为一门涉及测绘学科t 环境科学、计算机技术等多学科的交叉学科。 1 9 6 3 年加拿大测量学家r ft o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这一术语，并 建成世界上第一个g i s ( 加拿大地理信息系统c g i s ) ，并用于自然资源的管理和 规划。不久，美国哈佛大学提出了较完整的系统软件s y i l a p 。这可算是g i s 的 起步。进入7 0 年代以后，由于计算机软硬件水平的提高，促使g i s 朝着实用方 向迅速发展，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的g i s ，在自然资源管 理和规划方面发挥了重大的作用。如从1 9 7 0 年到1 9 7 6 年的几年中，美国国家 硕士学位论文 第一章绪论 地质调查局就建成5 0 多个信息系统。8 0 年代后兴起的计算机网络技术使地理 信息的传输时效得到了极大的提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复 杂的实际应用，成为辅助决策的工具，并促进了地理信息产业的形成。进入9 0 年代，地理信息系统步入用户时代。一方面，地理信息系统已成为许多机构必 备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而 改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另一方面，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。国家缀乃至全球性的地理信恳系统己成为公众关注的问题，例如地理信息 系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划；美国副总统戈尔提出的 “数字地球”战略也包括地理信息系统。 我国地理信息系统方面的工作自8 0 年代初开始。经历了起步、发展、产业 化三个阶段。以1 9 8 0 年中国科学院遥感应用硕究所成立全国第一个地理信息系 统研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、 硬件配制、软 牛研制、规范制订和技术队伍培养等方厦都取得了进步，积累了 经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。 从第七个五年计划开始我国的g i s 工作进入了发展阶段。地理信息系统研 究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目 标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统 研究与开发工作。如全国性地理信息系统( 或数据库) 实体建设、区域地理信 息系统研究和建设、城市地理信息系统、地理信息系统基础软件或专题应用软 件的研制和地理信息系统教育培训。通过近五年的努力，在地理信息系统技术 上的应用开创了新的局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决策中取得了 实际的效益。 自9 0 年代起，地理信息系统步入产业化阶段。执行地理信息系统和遥感联 合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理 信息系统从初步发展时期的研究实验、局部实用走向实用化和生产化，为国民 经济重大问题提供分析和决策依据。努力实现基础环境数据库的建设，推进国 产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术一体化。在地理信息系统的区 域工作重心上，出现了“东移”和“进癜”的趋向，促进了地理信息系统在经 济相对发达、技术力量比较雄厚、用户需求更为急迫的地区和城市首先实用化。 从应用方面看，地理信息系统己在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地 管理、农作物调查与交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然 灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导 硕士学位论文 第章绪论 航、1 1 0 报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用。目前g i s 的应用领域 已发展到近6 0 多个，且用户数每年以2 6 倍左右的速度增长。3 1 1 3 地理信息系统的功能 作为地理信息自动处理与分析系统，地理信息系统的功能遍历数据采集 分析一决策应用的全部过程，并能回答和解决以下五类问题： ( 1 ) 位置，即在某个地方有什么。位置可表示为地方名、邮政编码、地理 坐标等。 ( 2 ) 条件，即符合某些条件的实体在哪里。例如在某个地区寻找面积不小 于1o o o m 2 的不被植被覆盖的，且地下条件适台于大型建筑的区域。 ( 3 ) 趋势，即某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程。 ( 4 ) 模式，即某个地方存在的空间实体的分布模式。模式分析揭示了地理 实体之间的空间关系。 ( 5 ) 模拟，即某个地方如果具备某种条件会发生什么。地理信息系统的模 拟是基于模型的分析。 由于地理信息系统发展的多源性，其功能具有可扩充性以及应用的广泛性。 m a u g i l i r e 等按照地理信息系统中数据流程，将地理信息系统的功能分为以下5 类l o 种：采集、检验与编辑；格式化、转换、概化；存储与组织：分 析：显示。在分析功能中，把空问分析与模型分析功能称为地理信息系统高 级功能。【4 1 1 1 4 地理信息系统发展的趋势 近年来，计算机技术飞速发展，特别是软件技术的发展，促使g i s 技术发 生了很大的变化。国际g i s 技术的发展趋势，主要体现在两个方面。一是在技 术上的综合( i n t e 舒a c i o n ) ：一个是软件技术上的分化( f a c t i o n a t i o n ) ( 1 ) 技术上的综合 g i s 技术上的综合，主要体现在g i s 与其它信息技术上的结合。我们常说 的“3 s ”技术，即g i s 、r s 和g p s 的一体化，就是技术综合的一个体现。现 在的g i s 已经远远超出了这些。它已经与c a d 、多媒体、通信、! 嗽e m 税、办公 自动化、虚拟现实等多种技术结合，形成了综合的信息技术。综合是g i s 技术 开发和应用的重要方向。g l s 与几种信息技术的结合如下表所示： 塑主堂垡堡壅 苎二童堑堡 地理信息系统( g i s ) 与全球定位系统( g p s ) 、遥感技术( r s ) 的 结合就是我们常说的3 s 技术。在3 s 技术中g p s 实现准确的实时定位， g i s + g p s + 遥感影像提供准确的地理信息，将g p s 数据、遥感数据和各种资料在g i s r s 中进行综合处理与分析，就能得到地球空间中的地理实体全面、准确和 动态的信息。 g l s 与专家系统的结合称为专家g i s 或智能g i s 。目前g 1 s 的应用 还主要停留在建立数据库、数据库查询、空间叠加分析、缓冲区分析和 成果显示输出上。缺乏知识链理和启发式推理的能力无法为解决空间 g i s + e s 复杂问题提供足够的决策支持。专家g i s 是解决一些空间复杂问题的重 要途径，在专家g l s 当中，出g i s 完成空简位置分析工作，由e s 来评 价，二者相互补充。 虚拟g i s 就是g i s 与虚拟现实技术( v i r t u a lr e a li t y ) 的结合。 v r 技术是一种最有效地模拟人在自然环境中视、昕、动等行为的高级人 机交互技术。g i s 与虚拟环境技术期结舍，将虚拟环境带入g i s 将使g i s g i s + v r 更加完美。g i s 用户在计算机上就能处理真3 维的客观世界的虚拟环境， 更有效地管理。分析空间实体数据。目前虚拟g i s ( v g i s ) 的研究主要 集中在虚拟城市。 g i s 技术与i n t e r n e t 技术的融合形成一种新的技术* e b g i s ，它是 g i s 一个重要发展方向。w e b g i s 可实现网上发布、浏览、下载，实现基 g i s + 【n t e t 于w e b 的g i s 查询和分析。这将会使g i s 从一门专业人员的技本变成 人人都会使用的大众技术使g i s 从面向政府部门和科研机构扩大到公 司企业和个人。给g i s 带来一个广阔的发展前景。 无线通讯改变了人们的生活和工作方式。随着无线通讯技术的发 展，特剐是姒p 技术的应用使无线通信技术与g i s 技术以及i n t e r n e t 技术的结合成为可能，形成了种新的技术无线定位技术 ( w l r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g y ) 。利用这种技术人们可以利用手 g i s + w i r e l e s s机查询到自己所在的位置：再利用g l s 的空间查询分析功能，查到自己 c o m m 1 i c 8 t 啪 所关心的信息。据估计，利用手机进行无线上网、无线资料传输将是下 一个热潮。到2 0 0 2 年全球将有超过l 亿部手机有上阿功能，到2 0 0 3 年其数量将达到l o 亿部。g i s 与无线通讯的结合使g i s 借助于无线通 讯等技术手段更加深入地融入到我们的日常生活当中，这将是一个非常 广阔的市场。 硕士学位论文第一章绪论 程。 ( 2 ) 软件技术的分化 g i s 的软件技术的发展经历了从g i s 模块到组件式g i s 和网络式g i s 的过 目前，组件式g i s ( c o m g i s ) 和w e b g i s 已经成为了许多大型g i s 公司产 品的开发方向。( 组件式g i s 的基本思想是把g i s 的各大功能模块划分为几个 控件，每个控件完成不同的功能。各个g i s 控件之间以及g i s 控件与其它非 g i s 控件之间可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。) 组件式g i s 最大的好处是能够使g i s 功能嵌入其它软件，或将其它软 件功能引入到g i s 中来。组件式g i s 代表着当今g i s 发展的潮流。国际上大多 数g i s 软件公司把开发组件式软件作为重要的发展战略。i n t e r 脚h 公司宣称已 经进入组件式g i s 时代，它制定的j u 雠t e r 计划意在移植和开发多种组件式g i s ， 它推出的组件式g i s 软件一g e o m e d i a 是其庞大的j u p i t e r 计划中的一部分。e s 黜 在组件式g i s 方面了做了新的探索，在1 9 9 7 年年初推出了以m a p o b j e c t s 为代 表的新一代g i s ，m a p i n f o 也于1 9 9 7 年迅速推出m a p x 。国内的朝夕科技有限 公司于1 9 9 8 年年初推出了国产组件式g j s 软件m a p e n 毋n e 。 如前所述，w e b g i s 已经是当今g i s 技术发展的重要方向，成为g i s 领域 的竞争焦点。世界各大g i s 专业公司相继推出了各自的产品，如a u t o d e s k 公司 的m a p g u i d e ，e s r j 公司的i t l t e m e tm a ps e e r ，i m e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw 曲 m a p ，m a p i n f o 公司的p r o s e r v e r c 等，都希望抢占市场。然而，这些软件还不 完善，这给我国的g i s 软件事业提供了机会。 g i s 发展的下一个阶段也许是地理信息造型语言( g e o 肝印h i c1 1 1 f o n n a t i o n m o d e l i n gl a n g u a g e ) 。超文本标记语言( h 订n 1 ) 和虚拟现实造型语言( v r m i ) ， 能够在i n t e m e t 上很好地描述和表达文字、多媒体和图形。预计很快发展类似的 语言，将对g i s 产生巨大的影响。l 5 】 1 2 城市交通地理信息系统概论 1 2 1 交通地理信息系统的概念 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 n s y s t e m sf o r t r a n s p o n 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 硕士学位论文 第一章绪论 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。简而言之，就是将g i s 用予交通方面韵一种 综合技术( 李元军，1 9 9 3 ：萧世伦，1 9 9 6 ) 。 1 22 交通地理信息系统的发展现状 目前，g i s t 技术在国外发达国家发展很快。在欧美等发达国家，各地方 交通部门纷纷采用g i s t 技术建立交通管理系统、出行信息系统、商业车辆 运行系统、车辆自动定位系统及车辆自动识别系统等，并尝试通过互联网络实 时发布交通信息。在日本，以丰田公司为首的各大汽车公司，与交通部门通力 合作，己制定了完善的数字交通信息通讯协议，并在全球率先建立了全数字化 交通信息台，通过广播电台实时发布数字形式的城市交通信息，与之配套的车 载交通信息系统，可实时接收发布的数字交遥信息，反映在计算机屏幕上，并 可自动完成顾及实时交通状况的车辆的自动导航。 g i s t 在我国也得到了一些应用。如广州市推出“公交地理信息系统”和 公交免费查询电子触摸屏。通过公交地理信息系统，可以使公交车重叠率、换 乘系数等运行状况一目了然。该系统将各公交站点的特定位置在图像上进行准 确定位。另外“上海中心城智能交通一期工程”今年年内实施，率先启动的将 是为智能交通提供重要技术支撑的“中心城区道路交通信息采集系统”建设。 1 2 3 交通地理信息系统的意义 城市交通网络在城市发展中占有至关重要的地位。它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。长期以来，交通闷题已成 为困扰城市发展的重要问题。世界各国都面临着日益严重的城市交通问题，如 交通拥挤、车辆行驶缓慢、交通事故频繁及其由于交通堵塞造成的大量空气污 染等由此而带来大量的经济损失和人员伤亡。许多发达国家逐渐认识到，欲 有效地解决这些问题，仅仅依靠道路建设、扩大路网规模是远远不够的，交通 问题的解决必须依赖现代信息技术与管理技术的有机结合。 近十几年来，随着地理信息系统技术的快速发展，地理信息系统的各种应 用在城市规划、管理方面越来越起到不可低估的作用。在众多有关城市地理信 息的应用中，城市交通地理信息系统的发展越来越受到地理学者、城市管理者 的瞩目。交通数据的种类繁多( 包括属性数据、空间数据、影像数据等) ，数据 量大，操作复杂，人工管理难度大。交通地理信息系统的出现为交通数据的自 动化管理提供了一个可行的途径。g i s t 不但可以存储、管理和更新城市交通 网络的空间数据库，辅助城市交通线路规划、交通管理，而且更重要的是，通 硕士学位论文第一章绪论 过与g p s 技术、无线通讯、互联网络、虚拟现实等高新技术的有机结合，在 g i s 的数据操作及空间分析技术的辅助下，可以建立广泛的实时数字交通信息 用户服务体系，实现全数字化交通信息的实时发布、存储与检索，为城市交通 管理、车辆的人工及智能导航、客货运输调度及居民出行等提供有效的技术支 持。这种实时数字交通信息用户服务体系在被交通问题困扰的大中城市具有十 分迫切的市场需求。 1 2 4 交通地理信息系统的具体应用 ( 1 ) 电子地图使交通管理工作变得轻松直观 由于采用空间数据和数据库挂接，改变了传统的信息管理方法，地图由传 统的静态纪录变为信息丰富多样的动态的电子地图，实现了数据可视化。它使 交通主管部门对公路等基础设施的管理变得直观、简单和轻松。如通过直接对 地图实体进行查询，可以获得公路线路的空间位置和走向，技术标准，交通流 量等多方位的信息。通过综合统计和分析各种交通数据以及采用丰富多样的图 表显示，可以为决策提供科学快捷的支持。 f 2 ) 公路网规划手段更加强大 公路网规划和路线选择是g i s t 应用发展的重点领域之一。目前基于g i s t 的交通规划模型软件已经开发成功并进入商业化应用阶段，这些软件包括全部 的g i s 软件功能，其应用模型与g i s 集成为一体，它使交通规划的手段更加强 大。 由于应用g i s t 能够更好的考虑和评估公路对环境的影响，因此在公路路 线的选择和初步设计中g i s t 将得到广泛应用。加拿大已经成功地应用g i s 完 成了在温哥华岛的一条1 2 7 公里、4 车道的公路通道选择和初步设计。在此项 目中g i s 很好地解决了项目涉及的环境分析、公路选址等问题，包括野生动物、 森林、水、土壤、植被和土地利用等。 ( 3 ) ，道路设计和养护 g i s - t 为道路工程的计算机辅助设计c a d 提供了强大的数字化地理平台， 正是基于此，c a d 已有早期的平面二维设计跨入了三维设计，进入了可视化设 计时代，这是c a d 领域的突破性发展。 g i s - t 还与路面管理系统、桥梁管理系统等公路养护管理系统相关连，借 助先进的路面和桥梁检测设备和数据搜集手段，使道路养护管理更加科学合理， 经济高效。如加拿大的a l b e n a 省建立了公路维护地理信息系统，该系统使用专 用检测车辆，定期检测路面的平整度和损坏程度等：这些指标由车载全球定位 仪( g p s ) 定位装置准确确定道路的位置，检测数据传输到公路养护地理信息 硕士学位论文第一章绪论 系统，养护模块自动生成路段养护报告。 ( 4 ) 运输企业运营管理 借助g i s 的运行路径选择功能，运输企业可以对公司的运营线路进行优化， 并根据专题地图的统计分析功能，分析客货流量的变化情况，制定行车计划。 此外还可以帮助运输管理部门对特种货物( 如长大件货物、危险货物或贵重货 物) 运输进行线路选择和监控。 ( 5 ) 为智能运输系统( i t s ) 提供数字化平台 。 智能运输系统是新近发展起来的交通管理系统，它将和g i s t 、全球避位 系统g p s 一道成为未来十年交通领域快速发展的新技术。基于g i s - t 、g p s 的 i t s ，将能够为道路用户提供实时动态交通信息服务，改善出行方式；也能够为 道路管理者提供控制信息，大大提高现有道路的通行能力和安全性。这三种技 术如何有效的集成还处在研究之中，但无疑这将是g i s t 的又一重大应用领域。 1 3 本论文研究的主要内容 地理信息系统应用在交通领域给交通管理科学化带来了新的手段和方法， 而且g i s 与g p s 技术、无线通讯、互联网络、虚拟现实等高新技术的有机结合， 提供实时数字交通信息能有效地解决困扰各大中城市的交通阻塞问题，为居 民的出行提供实时、有效的技术支持。利用公交信息帮助公交出行者选择出行 线路、换乘路线，以提高出行者出行的便利性和高效性是一种最优路径的选择 问题。本论文研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 公交网络模型的建立。在地理信息系统中对地理网络进行分析和模 型化是网络分析的一项重要内容。目前关于这方面的研究基本上是基于道路网 进行的。本论文分析了公交网络的特点，指出道路模型不适合公交网络模型。 然后以长沙市公交网络为研究对象，对公交站点进行合理的抽象、合并。最后 给出用虚拟网络表示的公交网络模型。 ( 2 ) 基于换乘次数最少的最优路径算法研究与实现。目前国内外在最 优路径算法上的研究主要是对传统算法的改进和优化，其中被广泛采用并且研 究最多的是d i i k g 仃a 算法，这些算法多是基于路程最短的。本论文对公交乘客 出行心理进行了分析，发现换乘次数最少是乘客出行时的首要考虑因素。在此 基础上分析了传统的d i j k s 竹a 算法不适合公交网络最优路径选择，也分析了陈 萧枫等人提出的基于换乘次数最少的公交网络最优路径算法的不足，最后提出 了一种换乘次数最少为第一目标，路程最短为第二目标的公交最优路径改进算 法。 ( 3 ) 动态分段思想在m 卵i n f o 中的实现。在现有的g i s 中，线性特征多 硕士学位论文第一章绪论 数是用“弧段一结点”的模型来模拟的。该模型能较好地模拟静态特征，但在 处理弧段包含的属性是一对多的关系、弧段中的属性需要分段处理等情况时， 就显得无能为力了。动态分段是一种新的线性特征的动态分析、显示和绘图技 术，它能解决多重属性地理要素的表达问题。e s r j 公司已在a r c i n f o 中实 现了动态分段的功能，但目前在以m a p i t 怕为平台的g i s 系统中实现动态分段 思想的研究却不多见。本论文分析了动态分段的思想、基本要素，讨论了基于 m a d i n f o 数据结构的动态分段数据结构，并实现了在动态分段数据结构下最优 路径查询及路径的动态显示。 ( 4 ) 城市公交信息查询系统总体设计。目前我国的城市公交信息系统还 处于一个落后的水平，广大居民获得公交信息的方式还局限于交通地图、问讯 等常规方式而这种方式获得的信息有限。现代化信息技术的发展必将带来新 的信息获取方式。城市公交信息查询系统就是利用现代化的技术对公交信息进 行科学管理，向广大出行者提供实时、准确、直观的信息，帮助出行者选择最 佳路线、换乘方案，以提高出行的便利性和商效性。本文提出了公交信息查询 系统的总体设计方案，洋细介绍了此方案中各模块的功能。 1 4 本章小结 本章首先介绍了地理信息系统的概念、功能及它发展的趋势，然后讨论了 地理信息系统在交通领域的应用，介绍了交通地理信息系统的发展现状及它的 具体应用。最后提出本论文的主要研究内容：公交网络模型的建立。基于 换乘次数最少的最优路径算法研究与实现。动态分段思想在m a p i n f o 中的实 现。城市公交信息查询系统总体设计方案。 硕士学位论文第二章公交网络分析 2 1 图论 第二章公交网络分析 图论是研究事物及其之间关系的科学，任何一个能用二元关系描述的系统， 都可以用图提供数据模型。图论中的许多基本概念，如路径、路、连通性等都 是进行网络分析的基础。下面先介绍一个关于图的几个定义。 ( 1 ) 图：图论中，一个图g 是指由非空有限集合v ( g ) 和v ( g ) 中某 些元素的无序对的集合e ( g ) 构成的二元组( v ( g ) ，e ( g ) ) 。v ( g ) 称为 图g 的顶点集，其中的元素称为g 的顶点；e ( g ) 称为g 的边集，其中的元 素称为g 的边。有时也记为v = v ( g ) ，e = e ( g ) 。 v = v l ，v 2 ，v n ) e = ( v ，v 1 ) v v ，v 1 v ) ( 2 ) 有向图：有向图d 是指由一个非空的有限集合v ( d ) 和v ( d ) 中 某些元素的有序对的集合a ( d ) 构成的二元组( v ( d ) ，a ( d ) ) 。v ( d ) 称 为d 的顶点集，其中的元素称为d 的顶点；a ( d ) 称谓d 的弧集，其中的元 素称谓d 的弧。 ( 3 ) 赋权有向图：设给定的有向图d = ( v 。a ) 后，有时需要对d 的每条 弧a 赋一个实数w ( a ) ，w ( a ) 通常称为弧a 的权。w 是a 上的一个实值函数，称 为d 的有权函数。赋权的有向图d 称为网络或赋权有向图，记为d = ( v ，a ，霄) 。 有向图d 称为网络的基础有向图，必要时可以给每条弧赋以多个权。同样，也 可以给结点赋权，这样得到的网络称为点权网络。相对点权网络，给边赋权的 网络就称为边权网络。 ( 4 ) 路径：设g 是一个图，g 的一个顶点序列( v = v i ，。，v 。，v 。1 - v ) ， 其中( v 。v e ) ，1 = j = l n ，则这个顶点序列称为从顶点v 到顶点v 的路 径。序列中顶点不重复出现的路径被称为简单路径。 ( 5 ) 连通性：对于无向图g ，如果从顶点v 到顶点v 有路径，则称v 和 v 是连通的。对于有向图d ，如果从顶点v 到顶点v 有路径，但从顶点v 到顶点v 没有路径，则称v 和v 是单向连通的；如果从顶点v 到顶点v 有路 径，且从顶点v 到顶点v 也有路径。则称v 和v 是强连通的。 硕士学位论文第二章公交网络分析 2 2 地理网络的特点 将图论中网络的概念引入到地理空间中来描述和表达基于网络的地理目 标，产生了地理网络。在现实世界中，若干线状要素相互连接成网状结构，资 源沿着这个线性网流动，这样构成的一个系统就称为地理网络。如城市中公共 汽车沿着道路运行形成公共交通网络，水库中的水沿排水管流动形成排水管网 络。 在地理信息系统中，作为空间实体的地理网络与图论中的网络相比有其自 身的特点： ( 1 ) 地理网络作为一种复杂的地理目标，除具有一般网络的边、结点问的 拓扑意义之外，还具有空间定位上的地理意义和目标复合上的层次意义。 ( 2 ) 在现实世界中，地理网络晷标除了系列线状设施外，常常还包含一 些重要的点状设施，如交通网络中的车站和河网中的水闸都是不可缺少的点状 设施，在进行地理网络分析时必须考虑它们的表达和对整个网络的影响而且 这些点状设施作为具有一定地理意义的零维目标依附于线状设施之上，是一种 不同于网络的结点的新的点，也就是说点状设施不一定是网络中的结点。 ( 3 ) 按照几何形态，空间实体被抽象为点、线、面目标，作为复杂目标的 地理网络的构建是在一定的原子目标基础上复合而成的。弧段是线状目标数据 采集、存储的基本单元，它在构建网络之前并不具有完整的地理意义，通过结 构化的组织生成了目标意义的网络体系。由弧段构建网络的过程表现为分解与 合并两个方面，弧段的一部分作为边参与网络的生成，或者多条弧段合并成一 条边参与网络的生成。显然，在线性特征的表示中仅仅用弧段来描述线性特征 是不够的。为此在地理网络中引入一些新的概念扩充线性特征的表示方法。如 路径、段的概念。 2 3 公交网络的特点 城市中公交汽车沿着道路运行，形成的公交线路网是建立在道路网之上， 依据道路建立的网络模型并不能直接应用于公交网络，这是因为公交网络与道 路网络相比有它的一些特点： ( 1 ) 连通性 在道路网络模型中，通常是将道路交叉点抽象成一个结点，也就是说该结 点连接着多条路段，路段与路段之间在该结点处具有连通性。但在公交网络中， 如果将公交站点视为结点的话，那么同路公交线路在该点的连通性与不同公交 硕士学位论文 第二章公交网络分析 线路在该点的连通性是有差别的，这是因为不同路的公交线在同一站点上的连 通是需要换车而增掘时间消耗的。另外多条公交线路虽然可以相交子空间上的 同一个点，但是该点不一定是公交停靠站点或者不是同时有停靠点，在这种 情况下不同公交线路在这一点也不是连通的。 ( 2 ) 公交站点的特性 在公交线路网中。不同的公交线路在行程上定会有重叠。也就是说不同 的线路上一定会有同名站点，但在公交站点分布的实际情况中，即使是同名站 点也存在空间位置相异的情况。如果将一个公交盘占点规为一个结点，在进行网 络分析时，就要求把空间上相近的异线站点合理抽象成一个结点。这点会在 后面作详细介绍。 ( 3 ) 最短路径的意义 公交乘客出行和汽车司机运货所考虑的因素是不同的，汽车司机运货关心 的是如何选择最近距离最大程度的省时省油；而公交乘客出行更多考虑的是 出门的方便性和舒适性，所以道路网络中的最短路径和公交线路的最短路径的 意义是不同的。道路网络中的最短路径只要找出两点之间路径距离为最短即可。 但是在公交网络中，乘客不会为了寻找距离最短路径而随意换车。因为从一条 线路换乘到另一条线路是费时又费力的，在很多情况下，换乘另一趟车需要到 另一个站台，这就有一段的步行距离，而且在站台等车也是要消费时间的。所 以对于公交乘客来说。最短路径的意义并不在于路程是否最短，而在于换乘的 次数最少。 2 4 公交网络模型的建立 2 4 1 公交网络的抽象 公交站点在公交网络中是非常重要的点状设施，它是网络中拾起或卸下资 源的结点位置，所以在建公交网络模型时，必须考虑它们的表达和对整个网络 的影响。在实际情况中，同一条公交线路上两个方向的站点和不同公交线路上 的站点分布情况较为复杂，所以必须对公交站点进行一定的分析，抽象成网络 中的节点这一点对网络的拓扑表达是非常重要的。下面将对一些情况分别进 行说明。 ( 1 ) 同一公交线路两个方向上的同名站点的抽象 在同一条公交线路上，两个方向上的同名站点的空间位置是不重合的，( 图 2 1 ( a ) ) ，在网络模型中将同条线路两个方向上的同名站点抽象成一个节点( 图 2 “b 1 ) 。 硕士学位论文第二章公交网络分析 jl 厂 ( a ) 实际公交线站点示意图( b ) 抽象成一个节点 圈2 一l一条公交线路上两个方向的同名站点的抽象 ( 2 ) 不同公交线路的紧邻站点的抽象 不同公交线路的站点分布情况较为复杂，以两条不同公交线路为例来说明。 站点位置完全重合，如3 0 5 路和立珊专线在岳麓公园一站，站点位置是 完全重台的，这种情况下站点名一般是相同的( 圈2 2 ( a ) ) ； 两个站点不重合，但在同一道路上紧邻，如1 1 路车的东塘站和6 路车的 东塘东站。两个站点的位置只相隔3 0 米左右( 图2 2 ( b ) ) ； 在两条道路交叉口的各自道路上紧邻。如1 1 1 路的松桂园站和9 路车的 松桂园站就分别位于芙蓉路和展览馆路上。 ，乡三 a 1 l ( a ) 站点重合( b ) 同一道路上站点紧邻( c ) 不同道路上站点紧邻 图2 2 不同线路的紧邻站点的分布情况 站点重合的情况最简单，多个重台站点视为同一点，抽象成一个结点。 对具有紧邻关系的站点的抽象是非常关键的，它的目的是模拟人们在不同 线路之间换车的真实情况，以提高路径查询的正确性。因为在实际的换车情况 中，一定范围内的步行是乘客允许的也是必须的。本文在研究长沙市电子地图 时选择从烈士公园到宾佳乐的路径查询，查询的结果需要换乘两次车：坐1 4 6 到东塘北转7 路到铁道学院再转1 4 5 路。但在实际情况中，人们常会选择转乘 一次车的方案，即坐1 4 6 到东塘北再步行到东塘立交桥下转1 4 5 就可到达。出 硕士学位论文 第二章公交网络分析 现这种多转车现象的原因就是忽略了站点紧邻。所谓的紧邻是一个距离概念， 用以描述公交站点间空间位置上的距离关系。根据人们的实际行为情况和平均 公交路段的长度，定义紧邻距离为：d = w ，w 是一个人为干预的经验值，来进 行适当的缓冲区分析，将满足这个条件的站点抽象成一个节点，如图2 3 所示。 图2 3 抽象成一个节点 本文在对长沙市公交线路进行研究时，发现有些地方的情况比较复杂，比 如说东塘，东塘是个非常重要的中转地，在这里有8 趟公交车的起、终点站， 经过这里的公交线路更是多达二十几条。这里有个立交桥，在立交桥的东、西、 南、北方向都有公交站点，而且在立交桥下也有一些站点。在研究通过东塘的 公交线路时还发现，空间位置相同的站点却对应着不同公交线路的不同公交站 名，如7 路车在东塘立交桥北有个站点，站名为东塘，而6 路车在这个站点的 站名却叫东塘北，同样在东塘立交桥西、立交桥东都存在这样的情况，下面将 东塘立交桥附近线路及站点分布情况用图2 4 表示出来。 a 1 ：东塘( 7 ) ；东塘北( 6 ，20 2 ，1 4 6 ，20 2 ，10 4 ，) b 1 ：东塘( 6 ，3 1 4 ) ；东塘东( b ，1 1 ，1 0 3 ，1 1 6 ，1 43 ，) c 1 ：东塘( 2 ) ；东塘西( 8 ，1 1 ，1 16 ，13 7 ，10 4 ，1 4 3 3 14 ，20 2 ) d 1 ：东塘( 14 5 ，10 2 ，) 注：东塘( 1 4 5 ，1 0 2 ) 表示1 4 5 路和1 0 2 路车在这点的站名为东塘。 图2 4 东塘立交桥附近的站点分布情况 硕士学位论文 第二章公交网络分析 从图2 4 可以看到一个相同的站名“东塘”却对应四个位置不相同的站点， 这应该是长沙市公交规划不好的一个地方。在解决这个问题上本文考虑将a l 、 b l 、c 1 处的站名统一为东塘北、东塘东、东塘西，这样就不会出现同一个站点 具有两个不同站名的情况，而且乘客在东塘需要换车时，也可以根据带有方位 的站名很快找到换乘地点。 前面介绍了在长沙市电子地图中查询从烈士公园到宾佳乐的线路的结果是 换乘两次车，与实际情况不相符，这个原因就是忽略了东塘站与东塘北站之间 的距离关系。在这四个站点中位于立交桥下的站点d 1 分别与a 1 、b 1 、c 1 之间 满足紧邻关系，a 1 、b 1 、c 1 这三个站点之间却不具有紧邻关系。如果将d 1 与 a 1 合并，那么就不能反映d 1 与b 1 以及d 1 与c 1 之间的空间紧邻关系。本文采 取的方法是将d 1 同时与a l 、b 1 、c 1 合并。就是说如果在东塘立交桥下下车， 可以选择到东塘北、东塘东或东塘谣换车，这是与实际情况相符的。合并后的 站点情况如图2 5 所示。 ka ( a l ，d 1 ) _ ：1 ，d 1 )b ( b l ，d 1 ：东螗北( 7 ，6 ，2 0 2 ，1 4 6 ，20 2 ，1 0 4 ，) ；东塘( 1 4 5 ，10 2 ) b ：东塘东( 6 ，3 1 4 ，8 ，1 1 ，1 0 3 ，1 1 6 ，1 4 3 ，) ；东塘( 1 4 5 ，1 0 2 ) c ：东塘西( 2 ，8 ，1 1 ，1 16 ，13 7 ，1 0 4 ，1 4 3 ，3 1 4 ，20 2 ) ：东塘( 1 45 ，1 0 2 ) 图2 5 合并后的站点示意图 2 4 2 公交网络的表示 ( 1 ) 几何网络与虚拟网络 网络可以由多个要素类( f e a t u r ec l a s s ) 构成。例如，在电力网络系统 中，输电线路、开关和变压器等要素类型构成了一个电力网络。要素具有几何 信息并且可显示，可以称作几何网络。 几乎所有的网络分析工作均是在网络拓扑关系的基础上展开，而拓扑并不 一定完全依赖于几何，网络拓扑也并不一定总是表现为几何拓扑。为了使抽象 硕士学位论文 第二章公交网络分析 的网络更加适合网络分析，许多专家学者提出了虚拟网络( v i m l a ln 嘶r k ， v _ n e t ) 的概念，特别是在多模式交通网络中研究得较为深入( r a l s t o n1 9 9 4 ： j o u r q u i n & b e u t h e1 9 9 6 ；m i l l e r & s t o 咖1 9 9 6 ) 。虚拟网络是真实网络的逻辑抽象， 通过覆盖同一地区的几个相互独立的网络综合而来，它更强调拓扑表达，忽略 网络的几何形态。虚拟网络的基本要素由结点( n o d e ) 、单点( i n t ) 和联线( 1 i n k ， l ) 组成。 p o i n t ： 网络中具有