（计算机应用技术专业论文）基于gist的面向对象时空数据模型的研究.pdf

中文摘要 g i s t ( 交通地理信息系统) 是g i s 应用的一个重要的方向，g i s t 的发展 越来越受到学者和交通管理者的重视。g i s t 数据模型的发展需要迎合先进技 术，g p s 、互联网的普及使得g i s t 数据模型需要进一步规划、整理和完善。随 着面向对象技术的日臻完善，面向对象g i s - t 数据模型需要进一步的改进。 根据g i s t 数据所具有的时空特性，本文对现有的时空数据模型进行对比 分析。从分析中可以看出，基于状态的模型( 如序列快照模型) 与基于事件的 模型( 如基态修正模型) 各有优点。针对这一问题，本论文尝试设计了基于状 态一事件的面向对象时空数据模型。 本文的主要研究工作有以下几点： 通过对g i s t 数据和时空数据模型的分析，探讨现有的g i s t 时空数据模 型所存在的问题。首先对g i s - t 数据理论进行简单的阐述，然后从时空数据模 型的定义出发，对现有时空数据模型的分析比较，得出现有的各种时空数据模 型的优劣。 建立了基于状态一事件的时空数据概念模型，并对事件、状态、对象及事 件与对象之间、事件与状态之间的关系进行描述。根据实体对象的三个基本特 征时空、空间和属性，提出以事件作为依据对时间进行分割，从状态的角 度对时空数据建模的思路。本文描述了对象变化的各个方面，即对象状态的改 变、空间位置的改变以及对象的演变等等，提出了 五元组的描述方式，并详细对各个元组及其关系进行了描述。 构建了基于状态一事件的面向对象时空数据逻辑模型。在总结分析已有两 类表达时空信息的方法用时问标记时空对象和用事件表示时空信息的方法 的基础上，汲取两种方法的优点，给出了基于状态一事件的时空逻辑模型。利 用面向对象技术将模型划分为时间对象类、空间对象类、事件对象类、状态对 象类。 关键字：交通地理信息系统，时空数据模型，面向对象，状态 a b s t r a c t 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 ) i sa l li m p o r t a n t a p p l i c a t i o no fg i s t h ed e v e l o p i n g o fg i s - ti sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no f e x p e r t sa n dt r a f f i cm a n a g e r s t h ed e v e l o p i n go fg i s - t d a t am o d e ln e e d st oc a t e rt o a d v a n c e dt e c h n o l o g y t h es p r e a do fg p sa n di n t e m e tm a k e sg i s td a t am o d e l r e q u i r e df u r t h e rp l a n n i n g ，o r g a n i z i n g a n di m p r o v i n g w i t ht h eo b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r es o p h i s t i c a t e d ，o b j e c t - o r i e n t e dg i s - td a t am o d e ln e e d s f u r t h e ri m p r o v e m e n t a c c o r d i n gt ot h es p a t i a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so fg i s td a t a ，t h i st h e s i s h a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fs e v e r a le x i s t i n gs p a t i o t e m p o r a ld a t a m o d e l t h ec o m p a r i s o nc o n c l u d e st h a tt h es t a t e b a s e dd a t am o d e l ( f o re x a m p l e ， s e q u e n ts n a p s h o t sm o d e l ) a n dt h ee v e n t b a s e dd a t am o d e l ( s u c ha sb a s es t a t ew i t h a m e n d m e n t s ) h a v et h e i ro w na d v a n t a g e s i no r d e rt o e l i m i n a t et h i so b s t a c l e ，a n a t t e m p tt od e s i g na no b j e c t - o r i e n t e ds p a t i o - t e m p r o a ld a t am o d e l b a s e do ne v e n ta n d s t a t ei si m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa l ea sf o l l o w s ： a f t e ra n a l y z i n gg i s td a t aa n ds p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e l ，s o m ep r o b l e m so f s o m ee x i s t i n gs p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e lh a v e b e e ng o t t e n f i r s t ，t h et h e o r yo f g i s t d a t ai se x p a t i a t e d s e c o n d ，w ee x t r a c tt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fe x i s t i n g s p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e lf r o mt h ed e f i n i t i o no fs p a t i o - t e m p o r a ld a t a m o d e l a n d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n g s p a t i o t e m p o r a l d a t am o d e l sa r e p r e s e n t e d a s p a t i o t e m p o r a lc o n c e p tm o d e lb a s e do ne v e n ta n ds t a t ei s b u i l t a n dt h i s t h e s i sd e s c r i b e se v e n t ，s t a t e ，o b j e c t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v e n ta n do b j e c ta n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v e n ta n ds t a t e a c c o r d i n gt ot i m e ，s p a c ea n da t t r i b u t e t h e s e t h r e eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fe n t i t i e s ，p r o v i d e st h ei d e at od i v i d et i m ei n t oe v e n ta n d s t a t eb a s e do ne v e n t ，t ob u i l ds p a t i o t e m p o r a lm o d e lb a s e do ns t a t e t h i st h e s i s a n a l y z e se v e r ya s p e c t sr e l a t i n gw i t he v e n t ，s u c ha so b j e c ts t a t ec h a n g e ，s p a c e l o c a t i o n c h a n g ea n do b j e c tc h a n g ee t c ，p u tf o r w a r df i v e t u p l e d e s c r i p t i o n ，a n dg i v e sd e t a i ld e s c r i p t i o na b o u t e a c hc o m p o n e n to fi t a no b j e c t o r i e n t e ds p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e lb a s e do ne v e n ta n ds t a t ei sb u i l t b a s e do ns u m m a r i z i n gt h et w of o r m e rw a y st oe x p r e s ss p a t i o - t e m p o r a li n f o r m a t i o n ， n a m e l yt h ew a y t oe x p r e s ss p a t i o - t e m p o r a li n f o r m a t i o nw i t ht i m et a ga n dt h ew a yt o e x p r e s sw i t he v e n t ，g e t st h ep i t ho f t h e s et w ow a y s ，t h el o g i c a lm o d e lb a s e do ne v e n t a n ds t a t ei sp r o v i d e d t h i sm o d e li sd i v i d e di n t ot i m ec l a s s ，s p a c ec l a s s ，e v e n tc l a s s a n ds t a t ec l a s sb yu s i n go b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：g i s t ，s p a t i o t e m p r o a ld a t am o d e l ，o b j e c t - o r i e n t e d ，s t a t e 1 1 i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名：煎麦盔日期：鲨2 ：兰： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期： 武汉理工人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景和意义 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 ，g i s ) 具有强大的数据管 理、地学过程模拟和空间分析能力【l j ，是2 0 世纪6 0 年代后期发展起来的空间信 息处理技术，既是用来表示现实世界和对空间数据进行处理分析的工具，也是 一门关于空间信息处理分析的科学技术。随着g i s 的发展，它有时也被看作是 用于解决空问问题的有效资源，它能够对具有时空特性的信息进行可视化表达， 可以为使用者提供一个直观的、清晰的、全面的、实时的信息表达方式，有利 于管理科学性和及时性的提高。由于计算机技术飞速发展，人们对空间信息的 需求也不断地增长，地理信息系统的应用也越来越广泛。地理信息具有三个基 本的要素，即时间、空间和属性。怎样处理这三个要素是地理信息系统发展的 主要内容。传统的g i s 对数据的时间动态性并不具有处理能力，它只能处理地 理对象的空间信息和属性信息，即只描述了数据的一个单一状态，即在数据发 生变化时，采用的手段是用新的数据代替旧的，系统形成一个当时的状态，旧 的状态也就是旧的数据就消失了，因此，它不能对数据变化的历史进行分析， 也无法预测未来的趋势，这类g i s 称为静态g i s 【2 】。静态g i s 主要用于刻录一些 静态的分布，无法有效地对物体时空特性和时空变化进行描述，因此，解决静 态g i s 中时态的问题又成为了研究的关键。 许多应用领域都要求g i s 能够提供完善的时序分析功能，高效地回答与时 间相关的各类问题，在时间与空间两方面全面处理地理信息。为了有效地表达 和描述空间实体及其相互关系的时空变化，克服静态g i s 在时问和空间上表达 动态变化的理论缺，近十几年学术界开始研究能够描述和表达时空变化的g i s ，。 这就是时态g i s ( t e m p o r a lg i s ) 3 1o 时态g i s 作为g i s 研究和应用的一个新领域， j 下受到普遍的关注。特别是计算机技术的飞速进步，为大容量时态数据的存贮 和高效处理提供了必要的技术条件，使时态g i s 的研究和应用成为可能。g i s 所产生的问题在很大程度上受到数据表现方法与数据模型设计的影响【4 i 。现有的 时空数据模型很多都不是面向地学问题的，而是从计算机表达的角度出发的， 武汉理j 【大学硕士学位论文 因此缺少对地理实体的显式定义和基础关系描述。传统的基于专题地理分层的 空间数据表达思想和单一图层内以矢量或栅格数据结构基本单元作为地理实体 或现象基本建模单元的表达方式，对于复杂地理实体或现象的描述及地理过程 分析存在严重不足【5 】。在时态地理信息系统的研究中，时空数据模型的优劣对时 态g i s 的系统操作功效起着决定性的作用，它大大制约着整个时态g i s 领域其 他方面的研究和发展。为此各国专家学者进行了大量的研究，提出了各种各样 的时空数据表示处理方法，其中比较有代表性的有：序列快照模型、基态修正 模型、时空复合模型及时空立方体模型掣6 】 【7 1 。而对它的研究方法有基于事件、 基于特征、基于过程以及面向对象等多种研究方法。我们应该针对不同的功能 设计不同的时空数据模型。其中，面向对象的研究方法得到了广泛的应用，因 为它将研究对象看作一个整体，可以更客观地反映对象的本质特征和属性【8 】。基 于上述的种种原因，本文将对基于状态一事件的时空数据模型理论进行研究和 探讨，在数据组织上将使用面向对象的方法【9 】。 交通地理信息系统( 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 mf o rt r a n s p o r t a t i o n ， g i s t ) 是g i s 在交通规划、建设和管理中逐步发展起来的并逐步形成其独特的 技术体系和理论内涵，是g i s 在交通领域的具体应用和延伸。它是在传统g i s 的基础上，充分考虑到交通现象的线性特征和网络特征，并附之专门的交通建 模手段而形成的专门化系统。简而言之，交通地理信息系统是收集、存储、分 析和处理与交通相关信息的地理信息系统，或者说，交通地理信息系统是g i s 和交通的有机集成系统。换言之，g i s t 是专门化的g i s ，是g i s 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；g i s t 具有g i s 的全部 空间分析功能，并融入了各种交通规则、设计模型和相应的工具【lo 】。它的应用 十分广泛，包括交通规划、设计、施工、运营和养护的所有阶段，以及国家、 省、市等不同层次的综合性交通基础设施运行、管理和维护。例如，东京煤气 公司研制了基于g i s 的车载导航系统，该系统由c d r o m 数据库和实时通信系 统组成，用于事故抢修、车辆调度和野外作业指挥；加拿大的艾伯塔省建立了 全省公路维护系统，实现了g i s t 对道路养护的决策支持等等。数据是g i s t 的基础，数据模型则是用来表达g i s t 各个对象之间的联系与逻辑组织形式。 由于交通信息种类繁多，且其具有其独特的时空特性，因此，对基于g i s t 的 时空数据模型进行研究具有重要的意义。 2 武汉理：i ：人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 本文主要是研究基于g i s t 的面向对象时空数据模型理论，因此涉及的研 究对象主要有g i s t ，面向对象，时空数据模型等。下面主要从上述的几个方面 对国内外的研究现状进行简单的分析。 1 2 1 国外研究现状 时空数据模型的研究中，时态问题占据比较重要的位置，其中包含了属性 数据的时态问题和空间数据的时态问题两个方面。早在2 0 世纪7 0 年代，属性 数据的时态问题就已经引起了计算机科学领域特别是数据库研究领域的学者的 关注，而空间数据的时态问题直到2 0 世纪8 0 年代末才引起人们的注意。目前， 国外开始注重时空变化的内部规律研究与表达。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初， 众多学者开始关注属性数据的时态问题研究。最早是在1 9 7 0 年，gw i e d e r h o l d 和j f f r i e s 所研制的医疗系统在处理时态信息方面进行研究；1 9 7 7 年，k a h nk a t a l 在“a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 杂志上发表了文章一一m e c h a n i z i n gt e m p o r a l k n o w l e d g e ，文中反映了早期关于时态信息的基础性研究； 到了1 9 8 2 年，j b e n z v i 的博士论文中提出了时态数据库模型，他引入了时间区间，提出并研究了非 第一范式的时态数据库，加入了有效时间和事务时间的双时态概念，引入了时 态索引结构】；同年，j c l i f f o r d 在他的博士论文及相关的一组文章中对历史数 据库作了开创性的研究工作，他注意到了被管理对象的生命周期，研究了在关 系、元组、字段值上加时间信息的技术细节，引入了历史关系模型、历史关系 代数，研究了历史数据库中投影、选择、连接的特殊要求和特殊规律；s g i n s b u r g 教授于1 9 8 3 年提出了对象历史模型，深入分析了基于可计算元组的对象历史的 特殊要求和特殊规律，提出了基于记录、事件驱动的代数结构模型；r i c h a r d s n o d g r a s s 于1 9 8 5 年丌发了时态查询语言t q u e l 【l2 j ；1 9 8 6 年s h a r s h ik g a d i a 建 立了同时关系模型。在时态数据库研究初期，由于提出的各种专业术语和定义 概念比较混乱，s n o d g r a s s t l 2 1 又提出了一个新的时问分类方法，用事务时间和有 效时间统一了时间概念，并且证明事务时间和有效时间存在正交性。 交通地理信息系统是g i s 技术与多种交通信息分析和处理技术的集成。从 2 0 世纪8 0 年代起，美国纽约州交通管理部门丌始使用a r c v i e wg i s 建立交通信 息及设施管理g i s 系统，对全州交通信息实现了数据共享和统一管理【l4 1 。1 9 9 2 3 武汉理：i = 人学硕+ 学位论文 年，英格兰南安普顿、德国科隆和希腊p i r a e u s 等城市使用e s r i 公司的a r c v i e w g i s 软件和西门子公司的城市交通控制系统，合作利用智能交通系统，建立了欧 洲道路管理系统。截至1 9 8 9 年为止，世界上有5 7 的国家的交通部门在使用 g i s 。在美国，g i s t 几乎应用到了所有的州的交通和公路部门。加拿大的亚尔 伯他省建立了公路维护g i s ，该系统使用专用检测车辆定期检测路面的平整度和 损坏程度等引。 对于g i s - t 时空数据模型，g o o d c h i l d 拍1 提出g i s - t 的进展可划分为3 个阶 段：地图视图、导航视图和行为视图，时态属性在满g i s t 向导航视图的发展 中起着极为重要的作用，完善的g i s t 时空数据模型需要更深入地研究。在研 究方法上主要有面向时空语义建模、对象时空建模等。在国外有几个主要研究 时空数据模型的机构，其中包括欧洲科研开发d g x i i 委员会、美国国家地理信 息分析中心和i s p r s 成立的“时空数据库的时态特征与数据更新 工作小组。 但是，国外在g i s t 时空数据模型方面所作的研究还不够，g u ob o 1 7 1 提出了由 时问动态分段支持的基于要素的线性数据模型，针对在g i s 网络中的问题，如 缺乏时态的支持和缺乏时间的分段，把传统的动态分段扩展到时间域中，提出 了一种线性数据模型。虽然在g i s 方面做的研究不少，但是g i s t 既是g i s 的 延伸，但又有别于g i s ，故需要更多专门的研究。根据交通行业的特点和应用需 求，e s r i 公司也发布了自己的交通数据模型，但该模型依然没有解决系统的时 态问题。 1 2 2 国内研究现状 在国内，众多专家学者对时空数据模型进行了广泛的研究。国内学者在数 据模型方面取得的主要研究成果有：龚健雅1 1 8 l 针对分布式空间数据模型进行研 究。舒红【1 9 】根据事件序列的时间观与数量尺度的时间观发展了两种时态数据模 型时间标记的时态数据模型与事件驱动的时念数据模型，首先关注面向对 象技术在时空数据建模中的运用，提出时态对象代数的概念，并且将时空数据 建模放在三个不同的层次上，分别是通用时空对象建模、复杂结构对象的基本 事态特征建模和应用领域时空数据建模。唐常杰啪】、何新贵、曹志月 2 1 l 等提出 了一种变时间粒度分段存储模型，对不同时代的数据进行分介质、变粒度的存 储，将时态对象的历史分为古代、近代、现代三个时代和两个过渡区间，能够 4 武汉理工人学硕十学位论文 改善查询速度和提高存储效率，但因为需要构建专门的系统实现时代转移算法 和压缩采样算法进行数据提炼，所以实现起来难度非常大。余江峰1 2 2 1 提出了一 种对象进化数据模型，试图从对象间信息、物质和能量的交流过程这三个方面 来寻找一个规范化模式来描述时空相互作用过程及其中的因果联系。 目前，数据模型的缺陷主要表现在以下几个方面：无法描述对象的抽象继 承、无法描述对象的封装、无法描述复杂的结构化信息、无法描述对象的行为 和约束信息。为了解决这些问题，对建模技术提出了新的要求，尤其是时空数 据库的开发特别需要改善建模技术，以更好的描绘地理特征的空间和时态特性。 时空数据模型的研究在我国发展起步较晚，还需要进行大量的研究工作。 作为一个发展中国家，我国在经济上还处于发展阶段。国内的现状使得交 通规划和管理就显得更为重要。为了解决城市交通阻塞、拥挤等问题，在已经 建设的城市地理信息系统中，都把交通路网管理信息系统作为其中一个相当重 要的环节。交通部从“七五 、“八五 到“九五 做出持续努力，推广路面 管理系统，许多地方交通部门也开发了自己的应用系统i 矧。相对于国外的研究， g i s t 数据模型研究国内开展的较晚，主要有陆锋、周成虎、万庆等于2 0 0 0 年 发表了基于特征的城市交通网络非平面数据模型i 冽，余志文等于2 0 0 2 年发表了 城市交通网络面向对象的时空数据模型1 2 5 j ，张山山于2 0 0 3 年发表了面向对象的 城市交通规划时空数据模型【2 6 j 。 面向对象模型具有描述现实世界的结构、行为、继承和封装等特征，利用 面向对象技术进行时空数据建模，体现了时空数据的封装性、多态性和继承性。 该建模方法的特点主要有：图形表示；对象类型的结构、行为和联系可并存于 同一模型里；模型直观易于理解；允许对对象操作集中建模等。因此，总结一 套兼顾时空特征及相互关系的时空数据逻辑建模指导原则，发展规范化的面向 对象时空数据模型是必要且可行的。 总的来说，目前国内在g i s 数据模型的研究主要着重于模型的理论和方法 的研究，而对于不同行业进行的专业模型的研究比较少。针对当前数据模型中 存在的缺陷，需要针对专门的系统进行建模。由于时空实体的复杂性，面向对 象的思想是一个可行的方向。 武汉理t 大学硕十学位论文 1 3 本文的主要工作及创新点 针对基于g i s t 的面向对象时空数据模型的特点，本文通过分析g i s t 数 据的特点和现有时空数据模型的优劣比较中各取所长，得出本文的一个切入点， 设计基于状态一事件的面向对象时空数据模型。 本文的主要工作有： ( 1 ) 通过对g i s t 数据和时空数据模型的分析，探讨了g i s t 时空数据模 型存在的问题。 首先对g i s t 数据理论进行简单的阐述，g i s t 作为g i s 应用的一个重要 的方向，其时空数据非常复杂，需要以合理的形式进行组织；然后从时空数据 模型的定义出发，引出对现有时空数据模型的分析比较，从分析比较中可以看 出，现有的时空数据模型各有优劣。 ( 2 ) 阐述了基于状态一事件的时空数据概念模型，并对事件、状态、对象及 事件与对象之间、事件与状态之间的关系进行描述。 从现有的时空数据模型的比较分析得出，基于状态的模型( 如序列快照模 型) 与基于事件的模型( 如基态修正模型) 各有长处，但目前的研究侧重于将 这两个概念相分离。这作为本文研究的一个切入点。根据交通对象的三个基本 特征时空、空间和属性，提出以事件作为依据对时间进行分割，从状态的 角度对时空数据建模的思路。本文描述了变化的各个方面，即变化的主体、变 化的时间和地点、原因和结果，提出了 五元 组的描述方式，并详细对元组内各元素及其关系进行了描述。 ( 3 ) 在前面提出的概念模型的基础上，构建基于状态一事件的面向对象时空 数据逻辑模型。 在总结分析已有两类表达时空信息的方法用时间标记时空对象表示时 空信息的方法和用事件表示时空信息的方法的基础上，汲取两种方法的优点， 给出了基于状态一事件的时空逻辑模型。利用面向对象技术划分为时间对象、 空间对象、事件对象、状态对象。将本文提出的模型与基态修正模型从对数据 的检索效率上进行初步的比较，由数据分析图可以看到，基于状态一事件的面 向对象时空数据模型在对数据进行查询的速度上有所提高。 本文的创新点有： ( 1 ) 给出以事件为依据对时间进行分割，从状态的角度对时空数据建模的思 武汉理j ：人学硕士学位论文 路，设计基于状态一事件的时空数据概念模型。 ( 2 ) 结合面向对象思想，构建基于状态一事件的面向对象时空数据逻辑模 型。 1 4 本文的组织结构 论文的组织结构安排如下： 第1 章为绪论，主要介绍g i s t 和时空数据模型研究背景和意义，并分析 了目前国内外的研究现状和发展趋势，然后对本文的主要工作和创新点以及论 文的组织结构进行了阐述。 第2 章对g i s t 和交通数据进行概述，介绍现有的g i s o t 数据模型，并阐 述了面向对象g i s t 数据模型的概念。 第3 章分析了现有的时空数据模型；通过各种时空数据模型的优缺点对比 分析，提出基于状态一事件的面向对象时空数据模型。 第4 章描述了数据模型的状态和事件信息，分析了状态、事件和时间之间 的关系，建立基于状态一事件的时空数据概念模型。 第5 章设计了基于状态一事件的时空数据逻辑模型，利用面向对象技术， 划分为时间对象、空间对象、事件对象、状态对象四个子类。并对模型的检索 效率进行简单的对比分析。 第6 章为结论，对本论文主要的工作进行了总结，并阐述了进一步的研究 方向。 武汉理：i ：人学硕十学位论文 第2 章g i s t 与交通数据 地理信息系统是2 0 世纪6 0 年代后期发展起来的空间信息处理技术，具有 强大的数据管理、地学过程模拟和空间分析能力。能对空间位置信息和非空间 信息如自然、社会、人文、经济等属性信息同时进行分析、建模和处理，其应 用领域由自动制图、资源管理、土地利用等发展到与地理相关的交通、邮电、 军事等领域，同时g i s 能对具有时空特征的信息进行可视化表达，能为信息使 用者提供直观、全面、清晰、实时的信息表达方式，有利于提高决策和管理的 科学性、及时性。g i s 在交通规划、建设和管理中的应用正是在这种供需关系下 逐步发展起来的并逐步形成其独特的技术体系和理论内涵：交通地理信息系统。 交通地理信息系统是g i s 在交通领域的具体应用和延伸，是在传统g i s 基 础上，充分考虑交通现象的线性特征和网络特征，并附之专门的交通建模手段 而形成的专门化系统。简而言之，交通地理信息系统是收集、存储、分析和处 理与交通相关信息的地理信息系统，或者说，交通地理信息系统是g i s 和交通 的有机集成系统。g i s t 是专门化的g i s ，是g i s 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；g i s t 具有g i s 的全部空间分析功能， 并融入了各种交通规则、设计模型和相应的工到2 7 】。 2 1 交通信息和交通地理信息 信息作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据，是用文字、数字、 符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从 而向人们提供关于现实世界新的事实和知识。信息具有客观性、适用性、可传 输性和共享性等特征。 作为信息的一种，交通信息是重点反映与交通有关现象的性质、特征和运 动状态的知识，它提示的是交通实体的本质及其相互关系，也是对各种交通数 据的解释和理解。交通信息来源于各种交通调查、测量和统计数据。交通信息 从表面上看，具有管理信息的特征，即侧重于交通属性数据的分析与管理。以 至于在很长时间内，相关交通部门丌发的信息系统大多是管理型的。实际上， 8 武汉理。r ：人学硕十学位论文 从本质上来看，交通信息属于空间信息的一种，大量的交通属性数据可以交给 空间信息系统的属性数据库进行管理，而交通现象天然的地理特征可以使这些 属性数据附着于空间数据上，从而实现交通信息的可视化【2 7 1 。 交通信息属于空间信息，因此它具有空间、属性和时间三大空间数据的基 本要素。时间特征是指交通数据采集或交通现象发生时的时刻或时段，如某一 时刻的交通堵塞情况；空间位置数据描述交通现象发生和存在的位置，这种位 置既可以用常规的二维坐标系定义，如直角坐标系坐标、大地经纬度坐标等， 而交通几何网络特征使其可采用独特的定位方式如线性参照系中的里程进行表 达，同时也可以通过现象间的相对位置关系进行表达；属性数据描述交通现象 的性质和质量特征，如公路的名称、等级、起点等【27 1 。 从交通信息的各种描述中可以得出，交通信息具有如下的特征【2 7 】： l 、空间分布特征，即交通现象所具有的天然地域特征； 2 、动态变化特征，这是由交通系统的特点所决定的； 3 、海量数据特征，交通系统是一个复杂的系统，涉及人、车、线路、环境 等信息，其数据量一般比较大； 4 、多维结构特征，如一段公路上，既有交通流量属性，也有路面介质信息， 还有路基结构等； 5 、独立性特征，这是交通信息与一般空间信息之间的最大区别，即在交通 信息中，属性数据可独立于空间数据而存在，可单独进行属性数据的建模与分 析； 6 、多样性特征，交通数据来源比较复杂，有实地调查统计数据，也有图形 图像数据，还有各种感应检测数据，数据来源多样。 交通地理信息是指与交通运输相关的各种地理信息。它表述了各种交通网 络的空间分布、运动在其上的人或物质的空间移动以及交通运输网络的管理， 所以也属于人类交往的地域组织及其发展规律的地理信息范畴。交通地理信息 不但要描述交通网络及设施的地理位置和属性，还要反映与之相关的交通运输 信息和状态，因此交通地理信息包括两类基本信息：一类是交通基础地理信息： 一类是交通运输和管理信息2 7 1 。 交通地理信息具有如下的特点： l 、线性分布特征。交通路线一般呈线性空白j 分布，这是交通地理信息区别 于其他地理信息的显著特点。 9 武汉理下大学硕士学位论文 2 、分段分布特征。是指在某一交通路线上，交通路线的特性并不是完全一 致的，而是根据属性分成许多路段，每一段具有相同的属性。 3 、网络分布特征。这是交通地理信息又一显著的特征，直接影响着交通地 理现象的数学建模和数据库组织。4 、时间变化特征。交通运输的实现是通过交 通工具的移动来实现的，这种动态性使得地理信息的动态特征在交通地理信息 系统的体现也特别明显，时空数据模型是目前的研究热点之一。 交通地理信息来源于对交通信息描述的交通地理数据的解释和理解【27 1 。交 通地理数据具有如下几个特点： l 、抽样性。交通现象在空间和时间上具有连续性，数字化的交通现象表达 需要对其进行离散处理，即用有限的抽样数据来表示无限变化的现象。抽样点 的选择不是随机的，需要考虑其代表性。基本原则是准备描述交通现象的整体 特征和局部特征，例如，交通量调查地点和频率的选定，道路几何位置的描述 等。 2 、多态性。一般地，空间数据的多态性包括两层含义，即同样对象在不同 情况下的形态差异和不同对象占据同样的地理位置。交通地理数据中的多态性 比比皆是，前者如不同比例尺中的道理、河流表达，道路和河流在现实中是具 有一定宽度的面状对象，但在表达时，却将其抽象成单线或双线，后者如同一 位置上，道路面层、基层、底基层、路基层具有不同的结构成分。 3 、空间性。空间性是交通地理数据最主要的特征，反映交通对象的位置、 形态以及由此产生的系列特征。对于两条道路，如果将其看作是非空间数据， 则可从等级、里程、结构等方面进行分析比较，而若考虑空间特征，则其关系 就复杂了许多，如两公路的作用范围、最短距离等。交通对象的属性信息与位 置是相关联的，不考虑空间性的空问分析就会失去意义。 4 、概括性。交通地理数据的概括性一般是交通路线的化简综合和必要的取 舍，是在抽样基础上进一步的数据综合。概括性并不是因为比例尺的限制使然， 而是取决于研究对象的范围、环境和任务要求。 2 2 交通地理信息系统 交通地理信息系统是g i s 在交通领域的具体应用和延伸，是在传统g i s 基 础上，充分考虑交通现象的线性特征和网络特征，并附之专门的交通建模手段 1 0 武汉理：j ：人学硕十学位论文 而形成的专门化系统。简而言之，交通地理信息系统是收集、存储、分析和处 理与交通相关信息的地理信息系统，或者说，交通地理信息系统是g i s 和交通 的有机集成系统。g i s t 是专门化的g i s ，是g i s 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；g i s t 具有g i s 的全部空间分析功能，并 融入了各种交通规则、设计模型和相应的工具 2 7 1 。 g i s t 为交通数据的处理提供了一个有效的平台。但是交通数据具有明显 的时空特性，它对系统提出了更高的要求：精度要求高、规则复杂、动态化、 离散化等等。而交通地理信息系统并不能直接用来解决交通地理信息的问题， 所以，g i s t 的发展要在g i s 的基础上进一步拓展开来，g i s o t 的研究存在的 问题主要集中在以下的几个方面： l 、交通特征的表达。在地理信息系统中，通过对地理现象经过抽象整理之 后得出一种表达形式，我们称之为地理数据，它是纷繁复杂的地理现象经过提 炼浓缩之后的简单而有条理的表达。虽然这种简化可以用很多种方式来实现， 但是在实际的运用中，只有- 4 , 部分可以在计算机上得以实现。因此，对地理 现象进行抽象表达是g i s 系统设计的核心问题之一。作为g i s 的延伸，g i s t 也同样存在这样的问题。通常采用以下三种数据模型对地理现象进行抽象表达： ( 1 ) 对离散点、线、面状事物及其相关属性集合进行抽象表达的离散实体模型； ( 2 ) 对嵌于地表的线性网络的变化进行抽象表达的网络模型；( 3 ) 对地面某 一连续变化现象进行抽象表达的域模型。在g i s t 中，可以用许多具有多种属 性的线段代表城市道路网，用离散点代表各种道路网中的标识性地物，用线性 网络代数对交通网络进行分析，这些方法对现实道路交通系统的计算机表示起 到了一定的作用。由于g i s t 自身的一些特性，几乎所有应用于交通系统的数 据模型都没有超出网络模型和离散实体模型的范围。然而，现实世界中，城市 交通系统越来越向复杂的方向发展，单行线、多车道、立交系统、转弯限制等 交通特征变得越来越普遍，加上新的越来越复杂交通规则，使得这种简单的线 性网络越来越不适合城市交通系统的表达。解决这些复杂交通地理现象的表达 问题，是目前城市交通地理系统面临的又一重要问题。g i s t 数据模型的研究， 就是对交通特征进行的抽象和表达的研究。 2 、标准化。交通地理信息的标准化面对的对象与其他标准化行为的对象不 同，它面对的不是对一个新的对象进行规范，而是一个极为复杂的道路交通网 络。g i s t 的标准化问题是一项既困难又亟待解决的任务。如何用计算机系统中 武汉理j r 大学硕十学位论文 简单、有条理的记录来表达现实世界中复杂而又纷乱的交通信息，一直是从事 g i s t 工作者所关注的问题之一。目前g i s t 所使用的数据结构，来源于不同部 门，并不是专门为交通应用而设计的，没有统一的要求。不同部门提供的交通 数据之间差别也很大，数据的存储格式也是千差万别。因此，不同的交通数据 库之间的共享实现起来也比较困难，对数据的采集也需要投入更大的人力和物 力。为了避免造成不必要的浪费，实现交通信息数据库的标准化、规范化是目 前亟待解决的问题之一。而g i s t 数据模型的研究，则是进行标准化的基础。 3 、实时路径查询。现代城市交通系统变得越来越发达的同时也变得越来越 复杂。乘公共交通系统工具出行的市民想知道如何乘车才能最快或者最经济地 到达目的地，而自己驾车的市民在出行前则都很想知道当时的路面交通状况如 何，是否存在堵车的情况等等。可以知道，交通地理信息系统的功能不仅仅要 为政府和管理者提供信息决策支持、管理规划，也要为广大市民提供出行的交 通指导。一个城市的公共交通系统往往是由多种交通工具构成的，如火车、出 租车、公共汽车、小型公共汽车、地下铁路、有轨电车等。这些公共交通工具 的服务线路密如蛛网般地分布于城市道路网中，错综复杂地延伸到城市的各个 角落。所以，人们很难知道如何选择一条最经济、最省时间的出行线路。在多 类型交通系统中进行最佳路径选择是交通信息系统进行路径搜寻的一个难点。 城市中某一道路不同方向、在一天中不同时段的交通流量有着很大的差别，通 过该段道路所需要的时间也会随着时间的不同而不同。因而在获取路径选择时， 即时交通信息的获取也具有重大作用。同一道路在不同时间所需通行时间的差 异大到足以影响用户进行路径搜寻的结果，因此，在进行最优路径搜寻时还应 考虑相关的动态信息的获取。如何将动态更新线性属性表中有关道路交通状况 的属性，将实时动态交通信息同静态的交通道路的线性属性表相连接，进行实 时路径选择，也是g i s t 数据库设计所面临的一个挑战。g i s t 时空数据模型的 研究，是解决这一难题的基础。 2 3g i s t 数据模型 交通网络的表达在g i s t 中处于非常重要的地位，不仅交通设施管理、道 路交通信息管理需要良好的数据结构，而且在路网规划、车载导航及路径优化 等方面还需要拓展传统g i s 数据结构。数据是g i s 系统的基础，数据模型则用 武汉理一r ：大学硕十学位论文 来表达数据之间的联系与逻辑组织形式。各式各样的交通信息都具有自身的特 点，需要用合理的形式对其进行组织，因此研究g i s t 数据模型具有重要的意 义。 目前g i s t 主要的数据模型包括传统的弧段一节点模型、基于动态分段的 g i s t 模型和g i s t 时空数据模型等等。 传统的弧段一节点模型就是把实际的交通网络表达为弧段和节点的集合， 该模型不仅表达了基本的交通网络，还同时支持最短路径算法和空间拓扑分析 等功能；该模型当然也有诸多的不足之处，包括：与实际的交通网络的特点不 符；节点的表达方式增加了数据存贮的冗余，降低了模型的效率；弧段与属性 记录只能表达一对一的关系，不支持一对多的关系。 n c h r p 在2 0 世纪7 0 年代初指出了定位参照方法和定位参照体系的区别及 四种基本的线性定位参照方法。由此动态分段克服了定长分段的缺陷，使路段 的长度可以适应不同的情况。基于线性定位参照体系和动态分段的g i s t 模型 的灵活性，这一模型被广泛应