地理信息系统在城市交通管理中应用技术的研究.pdf

第 21卷 第 1 期南 京 邮 电 学 院 学 报 自 然 科 学 版 Vol 21 No 1 2001年 3 月Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications Natural Science Mar 2001 文章编号 1000 1972 2001 01 0068 04 地理信息系统在城市交通管理中应用技术的研究 庄 佳 王汝传 南京邮电学院 计算机科学与技术系 江苏 南京 210003 摘 要 地理信息系统是近几年来信息技术迅速发展的热点之一 如何将地理信息系统与城市规划结合 起来开发实用的应用软件是值得研究的问题 首先介绍了地理信息系统的发展和基本概念 然后 给出了一个南京市城市交通管理的地理信息系统实例 关键词 地理信息系统 城市交通 地理数据 中图分类号 TP391 文献标识码 B 1 引 言 随着城市现代化和计算机技术的迅猛发展 将 地理信息系统用于城市规划 管理 决策等方面 已 成为大家十分关心的问题 许多计算机技术 系统 工程 地理 测绘 城市规划 公用事业 统计 管理方 面的专家和政府决策者都参与研究及探索这一热门 课题 在国外 地理信息系统技术发展很快 越来越 近于实用 已成为规划时不可缺少的现代化工具 不 少国家的城市规划部门已开始使用地理信息系统 2 地理信息系统 任何一类地理信息系统都必须包括计算机硬件 系统 计算机软件系统 地理数据和系统管理人员 构成地理信息系统的基础部分是硬件配置 以计算 机系统为核心装备 连接必要的输入P 输出设备 通 常有数字化仪 扫描仪 绘图机 图像处理终端 磁带 机等 地理信息系统软件各部分关系见图 1 图 1 地理信息系统的软件组成 收稿日期 1999 10 26 修回日期 2000 02 24 3 地理信息系统应用于城市交通管理 根据地理信息系统的模型我们研究了一个简单 的南京交通管理地理信息系统 3 1 系统模块 系统框架见图 2 图 2 系统框架 1 预处理 利用工具对扫描图进行一些修正 以便得到更好的矢量化数据 2 矢量化 轮廓跟踪 系统的关键组成部分 矢量化扫描图形 得到数据完整的矢量化数据形成 有意义的图元对象 3 地理矢量图编辑 增删 查询功能 对图元 对象进行对象式操作 是功能实现的核心部分 4 显示功能 增强系统的操作灵活性 提供更 友好的人机交互界面 5 文件系统 进行矢量化数据的保存 更新 以及属性数据库表的创建和管理等工作 3 2 系统功能 3 2 1 新增功能 新增功能包含新增地点和新增公交线 2项 1 新增地点 目的在于补充矢量图上的信息 点 地点的增添与否依据系统应用的需要而定 用户 只需向对话框中添入新增地点的若干数据 系统自 动形成完整的地点图元数据加以保存 2 新增公交线 目的在于新矢量图上公交线 图元数据 实现新增公交线功能有 2 种方法 一种 是可以从矢量图上直接用鼠标选取新增公交线的起 始地点 经过地点 终止地点 然后弹出对话框输入 新增公交线的属性数据 形成完整的矢量数据写到 矢量文件中去 并将属性数据分离出来保存到属性 数据库中 另一种是从公交线属性数据库中直接添 加公交线 直接选取地点名并输入新增 公交线的属 性数据 系统自动实现新增公交线经过地点的查询 定位 形成完整的矢量图元数据加以保存 实现新 增功能都做到了矢量图显示的同步更新 3 2 2 删除功能 实现了删除公交线功能 其意义在于用于更正 由于操作失误产生的不正确的公交线记录 增强了 维护功能 实现删除功能有 2 种方法 第 1 种删除 功能可选择从矢量图上用鼠标选择公交线 然后删 除并同时更新属性数据库记录 第 2 种直接从属性 数据库中查询到某一欲删除的公交线 然后删除并 同时更新矢量文件中对应的公交线图元记录 2 种 方法都做到了图形显示的更新同步 3 2 3 查询功能 本系统中实现了以下几种查询功能 1 地点查询 包括查询某一公交线信息 查询 经过某一地点的所有公交线信息 2 最优路径查询 查询从某一地点到矢量图 任意点的最优路径 综合考虑路径长度和换车次数 3 公交线查询 定位查询某一公交线 包括从 矢量图上用鼠标点击查询和从属性数据库中进行公 交线的查询和显示 4 查询算法 实现查询功能主要包括 3 种算法 点查询算法 最优路径查询算法和公交线查询算法 4 1 点查询算法 此算法主要用于从矢量图进行地点查询 图形 编辑器是在计算机屏幕上进行的 因此应把图幅的 坐标转换为当前屏幕状态的坐标系和比例尺 设光 标点为 S x y 图幅上 见图 3 某一点状要素的坐 标为 A X Y 则可设一捕捉半径 D 通常为 3 到 5 个像素 这主要由屏幕的分辨率和屏幕的尺寸决 定 若 S 和A 的距离d 小于D 则认为捕捉成功 即 认为找到的点是 A 否则失败 继续搜索其它点 图 3 改进前的点捕捉方法 d 可由下列式计算 d X x 2 Y y 2 但是由于在计算 d 时需进行乘方运算 所以影响了 搜索的速度 因此把距离 d 的计算改为 d max X x Y y 即把捕捉范围改为矩形 这可大大加快搜索速度 如 图 4所示 图 4 改进后的点捕捉方法 在程序实现时定义了 searchcity 函数来完成此 功能 function TMDIChild searchcity x y integer TMappoint 具体算法如下 M点查询算法 BeginSearch Found False 转换鼠标点击点的坐标 遍历所有地点点坐标 计算距离 D if D 给定阈值 Found True 以红色显示该地点并显示地点信息 返回此地点图元数据 else 提示用户重新选择查询地点 EndSearch M算法结束 4 2 最优路径查询算法 此算法主要用来查询任意两点之间的最优路 径 综合考虑路径长度和转站次数 首先要利用最 短路径算法 采用 DIJKSTRA 算法 首先求得长度最 短的一条最短路径 再求得长度次短的一条最短路 径 依次类推 直到从源点到所有其他结点的最短路 径都已求得为止 具体的做法 设集合 S 存放已经求得的最短路 径的终点 初始状态时 集合 S 中只有一个结点 即 选定的源点 不妨选 V1 以后每求得一条最短路径 69 第 1 期 庄 佳等 地理信息系统在城市交通管理中应用技术的研究 V1 V2 VK 便将 VK加入到集合S 中去 用一维 数组 D 的元素D J 存放从源点 V1起 中间只经过 集合 S 中的结点到达S 以外的任一结点VJ 属于 V S 的路径中有最短长度的路径长度值 如果从 V1 起 中间只经过 S 中的结点到结点 VJ没有路径 则 D J 的值为MAXNUM 不妨称 D J 的值为从源点 V1到 VJ的暂时最短路径长度 D J 的值随着 D 中 结点的增加不断修正 如果最终 S V 那么 D J 的值就是从 V1到 VJ的最短路径的长度 为了获得最优路径 使用一个参数 nowchange 来 记录转站的次数 优先考虑路径长度 在长度相同的 时候 选择 转站 次数 最少 的作 为最 优路 径 即 nowchange 的值最小的路径为最优路径 在程序中定义了过程 searchlestpath 来实现此功 能 Procedure searchlestpath nowchange integer ii integer nextcite inte ger nextline string 其中 nowchange 用于记录转站次数 另外用一个 变量 isvisited 记录每个站是否被访问过 具体算法 首先调用函数 citysearch 获得鼠标点 击的起始点和目的地的信息 接着求得任意两站之 间的距离 然后调用最短路径算法 求得两点间路径 最短的路线 最后取 nowchange 最小的路线为最优路 径 并以特殊颜色显示最优路径上每一站应该乘坐 哪一路车 4 3 公交线查询算法 此方法用于从矢量图上查询公交线的属性数 据 查询某一段公交线的关键在于能准确地识别用 户的查询要求 反映到矢量图上就是能对公交线进 行准确地定位并以此返回公交线图元的唯一识别 号 与直接从属性数据库上进行公交线查询的不同 之处在于 矢量图上的公交线查询需要进行鼠标与 公交线的相对位置的计算 再到图形数据库中查询 哪一段公交线符合查询的要求 返回相应的识别号 后再去查询属性数据库 其难度相对属性数据库查 询要大一些 在矢量图上 由于公交线经过的地点之间都用 直线进行连接 用鼠标进行公交线查询时 需要对连 接相邻地点的每一段公交线进行遍历 计算鼠标点 击点与此段公交线的距离 如果距离小于设定的阈 值 则返回该段公交线所在整条公交线图元的信息 并在矢量图上以不同颜色显示整条公交线 否则继 续就下一条公交线图元进行逐段的判断 直至遍历 整个公交线图元记录 如果没有找到公交线则提示 用户重新选择欲查询的公交线 公交线查询的关键 是公交线 在矢量图中为线图元 的捕捉 设光标点坐标为 S x y D 为捕捉半径 线的 坐标为 x1 y1 x2 y2 xn yn 通过计算 S 到该线的每个直线段的距离di 见图 5 若 min d1 d2 dn 1 D 则认为光标 S 捕捉到了该条线 否则为未捕捉到 在实际的捕捉中 可计算一个距 离 di就进行一次比较 若 di D 则捕捉成功 不需 要进行下面直线段到点 S 的距离计算了 图 5 改进前的线捕捉方法 为了加快线捕捉的速度 可以把不可能被光标 捕捉到的线以简单算法去除 在图 6 中 对一条线 可求出其最大最小坐标值 Xmin Ymin Xman Yman 对由 此构成的矩形再向外扩 D 的距离 若光标点 S 落在 该矩形内 才可能捕捉到该条线 因而通过简单的比 较运算就可除去大量的不可能捕捉到的情况 图 6 改进后的线捕捉方法 在程序实现时定义了 pointtoline 和 searchallfine 两个函数来实现矢量图上的公交线定位 pointtoline 用来计算点到直线的距离 searchallline 用来进行公 交线图元记录的遍历 Function TMDIChild pointtoline x y x1 y1 x2 y2 real real Function TMDIChild searchallline x y integer PTLine M点到直线距离算法 BeginCal 设 A B 为线段两端点 C 为鼠标点击位置 Distance 为点到直线 距离的变量 分别计算 AC BC AB 的距离 IF AC 0 C 和A 重合 则 Distance 0 退出并返回Distance IF BC 0 C 和B 重合 则 Distance 0 退出并返回Distance IF AB 0 B 和A 重合 则 Distance AC 退出并返回 Dis tance 否则根据余弦定理计算 C 到线段AB 的距离并赋给 Distance IF Distance 小于设定阈值 则返回 Distance 并退出 70 南 京 邮 电 学 院 学 报 自 然 科 学 版 2001 年 IF Distance 大于设定阈值 则返回 Distance 10并退出 EndCal M算法结束 M地点图元遍历算法 BeginSearch Searchlinefound False IF i 0 i 所有地点数目 i begin 读入第 i 个地点图元信息 For j 0 to 该公交线经过地点数目 do begin 读入第 j j 1 两地点坐标 并进行坐标变换 调用 pointtoline 函数计算鼠标点击位置与此两点之间相连公交 线的距离 Distance IF Distance 设定阈值 searchlinefound True 以红色特殊显示整个公交线图元 返回此公交线图元信息并 退出 EndIF EndFor EndIF IF searchlinefound FALSE 提示用户未找到公交线 并请再选择一次 退出 EndSearch M算法结束 5 结束语 城市地理信息系统是规划师的现代化工具 地 理信息系统在城市规划领域中的应用前景日益广 阔 在地理信息系统平台上开发出具有实用价值的 城市规划软件 需要因地制宜地逐步建立适度规模 的城市地理信息系统 以提高我国城市规划质量 参考文献 1 梁启章 GIS 和计算机制图 M 北京 科学出版社 1995 2 黄杏元 汤勤 地理信息系统概论 M 北京 高等教育出版社 1989 3 边馥苓 地理信息系统原理和方法 M 北京 测绘出版社 1996 4 王汝传 计算机图形技术原理及其应用 M 北京 人民邮电出版 社 1997 5 PETER C EDWARD Y 面向对象的分析 M 邵维中译 北京 北 京大学出版社 1992 6 SAMET H Appliction of Spatial Data Structures computer graphics im age processing and GIS M New York Addison Walsey Publishing Company 1989 7 赵生妹 忻渊 电子地图的研制 J 南京邮电学院学报 1997 1 97 100 作者简介 庄 佳 1977 男 江苏宿 迁人 南京邮电学院计算机科学 与技术系计算机应用专业硕士研 究生 1999 年毕业于南京邮电学 院计算机科学与技术系 目前的 研究方向是计算机软件在通信中 的应用 王汝传 1943 男 安徽合 肥人 南京邮电学院计算机科学 与技术系教授 1968 年毕业于解 放军测绘学院 1985 年至 1991 年 在德国慕尼黑大学和马普研究所 从事计算机软件研究 目前从事 计算机软件的教学和科研工作 Study on Application Techniques of