（大地测量学与测量工程专业论文）基于gpsgis的路段行程时间预测研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 是解决现代交通 问题的唯一方法行程时间预测是i t s 研究领域的一项重要内容，可以为i t s 的子系统提供实时，准确，可靠的行程时间预测信息 分析了g p s 和g i s 用于行程时间预测的可行性，将g p s 作为交通信息 采集的手段，具有传统交通信息采集手段所无法比拟的优越性，但国内外将 其作为交通信息采集主要手段的仍不多见，并且也缺乏理论体系的分析。对 用于行程时间预测所需的历史数据库进行了讨论。 分别对历史趋势法、时间序列模型、卡尔曼滤波和b p 神经网络时间预 测模型进行了分析。采用v i s u a lb a s i c 6 0 编程语言结合m a p x 进行开发，实 现g p s 数据在g i s 电子地图中的定位及轨迹的显示，并结合电子地图的基 础g i s 信息进行行程时间的预测和分析。 关键字；行程时间预测；g p s ；交通g i s ；历史趋势法；时间序列模型；卡尔曼滤波； b p 神经网络， ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文n a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( i t s ) c a ns o l v et h es e r i o u st r a f f i c p r o b l e m t h et r a v e lt i m ep r e d i c t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hi t e mi nt h ef i e l do f i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i tc a np r o v i d er e a l - t i m e ，a c c u r a t e ，r e l i a b l e t r a v e lt i m ep r e d i c t i o ni n f o r m a t i o nf o ri t ss u b s y s t e m s 、 t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h eg p sa n dg i st ou s e df o rt h ep o s s i b i l i t yo f t r a v e lt i m ep r e d i c t i o n ，a n da d o p t st ot h eg p sa st h em e a n st oc o l l e c tt h e t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o n ，t h et e c h n i q u ea st h ec o m p l e m e n t a r ym e a n so ft h e w a yt h a tt h et r a d i t i o n a lm e a n so ft h et r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ， h a v i n g t h e s u p e r i o r i t y t h a tt h et r a d i t i o n a lm e a n so ft h e t r a n s p o r t a t i o n i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gc a n t c o m p a r i n gt o ，b u tt a k i n gi ta sm a i nm e a n so f t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gs t i l ls e en o tm u c hi no u rc o u n t r ya n d i n t e r n a t i o n a l c o u n t r i e s ，a n da l s ol a c ko ft h ea n a l y s i st ot h et h e o r i e s s y s t e m t h e nd i s c u s s e st h eh i s t o r yd a t a b a s et h a tu s e df o rt h et r a v e lt i m e p r e d i c t i o nn e e d e d t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h et h e o r i e so fh i s t o r yt r e n dm e t h o d ，t i m e p r e f a c er o wm o d e l 、 k a l m a nf i l t e ra n db pn e u r a ln e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o n u s e st h ev i s u a lb a s i c 6 0p r o g r a ml a n g u a g et od e v e l o pw i t hv e c t o rm a pw i d g e t m a p xt oc a r r yo u tt h eo r i e n t a t i o na n dt r a c ko fg p sf i x e dp o s i t i o nd a t at o d i s p l a yi ng i se l e c t r o n i c sm a p ，t h e np a r r i e so l lt h et r a v e lt i m ep r e d i c t i o na n d a n a l y z e si tw i t hb a s i cg i si n f o r m a t i o no fe l e c t r o n i c sm a p k e yw o r d s ：t r a v e lt i m ep r e d i c t i o n ；g p s ；g i s t ；h i s t o r yt r e n dm e t h o d ；t i m e p r e f a c er o wm o d e l ；k a l m a nf i l t e r ；b pn e u r a ln e t w o r k 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i 绪论 i 1 研究背景 随着全世界范围内的经济发展、社会进步和城市化进程的加快，人们对 交通运输的需求也明显增长，交通运输与社会经济生活的联系也越来越紧 密尤其在大中城市，随着人民生活水平的提高，机动车数量的不断增加， 交通堵塞、交通事故等问题愈来愈严重，由此而引起的能源浪费、环境污染 等问题已成为影响社会发展的消极因素 交通拥挤对社会生活最直接的影响是增加了居民的出行时间和成本。美 国联邦住房管理局援引得克萨斯州交通研究院的调查数据，估计仅2 0 0 0 年 一年，美国国内最大的7 5 个城市因交通阻塞所造成的经济损失就在6 7 5 亿 美元，这个数据包括乘客消耗的时间价值( 估计每小时1 2 8 5 美元) 和燃料 消耗价值等据南加州政府交通规划局的统计，南加州地区在2 0 0 2 年的相 关经济损失达到6 0 亿美元交通拥挤也导致了交通事故的增多，欧洲每年 因交通事故造成经济损失达5 0 0 亿美元之多。2 0 0 4 年我国共发生道路交通事 故5 6 7 7 5 3 起，造成9 9 2 1 7 人死亡、4 5 1 8 1 0 人受伤交通拥挤还破坏了城市 环境，据统计，中国的城市环境污染状况相当于西方发达国家上世纪7 0 年 代水平，全世界污染最严重的1 0 个城市中，中国城市占5 个，而交通造成 的噪声污染占噪声污染总强度9 0 以上，造成的c o 污染占总污染强度的9 0 以上，拥挤情况下所造成的污染更为严重 尽管我国道路交通基础设施建设的步伐不断加大，城市问和城市内部的 道路网络已经初具规模，但是由于车辆和人们出行的增长，导致整个道路网 络内的交通流量也随之迅猛增长，交通需求与交通供给之间的矛盾依然十分 突出目前，全国3 2 个百万人口以上的大城市中，有2 7 个城市的人均道路 面积已经低于全国平均水平的6 6 平方米；9 0 年代中后期，上海等城市中心 区5 0 的车道上高峰小时饱和度更是达到9 5 ，全天饱和度超过7 0 ，平均车 速下降到l o k e h 据统计，1 9 8 6 年，北京机动车保有量为2 7 万辆，市区道 路面积为2 1 4 5 万平方米；到2 0 0 3 年底，机动车保有量增至近2 0 0 万辆，为 1 4 年前的7 倍多，而道路面积只有5 4 0 0 万平方米，增幅仅l 倍多据2 0 0 4 年7 月的统计：北京至少有3 0 的交通时间在堵塞、在等待，有3 0 的车辆 辽宁工程技木大学硕士学位论文 2 耗油是浪费的，有3 0 的行路里程是多走的。堵车已经成为北京人的切肤之 痛。根据世界银行对全世界几十个城市所作的调查结果表明：在正常情况下， 城市交通基础设施投入一般占城市g d p 的3 左右，即使个别城市在特殊时 期超过了5 ，也不会维持太长时间，否则将影响教育、环保、文化等其它需 求的平衡发展。九五”期间，北京市交通基础设施投入达4 0 0 亿元人民币， 占g d p 的4 3 。虽然，北京市对道路交通基础建设的投资力度，在全世界 都是少有的，但是，仍然无法实现交通需求与交通供给之间的同步发展多 年来。国内外的实践经验证明，在土地、资金和环境等因素的制约下，任何 国家和地区都不可能长期依靠大规模地修建道路来解决交通拥堵问题。因 此，当道路交通基础设施达到一定规模时，解决交通问题的手段应该从扩大 道路供给改变为提高道路的利用效率。此外，能源和环境问题的严重性也日 益为人们所认识因此，从整体的观点出发，把车辆、道路和人等众多要素综 合起来考虑，运用各种高新技术和人工智能技术建立具有控制能力的，现代 化的智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 来解决日益严重的 交通道路问题已迫在眉睫智能交通系统的概念就是在这种背景下产生的心 ，l 口 。i t s 是在关键交通基础理论研究的前提下，把先进的信息技术、数据通 信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的、综合的运用于地面交通 运输体系，从而建立起的一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效 的交通运输管理系统川 ， 先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ，a t i s ) 和先进的道路交通管理系统( a d v a n c e dt r a n s p o r tm a n a g e m e n ts y s t e m s a t m s ) 是i t s 系统的核心予系统，a t i s 可以提供多种交通方式的出行计划 和路线引导，能为各种类型的驾驶员和其它出行者提供咨询服务，a t m s 的 核心功能是对道路交通运行状态进行识别、对道路交通流进行控制、对紧急 事件做出快速反应，其目的是缩短出行时间、降低能耗、减少交通事故，提 高交通管理水平，实现道路交通社会效益与经济效益最大化。行程时间数据 是实现a t i s 和a t m s 多种功能的重要基础，行程时间预测一直是i t s 研 究的核心问题之一，实时、准确、经济的预测道路网络的行程时间对i t s 研 究、开发、建设与运营具有重要意义。 同时实时的交通信息是实现城市交通智能化的关键所在，是i t s 各子系 统实施的核心基础数据和重要前提，也是进行路段行程时间预测的必不可 少的数据基础i t s 是基于完善信息系统的综合高效管理系统，道路交通信 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 息是所有i t s 项目不可缺少的前提和主要内容，也是制约i t s 研究计划顺利 执行的关键因素。在交通规划和交通管理控制等方面具有广泛的应用前景。 有效利用实时交通信息是智能交通系统中最基础，最重要的组成部分 对于i t s 技术的发展来说，最重要的技术是如何有效利用信息及在交通 运输系统中进行处理，其中包括从不同运输系统中最大限度的采集组织和应 用信息。目前，人们已经越来越注意到信息采集技术的应用和发展，而这恰 恰是i t s 技术的基础 1 2 研究的目的及意义 本文的研究目的是利用新的交通信息采集手段进行数据的采集，在保证 数据有效性和经济性的基础之上，运用多种现代信息处理技术实现对行程时 间的预测，为i t s 各相关子系统提供高精度的行程时间预测信息 本文研究的意义在于： ( 1 ) 本文将g p s 用于交通信息的采集，其数据作为行程时间预测研究 的基础数据。该方法作为传统交通信息采集手段的重要补充手段。 ( 2 ) 利用g p s 和g i s 技术对路段行程时间进行预测和分析，实现了g p s 与g i s 技术用于路段行程时间预测的有效结合，对促进i t s 的研究，开发和 建设具有重要的理论意义和实用价值。 1 3 研究现状 在i t s 研究领域，以实现道路交通的信息化、智能化为目标的动态交通 流信息采集系统的开发与应用正以欧洲、美国、日本为中心迅速展开，为行 程时间预测打下了硬件基础。许多其他国家和地区也纷纷投入力量开展行程 时间预测的研究活动，目前行程时间预测已成为国际研究的热点问题之一。 随着i t s 研究的深入，行程时间预测已有不少成果。j o h n d r i l e y 和f u l i n z h u 等人建立了车辆自动识别系统以进行城市路段行程时间的预测。“1d o h n a m ( 1 9 9 6 建立的高速公路行程时闻预测模型应用了随机摔队理论和路 段上的车辆数，该模型没有对交通状况作任何假设，具有良好的实用性，但 该模型没有考虑城市道路交叉口的情况h 1 薪泽西工业技术研究所( 2 0 0 1 ) 研究认为基于浮动车的路径行程时问预测不能依附于路段行程时间，而应单 独研究。通过模拟发现，在正常的交通状态下，路径行程时间预测较路段行 辽宁工程技术大学硕士学位论文 程时间预测获得了精度更高的预测结果，但是对预测精度有影响的因素要进 行详细分析1 。j o h n r i c e 和e r i k v a i l z w e t ( 2 0 0 2 ) 运用当前交通状况结合历 史数据进行高速公路路段行程时问预测，通过单线圈和双线圈数据、视频数 据和基于浮动车数据等其它方式获得当前交通状况信息后，利用行程时间数 据在时间序列上的线性相关性进行行程时间预测，这种方法简单有效”1 加 州大学伯克力分校统计系( 2 0 0 3 ) 提出了快速路行程时间短期线性预测方法， 这种方法使用简单，计算效率高，对交通参数类型要求不限，不会造成高速 公路检测器采集的数据浪费n ”。通过以上文献可以看出，高速公路和快速路 的行程时间预测研究较早且比较成型，城市道路行程时间预测研究还比较少 不够成熟，可以借鉴高速公路和快速路的行程时间预测方法。 国内行程时间预测研究开展的也较早，从事这方面研究的主要有吉林大 学n ”、同济大学n 钉和北京交通大学n ”，但是也都处在起步阶段，主要是对 国外算法的验证和改善 根据研究对象的不同，行程时间预测分为城市道路行程时间预测、快速 路行程时闻预测和高速公路行程时闯预测。城市道路、快速路和高速公路及 其交通流有各自不同的特点。从车速上看，城市道路的设计行车速度低于快 速路和高速公路的设计行车速度；从交通流性质上看，城市道路的交通流由 于受交叉口的影响是间断流，而快速路和高速公路的交通流是连续流；从交 通流组成成分上看，城市道路的交通流较快速路和高速公路的组成复杂因 此，不同道路在进行行程时间预测时，所考虑的影响因索也有所不同。相对 城市道路的行程时间预测，快速路和高速公路的行程时间预测的影响因素和 突发事件相对较少，行程时间预澜模型的建立相对容易且准确性较高，这方 面的研究成果较多 一 根据研究内容的不同，行程时问预测分为路段行程时间预测和路径行程 时问预测，前者又分为路段交通流平均行程时闯和路段单车行程时间。路段 交通流平均行程时间是某一时段内路段上所有行驶车辆的行程时间平均值， 它描述的是路段宏观交通流的特性，与交通需求和道路通行能力有关。路段 单车行程时间是单个车辆通过某路段的行程时问，它描述的是路段上单个车 辆的特性，与驾驶员自身特点、车辆性能和道路交通状况有关，对于单个车 辆进行行程时间预测需要考虑的因素较多，且有些因素是很难估算的，如驾 驶员自身因素和主观意愿以及车辆性能等，且这些因素很难采集量化路径 行程时间是起终点间按一定路径出行所需的时间，与所选择的路径和路径的 道路交通状况有关，当所选的路径发生交通事故时，路径行程时间很难预测 但是在正常的交通状态下，路径行程时间预测精度高于路段行程时同预测精 度 本文所研究的路段行程时间的预测指的就是对城市路段交通流平均行 程时间预测的研究因为路段交通流平均行程时间描述的是宏观交通流特 性，可以利用交通流理论的基本知识和所采集的动态交通流数据进行预测 敲本文只对路段行程时问预溯进行研究 1 4 本文主要研究内容 本文研究内容如下： ( 1 ) 本文首先论述g p s 、交通g i s 技术可用于行程时间预测研究的可 行性，并阐述g p s 用于交通信息采集的方法，该方法具有传统交通信息采集 手段所无法比拟的优越性，但国内外将其作为交通信息采集主要手段的仍不 多见，并且也缺乏理论体系的分析 ( 2 ) 在保证输入交通信息能够可靠和准确地反映道路交通流运行状态 的基础上，行程时问预测的精度主要取决于预测方法。本文分别对历史趋势 法、时间序列模型、卡尔曼滤波、b p 神经网络等行程时间的预测模型进行 分析 ( 3 ) 使用高级编程语言v b 结合控件m a p x 进行开发，实现地图浏览的 一些基本功能，并实现g p s 数据在电子地图中的定位及轨迹显示，并结合电 子地图的基础g i s 信息进行行程时闻的预测和分析。 根据以上所述，本文的技术路线如图1 1 所示。， 1 5 本章小结 图1 1 本文研究技术路线图 日益严重的交通拥挤问题加剧了对i t s 的需求，行程时间预测是i t s 研 究领域的一项重要内容本章就是在上述背景下，提出研究问题，阐述了本 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 文的研究目的及意义，分析了行程时间预测的国内外研究现状，最后概述了 全文的研究内容及技术路线 辽宁工程技术大学颈士学位论文 2 用于行程时间预测的技术可行性分析 2 1 全球定位系统( g p s ) 2 1 1g p s 概述 g p s 全称是导航卫星全球定位系统( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n d r a n g i n g ，g l o b a l n a v i g a t i o ns y s t e m ) ，它是一个基于卫星的无线电导航系统， 它提供连续的全球覆盖，供无数用户使用，用户只需配备能处理卫星播发的 信号的接收器即可此系统可以分解为三个部分或者三个分区，即：空间部 分，控制部分和用户部分每个部分的主要功能是为广大用户提供精确的时 间脉冲和卫星星历常数，处理来自四个或者更多卫星的时间和位置信息，获 得位置、速度和时间测量值，跟踪卫星并定时向卫星提供周期修正值，修正 卫星星历常数和时钟偏差“”j 自s o 年代起，随着g p s 实验卫星和工作卫星先后不断升空，经各国科 学家的积极开发研究和各生产厂家的竞相研制，g p s 的硬件和软件不断更 新，日趋完善，使g p s 技术在导航、测绘等领域迅速获得推广应用，特别近 年来，g p s 在解决交通问题的i t s 中得到了更为广泛的应用，原因在于g p s 应用于导航定位的特点n ”，即： 1 ) 全球地面连续覆盖由于g p s 卫星的数目较多，且分布合理，所以 地球上任何地点均可连续地同步观测到至少四颗卫星，从而保障了全球、全 天候连续地实时导航与定位； 2 ) 功能多，精度高g p s 可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、 三维速度和时间信息。一般来说，目前其单点实时定位精度如不受s a 影响 可达5 1 0 米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级，静态相对定位耪 度可达到l 0 0 1 p p m ，测速精度为0 1 m l s ，而测时精度约为数十纳秒随 着g p s 测量技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一 步提高 3 ) 实时定位速度快利用全球定位系统一次定位和测时工作在一秒至数 秒钟内便可完成( n n s s 约需要8 1 0 分钟) ，这对高动态用户来说尤为重要。 4 ) 抗干扰性能好，保密性强。由于g p s 采用了数字通讯的特殊编码技术， 即伪随机噪声码技术，因而g p s 卫星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和 辽宁工程技术大学硕士学位论文 0 保密性。 5 ) 操作简便。g p s 涮量的自动化程度很高，且接收机的重量较轻、体积 较小，携带和搬运都很方便 由于g p s 主要是为满足军事部门高精度导航与定位的需要而建立的，所 以上述优点对军事动态目标的导航具有十分重要的意义正因为如此，美国 政府把发展g p s 技术作为导航技术现代化的重要标志，并把这一技术视为 2 0 世纪最重大的科技成就之一也正因为g p s 在导航中应用的特点，近年 来在i t s 的车辆导航中得到了广泛的应用 2 1 2g p s 在交通流信息采集中的应用 城市道路行程时间预测是通过对道路交通运行状况、气象环境条件和自 身设备工作状态等方面信息进行实时采集和有效处理实现的，其中动态交通 信息对城市道路行程时间预测起着非常关键的作用。 2 1 2 1 交通流信息采集方法 最初的交通流信息采集方法都是非自动的人工采集方法，包括人工观测 法和摄影法等。人工观测法是在固定路段及时间段内，由测量人员对车辆进 行记数和记录，此方法简单易行，不需要复杂设备，但需要较多的入力，采 集的数据种类、质量和数量都非常有限，实时性很差。摄影法是在检测路段 上做出标记后，定时对路段进行摄影，通过对照片进行处理得到交通流量参 数。此方法成本较高，数据处理工作量大非自动的人工采集方法所提供的 数据只能用于离线模型，无法用于实时的在线使用。 随着自动检测技术的广泛应用，交通信息采集已经由人工采集向自动采 集方向快速转变。例如感应式环形线圈传感器、地磁传感器、电磁传感器等 都是基于磁频的接触式信息采集技术，与非自动的人工采集方法相比较，磁 频采集技术可以在任意时间段内提供多条路段、多个车道的多种动态交通信 息 近几年来，更加先进、高效、方便的采集技术不断涌现，如基于波频和 视频的信息采集技术，包括微波传感器、超声波传感器、红外线传感器和视 频传感器等。与早期的自动采集技术比较，新兴的高科技自动采集技术具有 安装简便、数据传输线路维护简单、检测成本低以及采集数据种类多、数量 大、质量高的优点例如，在设备安装方面，线圈传感器需要埋设在地下， 豇宁工程技术大学硕士学位论文 9 而微波传感器只需要安装在路佣5 米高的地方即可；在数据采集方面，只有 在每个车道下都安装线圈传感器，才能获得各车道的流量和占有率数据，并 且需要同时埋设两个线圈才能实现对速度数据的采集，而微波传感器只需要 安装在路侧，而且可同时采集到8 个车道的流量、速度和占有率的数据。 上述所有用于交通流信息采集的手段都属于固定型传感器。根据其适用 条件和固定检测器选用原则，磁频车辆检测器中的环形线圈检测器更适合城 市道路行程时间预测，因为环形线圈检测器不受光线，树木遮挡的影响，同 时具有检测参数较多、准确性高和经济成本低等优点国内采用较多的是地 埋式线圈检测器，这种方法在技术上比较成熟，但从覆盖范围、检测参数、 可维护性和安装简易性等角度来看，该方法有诸多缺陷。这些设备成本高昂、 需人工维护、易磨损、受气候和光线条件影响大，使得很多城市的交通管理 部门仅在关键路段和主要交叉口安装这些设备( 使用检测器的交叉口数量不 到全部交叉口的1 1 0 ) 。有限数量的交通流检测器导致了城市交通网络状况 信息。真空”地带的存在，使得城市交通管理系统无法精确的进行控制和诱 导。 针对这一问题，一些学者提出了无线移动定位技术，除了上述的固定型 传感器以外，产生了一些安装在车内的移动型传感器，将其安装在浮动车内 可以确定车辆的瞬时速度以及在特定路段上的行程时间和行程速度，也可以 提供拥挤长度的数据n “”】 自动信息采集技术的发展和完善， 难事，数据的数量和质量有很大改善， 供了高质量信息保证 2 1 2 2g p s 交通信息采集技术 使得动态交通流信息的实时采集己非 这为交通参数短时预测方法的研究提 移动型检测器按采集技术的不同也可分为三类：基于g p s 采集技术的移 动检测器、基于电子标签采集技术的移动检测器和基于汽车牌照自动识别技 术的移动检测器。通过对其采集技术和性能的比较，基于g p s 采集技术的移 动检测器更适合城市道路行程时间预测，因为城市道路网络结构复杂，不适 合使用后两种移动检测器，而基于g p s 采集技术的移动检测器能跟踪车辆运 行轨迹受这种影响较小，且在城市范围内g p s 基站覆盖范围广，易于保证其 定位精度。 早在2 0 个世纪8 0 年代，发达国家就开始了利用无线技术进行交通信息 采集的研究和试验，2 0 世纪9 0 年代中后期无线技术的成熟极大地推动了该 辽宁工程技术大学磺士学位论文 技术的研究应用，如美国的a d v a n c e 和c a p i t a l 项目。澳大利亚悉尼科 技大学的g p s 蜂窝无线车辆定位比较实验，法国i n r e t s 机构在2 0 0 0 年开 展的离散事件仿真研究，新加坡道路交通局则利用1 0 0 0 0 辆出租车作为信息 采集车广泛搜集交通信息等等。这些工作都是将该技术定位于传统交通信息 采集方式的补充手段，而将其作为主要手段进行交通信息采集的尝试，目前 国外相关研究文献和报告并不多见。而且缺乏对其理论体系的分析。在中国， 虽然无线定位技术已被成功应用在物流运输、防盗报警等领域，但用于交通 信息采集还无成功的先例所以，从理论上和实践上充分开展该项技术的研 究对城市智能交通系统的建设和完善具有非常突出的意义“圳 2 2 交通地理信息系统( g i s t ) 2 2 1g i s 及交通g i s 的产生 地理信息系统( 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 ，简称g i s ) 它是用于 采集、存储、管理、传输、模拟、处理、查询、检索、分析，表达、更新和 应用地理空间信息的计算机系统从技术角度看，它是以地理空间数据库为 基础，采用地理模型分析方法，适时提供有关空间的、动态的地理信息，为 社会实践或决策服务的一种计算机技术系统m ， 。 g i s 将定量分析与空间思维融于一体，被喻为新一带描述客观地理世界 的语言与分析的工具它在资源调查、区域管理、城市建设、环境保护、交 通规划与管理、国土规划等国民经济与国防建设的众多领域得到了广泛应用 【2 ：】 交通与通讯是当今社会经济发展的两大支柱其中交通问题日益引起广 泛的重视，如交通拥挤、事故频繁及环境污染造成了大量的经济损失和人员 伤亡越来越多的人认识到，仅仅靠增加道路建设是不够的，必须依靠信息 技术，达到加强交通管理的目的。同时，道路的修建、交通规则的制定也迫 使人们要了解更多的路况信息。为了应对这些问题，与交通有关的各个部门 相应建立了各种信息系统，但是这些信息系统多建立在表格数据库的基础 上，无法与地理位置信息相联系各种反映空间信息的图纸也难以进行计算 机管理与检索，依然无法满足当今信息时代各方对交通信息的需求因此， 有j 必要建立一套实时的可视化的交通地理信息系统( 可简称“交通g i s ”或 。g i s t ”) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 交通g i s ( g i s - t ，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 mf o rt r a n s p o r t a t i o n ) 是g i s 重要研究方向和应用领域之一它是收集、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交通g i s 是g i g 重要的一个 分支交通g i s 是建立在各种交通运输网络基础上，通过数据库与空间分析 相结合的方法，描述交通运输网络和网上运输流，并反映运网中所存在的问 题。交通规划、预测等模型与g i s 结合，使之成为交通辅助决策支持系统。 交通g i s 可以应用到国家、省、市等不同层次，也可以应用在政府、交通运 输规划管理设计等部门。而且更进一步在即将快速发展的智能交通系统 ( i t s ) 中起到集成与核心的作用乜” ， 1。 - 随着智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 在我国 研究和开发的不断深人，对交通地理信息系统的需求日益迫切，面向i t s 的 g i s 研究与开发已经成为i t s 研究与应用的重要组成部分 。 2 2 2g i s t 在i t s 中的应用 ，d 智能交通系统是将先进的信息技术、数据通信技术、电子技术、自动控 制技术以及信息处理技术等有效地融合起来，运用于整个交通管理系统而建 立起来的一种在大范围，全方位发挥作用的实时，准确、高效的运输综合智 能管理系统。系统将采集到的各种与交通有关的信息集中处理后，传输给交 通参与者和管理者，出行者可以选择交通方式和交通路线；交通管理部门可 以及时疏导交通；运输经营者可以掌握车辆的运行情况，科学安捧运输生产 智能交通系统能使路网上运行的交通流处于最佳状态，改善交通拥挤和滞 留，最大限度地提高路网的通行能力， 全性和生产效率n ” 提高整个道路运输系统的机动性、安 交通地理信息系统处理的数据主要是道路空问数据和属性数据。空间数 据包括图形数据( 与位置有关的坐标系中点、线、面的基本图形数据) 、图形 空间的关联数据( 空间实体的拓扑结构数据) 属性数据是与空问位置无关 的，对图中空间实体予以描述和说明的数据。交通地理信息系统涉及城市基 础地理信息、基础交通设施以及显示动态的交通流信息，交通拥堵信息、交 通违章和事故信息等 在智能交通系统中，地理信息系统与信号控制系统、1 2 2 接处警系统、 警车定位系统( g p s ) 、视频监控系统、信息综合系统、电子警察系统和事故 宁工程技术大学硕士学位论文 处理系统有密切联系。这些系统作用发挥的大小与地理信息系统有直接的关 系。 。 1 综合指挥系统需要地理信息系统作为载体显示各种交通信息和相关分 析结果地理信息系统使综合指挥系统在处理非常态交通事务管理、相关子 系统监控和决策支持分析中更加拥有针对性，并能抓住问题的核心。 信号控制系统需要地理信息系统显示信号控制器和信号灯的位置、信号 灯在交通控制时的状态，同时，信号控制系统采集到的交通流数据及拥堵情 况需要地理信息系统显示 “ 视频监控系统需要地理信息系统显示视频监控点的位置，并能在相应点 显示视频检测交通流 1 2 2 接处警系统需要地理信息系统显示报警地点、事故及违章的地点。 警车定位系统需要地理信息系统显示安装了g p s 装置的警车所处地点 和警车所运行的轨迹。 电子警察系统需要地理信息系统显示电子警察安装的地点和违章的地 点，在交通分析中，能够显示交通违章的多发地。 由此可见，地理信息系统在整个智能交通系统中起着重要的基础性作 用，i t s 的许多子系统都涉及g i s ；同时，g i s t 本身也完成自己相应的功 能。所以，g l s 在i t s 中是基础子系统和功能子系统的集成 2 3g i s 开发形式选择 一般来说，地理信息系统的开发主要有3 种形式：自主设计空间数据 的数据结构和数据库，利用v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 等编程语言 开发地理信息系统软件。这种开发形式主要适用于开发商品化的地理信息系 统平台软件，并且对科研力量和开发经费有很高的要求，对开发一些实际应 用系统而畜，投入过高而不一定实用引进国外先进的地理信息系统软件 ( 如a r c i n f o ，m a p i n f o 等) ，利用其提供的二次开发工具( a m l m a p b a s i c 等) ，结合自己的应用目标开发。这种方法比较简单易行，但移植性差，且 受开发工具的限制，不能脱离原系统软件环境而独立运行利用支持面向 对象技术的高级程序语言和g i s 厂商提供的控件构成而向最终用户的可执行 应用程序利用这些控件开发的g i s 被称为组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，缩 写为c o m g i s ) 。c o m g i s 是一种新的g i s 开发思想，它是将g i s 功能分散制 作成a c t i v e x 控件，这些标准的a c t i v e x 控件可以被任何支持它们的开发环 辽宁工程技术大学硕士学位论文 境所调用，以便在信息系统中加入g i s 功能心” 目前，比较流行的c o m g i s 软件主要有m a p o b j e c t s 和m a p x 等。m a p x 是m a p l n f o 公司向用户提供的具有强大的地图分析功能的a c t i v e x 控件产 品，由于它是一种基于w i n d o w s 操作系统的标准控件，因而能支持绝大多数 标准的可视化开发环境。编程人员在开发过程中可以选用自己最熟悉的开发 语言，轻松的将地图功能嵌入到应用中，并且可以脱离m a p l n f o 的软件平合 运行利用m a p x ，能够简单快速地在企业应用中嵌入地图功能，增强企业 应用的空间分析能力，实现企业应用的增值。m a p x 采用基于m a p i n f o p r o f e s s i o n a l 的相同的地图化技术，可以实现m a p l n f op r o f e s s i o n a l 具有的绝 大部分地图编辑和空间分析功能。而且，m a p x 提供了各种工具、属性和方 法，实现这些功能是非常容易的n ”。 m a p x 空问结构纵向上采用分层结构，横向上采用空间实体和空间索引 相结合的方法。分层结构便于不同的地物分别管理，如不同等级的公路可以 分别或同时显示，空间索引结构便于实现查询和检索。 m a p x 在顶层的m a p 下，分为l a y e r s ，d a t e s e t s ，a n n o t a t i o n s 三个分支， l a y e r s 实现层的管理，如添加、删除图层等；d a t e s e t s 读取属性表的各字段， 操纵标注、显示选用字段的值；a n n o t a t i o n s 是修饰图层，可在其上添加、删 除专题图，增删装饰图层等。这三个分支分别适合于图层管理，属性数据管 理、专题管理等，非常适合于环境监测的管理。 2 3 1m a p x 的空间数据结构 空间数据结构是g i s 的基石，g i s 就是通过这种地理空间拓扑结构建立 地理图形的空间数据模型，并定义各空间数据之间的关系，从而实现地理图 形和数据库的结合。 从横向分析，m a p x 采取的空间结构是基于空间实体和空问索引相结合 的一种结构。空间索引是查询空间实体的一种机制，通过空间索引，就能够 以尽量快的速度查询到给定坐标范围内的空间实体及其所对应的数据。从纵 向分析，m a p x 的空问数据结构是一种分层存放的结构。用户可以通过图形 分层技术，根据自己的需求或一定的标准对各种空间实体进行分层组合，将 一张地图分成不同图层采用这种分层存放的结构，可以提高图形的搜索速 度，便于各种不同数据的灵活调用、更新和管理。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 台簟瞄 曩l 图2 1m a p x 的空问数据结构 2 3 2m a p x 组件的模型结构 m a p x 组件的基本组成单元是o b j e c t ( 单个对象) 和c o l l e c t i o n ( 集合) 。其 中集合包括对象，是多个对象的组合每种对象和集合负责处理地图某一方 面的功能。图2 2 就是m a p x 组件的模型结构图 由图2 2 可以看出，位于顶层的是m a p 对象本身，其它均由m a p 对象 继承l a y e r s 、d a t a s e t s 、a n n o t a t i o n s 是m a p 对象下面的三个重要分支。其 中l a y e r 主要用于操作地图的图层，d a t a s e t 用于访问空间数据表，a n n o t a t i o n 用于在地图上增加文本或者符号 图2 2m a p x 对象模型结构 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 3 3m a p x 的基本属性 m a p ：每个m a p 对象主要包括l a y e r s ，d a t a s e t s ，a n n o t a t i o n s 三个对象集 合，m a p 对象有一些主要的属性，如z o o m 用来设置放大级别( 在地图上显 示的大小) ，r o t a t i o n 控制地图的旋转角度，c e n t e r x 和c e n t e r y 用于设置x 和y 的坐标系，这要取决于地图的投影m a p 对象的许多属性本身又是一个 对象，比如说一幅地图由多个图层组成，则在一个m a p 对象中存在一个单独 的l a y e r s 集合，其中包含所有图层的信息 一 1 ) l a y e r s ：在m a p x 中，每张单独的地图都被表示成单独的一个图层。 所有的图层存储在l a y e r s 集合中。l a y e r s 集合由l a y e r 对象组成，按顺序编 号为0 到r 1 l a y e r 对象由f e a t u r e s 对象组成，f e a t u r e s 对象又是由f e a t u r e 对象组成，对应于地图中的点、线、区域或符号最上面一层为l a y e r s ( 1 ) ，l a y e r s ( 2 ) 位于l a y e r s ( 1 ) 的下面，以此类推。最下面的图层最先绘 制，最上面的图层最后绘制。在应用程序中，合理地安排好每层在l a y e r s 中的顺序是至关重要的。比如说有两个图层，一层为点，一层为区域，则应 将点层放到区域层的上方，否则区域会将点覆盖另外，在进行地图选择操 作时，根据要求调整图层的顺序也是十分重要的。m a p x 中的选择工具总是 从可选择图层中的最上层开始选择，如果在地图上的同一位置存在多个位于 不同层的地图对象，其结果是很难精确地选择到目标对象因此，最好将被 选择图层提到最上层显示 2 ) g e o s e t s ：g e o s e t 是在o e o m a n a g e r 中建立好的g s t 文件，类似 m a p l n f o 中的w o r k s p a c e 概念，是图层及其设置的集合，控制程序中显示的 地图也可以在运行阶段设置g e o s e t ，此时将导致已经加载的所有图层和 d a t e s e t 被删除而由g e o s e t 中定义的图层所代替如果单纯地想删除所有图 层，只需给g e o s e t 赋一个空字符串即可可以使用g e o s e tm a n a g e r 程序来 管理g e o s e t 文件( 幸g s t ) 默认情况下g s t 文件存储在、m a p x m a p 、 目录下，可以调用g e o d i c t i o n a r ym a n a g e r 程序进行修改，指向用户程序数 据所在的位置。 3 ) d a t a s e t s ：d a t a s e t s 用于实现地图与数据的绑定建立地图信息与属 性数据之间联系的过程称之为自动绑定或自动匹配 ( a u t o b i n d i n g a u t o m a t c h i n g ) 要实现这一过程，必须首先将地图在 g e o d i c t i o n a r y 中注册。属性数据表示的可视化使得创建专题地图成为可能。 4 ) a n n o t a t i o n s ：a n n o t a t i o n s 集合提供了操纵地图中文字和符号的简单 辽宁工程技术大学硕士学位论文 方法a n n o t a t i o n s 位于所有其它图层的上方并且不与任何数据连接，类似于 m a p i n f o 中的透明图层a n n o t a t i o n s 包括以下主要的属性和方法：a d d s y m b o l 在a n n o t a t i o n s 中增加符号，符号类型使用m a p d e f a u l t s t y l e 定义；a d d t e x t 在a n n o t a t i o n s 中增加文本；r e m o v e 删除特定的标注；t y p e 取值为 m i s y m b o l a n