（计算机软件与理论专业论文）城市交通gis的关键技术研究与应用.pdf

西北大学硕士学位论文摘要 摘要 由于城市交通的迅速发展，道路及其它交通设施的管理水平急待提高。近年 来，随着人们对智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ，i t s ) 越来越重 视，以及i n t e r n e t 技术、w e b g i s 技术和空间数据库技术的飞速发展使得实现空 间信息的获取、发布、共享与服务在技术上成为可能。将g i s 技术运用于城市交 通建设与管理，成为推进城市交通建设现代化、信息化的重要手段之。 本文以城市交通g i s 的空间数据库技术为重点，开展了以下研究： i 空间、属性数据的一体化管理研究与应用 本文研究了基于对象一关系模型的空间数据库技术，结合城市交通g i s 的实 际应用，使用o r a c l es p a t i a l 实现对交通g i s 中空间、属性数据一体化管理。 2 空间信息管理结构 为了实现交通信息对内、对外发布的一致性和完整性，本文建立b s 、c s 相 结合的空间信息管理结构，局域网部分建立道路及各种交通设施存储的空间数据 库，对空间数据统一管理，为w e b 信息发布提供可靠的数据来源：w e b 端实现信息 的w e b 发布及辅助决策。 3 交通网络分析模型 本文根据现实的交通网络，设计了空间数据的网络拓扑模型，根据交通标志 引起的道路状态变化实现对网络拓扑模型的实时修改，提高信息发布的实时性、 准确性。 4 交通g i s 中空间查询算法研究 本文根据交通网络自身的特点，实现了基于启发式代价模型的最短路径算 法，提高了查询的速度，并对g i s q 。常用的n n i h 题给出了算法实现。 本文将以上研究成果应用于西安市交通设施管理及信息发布系统，结果表明 系统达到了设计目标。本文的研究对推进城市交通信息化有着重要的参考价值和 应用前景。 关键词：智能交通系统，w e b o i s ，空间数据库，o r a c l es p a t i a l ，空间拓扑模型 西北大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nt r a f f i cs y s t e m ，t h em a n a g e m e n t o fr o a d sa n do t h e rt r a f f i cf a c i l i t i e sn e e dt ob ei m p r o v e di m m e d i a t e l y i nr e c e n ty e a r s ，i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ( i t s ) h a sd r a w nm u c hm o r e a t t e n t i o nf r o ma r o u n dt h ew o r l d t h ea s t o n i s h i n gt e c h n o l o g i c a le v o l u t io n o fi n t e r n e t ，w e b g i s ，a n ds p a t i a ld a t a b a s eh a sa l r e a d yp r o v i d e du st h e p o s s i b i l i t yo fa c q u i r i n g ，p u b l i s h i n g ，s h a r i n g ，a n ds e r v i n gt h er e s o u r c e s o fs p a t i a li n f o r m a t i o n a sar e s u l t ，i ti sw i d e l yb e l i e v e dt h a ta p p l y i n g t h et e c h n i q u eo fg 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 ) t ot h ec o n s t r u c t i o n a n ds u p e r v i s i o no fu r b a nt r a f f i cw i l le x t e n s i t e l yb o o s tt h em o d e r n i z a t i o n a n di n f o r m a t i o n i z a t i o no ft h et r a f f i cs y s t e m t h ist h e s isw h i c he m p h a s iz e so nt h es p a t i a ld a t a b a s et e c h n i q u e so f u r b a nt r a f f i cg i s ，h a sm a i n l yc o n d u c t e dt h er e s e a r c ho ft h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 r e s e a r c ha n da p p l i e a t i e no fi n t e g r a t e dm a n a g e m e n to fs p a t i a ld a t aa n d a t t r i b u t ed a t a t h ist h e s ish a ss t u d i e ds p a t i a ld a t a b a s et e c h n i q u eb a s e do nt h e o b j e c t i r e r e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m c o m b i n e dw i t ht h e p r a c t i a la p p l i c a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fu r b a nt r a f f i c6 i s ，t h i st h e s is h a su s e do r a c l es p a t i a lt or e a l i z et h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n to fs p a t i a l d a t aa n da t t r i b u t ed a t a 2 t e c h n o l o g yo fs p a t i a ld a t am a n a g e m e n ts t r u c t u r e i no r d e rt or e a l i z et h ec o n s i s t e n c ya n di n t e g r i t yw h e nt h et r a f f i c i n f o r m a t i o ni sp u b l i s h e di nt h el a na n di n t e r n e t ，t h i st h e s i sh a ss e tu p as p a t i a ld a t am a n a g e m e n ts t r u c t u r ef r o mb o t hc li e n ts e r v e ra n db r o w s e r s e r v e r ，b u i l tt h es p a t i a id a t a b a s eo fr o a da n do t h e rt r a f f i cf a c i l i t i e s a n dp r o v i d et h em o d u l eo fw e bi n f o r m a t i o np u b l i s h i n gw i t hr e l i a b l ed a t a s o u r c e i nt h ew e be n d ，w eh a v ep r o v i d e du s e r sw i t ht h er o a di n f o r m a t i o n a n ds u p p o r t i v ed e c i s i o n m a k i n gf u n c t i o n 1 1 西北大学硕士学位论文摘要 3 t r a f f i cn e t w o r kt o p o l o g ym o d e l t o b ec o n s is t e dw i t ht h er e a l i s t i ct r a f f i cn e t w o r k ，an e t w o r k t o p o l o g i c a lm o d e lo fs p a t i a ld a t ah a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hc a nb er e v i s e d i nr e a l t i m ew h e nt h er o a d s c o n d i t i o na f f e c t e db yt r a f f i cs i g n sc h a n g e s t h ep u b li s h e di n f o r m a t i o ni sm o r ee x a c ta st h er e s u l t 4 r e s e a r c ho fs p a t i a lq u e r ya l g o r it h mi nu r b a nt r a f f i cg i s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r is t i co ft r a f f i ci n f o r m a t i o n ，t h i st h e s i s h a si m p l e m e n t e da ni m p r o v e da l g o r i t h mo fs h o r t e s tr o u t es e a r c hb a s e do n t h eh e u r i s t i ce x p e n s em o d e l ，w h i c hp r o m o t e st h eq u e r ys p e e d a nn n a l g o r i t h mb a s e do nr _ t r e eh a sa l s op r e s e n t e di n t h i st h e s i s a 1 1t h et e c h n i q u e sm e n t i o n e da b o v eh a sb e e na p p l i e dt od e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fa nu r b a nt r a f f i cg i s ，w h i c hc a r lf a c i l i r a t et h et r a f f i c m a n a g e m e n ta n dt h ei n f o r m a t i o np u b l i s h i n g t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h ep r e s e n t e ds y s t e mr e a c ht h eg o a lo fd e s i g n t h i ss t u d yh a si m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u ea n da p p l i c a t i o ne x p e c t a t i o nt ot h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no f u r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t i o ns y s t e m ，w e b g i s ，s p a t i a ld a t a b a s e ， o r a c l es p a t i a l ，n e t w o r kt o p o l o g i c a lm o d e l i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。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。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名_ 王塑指导教师签名：墼! ! 塾篮 ， 2 力f 年j 月) 弓日啊年f 月j 弓日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北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 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：a 构 l j 年f 月，弓日 西北大学硕士学位论文 ；f 言 引言 随着空间与信息技术的迅猛发展，空间信息服务对现代人们生产生活的帮助 也越来越大。目前世界各国都在积极开展智能交通系统的建设，以实现交通管理 的智能化，交通资源的有效利用，促进城市的可持续发展。从其应用范围来说 已不再局部在小范围中，而是扩展到整个w e b 用户。将g i s 技术和 i n t e r n e t i n t r a n e t 技术相结合，使得从i n t e r n e t i n t r a n e t 的任意一个节点上， i n t e r n e t i n t r a n e t 的用户可以浏览到交通w e b 站点上的空间和属性信息，实现 空间信息的查询和空间分析与计算。 从空间数据管理上，关系数据库是目前的主流数据库，但关系模型描述关系 时，采用的是”实体一一关系”模型( e r 模型) ，侧重点是对象之间属性的聚 集，即外在联系，而空间数据之间的空间关系是他们的内在联系，是由空间地物 的地理位置关系决定的，并且往往是多对多的、错综复杂的关系。在描述这种关 系时，目前的关系模型就不是很理想了，要完成空间关系的查询也是相当的困难。 面向对象理论，以抽象性、封装性、多态性来描述对象。对象具有方法和属性， 对象之间的关系是通过消息机制来沟通的。用面向对象的方法来处理空间物体之 间的关系是比较自然的，但其处理对象的属性的能力又不如关系模型。基于以上 分析，当前空间数据管理中，真正实现空间数据与属性数据一体化管理，宜采用 对象关系模型，既可描述复杂对象，又可实现强大的查询能力。 本文针对城市交通g i s 展开了相关的研究，包括其中的关键技术和原型设 计。主要介绍了基于对象关系模型的o r a c l es p a t i a l ，理解并掌握利用o r a c l e s p a t i a l 实现对空间、属性数据进行一体化管理及分析的方法和过程；建立b s 、 c s 相结合的空间信息管理结构，局域网部分建立道路及各种变通设施存储的空 间数据库，对道路及相关交通设施统一管理，9 w e b 信息发布提供可靠的数据来 源，同时为空间数据建立网络拓扑模型并根据空间数据的改变对拓扑模型进行实 时修改：w e b 端实现信息在w e b 上发布，为w e b 用户提供信息浏览及辅助决策。论 文如下组织：首先介绍城市交通g i s 的研究背景及国内外发展现状，然后对系统 中空间数据管理及信息的w e b 发布涉及的关键理论与技术进行介绍，包括网络技 术、w e b g i s 技术、空间数据库技术，重点对o r a c l es p a t i a l 的空间数据组织、存 西北大学硕士学位论文0 l 占 储、索引以及它所提供的空间操作运算和标准查询语言等进行了详细的研究，从 而为系统的实现提供了工具基础，并讨论了易于w e b 查询的空间拓扑模型的建立 和修改，基于启发式代价模型实现了最短路径搜索算法。接着讨论了建立城市交 通g i s 时，信息的w e b 发布采用的g i s 平台，后台空间数据的组织方法。并以西安 市交通g i s 为例，给出了本论文研究的个具体实例，结果表明系统达到了设计 目标，最后是总结和展望。 现于 根据此论文论述的方案设计和实现，“城市交通g i s ”在技术上的特点主要表 l 、空间数据管理上，采用o r a c l es p a t i a l 技术，在关系型数据库中引入面 向对象技术，建立对象关系型数据库( o r d b ) ，对象与底层表示分离，空间属性与 非空间属性定位平等，实现属性数据和空间数据一体化管理。从而使得海量地图 的使用和管理变得更加简单；在系统w e b 发布与网络服务方面，选择i f f a p x t r e m e f o rj a v a 作为空间数据服务的应用平台，并在其上进行二次开发，设计了空间数 据的w e b 发布层次结构，在此基础上实现了客户端和服务器端的功能，以完成远 程客户对空间数据查询、浏览、服务等操作请求。 2 、o r a c l es p a t i a l 作为空间数据管理工具，本文着重研究了s p a t i a l 解决 空间数据和属性数据体化存储管理的核心s d o _ g e o m e t r y 对象类型，研究 了该类型的定义、每一属性的含义以及如何利用这些属性来存储和表示空间几何 元素； 3 、介绍了两类常用的空间索引，并对这两类索引进行了比较，得出了它们 各自的适用范围，进而对系统中的表根据不同的用途分别建立索引，提高系统的 查询和更新效率。 4 、由于在w e b 应用中，客户端往往希望快速响应服务请求，因此，如何在 海量数据库中快速获取客户所需要的信息就成了衡量w e b 应用服务质量的一个 重要标准。为了避免w e b 上每个用户查询时，均建立拓扑分析模烈降低速度，本 文提出了类似于邻接表网络分析模型并将该模型保存在数据库中，根据道路的变 化对拓扑分析模型实时修改，提高w e b 信息发布的实时性、准确性。 5 、对传统最短路径算法进行了改进，实现了基于启发式代价模型的最短路 径算法，提高了w e b 上查询的速度，并对g i s 中常用的n n 问题给出了算法实现。 西北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 地理信息系统概述 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 ) 是一种以采集、 贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关数据的空间信 息系统。从1 9 7 1 年第一个功能较完善、技术先进的g i s 系统加拿大地理 信息系统( c a n a d i a ng i s ，c g i s ) 的诞生到现在，g i s 的发展走过了3 0 多年的历 程。g i s 系统的功能结构的发展重点已由以往的侧重于数据获取、存储、数据检 索与统计分析及空间分析等操作逐步向模型模拟、预报与预测和智能化决策分析 发展，g i s 进入多样化发展阶段，使g i s 逐步从原来单纯意义上的g i s 软件技术 发展到内涵丰富的g t s 产业。 从计算机的角度看，地理信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户四大 要素组成，如图1 1 。硬件包括各类计算机及其输入输出和网络设备，软件是 支持信息的采集、处理、存储管理和可视化输出的计算机程序系统，数据则包括 图形和非图形数据、定性和定量数据、影像数据和多媒体数据等，用户是地理信 息系统所服务的对象，用户一般分为普通用户和从事系统的建立、维护、管理和 更新的高级用户。在4 大组成要素中，数据处于核一1 1 , 地位，用户通过软件和硬件 操纵数据，在地理信息系统成本构成中，硬件、软件和数据的比通常为1 ：2 ：7 ”1 。 图1 1 地理信息系统的构成 地理信息系统有着自身的一些特征： 1 地理信息系统处理的数据包括非结构化的空间数据( 结点、弧段、多边形 西北大学硕士学位论文第一章绪论 等) 和与之对应的结构化属性数据，并通过一定的方式将二者有机的联系在一起 共同管理、分析和应用。而一般的管理信息系统只需要处理结构化的属性数据， 不需要涉及空间数据的查询、存储、检索等一类比较复杂的问题。 2 地理信息系统强调空间的拓扑关系。即利用空间解析式模型来分析空间几 何位置的结点、弧段和多边形诸元素相互之间的邻接、关联与包含关系。一旦建 立了拓扑关系，数据的分析和查询就变的十分方便。 1 2 地理信息系统现状与发展方向 从系统角度看，在未来的几十年内。地理信息将向着数据标准化 ( i n t e r o p e r a b l eg i s ) 、数据多维化( 3 d & 4 dg i s ) 、系统集成化( c o m g i s ) 、平台网 络化( w e b g i s ) 和系统智能化( c y b e r g i s ) 的方向发展。1 。 1 数据标准化 地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、g i s 的社会化和大众化等 客观需求，使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本以及实现地理数据的共享 和互操作成为共识。互操作地理信息系统的出现就是为了解决传统g i s 开发方式 带来的数据语义表达上不可调和的问题，这是一个新的g i s 系统集成平台，它实 现了在异构方式下多个地理信息系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任 务。 1 9 9 6 年，美国成立了开放地理信息系统联合会( o g c ，o p e ng i sc o n s o r t i u m ) ， 旨在利用其提出的开放地理数据互操作规范( o p e n g i s ) 给出一个分布式访问地理 数据和获得地理数据处理能力的软件框架，各软件开发商可以通过实现和使用规 范所描述的公共接口模板进行互操作。o p e n g i s 规范是互操作g i s 研究中的重大 进展，它在传统地理信息系统软件和未来的高带宽网络环境下的异构处理环境之 间架起一座桥梁。目前，o p e n g i s 规范初具规模，很多g i s 开发商也先后声明支 持该规范。国内的一些具有战略眼光的g i s 软件商也在密切关注着o p e n g i s 规范， 并已着手开发遵循该规范的基础性g i s 软件。 2 数据多维化 三维g i s 目前的研究重点集中在三维数据结构的设计、优化与实现，以及三 维可视化技术的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。另外，地理信息系统 西北大学硕上学位论文第一章绪论 所描述的地理对象往往具有时间属性，即时态。随着时间的推移，地理对象的特 征会发生变化，而这种变化可能是很大的，但目前大多数地理信息系统都不能很 好的支持地理对象和组合事件在时间维的处理。许多g i s 应用领域都有基于时间 特征的要求，如区域人口的变化、平均年龄的变化、洪水最高水位的变化等。对 这样的应用背景，仅将其作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题，因 此，如何设计弗运用四维g i s 来描述、处理地理对象的时态特征是g i s 的一个重 要研究领域。 3 系统集成化 组件式软件技术成为了当今软件技术的潮流之一，它的出现改变了以往封 闭、复杂、难以维护的软件开发模式。c o m g i s 便是顺应这一潮流的新一代地理 信息系统，是组件式技术在g i s 软件开发中的应用。c o m g i s 的基本思想是把g i s 的功能模块划分为多个组件，每个组件完成不同的功能。各个g i s 组件之间，以 及g i g 组件与其它非g i s 组件之间，可以方便的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。 4 平台网络化 飞速发展的i n t e r n e t i n t r a n e t 已经成为g i s 新的系统平台，利用i n t e r n e t 技术在w e b 上发布空间数据供用户浏览和使用是g i s 发展的必然趋势。从w e b 的 任一节点，i n t e r n e t 用户可以浏览w e b g i s 站点中的空间数据、制作专题图，进 行各种空间检索和空间分析，这就是基于w e b 的地理信息系统( w e b g i s ) 。w e b g i s 显然要求支持i n t e r n e t i n t r a n e t 标准，具有分布式应用体系结构，它可以看作 是由多主机、多数据库与多台终端通过i n t e r n e t i n t r a n e t 组成的网络 5 系统智能化 赛博空间( c y b e r s p a c e ) 是以计算机技术、现代通讯、网络技术、虚拟现实技 术的综合应用为基础，构造出一种人们进行社会交往和交流的新型空间，是一个 人工世界。在赛博空间中具有智能能力的g i s 系统就是c y b e r g i s ，它自动地接 受用户以高级语言描述的指令，利用它能够感知并作用于所处的赛博空间的“本 领”。通过与其他空间智能体的交互，为用户找到赛博空间中所需要的信息。 两北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 智能交通系统 由于我国城市化的不断发展，一些相应的问题也随之而来，其中比较突出的 是交通问题，大部分城市都不同程度地存在交通基础设施滞后、交通拥堵、环境 质量下降等问题。这些问题所造成的影响是多方面：包括时间浪费、运营成本上 升、交通事故、空气污染、噪声污染、己经成为国民经济发展的瓶颈问题。 因 此构建高效、安全、现代化的智能交通系统已成为当今的迫切要求。 智能交通系统( i t s ) 将先进的计算机处理技术、信息技术、数据通信传输 技术、自动控制技术、人工智能及电子技术等有效地综合运用于交通运输管理系 统中，建立一种在大范围内、全方位发挥作用的准时、准确、高效的交通运输管 理体系o 。 一、智能交通系统能提供的服务 i 、出行者信息服务。在家中或在任何地方的人均可使用个人出行帮助系统 来获得自己所需的相关信息，以选择出符合出行预算和时间要求的交通工具与出 行路线。在行程中，导航系统将引导司机到达目的地，司机将不断地接受到前方 有关交通状况的信息，司机与外界完全相通，出行变得容易、安全和舒适。交通 信息数字化很容易与其他服务系统一体化，在进入一个城市前，司机被预先告知 停车场位置( 它可以预定停车位) 以及如何与公交相接；其移动通讯可以直接进 入i n t e r n e t 网，自动访问所选择服务( 如餐厅、旅馆等) 的站点。 2 、高效的快速应急服务。在出现紧急状况时，i t s 可以对事故的发生进行迅 速与精确的定位，并且可以根据出事车辆传感器所提供数据选择合适的应急设 备，从而最大限度地保护人的生命。 3 、 安全行车服务。在车辆行驶过程中，车内的各种传感器可自动告诉司机 所处行车环境的各种信息，及时向司机提出警告并帮助司机摆脱潜在的危险。在 交通拥挤地段，车辆只能顺序行驶，以减少碰撞与交通事故；在学校、居民区等 地段，司机可以通过按动车内的车速自动控制按扭，将行驶车速控制在允许的范 围之内。 4 、减少交通阻塞，提高交通安全。与i t s 控制中心相连的路况监控设备对路 网交通状况进行实时监控，借助人工智能的帮助，控制中心将所连续监控的路网 信息进行整合处理，从而提出整个路网的优化运行方案。与此同时，司机接收到 西北大学硕士学位论文第一誊绪论 与路网优化运行方案相应的引导信息，就可以选择最佳行车路线，从而大幅度提 高现有路网基础设施的使用效率和安全性。 5 、高质量低成本的快货运输。i t s 强大的网络功能可以给整个社会提供高质 量低成本的快货运输。一方面，运营者可以运用i t s 综合不同的运输模式，选择 出能够及时运抵货物的最低成本的承运方案，并据此向货主提供承运报价：另一 方面货主可以根据不同运营者各自的承运方案与报价进行合理选择。另外，在承 运过程中，被运货物始终由电子标签进行追踪，同时，承运者还可以根据货主需 要随时改变货运路线及目的地。 6 、方便快捷的支付手段。作为无现金社会的扩展，交通运输服务要求实现 更加方便快捷的电子支付手段。智能卡将被广泛用来支付过路费及停车费等，从 而代替现金支付。当车辆处于行驶过程中时，便可以通过用户与i t s 支付中心可 靠的无线通讯来完成交易。 二、我国i t s 发展现状 我国i t s 起步较晚，7 0 年代以来，从国外引进、消化了一些项目，并进行了 一些i t s 或类i t s 基础项目的研究和应用。7 0 年代中至8 0 年代初，主要是进行城市 交通信号控制试验研究。8 0 年代中至9 0 年代初，在一些大城市引进和消化城市交 通信号控制系统，如上海引进澳大利亚s c a t 系统，北京引进英国的s c o o t 及南斯 拉夫的t r a n s y t 7 f 一交通信号控制系统，实现了一些( 高速) 公路监控系统、高 等级公路电子收费系统和路边信息服务系统，如广佛高速公路监控系统、首都机 场高速公路电子收费系统。9 0 年代中以来，开始研究部门i t s 发展战略和g i s 、g p s 、 e d i 在交通中的应用等，重视交通信息网络的建设，如交通部的公路智能运输系 统发展战略研究、铁道部t m i s 、d m i s 等信息系统开发。公路和桥梁管理用基础数 据库和道路交通量和气象数据采集等经过多年的努力，也己取得明显进展。2 0 0 0 年2 月2 9 日，国家正式成立了全国智能运输系统协调指导小组办公室。它的成立， 将有助于改善我国交通运输科技多头管理、工作交叉的问题，对我国智能运输系 统建设走上正轨必将起到积极的推动作用。 1 4 城市交通g i s 的提出 由于我国目前交通管理面临如下问题：原始交通地图普遍存在更新迟缓，包 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 含的信息量有限，对于道路的禁左、单行等属性及新建、拆除等信息无法显示和 实时更新；与道路有关的各种交通设施尤其是交通标志对道路的状态起着至关重 要的作用，如何实时的反应这些交通设施的变动对道路的影响在交通管理中起着 至关重要的作用；近年来计算机技术的普遍发展，尤其是g i s 技术的成熟，使得 交通管理信息化成为现实。如何利用先进的计算机技术来最示和管理各种交通资 源信息，使人们能最快、最新的得到各种交通信息，并根据信息为人们出行提供 指导方案就成为当前的一个重要任务。 城市交通g i s 是解决上述问题的有效途径，即以交通道路、与道路相关的 各种交通设施为管理对象，通过地理信息系统技术及w e b 技术，以地图的方式进 行信息发布，向用户提供最新道路信息浏览查询及辅助决策。 其中信息发布包括两个部分，一部分是为交通管理人员使用的内部信息发 布，主要是通过交通管理内网，向各级指挥中心、领导决策层、交通管理科技人 员以及基层科队一线提供交通信息，为管理决策、控制指挥、勤务组织、紧急事 件处置等服务；另一部分是为广大交通参与者服务，通过诱导出行而达到交通流 动态调控的目的，从而实现道路网始终处于最佳运营状态，即交通信息的对外发 布。二者虽然侧重点不同，但都是以交通信息为核心的应用系统“1 。 随着信息可视化、数据库、互联网以及多媒体技术的不断发展，推动了信 息处理技术特别是与地理信息技术相关的应用在各行各业不断深入。随着现代指 挥系统的发展，以及社会信息化的发展，按照统计，现代化信息系统中，有8 5 以上的数据均有地理属性，因此要开发城市交通g i s ，充分利用现有的g i s 系统 对空间数据处理的独特优势，帮助用户分析、查询大量数据信息并以地图方式显 示结果，将传统的数据带入到可视化空间中。同时结合m i s 系统进行数据库的各 种信息处理，并以表、统计图等形式显示。另外，g i s 还提供强大的可视化的 表现能力，可以把各种分析结果以适当的形式，直观立体的方式显示在图上，使 分析人员对各个方面的情况有一个更加形象的、全面的了解，统筹安排，提高了 决策效率，减少了片面性，大大提高了现代化管理水平，这在管理上和技术上均 是可以实现的。同时由于采用w e b 技术基于i n t e r n e t 的特有优势，使得用户不 必在自己的本地计算机上安装g i s 软件就可以在i n t e r n e t 上访问系统提供的地 图和数据信息，可以在任何时间、任何地点进行最新道路信息的了解，最短路径 8 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 的查询，道路及各种交通信息的查询，极大的方便了用户，信息在w e b 上发布具 有以下特点： 更为广泛的服务范围：使用i n t e r n e t 协议标准，将g i s 与w e b 服务器集 成，通过普通浏览器，用户可以在任何地方享受系统提供的服务，将系统扩展成 为公众服务系统。 平台无关性：对任何计算机和操作系统都没有限制。只要能访问 i n t e r n e t ，用户就可以访问和使用该系统而不必关心用户运行的操作系统是什 么。 提供可视化的g i s 网页界面，使得操作简单化：以网页的形式向用户提 供g i s 服务，用户可以在该界面上操作地图( 放大、缩小、漫游等) ，并将操作 的结果显示在地图上，服务不仅仅局限在受过专业培训的专业用户。 强大的查询及分析功能：该系统应具备强大的道路及设施信息查询及最 短路径分析功能。 信息的实时更新：使用电子地图，在服务器端进行地图的实时更新及属 性信息更新，用户在客户端就能得到最新信息。 1 5 论文的组织结构 本文共包含七章，依次阐述了作者对所研究课题的认识，详细记录了在研究 工作中的诸多问题从发现、分析到解决的全过程。七个章节的内容依次为： 第一章概述了课题研究与应用的背景，介绍了城市交通g i s 的背景及发展现 状。 第二章对支持城市交通g i s 的理论与技术进行介绍，包括w e b g i s 技术，空 间数据库技术。 第三章是对o r a c l es p a t i a l 研究结果的总结，主要对o r a c l es p a t i a l 的空 间数据组织、存储、索引等以及它所提供的空间操作运算和标准查询语言等进行 了详细的研究，从而为系统的实现提供了工具基础。 第四章论述了建立城市交通g i s 时，为信息的w e b 发布建立相关的网络分析 模型，给出了基于启发式代价模型的最短路径算法的实现及g i s 中常用的n n 查 询的基于r 树的算法实现。 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章介绍了建立城市交通g i s 时，采用的g i s 平台，后台空间数据的组织 方法。 第六章以西安市交通设施管理与信息发布平台为例，给出了本论文研究的一 个具体实例，指出系统能提供的服务，结果表明系统达到了设计目标。 第七章总结和展望。 西北大学硕士学位论文 第二章系统关键理论与技术 第二章系统关键理论与技术 本章主要介绍t w e b g i s 技术和空间数据库技术，本章和接下来的第三章、第 四章是建立城市交通g i s 的方法和技术保证，它们是后面原型系统设计的基础。 2 1w e b is 技术 2 1 1 动态w e b 技术 传统的w e b 技术基于h t t p 协议与h t m l 。但是h t m l 编写的文档都是静 态的，更改、添加新的内容就必须重新编写新的文档，而且客户也不能通过基本 的h t m l 文档来访问服务器端其它服务功能和同服务器进行必要交互。这要求动 态w e b 技术支持解决，动态w e b 技术包括服务器端和客户端两个方面。 服务器端动态w e b 技术从两方面扩充w e b 服务器的功能：一是能动态生成 h t m l 文档和其它内容，使服务具有动态性和重用性，避免重复劳动；二是能与 服务器端的其它应用程序通信，从而让远程客户能通过w e b 服务器访问到服务 器端其它应用程序的功能。服务器端动态w e b 技术主要包括c g i 、s e r v e r a p i 以及s e r v l e t ”及j s p 刚等。 客户端动态w e b 技术主要包括可以在客户端( 浏览器内) 运行的脚本技术、 客户端的插件( p l u g - i n ) 技术、j a v aa p p l e t 技术和a c t i v e x 控件( a c t i v e x c o n t r o l s ) 技术等。这些技术有一个共同的特点，就是需要客户端浏览器的支持， 目前流行的i n t e r n e t 浏览器都支持这些技术，但不同的浏览器可能会在某些支 持细节上有所不同。 2 1 2 构件技术 构件式软件技术。1 的出现改变了以往封闭、复杂、难以维护的软件开发模式。 基于这一模式的6 i s 通常把已有的g i s 功能模块分解为可互操作的自我管理和维 护的构件。基于构件技术的g i s ”3 设计用于w e b g i s 系统中，至少具有如下优势： l 、 平台无关和语言无关。构件规范的定义不依赖于特定的语言，因此，编 西北大学硕士学位论文第二章系统关键理论与技术 写构件对象所使用的语言与编写客户程序使用的语言可以不同，只要它们都能够 生成符合构件规范的可执行代码即可。这也意味着构件的开发和使用是完全独立 的，非常适合于作为广泛共享的资源。 2 、构件的可编程和重用的特点提供了有效的系统维护方式，同时也为g i s 最终用户提供了方便的二次开发手段，因此构件化软件思想在很大的程度上可以 推动g i s 软件的系统集成化和应用大众化，同时也很好地适应了网络技术的发 展。 3 、o i s 构件的相互独立和可组合性。只要接口保持不变，调用者无需关心构 件的具体实现技术和版本更新，而只需访问构件所提供的接口。构件之间能够无 缝地组合起来形成更大的构件，调用者可以根据需要把实现各种功能的“积木” 搭建起来，组合成更高层次的应用构件。 构件化g i s 还可以方便地与各种应用系统进行连接和嵌入，方便不同系统之 间的互操作，其功能组件可以被封装成能实现与具体任务最紧密相关的功能模 块。在一些非专业g i s 系统中，也可以很方便地利用g i s 构件实现数据的可视化或 地图的显示等任务。基于构件的地理信息系统使原来的巨型g i s 系统在粒度上得 到了合理的分解；而通过提取g i s 的通用功能和行业逻辑并采用构件技术进行封 装，用户可以从预先定义好的接口中直接获得所需要的服务，而无需再从底层的 基本功能做起，从而使得用户能采用非常灵活的开发手段，使构件无缝的协同工 作在自己的应用程序中；此外，通过使用一些通用的包装技术( w r a p p e r ) ，g i s 构 件就能够根据特定的应用需求迅速重组，这将在很大程度上推动w e b g i s 软件的 系统集成化和应用大众化，很好地适应了i n t e r n e t 环境下应用系统的发展与丰 富。 2 1 3 数据组织技术 g i s 所管理的空间数据往往是海量的，仅用普通的文件方式管理不仅会影响 本地访问效率，还会影响到在网络上的传输速度。因此必须有针对性地采用合理 有效的数据组织技术来支持w e b o i s 的数据存储和发布及服务。 l 、空间数据库 鉴于空间数据库在系统管理中的重要作用，在2 2 节对其单独进行介绍。 西北大学硕士学位论文第二章系统关键理论与技术 2 、m e t a d a t a 地图数据可能由于包含多个图层，具有不同的比例尺，覆盖不同的区域，采 集于不同的时期等，从而变得庞大复杂。因此必须建立科学的数据描述机制，才 能提供高效的管理与查询。地理信息元数据就是应这种需要而产生的。 m e t a d a t a 即元数据。1 ，是“关于数据的数据”，是关于数据和信息资源的描 述性信息。它不仅具有按一定标准、格式组织数据，便于管理、查询、检索的功 能，而且保存了数据的获取时间、更新日期、质量、格式等信息，使人们能有效 地评价、比较和操作数据，为数据共享、异构数据的远程访问提供了基础。它屏 蔽了数据存储与管理的细节，数据的使用者只需了解元数据库中的信息就可以完 全掌握数据库中的数据情况。随着i n t e r n e t 和w e b 的迅速发展，元数据技术逐 渐成为异构信息共享与互操作的核心与基础，成为分布式信息计算的核心技术之 一，受到广泛重视。地理信息元数据是地理数据的相关数据的描述性信息。用于 描述地理数据集的内容、质量、表示方式、空间参照系、管理方式以及数据集的 其他特征，是实现地理空间数据集共享的核心内容之一，也是i t s 和空间信息管 理的核心内容。利用m e t a d a t a 管理海量地理信息数据的前提是建立地理信息的 m e t a d a t a 标准，即确定采用哪些指标来表示地理数据集。这是目前地理信息 m e t a d a t a 研究的重点内容。为满足需要，o g c 提供了与c o r b a 、o l e c o m 、d c e 、 j a v a 等不同分布式计算平台( d c p ) 相对应的县体o p e ng i s 实现规范。构件的开 发应当遵循这些规范，从而实现地理信息在i n t e r n e t 范围内的共享与互操作。 3 、x m l 与g m l i i t m l 是整个w e b 的文档语言基础，h t m l 实际上是符台s g m l ( 标准通用标 记语言，s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ) 语法的一种固定格式的标记 语言，h t m l 自身的局限性“”使得它在传输和表达g i s 信息的工作上力不从心。