（检测技术与自动化装置专业论文）gis及矢量化技术在城市交通规划中的研究与应用.pdf

摘要 摘要 交通是城市发展的命脉，密切地影响城市经济、社会的发展以及人们的日常工作和生 活。因此，加强城市交通规划的研究，建立通畅良好的交通环境，对保证社会经济的可持 续发展具有重要意义。 目前，国内外开发出的交通规划系统多采用数学手段对路网交通流量进行数学模型的 建立和求解，虽不再仅仅依赖于专家经验定性分析，但数据分析结果表达专业性太强，操 作复杂，专题表达直观性不够。为此，本文利用基于高分辨率遥感图像道路提取技术获得 的道路栅格图像，研究栅格道路图像矢量化方法，得到更准确的城市交通道路网络；结合 g i s 强大的数据分析能力与直观、丰富的专题表达能力进行城市交通需求预测，辅助城市 交通规划与决策支持，以提升交通规划与日常管理的全面性、实时性和科学性。 本文围绕g i s 及矢量化技术在城市交通规划中的应用以及城市交通规划决策支持系 统的开发与研究进行展开，主要研究内容和创新点在于- ( 1 ) 研究并设计开发了交通空间分析组件 运用c o m g i s 技术进行城市交通规划决策支持系统( u p d s s ) 的g i s 平台和交通空 间分析组件的设计与开发，实现了交通空间图形属性互查、空间模式查询与几何量算、矢 量缓冲区分析、矢量叠加分析；并改进了在网络分析功能设计上s u p e r m a po b j e c t s 网络路 径分析必须基于网络节点进行的不足，实现地图窗口任意两点间最短路径分析，并加入了 路网分析障碍点与选址分析中心点等设置，更加真实地模拟交通环境。 ( 2 ) 实现了栅格道路矢量化，研究了交通需求预测分析四阶段法模型，开发了交通 需求预测组件 基于已获得的城市道路栅格图像，提出了改进的基于交叉点的f r e e m a n 链码轮廓跟踪 方法，实现了基于细化的城市栅格道路矢量化，建立了城市交通拓扑路网；基于g i s d k 宏编程语言二次开发完成了交通需求预测流量数据的分配；运用s u p e r m a po b j e c t s 组件在 拓扑路网上对交通规划信息进行了专题图可视化功能开发，实现了城市交通需求预测分析 以及城市交通规划与决策辅助支持。 ( 3 ) 设计并实现了基于高分辨率卫星图像的城市交通规划决策支持系统 利用遥感图像高精度与实时性好的优势，将g i s 和矢量化技术应用于城市交通规划， 运用s u p e r m a po b j e c t s 组件和g i s d k 开发了基于高分辨率卫星图像的城市交通规划决策 t 浙江大学顾l ：学位论文 支持系统，实现城市交通地理信息空间查询与量算、空间分析、交通需求预测、城市三维 渲染可视化，并通过对交通需求预测分析结果的多样化专题表达，辅助城市交通规划与决 策支持。 本文利用基于高分辨率遥感图像道路提取技术获得的道路栅格图像，研究栅格道路图 像矢量化方法，提出了改进的基于交叉点的f r e e m a n 链码轮廓跟踪方法，得到更准确的城 市交通道路网络；结合c o m g i s 技术与g i s d k 二次开发技术，研究了交通需求预测四阶 段法，实现了交通需求预测组件开发，开发了基于高分辨率卫星图像的城市交通规划决策 支持系统，以辅助城市交通规划与决策支持。 关键词：城市交通规划：g i s 技术：矢量化方法：交通需求预测分析 a b s t m e t a b s t r a c t t r a n s p o r t a t i o n i st h el i f e b l o o do fu r b a nd e v e l o p m e n t ，i ts e r i o u s l yi n f l u e n c e so nt h e d e v e l o p m e n to fu r b a ne c o n o m y ，s o c i e t ya n do u rd a i l yl i f e t h e r e f o r e ，t os t r e n g t h e nt h es t u d yo f u r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n ga n de s t a b l i s hs m o o t ht r a f f i ce n v i r o n m e n ti sn e c e s s a r ya n dv e r y i m p o r t a n t a tp r e s e n t ，t h et r a n s p o r t a t i o np l a n n i n gs y s t e m sm o s t l yf o c u so nb u l i d i n gm a t h e m a t i c a l m o d e l sa n dm o d e l ss o l u t i o ni nt r a n s p o r t a t i o nd e m a n df o r e c a s t a l t h o u g ht h e yn ol o n g e rs i m p l y r e l yo ne x p e r te x p e r i e n c ef o rq u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r et o op r o f e s s i o n a la n d n o ti n t u i t i v e t h e r e f o r e ，b a s e do ng i ss t r o n gd a t am a n a g e m e n t ，p o w e r f u ls p a t i a la n a l y s e sa n d i n t u i t i v et h e m e m a pe x p r e s s i o n ，t h i sp a p e rv e c t o r i z e st h eu r b a nr o a ds k e l e t o nb yi m p r o v e d i n t e r s e c t i o nc o n t o u rt r a c k i n gt e c h n o l o g yb a s e do nf r e e m a ne n c o d i n g ，d e v e l o p st h eu r b a n t r a n s p o r t a t i o nd e m a n df o r e c a s t i n gc o m p e n t e n t s ，a n dd e s i g n st h eu r b a np l a n n i n gd e c i s i o ns u p p o r t s y s t e mf o rt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fg i sa n dv e c t o r i z a t i o nt e c h n o l o g yi n u r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do nc o m g i st e c h n o l o g y , t h i sp a p e rd e s i g n st h et r a n s p o r t a t i o ns p a t i a la n a l y s i s c o m p o n e n t ，a c h i e v e st h es p a t i a lq u e r ya n dm e a s u r e m e n t ，b u f f e ra n a l y s i sa n do v e r l a ya n a l y s i s f u n c t i o n b e s i d e s ，i ti m p r o v e st h en e t w o r kp a t ha n a l y s i sf u n c t i o ns ot h a ti tc a na n a l y z ew i t ha n y t w op o i n t si n s t e a do ft h en e t w o r kn o d e s ，a n ds u p p o r t sn e t w o r ko b s t a c l e si nn e t w o r ka n a l y s i st o m a k ei tm o r ec l o s et or e a lt r a n s p o r t a t i o ne n v i r o n m e n t ast h er a s t e ri m a g ei sl a c ko fs p a t i a lt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s ，i th a sd i f f i c u l t yw i t ha t t r i b u t e e d i t t i n ga n ds p a t i a lv e c t o ra n a l y s i s i nt h i sp a p e r , t h er o a dv e c t o ri so b t a i n e dw i t hi m p r o v e d i n t e r s e c t i o np o i n tc o n t o u rt r a c k i n gm e t h o db a s e do nf r e e m a ne n c o d i n g a n db a s e do nt h er o a d n e t w o r k ，t h i sp a p e rd e s i g n st h et r a n s p o r t a t i o n d e m a n df o r e c a s t i n gw i t hg i s d km a c r o p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a n dd e v e l o p st h et h e m a t i ca n a l y s i sw i t ht h et r a n s p o r t a t i o nf o r e c a s td a t a f o ru r b a nt r a n s p o r tp l a n n i n ga n dd e c i s i o ns u p p o r t b a s e do nc o m g i st e c h n o l o g ya n di m p r o v e dv e c t o r i z a t i o nm e t h o d t h i sp a p e rd e v e l o p s t h ed e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mf o ru r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g i tc a nd os p a t i a lq u e r ya n d a n a l y s i s ，g e o m e t r i cm e a s u r e m e n t ，u r b a nt r a n s p o r t a t i o nd e m a n df o r e c a s ta n d3 dv i s u a ld i s p l a y ； t h e r e f o r ea s s i s tu r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n ga n dd e c i s i o ns u p p o r tw i t ht h e m a t i cm a pa n a l y s i s k e y w o r d s ：u r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g ，g i s ，v e c t o r i z a t i o nt e c h n o l o g y v 插图与附表清单 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 插图与附表清单 栅格位图放大前后对比图 g i s 功能模块图 点、线、面的栅格结构表示 简单图元的矢量结构表示 s u p e r m a po b j e c t s5 2 的存储结构 典型缓冲区分析图 叠加分析效果图 弧段求交拓扑处理图 障碍点网络路径分析对比图 基于交叉点的f r e e m a n 链码轮廓跟踪矢量化改进方法流程框图 f r e e m a n 链码8 方向图和典型封闭轮廓线链码表示 基于交叉点的f r e e m a n 链码轮廓跟踪流程图 十字路口轮廓矢量跟踪效果对比图 矢量化拟合前后对比图 本文矢量化方法效果及对比图 道路矢量化提取效果图 道路位置精度效果对比图 交通规划系统决策过程图 基于g i s d k 的交通需求预测系统流程 交通需求预测分析数据库的组成框图 交通路网分析图 交通产生模型预测准备数据 交通产生预测量( p ) 交通生成模型得到的未平衡的p a 专题图 规划年出行交通方式比例构成示意图 g i s d k 路网交通流量分配专题图 典型的城市交通路网系统 v i i 浙江人学硕士学位论文 图4 1 9 图4 2 0 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 11 图5 ，1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 表2 1 表3 1 表4 1 城市g i s 交通规划p a 与o d 专题图 城市路网v o c 范围分段专题图 城市交通规划决策支持系统总体设计框架 城市交通规划决策支持系统体系结构图 基于高分辨率卫星图像的城市交通规划决策支持系统界面 u p d s s 系统主功能菜单 地图图层控制工具箱 道路层矩形选择效果图 地图导入导出菜单 空闻对象实体属性表 空间查询工具箱及其效果图 空间关系查询效果图 最短路径分析路线图 地图三维渲染图 交通需求预测子系统界面 北京五环内交通分析图 城市交通小区产生流量统计专题图 栅格与矢量数据结构的比较 国内主要g i s 软件性价比对比表 常用交通规划软件t r a n s c a d 、c u b e t r i p s 、e m m e 2 的比较 浙江大学研究生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。 除了文中特另t l ；h h 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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 南焱 签字日期： 沙口年弓月刖7e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢白辛 签字日期：沙o 年乡月侈同 导师签名： 弓袅幼 l 签字同期：文。f 口年苫月f7 日 致谢 致谢 “国有成均，在浙之滨，昔言求是，实启尔求真”。转眼间，我的浙大研究生生活已 接近尾声，两年半的研究生生活虽然短暂，但在我的人生旅程里添上了浓重的一笔，可以 说改变了我的人生轨迹。一路走来，有太多的感谢要表达。 首先，要特别感谢我的导师一一张光新教授。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度， 大胆创新的进取精神，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人 的人格魅力对我影响巨大，这种影响不是一朝的迸发，而是日积月累的渗透，使我终生受 益。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢周泽魁教授在工作、学习以及为人处事等方面的指导和关怀。周老师对我的研究 生生活十分关心，在生活学习方面给我提了许多良好的建议。周老师严谨的学风、渊博的 知识和慈爱宽容的师长风范，鼓励着我前进，永远值得我学习。 感谢侯迪波副教授在我的工作和学业上的耐心指导和倾力帮助。侯老师踏实认真的工 作作风和忘我的敬业精神，尤其是在g i s 和论文写作上的指导和帮助，才使我克服工作中 碰到的种种困难，顺利完成项目的工作。侯老师对学术研究的敏锐嗅觉和知识积累与运用 的灵便令我深深敬佩! 感谢黄平捷副研究员在我论文写作过程中给了我许多理解、鼓励和帮助，感谢张宏建 教授、黄志尧教授等控制系的老师们在理论指导和学习生活等方面对我的指导和帮助! 感谢已毕业的刘国华博士、张浩博士、颜志刚博士、郑松博士、叶波博士、才辉博士、 曹丙花博士、范孟豹博士、谢强军博士、朱莉硕士、郦光府硕士、贺光琳硕士、龚翔硕士、 于洋硕士和在校的李国厚师兄、陈佩华师姐、康旭升师兄、陈锡爱师兄等给我的帮助，从 他们那里得到了不少启发，学到了很多宝贵的知识。 感谢我的室友和同学唐晓芬，是她帮着我适应初到浙江大学的陌生感，帮我找到自己 的位置和归属感并一直鼓励着我努力学习，从她那里我学到了坦诚与友情的珍贵。感谢我 的同窗高杨华，是他一直鼓励我，让我了解到各方面的最新消息，并在论文写作过程中给 我提供了很大的帮助。 感谢宋筱轩、徐益挺、储海兵、蔡文、郑舒尹、朱琼瑶、岳飞亨、樊文杰、高觅谛、 赵海峰、田径、郭诚、张坚等实验室所有师弟妹们，感谢我西安电子科技大学的校友和萍 浙江大学硕士学位论文 乡老乡们，感谢他们在学习和生活上给我的帮助和支持，感谢他们和我一路走来，分享彼 此收获的喜悦，让我在此过程中倍感温暖! 感谢我的家人一一我的奶奶、父母、哥哥嫂子和我可爱的侄子。感谢我的奶奶一直以 来的关心和照顾，帮着父母亲照看着我们这些子孙。感谢父母的养育之恩，是他们的关爱 与支持让我走上大学，走到现在并将好好地走向将来。感谢我的哥哥对我学业与人生几个 重大抉择上的扶持和帮助，感谢我的嫂子和可爱的侄子，是他们让我们一家更加美满幸福。 感谢家人给我的关爱、支持和鼓励，他们的爱与理解是支撑我奋斗和战胜一切的动力源泉。 感谢有这么一个空间，让我对所有帮助和关心我的老师们、实验室师兄弟们、朋友们 和我的家人表示衷心的感谢! 向丰 2 0 0 9 年1 2 月于浙大求是园 第1 章绪论 第1 章绪论 摘要 本章首先简要分析了目前城市交通环境的现状，强调城市交通规划的必要性以及合理 地进行科学规划的重要性。针对城市交通规划过程中数据分析困难和实时性较差的问题， 提出了引入g i s 和矢量化技术的思路，在简要概述g i s 和矢量化技术的发展历程与研究现 状之后，介绍了本文的组织结构和主要研究内容一一g i s 和栅格道路矢量化技术在城市交 通规划中的应用以及城市交通规划决策支持系统的开发与研究。 1 1 研究背景及意义 随着我国社会经济的迅速发展，城市化进程不断加快，城市人口和机动车拥有量持续 增加，交通运输需求和城市道路条件之间的矛盾日益突出。目前，我国很多城市交通拥堵 现象以及由此衍生引发的交通事故与交通环境污染等社会问题已极其严重。作为城市命脉 的交通己成为其发展的瓶颈，严重地制约了社会、经济的发展，影响了人民群众的日常工 作和生活l l 】。因此，加强城市交通规划的研究，建立通畅良好的交通环境，对保证社会和 经济的可持续发展具有重要意义。 城市交通规划主要是指通过调查分析，模拟城市交通状况，预测道路交通需求，分析 并规划道路网络，得到通畅良好的交通环境的过程【2 1 。城市交通系统关系到城市经济发展， 涉及到各类交通环境、人口资源分布及城市功能布局等众多领域，分析数据量庞大，模型 种类复杂，分析处理难度大，给交通规划相关人员管理和应用带来诸多不便。随着计算机 技术的发展和人们越来越认识到城市交通规划的重要性，交通规划模型分析方法与技术越 来越先进，专业软件也越来越多，从最早的美国u t p s 系统到目前市场主流交通规划软件 t r a n s c a d 、c u b e t r i p s 、e m m e 2 和国内自主开发的t r a n s t a r 、t r a n s o l u t i o n 等等。尽管 它们不再仅仅依赖于专家经验进行定性分析，开始借用数学手段对网络交通流进行分析从 而实现定量分析，但多侧重于数据模型的建立与求解，数据分析结果表达专业性太强，专 题表达直观性不够【l 】。 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 ，g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代后期发展起来 的一种空间信息处理分析技术，在描述和处理与空间相关的信息方面具有强大的数据管理 浙江大学硕：i 学位论文 能力，被广泛应用于电子地图制作、资源管理等领域；还因其能同时对空间和非空间信息 如社会、人文、经济等各类属性信息进行建模分析和处理，主要被应用于与地理相关的交 通、海洋渔业、地质灾害等领域【i 川；而且，g i s 对时空特征的可视化表达直观且全面，信 息可实时表达，更有利于提高决策和管理的科学性与实时性。鉴于此，本文拟引入g i s 技 术实现数据管理、快速数据分析与交通特征的可视化表达，增强专业交通规划软件对数据 的可视化表达功能，以提升交通规划与日常管理的全面性、实时性和科学性。 传统电子交通地图和交通网络的采集与获取主要依靠人力测绘纸质地图继而进行扫 描矢量化得到的，由于地图测绘工作量大，绘制周期长，交通地图的精度和实时性都会与 当前实际交通环境存在一定的差距【5 l 。随着传感技术和遥感技术的发展，利用遥感影像进 行地理数据的采集与获取，使得上述问题的解决成为可能。 一般而言，获取的遥感影像是栅格数据，交通道路及其路况等非空间属性信息很难直 接添加到遥感影像数据中，导致很多交通空间信息分析与建模无法进行【6 1 。为了方便地在 地图上进行数据分析与管理，使交通规划分析结果更精确，对城市道路遥感影像进行矢量 化处理显得尤为重要。 本文正是结合浙江省科技支撑和引导计划面上项目“基于高分辨率卫星图像的城市交 通规划决策支持系统( u p d s s 尸( 项目编号：2 0 0 7 c 3 1 0 0 4 ) 的研究，提出了基于g i s 技 术和栅格道路矢量化技术的城市道路交通规划新思路。本文的主要目标是利用高精度遥感 图像，在运用数字图像处理相关算法得到的细化城市道路骨架基础上，利用矢量化技术得 到城市交通道路网络，进而结合g i s 强大的数据管理、分析与直观的可视化表达进行城市 交通需求预测技术研究，实现城市交通信息和空间地理实体信息的查询、交通信息特征的 统计分析、交通需求预测分析结果的专题显示等功能，辅助城市交通规划相关部门人员进 行规划与决策分析。 1 2g i s 及矢量化技术简介 1 2 1g i s 技术 地理信息系统是是反映我们生存的现实世界( 资源和环境) 的各类空间数据及描述这 些空间数据特征的属性，并进行分析显示的技术系统【7 1 ，是对时空特征数据进行预处理、 处理、输入、存储、查询检索、分析、显示、更新的多学科领域交叉的一门学科，它可对 第l 章绪论 海量空间地理数据进行分析和处理，具有高效数据管理和灵活的数据综合分析功能，目前 广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展计划、公共设施管理、交通规划等领域【8 1 2 】。 随着计算机技术的发展，以地理信息系统技术为处理空间数据的技术和工具，利用它 来输入、存储处理地理信息系统基础数据和其他属性数据，生成空间分布特征图，对数据 的空间特性和相关数学模型进行空间表示和进一步的空间分析，已成为地理信息系统的主 要应用趋势。 因此，在研究和建立地理信息系统时，需考虑和体现g i s 的如下四类属性【7 1 ： ( 1 )科学属性 地球科学是地理信息系统的基础，但并不只是作为一门单独的学科应用而存在，而是 集多学科为一体的新兴学科，具有跨学科的性质，涉及到数学、地学、遥感学、图像处理、 计算机科学等诸多领域，其功能不再局限于单一要素的定性分析，更主要的是承载多维、 多要素的定量研究。 ( 2 )社会属性 地理信息系统的社会属性主要表现在实现数据共享方面。地理信息系统主要且最基础 的组成部分就是地理信息数据，这类数据不仅有标准的地理对象实体的地理信息，而且有 权威可信的系统应用领域专业信息数据和来自各类社会调查与采集的市场最新数据。这些 数据的采集与获取来源不同，数据格式不统一，应用地理信息系统将其融合，进行统一管 理与分析，实现社会各类数据的共享。 ( 3 ) 实用属性 地理信息系统作为一门多学科交叉的应用技术与工具，被广泛应用于各研究领域。因 而，要求用户必须明确应用系统的功能需求和技术目标，以保证地理信息系统建立的必要 性和系统应用的实用性，可靠性和有效性。 ( 4 ) 经济属性 地理信息系统数据库的建立是一项周期相对较长、投资较大，而又能造福人类的重大 战略性工程。它主要被用来提供资源信息管理与服务、地理空间开发与设计和宏观决策支 持服务等，使各类资源与环境管理与开发决策正确，符合可持续发展。因此，对地理信息 系统的投资效益比与决策必须有科学的技术经济论证，以避免浪费。 浙江大学硕十学位论文 1 2 2 矢量化技术 栅格位图是以像素点阵形式进行图形的表示和数据的存储与管理。遥感图像是典型的 栅格位图，具有多个光谱通道，有分辨率高、信息容量大和数据精度高等优点，但也存在 栅格位图的不足【6 】： ( 1 )栅格位图以像素点为单元进行存储，需要占用大量的硬件资源； ( 2 )栅格图像与图像分辨率有关，当图像放大显示时，图像会出现锯齿边缘，失 真现象明显( 图1 1 ) ，信息细节可能丢失； 图1 1 栅格位图放大前后对比图 ( 3 )栅格数据结构的存储方式决定了栅格位图各类图形对象是由一系列有序离散 像素点组成的集合。各种图形操作均以像素点为单元，使得对同一类型图元( 如曲线、面 域) 属性的编辑需要对组成该图元的每一个像素点赋予同样属性，工作量大，空间资源严 重浪费； ( 4 )栅格位图图元之间不具有空间拓扑关系，空间分析如反映空间图元关系的空 间模式分析、空间一定区域内的缓冲区分析、图层叠加分析和空间网络拓扑分析等是无法 进行的，继而导致很多基于空间拓扑关系的处理分析和规划决策工作无法开展与实现。 因此，对遥感图像进行矢量化研究意义重大，主要工作包括：对栅格位图中的图形对 象进行目标提取，然后将目标用点、线、面等矢量图元进行表达【1 3 】，以便编辑属性信息和 进行空间矢量分析，实现分析规划和决策支持。 矢量化是利用数字图像处理算法，将栅格位图的各种栅格点阵转换成为矢量图元如 点、线和面等，构成拓扑关系，并以一定数据文件格式保存起来，形成矢量副1 4 1 。矢量化 技术是将栅格位图中的点、组成线和面的点集转换成矢量点、线和面。点数据的矢量转换 只需将栅格点的中心坐标转换为矢量坐标即可；线对象的矢量转换需要对线状图形进行识 别与提取，继而根据线状图形走向进行沿线跟踪，将线上栅格序列点坐标转换为矢量坐标， 并储存其各点间的矢量关系，形成线元整体；而面对象的矢量转换则是提取具有相同图形 属性编码的栅格集合，矢量化其边界线及储存边界与边界之间的拓扑关系，并将边界所围 城的区域内部赋与相同的图形属性，形成面状矢量对象【”1 。 4 第1 章绪论 栅格位图经矢量化预处理和细化之后，图像中的元素主要表现为点、直线、曲线和一 些面区域等基本矢量图元。由于区域本质是由直线和曲线边界及其围成的特定空间内部点 集组成，因而，目前地图矢量化主要是集中在对线状对象的矢量化【16 1 7 1 和符号文字等信息 的提取与识别【l s - 2 0 l 方面。在越来越受到重视的城市交通规划领域，人们更多研究的是有效 地提高矢量化精度和速度以及如何利用得到的矢量路网准确而科学地进行交通规划与决 策支持。 1 3g i s 及矢量化技术在交通规划领域的研究现状 1 3 1g i s 技术的发展与研究现状 地理信息系统的发展始于2 0 世纪6 0 年代初期。1 9 6 2 年，加拿大的r o g e r f t o m l i n s o n 提出世界上第一套地理信息系统一一加拿大地理信息系统( c g i s ) ，用于处理大量的土地 利用数据【l 】。2 0 世纪7 0 年代，随着计算机技术的迅速发展，地理信息系统主要用于空间 信息的管理，并加入了人机对话功能，为后来的人机交互技术提供了良好的基础。8 0 年 代，地理信息系统快速发展，世界各国推出了各研究应用领域不同类型的地理信息系统， 并开始有商业化实用系统进入市场。国外市场更是开始进入了产业化阶段，代表性的系统 软件有a r c l n f o ，m a p l n f o 和e r d a s 等。进入2 l 世纪以来，g i s 技术研究从早期的模块化、 核心式开发走向组件式和网络式开发，人们越来越侧重专业g i s 系统应用软件的开发，如 g i s 在交通规划领域形成的交通地理信息系统( g i s t ) 【5 】。 相比较而言，国内的地理信息系统研究，起步相对较晚。2 0 世纪8 0 年代初期，我国 g i s 应用研究主要靠引进国外软件进行应用开发。随着国内g i s 基础研究的发展，从9 0 年代初期开始，我国g i s 产业化开始初见端倪。随着国家政策的引导，各大高等院校和科 研院g i s 相关学科研究工作陆续开展起来，9 0 年代后期以来，国内也相继研发出我t 1 】自 己的软件产品，如武汉中地的m a p g i s 系列软件，武大吉奥信息工程技术有限公司开发的 g e o s t a r 系列软件，中国科学研究院地理信息产业发展中心支持的北京超图s u p e r m a p 系列 软件和北京大学遥感与g i s 研究所开发的c i t y s t a r 等。经过这2 0 多年以来的努力赶超， 我国g i s 技术研究已经有了很大的进步，已基本到达国际先进水平，并在某些方面形成了 自己的特色。目前，g i s 应用领域已经深入社会经济的各个方面，有城市、地质、水文、 矿山矿井、交通和军事领域等，应用良好，发展潜力巨大。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2g i s 技术在交通规划领域的研究现状 g i s 是一种空间数据分析和处理的技术方法，交通规划主要利用g i s 技术来输入、存 储、处理与分析交通规划的基础数据，并对交通数据的空间属性以及交通预测模型的分析 数据进行专题特征显示。同时，g i s 还可接受外部数据文件格式的数据，并可以多种形式 向外输出数据。g i s 的上述特点，使得基于g i s 的交通规划数据管理更加便捷，结果表达 形式更多样，结果分析更直观、全面和形象。 在g i s 的具体应用方面，美国、加拿大、日本、澳大利亚等许多国家结合g i s 技术在 城市路网规划、城市快速公交、轨道规划设计1 2 1 - 2 3 1 等方面进行决策分析与应用已很广泛。 美国华盛顿地区建立了3 0 余个的地理信息子系统来进行城市交通管理、交通状况信息定 时发布以及g p s 导航等【驯；加拿大温哥华岛长1 2 7 公里公路，运用g i s 技术完成了道路 通道选择和初步设计工作，g i s 技术解决了信息管理、数据处理和道路选址与道路编辑规 划结果分析等问题【2 5 1 ；目前，2 0 0 9 年8 月开通的大温地区路网管理与公交服务的温哥华 运输联线亦是利用g i s 技术来实现路网规划与分析设训2 6 1 。 在国内，1 9 9 1 年我国陕西省交通厅与中国科学院遥感应用研究所共同开发的地市级 数据库t r a n s g i s 建立了我国自己的公路数据库系统，使我国将g i s 技术应用于城市交通 规划领域成为可能。1 9 9 5 年，交通部科技司申报的国家重点科技项目“基于g i s 的公路 信息系统”成功地将g i s 技术应用于城市公路建设与管理，实现了g i s 数据管理与基础空 间分析。1 9 9 8 年，中国城市规划研究院承担的8 6 3 项目“g i s 支持下的城市交通需求分析 系统软件开发”将g i s 空间数据分析和交通需求分析模型相结合进行城市规划分析，在交 通数据管理与结果表达中引入g i s 技术，实现了对交通需求分析的支持1 5 1 。进入2 l 世纪， g i s 在城市交通规划领域的研究更加蓬勃发展。 得益于g i s 数据管理分析功能强大和可视化表达方式多样化的优势，基于g i s 的交通 规划管理与决策支持系统研究越来越受到人们的重视，并延伸发展了专门的交通g i s 系统 ( g i s t ) 。g i s t 将有望成为交通部门的必备工具，使交通规划、建设、管理和运营变得更 加直观、高效和轻松，从而进入全数字化和电子化管理的新时代。 1 3 3 线状对象矢量化技术的研究现状 6 图像矢量化技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代，针对c a d 领域工程图纸中的简单线划 第l 章绪论 ( 线状图) 的识别和存储而提出 2 7 1 。1 9 7 4 年，h f r e e m a n 结合计算机处理技术，介绍了 一种处理二值线划图的方案，提出了f r e e m a n 链码表示方法，这就是后来被图形图像技术 领域广为应用的f r e e m a n 链码轮廓跟踪表达矢量化方法的基础【2 引。但当时计算机技术不成 熟，理论研究进展缓慢，图形识别速度慢，正确率不高。 进入8 0 年代，矢量化的研究深度和广度较7 0 年代有了明显的进步，陆续出现了针对 某种特定图元要素识别和提取的研究，如道路网【2 9 。3 0 】、点状注记符号识别【3 1 - 3 2 1 的研究。此 外，随着计算机系统性能的增强，开始出现了地图信息识别和数据转换软件，其中美国【3 3 1 和德国【3 4 1 都开发了自己的栅格矢量转换软件，日本图像字符识别技术居于世界前列【3 5 - 3 6 1 。 我国矢量化技术研究如同g i s 技术发展一样，起步相对较晚。直到1 9 8 6 年，“七五”重点 科技攻关项目“模式识别图像数据库”的建立【3 7 1 ，才正式拉开我国地图自动识别技术研究 的帷幕【2 7 1 。 9 0 年代，随着计算机技术的发展，地图矢量化的理论研究更注重与实践的结合。美 国研究了采用模式识别的空间数据系统中的线扫描方法，并在陆地卫星像片上用混合方法 检测出地图制图的重要特征【l6 1 ；德国基于模式识别方法研究了地图等高线自动获取方法 【3 引，并推出了r a v e l 栅格矢量转换软件系统和c a r o l 机助线状要素识别系统。在国内， 广大科研人员对地图识别矢量化的提取方法作了大量探索研究并进行了应用实践。其中， 西安电子科技大学开始较早，主要对彩色地图自动识别鲫与水系提取f 4 0 1 进行了研究；武汉 大学针对等高线的识别与提取【4 1 1 ，提出了c c d 扫描等高线图自动栅格矢量转换方法，并 建立了地图识别专家模型【4 2 1 。这一时期地图矢量化技术快速发展，并开始结合图像智能、 模式识别、神经网络、信息融合等先进技术进行矢量化研究【2 7 1 。 目前，国内外已经出现了很多商业化的矢量化软件产品和具有矢量化功能的g i s 平台 软件，其中应用比较广泛的有s o f l e l e c 公司的v p s u d i o ，a b l e 公司的r 2 v ，e s r i 公司的 a r c g i s ，武汉中地公司开发的m a p g i s 和北京超图公司s u p e r m a p 等等。其中v p s t u d i o 系 列软件全自动化程度较高，处理时间也较快，图形分辨率不高时矢量化精度不高；r 2 v 系 列软件输出多种矢量格式文件，图像校准数学模型丰富，矢量化精度较高，但输入图像格 式有限，不能为空间对象赋予属性且只能在矢量化后进行坐标纠正；a r c g i s 使用专门的 a r c s c a n 模块进行矢量化，矢量化运行平台庞大，且对系统硬件要求较高；m a p g i s 系列 软件以交互矢量化为主，具有一定的地图自动识别功能；s u p e r m a p 系列软件提供了交互 矢量跟踪和自动矢量化两种方式，2 0 0 8 系列之前的软件不支持转换矢量线【4 3 埘1 。 从总体上看，国外对矢量化技术的研究开展较早，研究也较深入，国内研究起步较晚， 7 浙江大学硕：i j 学位论文 理论和实践还不够成熟。尽管市场上出现了各种各样的矢量化软件，但矢量化在转换速度 与精度上难以兼顾，软件自动化程度不高，大多需要人工干预辅助矢量跟踪或者进行后处 理修正【2 7 1 。有些软件甚至会出现因图像分辨率不高，自动矢量化错误过多，导致后续人机 交互处理的工作量与全部进行手工矢量化的工作量相差无几【4 5 】。 由于受图纸质量及扫描性能的影响，扫描图像往往会出现过渡色彩及颜色失真等干扰 噪声，线条和文字等符号叠加在一起，给矢量化预处理和对象识别带来困难【2 7 1 。因此，结 合图像处理、测绘学、模式识别、人工智能、神经网络与计算机视觉等领域先进数字图像 处理技术方法进行矢量化技术的研究，重要性和挑战性并存。 1 4 论文主要研究内容 本文结合浙江省科技支撑和引导计划面上项目“基于高分辨率卫星图像的城市交通规 划决策支持系统”的研究，围绕g i s 和矢量化技术在城市交通规划中的应用，主要研究和 探讨城市交通规划中的地理空间分析、交通网络分析、栅格道路矢量化和交通需求预测等 交通规划决策支持系统的实现与应用问题。论文共分为六章： 第1 章简要介绍城市交通规划的研究现状，针对交通规划中的数据分析困难和实时 性较差等问题，介绍了g i s 和栅格道路矢量化技术在城市交通规划中应用的发展及研究现 状。 第2 章首先概括地介绍g i s 的相关概念与组成，分析其在工业中的应用，讨论g i s 技术的发展趋势；并基于g i s 栅格和矢量空间数据结构模型，介绍了矢量化的概念，着重 对不同矢量化技术的基本思想和优缺点方面进行了综述。 第3 章针对城市交通规划数据量庞大、管理不便问题，结合g i s 技术强大的数据管 理与空间分析能力，分析比较了三种应用广泛的g i s 软件开发工具，利用c o m g i s 技术简 便灵活与无缝集成的特点，提出了基于s u p e r m a po b j e c t s 的城市交通信息空间组件开发的 构想，并研究和分析了交通信息空间分析的组件开发的具体功能设计。 第4 章主要针对城市交通道路数据实时性需求迫切的问题，利用基于高分辨率遥感 图像道路提取技术获得的道路栅格图像，研究栅格道路图像矢量化方法，获得城市拓扑路 网；基于城市拓扑路网，研究g i s d k 二次开发技术，提出了基于s u p e r m a po b j e c t s 和g i s d k 开发城市交通需求预测组件的构想，开发满足四阶段交通需求预测模型的交通需求预测分 析组件，辅助城市交通规划与决策支持 8 第l 章绪论 第5 章从系统应用设计与实现的角度出发，进行了基于高分辨率卫星图像的城市交 通规划决策支持系统总体设计和体系结构设计。针对性地研究了交通地理信息空间分析、 交通需求预测设计、专题图分析显示与交通规划辅助决策功能设计以及g i s 与r s 影像结 合的矢量化技术应用等问题。 第6 章结论和展望。 1 5 本章小结 本章简要地分析了城市交通现状，阐述了城市交通规划的必要性和科学合理规划的重 要性，针对交通规划过程中的数据分析困难和实时性较差等问题，分析了g i s 和矢量化技 术在交通规划中的应用，并概述了g i s 和矢量化技术的研究和发展现状，最后提出了论文 的组织结构和主要研究内容。 9 第2 章g i s 和矢量化技术综述 第2 章g i s 和矢量化技术综述 摘要 本章首先概括地介绍了g i s 的相关概念及其组成，结合计算机领域的新技术在g i s 中的应用，概括了g i s 技术的发展趋势；重点介绍了两种通用的g i s 空间数据结构模型一 一栅格数据结构模型和矢量数据结构模型，分析了其对地理空间对象实体的模拟与表达方 式，并在此基础上介绍矢量化的概念与主要方法；最后，介绍了目前应用比较广泛的典型 矢量化方法，比较分析了这些方法在应用时的优缺点，为本文的后续研究提供了理论基础 与方法指导。 2 1 地理信息系统综述 地理信息系统是利用计算机技术对地理信息及相关领域信息数据进行获取、处理、存 储、管理、分析及辅助决策支持，多学科多领域交叉的一门新兴学科【4 6 1 。正因为地理信息 系统以地理空间数据库为基础，具有高速处理信息数据的能力，使其得到广泛的应用。 2 1 1g i s 的定义 对于地理信息系统的定义，我们通常可以从面向功能、应用、工具和数据库四个不同 的角度来加以定义 4 7 - 4 8 】。面向功能的定义侧重于g i s 的多功能性，即g i s 为可获取、存储、 管理、分析和特征专题图显示地理数据的系统；基于应用角度的定义则主要根据g i s 应用 领域的不同，分为土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等； 工具角度的定义则强调g i s 作为空间信息分析工具，进行g i s 应用系统开发；基于数据库 角度的定义则认为g i s 是具有海量数据