（系统分析与集成专业论文）网络分析在交通gis中的应用研究.pdf

摘要 随着城市交通管理信息系统的高速发展，路径优化的实现在城市交通中显得日益重 要。目前的解决方案是利用地理信息系统( 简称g i s ) 的强大的网络分析功能，其中路 径规划作为g i s 中最为关键的网络分析功能，应用广泛。但针对不同g i s 平台，实现方 式不同，效率低下等问题，仍然困扰开发者。因此，针对某一类g i s 平台，开发出高效 交通网的路径优化系统，成了我们关注的问题。 本文就空间数据库设计以及网络分析在a r c g i s9 2 中的实现进行详细探讨。结合作 者参与的贵阳市经济开发区安监内部应急救援系统，对如何提取城市交通网的道路图层 的几何网络以及如何在拓扑分析图上实现d i j k s t r a 算法进行分析，借助成熟的新一代g i s 软件a r c g i s9 2 实现城市道路两点间最短路径的搜索。研究工作主要涉及以下方面： 1 本文对地理信息系统进行了阐述，重点分析了g e o d a t a b a s e 数据模型以及g i s 的网络 分析功能。 2 对空间数据库进行设计。 3 通过交通电子地图提取道路图层，建立几何网络，建立拓扑结构，使用d i j k s t r a 算法 在逻辑网络上实现最短路径。 4 空间数据量较大，d i j k s t r a 算法需要搜素所有的网络结点，计算时间会递增；城市交 通越来越复杂，维护道路拓扑结构更加困难：这些需待作者在后续研究工作中加以解决。 关键词：地理信息系统：路径优化：拓扑结构；最短路径分析；d i j k s t r a 算法 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ec i t yt r a f f i cm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，c a r r y i n g o u tt h eo p t i m i z e dp a t hb e c o m e si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti nt h ec i t yt r a n s p o r t a t i o n t h ec u r r e n t s o l u t i o ni su s i n gp o w e r f u ln e t w o r ka n a l y s i sf u n c t i o no fg 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 ( a b b r e v i a t e da sg i s ) ，t h ep a t hp r o g r a m m i n gi st h em o s td e c i s i v en e t w o r ka n a l y s i sf u n c t i o n ， a p p l i e de x t e n s i v e b u ta i m e da td i f f e r e n tg i sp l a t f o r m ，c a r r yo u tw i t hd i f f e r e n tw a y , t h el o w l y e f f i c i e n c yp r o b l e ma n ds oo n ，s t i l lp e r p l e xd e v e l o p e r t h e r e f o r ea i ma tac e r t a i ng i sp l a t f o r m ， d e v e l o pt h ee f f i c i e n t l yo p t i m i z e dp a t hs y s t e mi nt r a f f i cn e t w o r k , b e c o m et h ep r o b l e m o fo u r c 0 i k 圮m t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h es p a c i a ld a t a b a s ed e s i g na n dt h e 。r e a l i z a t i o no ft h en e t w o r k a n a l y s i si nt h ea r c g i s9 2 i nd e t a i l c o m b i n ew i t ht h es e c u r ea n ds u r v e i l l a n c ei n t e r i o r e m e r g e n c ys c h e m es y s t e mi nw h i c ht h ea u t h o rp a r t i c i p a t e do nt h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t a r e a , i ng u i y a n gc i t y q u e s tf o rh o wt ob u i l du pt h eg e o m e t r i c a ln e t w o r ko fr o a dl a y e rf r o m c i t yt r a f f i cn e t w o r ka n dh o wt oc a r r yo u tt h ed i j k s t r aa l g o r i t h mo nt h et o p o l o g ya n a l y s e d i a g r a m w i t ht h eh e l po ft h en e wg e n e r a t i o nm a t u r eg i ss o f t w a r ea r c g i s9 2t oc a r r yo u tt h e s h o r t e s tp a t hs e a r c hb e t w e e nt w op o i n t so nt h ec i t yr o a d r e s e a r c hw o r km a i n l yi n v o l v e st h e f o l l o w i n g ： 1 t h i sp a p e re l a b o r a t et h eg 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 ，a n a l y z e dt h ed a t am o d e lo f g e o d a t a b a s ea n dt h ef u n c t i o no ft h eg i sn e t w o r ka n a l y s i sp o i n t 2 d e s i g nt h es p e c i a ld a t a b a s e 3 g e tr o a dl a y e rf r o mt r a f f i ce l e c t r o n i c a lm a p ，s e tu pg e o m e t r i c a ln e t w o r k , s e tu pt h e s t r u c t u r eo ft o p o l o g y , c a r r yo u tt h es h o r t e s tp a t hu s i n gt h ed i j k s t r aa l g o r i t h mo nt h el o g i c a l n e t w o r k 4 t h es p e c i a ld a t a sq u a n t i t yi sv e r yh u g e ，t h ed i j k s t r aa l g o r i t h mn e e dt r a c ea l ln e t w o r k n o d e s ，c o m p u t i n gt i m e w i l li n c r e a s eb yd e g r e e s ；t h ec i t yt r a n s p o r t a t i o nb e c o m em o r e c o m p l i c a t e d ，m a i n t a i nr o a dt o p o l o g ys t r u c t u r em o r ed i f f i c u l t ；t h e s en e e da u t h o rt os o l v ei n t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：g i s ；r o u t eo p t i m i z a t i o n ；s t r u c t u r eo ft o p o l o g y ：s h o r t p a t ha n a l y s i s ； d i j k s t r aa l g o r i t h m 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 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。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：京焉耗 日期：2 0 0 艿年6 月弓日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保 密论文在解密后遵守此规定) 作者签名：涂街彘 指导教师签名：饼涂 日期：2 0 0 8 6 3 日期：抛器弓 1 1 课题的背景及意义 1引言 目前，我国城市交通正以高于经济增长的速度发展，城市交通问题已经影响到社会 和经济生活的各个方面，是社会和经济发展中必须解决的问题，迫切需要出台完善的城 市交通规划和交通路径规划【1 l 等系统。随着全球科学技术的飞速发展，计算机技术、网 络技术和通讯技术已逐步渗入到城市交通管理中，利用现代化科学技术管理城市交通， 合理地、科学地引导和控制交通流，有效地提高现有交通网络的运行效率，是城市交通 管理发展的必然。智能运输系统【2 l ( 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r r s ) i e 是在这 种情况下提出来的。i t s 是应用信息技术、通信技术、定位技术以及控制技术来改善道 路交通的效率、安全和环境因素的一场全球性的技术变革。i t s 是将先进的信息技术、 数据通讯传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等综合运用于整个地面运输管理 体系，建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时的、准确的和高效的道路运输 综合管理系统。这个系统将汽车、驾驶员、道路及其相关的服务部门相互连接起来，并 使汽车与道路的运行功能智能化。具体地说，1 t s 将采集到的各种道路交通及服务信息 经交通管理中心集中处理后，传输到公路运输系统的各个用户，使得用户能够根据信息 进行管理和决策。利用i t s ，出行者可实时进行出行时间和出行路线的选择，交通管理 部门可自动进行合理的交通流诱导、控制、事故的提前预报处理等等。从而，使交通流 处于最佳的运行状态，最大限度地提高路网的通行能力。而1 t s 的核心组成部分就是基 于城市路网的路径规划系统，与地理信息系统g i s 的结合也是i t s 能够实施的关键所在。 随着计算机科学和信息科学的发展，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 ) 在人们的生产和生活中的应用日益广泛。近几年发展起来的融计算机图形和 数据库于一体的g i s ，是储存和处理空间信息的新技术，它把地理位置和相关属性有机 结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、工程规划、 湖北大学硕士学位论文 企业管理、居民生活等对空间信息的要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达， 进行各种辅助决策。g i s 具有强大的网络分析功能，其中路径规划【3 】作为g i s 中最为关 键的网络分析功能，得到了广泛的应用。路径规划就是在城市道路网图的基础上，在车 辆行驶前或行驶中规划最佳行驶路径的过程。路径规划的核心就是最短路径分析。作为 网络分析中的最基本问题和许多领域中选择最优问题的基础，最短路径分析在交通网络 分析系统中占有重要地位。从网络模型的角度看，最短路径分析 4 1 就是在指定网络中两 结点间找一条阻碍强度最小的路径。根据阻碍强度的不同定义，最短路径不仅仅指一般 意义上的距离最短，还可以引申到其它的度量，如时间、费用、线路容量等。相应地， 最短路径问题就成为最快路径问题、最低费用问题等。因此，最短路径分析是计算机科 学与地理信息科学等领域研究的热点。 本论文的研究工作是基于城市路网的路径优化方法研究，正是站在智能运输系统 i t s 的前沿，致力于解决作为系统核心问题的路径优化，因此具有一定的学术价值和现 实意义。 1 2 国内外研究现状 路径优化问题是在一个赋权图的两个节点之间找出一条具有最小最优权值的路径， 是图论研究中的一个重要问题。城市交通路网中路径优化等实际问题都可以与寻找一个 图的最优路径问题密切相关。因此，对路径优化问题的研究具有重要意义和实用价值。 路径优化问题是一个典型的组合优化问题，而且是一个n p 难题。随着人们对n p h a r d 问题的研究，提出了许多用于解决该类问题的方法，例如遗传算法、蚁群算法、模拟退 火算法、d i j k s t r a 算法、人工神经网络方法等【5 1 。 ( 1 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 遗传算法是由美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授发展起来的。它是一种借鉴生物界 自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法，其主要特点是群体搜索和群体中个体之间 的信息交换，搜索不依赖于梯度信息。遗传算法是一种全局搜索算法，尤其适用于传统 2 1 引言 搜索算法难于解决的复杂和非线性问题。近年来，许多学者使用遗传算法来解决路径优 化问题，从其成果来看，将遗传算法用于求解路径优化问题有两个显著优势。其一，如 果使用线性规划直接求解该问题，在问题规模较大时，问题的求解将耗费巨大的系统空 间和时间资源。而遗传算法的求解中其运算规模用群体规模的大小来确定，运算时间也 可用进化代数来控制，求解大规模问题时显得十分经济。然而，将遗传算法用于求解路 径优化问题存在一些不完善的地方，如由算法本身特点造成的，由于产生初始种群是随 机的，而初始种群又是后面遗传进化操作的基础，当初始种群中含有比较接近路径最优 的个体时，算法收敛就会比较快，否则就比较慢；算法中的随机交叉和变异也影响着算 法的收敛速度，这样就使得算法收敛的速度随机性也比较大。 随着遗传算法的发展，它广泛地与其它算法相结合，产生了许多混合遗传算法。王 俊海将m e n e t i c 算法与遗传算法结合起来，提出了一种基于m e n e t i c 算法的高效遗传算 法，把局部优化的高效性与遗传算法的鲁棒性很好的结合取得了满意的结果。r a n i e r i b a r a g l i a 等提出的一种并行混合启发式( p a r a l l e lh y b r i dh e u r i s t i c ) 算法，取得了很好的效 果。 ( 2 ) 蚁群算法( a n tc o l o n ya l g o r i t h m ) 蚁群算法( a c a ) 是由意大利学者m d o r i g o ，a c o l o m i ，v m a n i z z o 等在9 0 年代初提出 来的一类新的模拟进化算法，它是受到真实蚁群行为的启发而提出的。算法的特点是模 拟蚁群行为，通过信息素的积累和更新来寻求最优解。蚁群算法为求解复杂的组合优化 问题提供了一种新的思路。a c a 用于路径优化问题的优点是： 无论对于局部区域或大范围的交通系统，都可以通过创建包含路径所有属性的 数据库，用蚁群算法实现两地之间最优路径的实时搜索，具有实用性； 实现了蚁群的协同工作，减少了计算时间的循环次数，提高了效率； 把不同状态条件改变，该方法还可以应用于其它优化问题，具有很好的扩展性； 蚁群算法具有正反馈、分布式计算等特点，易于与某种启发式算法相集合，从 而发现较优解。 3 湖北大学硕+ 学位论文 同样，将蚁群算法应用于路径优化也有它的弊端，a c a 的计算时间会随着问题复 杂而迅速增长，算法过程中参数值的合理选择亦需进一步的研究。 在蚁群算法的发展中人们不断探索新的混合式算法，中国科学院研究生院的高随 祥、胡纯德等通过将人工免疫算法( a r t i f i c i a li m m u n ea l g o r i t h m ，简称- 姒) 与蚁群算法 相融合，在算法的前过程使用a i a ，充分利用a i a 的快速性、随机性、全局收敛性来 寻找较优的可行解，算法后过程采用a c a 利用前过程中灿获得的较优可行解，产生 初始信息分布，然后充分利用a c a 的并行性、正反馈性提高了求解的效率，实验证明 这是一种在收敛速度和寻优能力上都比较好的新的优化方法。 ，( 3 ) 模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ) k i r k p a t r i c k 等于1 9 8 3 年首先提出模拟退火算法。该算法用于求解优化问题的出发 点是基于物理中固体物质的退火过程与一般优化问题的相似性。模拟退火算法的最主要 特征是具有跳出局部极值点区域的能力，故能寻找到全局最优或近似最优而与初始点的 选择无关，这也正是模拟退火算法与局部搜索算法的本质区别所在。模拟算法用于路径 优化问题中时显示了与一般常用算法不同的优越性，具有思路清晰、使用灵活的特点， 它可以在较短时间内求得更优近似解，而且允许任意选取初始路径和随机数序列，减少 了算法求解路径的前期工作量。而且由于引入了m e t e o p o l i s 规则，使该算法在解决问题 时不再完全依赖初始路径，保证了最终路径的最优。但是，模拟退火算法由于直接性和 简单化，在不同具体问题中对冷却参数等需要经过多次的修改才可以得到较好的结果。 ( 4 ) d i j k s t r a 算法 d i j k s t r a 算法用于计算一个源节点到所有其它节点的最短代价路径，它是按路径长 度递增的次序来产生最短路径的算法。d i j k s t r a 算法基于图论中的网络图模型，用标号 的方法不仅求出从节点助到的最短路径，最后得到的实际上是从n 到其它各个节点 的最短路径。 d i j k s t r a 算法由于适应网络拓扑的变化，性能稳定，因而在计算机网络拓扑路径选 择以及g i s 中得到广泛的应用。d i j k s t r a 算法用于计算一个源节点到所有其它节点的最 1 引言 短代价路径，有较高的应用价值，它的时间复杂度是o 似_ 。目前提出的最短路径分析 算法有很多种，其中有三种公认效果比较好，它们分别是t q q ( g r a p hg r o w t hw i t ht o w q u e u e s ) ，d k a ( d i j k s t r a sa l g o r i t h mi m p l e m e n t e d w i t ha p p r o x i m a t eb u c k e t s ) ，以及d k d ( d i j k s t r a sa l g o r i t h mi m p l e m e n t e dw i t hd o u b l eb u c k e t s ) 。其中t q q 算法的基础是图增长 论，用两个f i f o 队列实现了一个双端队列结构来支持搜索过程。后两种算法都是基于 d i j k s t r a 算法，采用桶结构明显提高了永久标记点的搜索速度。本文解决的是基于g i s 的城市路网的路径优化问题，因此将采用目前应用较多较为成熟的改进的d i j i k s t r a 算法 来实现路径寻优。 在路径优化问题上，还有许多其它方法，例如图论基本算法、启发式搜索算法、动 态规划方法、神经网络方法等。 1 3 课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容为研究地理信息系统( g i s ) ，以及g i s 中的数据模型。数据 组织方式及g i s 强大的网络分析功能。明确路径优化问题是网络分析问题的重要组成， 而最短路径问题又是路径优化问题的核心。在此基础上，进行最短路径问题的分析和算 法研究，最终实现基于g i s 的交通网络路径优化系统。 该交通网络路径优化系统采用a r c g i s 公司提供的a r c g i ss c r v e r ，将其与可视化编 程工具m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 相结合，在贵阳市电子地图上实现g i s 数据转换， 抽取线点拓扑结构，对相关元素标注相关属性，建立属性数据库，应用路径搜索算法， 实现电子地图中两点间的路径寻优。 实现待解决的关键问题为： ( 1 ) 将电子地图矢量化并提取几何网络结构； ( 2 ) 空间数据库的设计； ( 3 ) 选择合适的最短路径算法，并加以实现，在拓扑关系图中实现最短路径搜索。 5 湖北大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本文的组织结构如下： 第1 章介绍了该课题的背景及意义，以及地理信息系统的国内外研究现状、最短路 径问题的国内外研究现状等，并对基于g i s 的城市交通网络路径优化系统的主要研究内 容进行了明确。 第2 章介绍了地理信息系统的基本情况，包括g i s 的概念、发展历史，目前的应用 领域及发展状况等，研究了g i s 中的数据模型，包括空间数据和属性数据的数据模型等， 并分析了数据模型与g i s 功能之间的联系，在本章的最后研究了g i s 的网络分析功能， 为后续研究奠定理论基础。 第3 章是空间数据库的设计，本文结合贵阳市道路数据建库的实例，系统地阐述 了从数据库方案选择、数据分层、属性库设计、数据检查、数据组织到入库的全过程。 从理论上探讨了网络、多边形一体化的道路数据库组织原理，在技术上基于道路数据本 身的网络性特点和建设管理部门对道路数据库的应用要求，为道路、交叉口、附属设施 等制定了科学的分段原则，总结出了实用高效的道路数据库建库技术路线，应用上开发 出了针对建设管理部门管理道路需求的集多样化查询、各类专题统计、路径分析等操作 于一体的应用系统。 第4 章从基于g i s 的交通网络路径优化方法实现的角度进行研究，包括系统开发平 台的选择，系统开发流程的说明以及交通网络的矢量地图表达等，重点研究了由电子地 图中提取几何网络结构的理论和方法，确定d i j k s t r a 算法最适合本文研究的路径优化系 统，随后对d i j k s t r a 算法进行了详细的研究。并在此网络结构图上应用d i j k s t r a 算法实 现最短路径的搜索。 6 2 地理信息系统概述 2 地理信息系统概述 信息系统是现代管理与决策工作的重要手段。在现代社会中，各种各样的管理信息 系统、咨询信息系统、决策支持系统乃至模仿专家思维与决策过程的专家系统都在夜以 继日地帮助人们进行着规划、管理、决策、事务处理及信息咨询，极大地提高了工作效 率，成为当代社会生活的一大亮点。在很多情况下，信息内容常常要求与地理环境和地 理位置相联系，例如常用的地图、图纸一类，不仅要求能够表达时间发生的过程和结果， 而且要求能表达事件发生的地点、周围环境以及与其它事物之间的空间相互关系等处 理和使用“地理信息，这样就产生了地理信息系统。 2 1 地理信息系统的基本概念 地理信息系统最早萌芽于北美，2 0 世纪6 0 年代初，加拿大的r o g e re t o m l i n s o n 和 美国的d u a n eem a r b l e 在不同的地方、从不同角度提出了地理信息系统的构想。目前， 随着世界经济的快速发展，特别是随着计算机硬、软件技术的快速发展，地理信息系统 技术发生着日新月异的变化，目前正处在一个极快的发展阶段。地理信息系统不再是单 纯的计算机地理制图系统或纯粹的计算机图像处理系统，并再也不是两者的简单叠加， 而是有了更为广阔的应用领域和更深层次的用途。 2 1 1 地理信息系统的概念 地理信息系统【6 】( 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 ) 是一种将空间位置信息 和属性数据结合在一起的系统，是一种为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数 据而建立的计算机化的数据库管理系统。这里的空间定位数据是指采用不同方式的遥感 与非遥感手段所获得的多种数据类型的数据，包括地图、遥感、统计数据等，其共同特 点是都有确定的空间位置。 地理信息系统的定义由两个部分组成：一方面，地理信息系统是- i - 1 学科，是描述、 存储、分析和输出空间信息的理论和方法的- i - j 新兴的交叉学科；另一方面，地理信息 湖北大学硕十学位论文 系统是一个技术系统，是以地理空间数据库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 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、地理决策服务的计算 机技术系统。 地理信息系统的处理对象是空间实体，其处理过程是依据空间实体的空间位置和空 间关系进行的。地理信息系统是一种决策支持系统，具有信息系统的各种特征，但g i s 独特的特征在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与地理位置有关的 地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列 的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成 部分。g i s 是用于处理地理数据的应用系统，它至少包含输入输出、数据库管理系统和 分析工具三个具有不同功能、但相互作用的组件构成，其体系结构见图2 - 1 。 图2 - 1 地理信息系统体系结构 2 1 2 地理信息系统的发展历史 g i s 技术起源于2 0 世纪五、六十年代的地理学的定量革命，并脱颖于计算机制图 技术。当时定量地理学随着统计方法和计算机的介入，正在着手解析空间分析方面的探 讨，并开始了机助制图的研究。g i s 的发展依赖于计算机技术的发展，尤其是计算机图 形学的发展。g i s 萌芽于2 0 世纪6 0 年代初，7 0 年代，美国人口调查局为g i s 技术的发 展奠定了基础，它们把数学中的一个分支拓扑学用于人口统计中，并成为地图学的新 方法，即用点、线、多边形来描述地图特征、边界和面积，并使之与现实世界中的空间 8 2 地理信息系统概述 实体一一对应。用拓扑学原理建立的数字图形文件中包含了拓扑信息，通过它们可以确 定地图中各特征之间的相邻和连接关系，为用数字和数学的方法进行地图研究提供了新 的空间分析方法。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机软硬件成本的迅速降低，功能不 断加强，以及数据库管理系统的广泛使用，使计算机制图系统和g i s 成本也开始下降。 同时，对计算机制图与g i s 的区别也有了统一的认识，认为其除了具有制图功能外，还 应具有空间分析功能，它应该是一个综合系统，可以通过其软件对关系数据库管理系统 以及地理属性数据进行控制，允许对数字图形文件进行解析分析。这样，空间分析功能 便成了g i s 的主要特征。 2 1 3 地理信息系统的应用领域及发展趋势 从当前国内外g i s 技术研究和应用的情况来看，国内外对地理信息系统的研究已经 进入了广泛实际应用阶段，如城市交通管理、消防信息管理、城市地下管道管理等。地 理信息系统自诞生至今，其应用领域已由自动制图、资源管理、土地利用，发展到与地 理位置相关的邮电通讯、水利电力、金融保险、地质矿产、交通运输等多个领域。目前 交通行业的研究人员已将g i s 运用到交通行业的许多方面，尤其是在交通工程领域，采 用g i s 技术和方法研究交通规划、工程管理、交通运输及其相关问题，与其它传统的方 法相比，具有无可比拟的优点，如快速灵活性，客观定量性以及强大的分析模拟能力等。 目前，国内外很多业内人士致力于研究并应用这一先进的、科学的研究方法和手段。 当前地理信息系统的发展趋判7 l ，主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 面向大型的应用和面向公众的应用均加速发展 在大型工程方面，如美国内务部土地管理局的自动土地与矿产资源系统( a l m r s ) 和森林局6 1 5 工程，仅硬件和软件的耗资就高达1 2 亿多美元：美国海军的海图计划， 建库的费用也在数亿美元。另一方面，一些面向公众的应用，如城市交通咨询、旅游景 点咨询等也通过计算机网络将各种空间信息传送到千家万户。 9 湖北大学硕士学位论文 ( 2 ) g i s 的应用微机化 随着计算机硬件技术的飞速发展，使原来主要运行于图形工作站上的地理信息系 统大都转而面向个人电脑和微型计算机系统。这一变化的实践意义远远超过了它在技术 上的进步，实际上使得g i s 这一新兴的技术可以迅速地普及到社会生活的各个领域，极 大地拓宽了g i s 的市场，也同时使g i s 技术本身得到了快速的发展。 ( 3 ) g i s 的网络化和w 曲g i s 随着计算机网络技术的发展与普及，基于网络的分布式地理信息系统已成为大、中 型地理信息工程的必然选择，特别是基于政府的、或基于大、中型企业的信息系统要求 能够实时、快速地连接各行政组织和基层单位快速变化的各种信息，以便及时调整方案 或作出决策，就必须建立基于网络的地理信息系统。而且，一些特定的地理信息系统， 例如城市交通管理信息系统、铁路运输调度系统等，其环境就必须是基于网络的。同时， i n t e r n e t 的快速普及也极大地改变了人们的生活，在i n t e m e t 上传播和发布地理信息使人 们能像在地理信息系统中一样用浏览器来浏览和查询地理信息，甚至进行简单的地理分 析，成为众所向往的趋势。 ( 4 ) g i s 与遥感及g p s 的结合 遥感实时、快速和大范围获得地面变化着的各种地理信息的能力使得遥感和g i s 相 结合的系统在许多关乎国民经济、人民生命财产安全和国家中、长期战略规划的应用中 表现出了无可比拟的优越性。地理信息系统和遥感数据采集系统相互配合、互为补充， 就能及时准确地将遥感实时观测数据与g i s 中的基础地理数据、d e m 数据、地名数据、 社会经济统计数据相结合，并通过g i s 各种空间分析模型和空间分析算法，获得各种需 要的分析结果和决策信息。g i s 和g p s 相结合的系统在城市交通管理、智能化交通指挥 系统中显示了强大的功能，如通过车载g p s 系统，出租车公司就可以对全公司的车辆 进行动态管理，并可以在车内进行路线选择；g p s 用于野外调查，可以大大提高野外调 查的工作效率。因此，g i s 与g p s 的结合是g i s 当前应用领域的重要发展方向之一。 1 0 2 地理信息系统概述 ( 5 ) g i s 的智能化 g i s 的智能化，是指g i s 与专家系统的结合。随着当前地理信息系统应用的不断扩 展和深入，大型应用中要求处理或要求决策的问题越来越复杂，其中相当一部分问题是 数学模型或其他模型难以胜任的，这就要求地理信息系统与专家系统相结合，以借助于 专家的知识和经验，模拟专家的决策方法，从而使复杂的决策问题相对简化。 2 2 地理信息系统的数据模型 地理信息系统的空间数据模型l 引，就是地理信息在计算机中的组织与编码形式，它 是适应于计算机存储、管理和分析的地理空间数据的逻辑结构。地理信息是用来表示地 理实体特征的数据，是g i s 研究和作用的对象，地理信息数据具有以下三个基本特征： 属性特征：用来描述地理实体特性的数据，如地理实体的类别、等级、数量和 名称等。 空间特征：用来描述地理实体的地理位置以及空间相互关系，又称几何特征和 拓扑特征的数据。 时间特征：用来描述实体随时间变化的数据。 目前空间数据的时间特征相对应用较少，多考虑其属性特征与空间特征的结合。因 此现在g i s 系统常用的表示地理实体特征的数据主要有两类，即空间数据和属性数据。 用于表示地理对象位置、分布、形状、空间相互关系等信息内容的数据，被称为“空间 数据”，而表示地理对象与空间位置无关的其它信息，如颜色、数量、等级、类型等信 息内容的数据，被称为“属性数据 。一般来讲，前者有较为复杂的数据结构，而后者 却有较为丰富的数据形式。空间数据的数据模型主要有矢量数据模型和栅格数据模型， 而属性数据分为矢量数据和栅格数据，分别处理为向量模型和主题模型。 湖北大学硕士学位论文 2 2 1 空间数据的数据模型 正是由于空间特征的存在，空间的个体才具有了空间位置和距离的概念，并且距离 邻近的个体之间存在一定的相互作用，空间数据之间的关系也更为复杂，不仅有拓扑关 系、方位关系，而且度量关系等又与空间位置和个体之间的距离有关。这些都使得空间 数据比其它类型的数据要复杂得多，其复杂性特征【9 j 主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 空间属性之间的非线性关系 空间属性之间的非线性关系是空间数据复杂性的重要标志，其中蕴涵着系统内部作 用的复杂机制，因而被作为地理信息系统开发的主要任务之一。 ( 2 ) 空间数据的多尺度特征 空间数据的多尺度特征是指空间数据在不同观察层次上所遵循的规律以及体现出 的特征不尽相同。 ( 3 ) 空间信息的模糊性 空间数据的模糊性几乎存在于各种类型的空间信息中，如空间位置的模糊性、空间 相关性的模糊性以及模糊的属性值等。 目前，主要有两类用于空间数据处理的通用数据模型：基于实体的模型( e n t i t y b a s e d o m o d e l ) 和基于域的模型( f i e l d - b a s e dm o d e l ) 。前者将空间信息表示成离散的、可标识的 空间实体。后者是处理空间分布信息，每种空间分布都可以表示成一个从空间框架 ( s p a t i a lf r a m e w o r k ) n 属性域( a t t r i b u t ed o m a i n ) 的函数，地形高程、降雨量和温度分布都 属于这种模型。在计算机图形处理过程中，这两种模型分别转化为栅格数据模型( r a s t e r d a t a m o d e l ) 和矢量数据模型( v e c t o rd a t a m o d e l ) 。 ( 1 ) 栅格数据模型 栅格数据就是用数字表示的像元阵列，栅格的行和列规定了实体所在的坐标空间， 而数字矩阵本身则描述了实体的属性或属性编码。栅格数据最显著的特点就是存在着最 小的、不能再分的栅格单元，在形式上常表现为整齐的数字矩阵，因而便于计算机进行 处理，特别是存储和显示。在基于栅格的系统中，有两种基本的方法可以赋予实体属性 1 2 2 地理信息系统概述 数据。一种相对简单，是为每一个网格赋一个数值代表属性，根据属性值的分布就可以 表示实体的位置。每个网格单元在所给地图中只能有一个属性值。另一种是第一种的扩 展，它把网格单元与数据库管理系统互相连接，一个网格单元可以有多种属性。这种方 法能够减少必须存储的数据量，并容易与其它数据结构建立关联，在数据库管理系统下 进行数据的存储、查询和处理，正被广泛应用。 栅格模型的突出优点是，它可以直接利用遥感、数字摄影测量、扫描等方式获取栅 格形式的数据，且数据结构简单，空间数据的叠置和组合十分方便，各类空间分析都很 容易实现，数学模拟方便。其缺点是：随着精度的增大，数据量不断增大，从而对设备 的存储空间要求过高，且查询速度较慢：图形数据量大，用大像元减少数据量时，图形 精度和信息量受到损失；地图输出较差，难以建立网络连接信息，投影变换十分耗时。 栅格数据结构有利于多边形的叠置、空间均值处理和空间分析，但输出的专题地图既不 美观也不够精确。 ， ( 2 ) 矢量数据模型 矢量数据模型假定地理空间是连续的，而不是量化为相互独立的栅格。矢量数据模 型是g i s 主要的数据模型之一。类似于矢量地图，g i s 的矢量数据模型也是用点、线( 或 称“弧”、面( 或称“多边形”) - - 种主要的图形元素来抽象表示地理对象的。点用独立的空 间坐标对表示，线用一系列坐标对表示，面是由首尾相连的线构成的多边形。图2 2 表 示的是基本矢量数据模型的表达形式。 图2 2 基本矢量数据模型的表达形式 从理论上说，矢量数据描述的是连续空间，因而它能精确地表达地理实体的形状与 1 3 湖北大学硕士学位论文 位置，又可以通过点、线、面三种基本图元之间的联系，构筑地理实体及其图形表示的 邻接、连通、包含等拓扑关系。矢量数据模型的这些特点，都更有利于地理信息的查询、 网络或路径的优化、空间相互关系的分析等。矢量模型的属性表达方式与栅格数据不同， 栅格数据是基于栅格位置来存储属性数据和定位空间，而矢量数据的属性表达是将实体 数据和属性数据分别存储在不同数据库管理系统的文件中，即实体数据独立存储，通过 一定的关系与独立存储的属性数据相关联，使得矢量模型更加图形化，形象地表达地球 - 1 ? 表回。 与栅格模型的数据结构相比，矢量模型的数据机构是一种更加紧密地数据结构。所 需的存储空间较小，精度不受限制，原始地图的精度即是矢量化地图的精度，定位明显， 属性隐含，容易定义和操作单个空间实体。矢量数据结构能够进行有效的拓扑编码，便 于进行空间拓扑分析。矢量数据模型的缺点是数据结构复杂，算法难以实现，尤其是数 据的编辑、更新和处理相对复杂，不能有效地支持图像代数运算，且计算时间消耗大。 但与栅格结构拓扑关系相比，计算上的难度是可以通过硬、软件技术的进步加以克服的。 综上所述，矢量和栅格是两种表达空间事物的基本模型【1 0 l ，表2 - 1 对栅格和矢量两 种数据模型进行了比较。 表2 - 1 矢量模型与栅格模型的比较 矢量模型 栅格模型 1 数据存储量小1 数据结构简单 2 空间位置精度高2 多中地图叠合分析方便 3 空间关系描述全面，对线状、网络状事物的分3 容易描述边界复杂、模糊的 优 析方便事物，便于处理三维连续表面 点 4 空间和属性数据综合查询方便4 能直接处理数字图像信息 5 普通地图可直接手工数字化5 能直接用栅格状设备输出 图形 1 4 2 地理信息系统概述 1 数据结构复杂1 数据存储量大 2 多种图形叠合分析比较困难2 空间位置精度低 缺3 边界复杂模糊的事物难以描述3 难以表达线状、网络状事物 点 4 不能直接处理数字图像信息4 输出地图不美观 5 普通地图需按矢量方式数 字化 近年来，许多研究者在栅格数据模型和矢量数据模型之外，探索一种矢量一栅格一 体化的数据模型，以实现这两种模型的统一和优势互补，这一探索目前仍处于研究阶段。 由于城市交通路网路径优化系统的以下特性，结合矢量数据模型和栅格数据模型的 特点，本文认为矢量数据模型更适合于该系统的信息处理与分析。 一。 路网线路为线状事物，交织为网状分布； 在城市路网中进行信息分析与处理时，很多情况下需要空间数据与属性数据的 综合应用； 需叠合的图层相对较少； 在系统的数据分析中，二维平面模型即可满足要求，无需三维数字模型。 2 2 2 属性数据及其表示 g i s 中地理对象与位置、分布、形状等空间信息无关的特性，用属性数据来表示。 属性数据相对于空间数据来说，通常呈相对独立的变化，即空间位置不变，而属性类型 可能已经发生了变化，如交通网络中路段空间位置未变，但技术等级提高等情况。因此， 属性数据的管理是十分复杂的。有效的空间数据管理要求空间数据和属性数据单独存 放，并采取不同的处理方式。这种数据组织【1 1 】方法，对于经常变化的数据具有更大的灵 活性。属性数据是g i s 的重要特征，它有两重含义：一是确定地物是什么，属于哪一类； 二是描述地物的详细信息。因此，g i s 中属性数据的采集量一般情况下要大于空间图形 数据的采集量。地理信息系统的重要特征之一就是把空间数据与属性数据综合到一个单 一的系统中，这使得空间数据与非空间数据之间交互的复杂分析与建模成为可能。属性 1 5 湖北大学硕士学位论文 数据由于空间数据的数据模型的不同，分为矢量数据和栅格数据，分别对应于向量模型 和主题模型。 ( 1 ) 向量模型：g i s 矢量数据模型采用的是“面向对象”的图形数据结构，属性值与 对应的地理实体相联系。空间数据以实际表示的地理对象组织为一个单元( 点、线、面) ， 该地理对象的属性数据可以是描述该地理对象的一切形式的数据类型，各属性项之间彼 此独立，从而形成该对象的属性向量序列，称之为“向量模型”。 在矢量数据模型中，空间数据的单元是抽象化的点、线、面数据对象，其属性数据 的具体内容，一般要比空间数据灵活，原因是其在很大程度上依赖于系统设计对属性数 据的内容和处理要求。如本文的城市路网路径优化系统涉及到的道路的属性描述，可以 有名称、起点、到达点、长度、路宽、路面状况、路面等级、林荫带的有无、最大允许 车速、最大允许承压等。这些属性数据，对不同的信息系统，就有着各种选择的较大灵 活性：对于城市交通管理信息系统来说，大部分内容都是必需的，甚至还需要补充：对 于城市人口信息系统来说，很多数据信息都未必需要，有很大程度的简化。相对于道路 信息，同样是“线 实体的河流，用于航运管理和水资源优化利用的信息系统，属性数 据的选择同样会有很大的不同。因此，可以看出，同是点、线或面的空间数据类型，其 属性数据会千差万别。属性数据的这种随应用而