交通gis的发展与应用

交通gis的发展与应用

一、工作内容信息系统（gis）是一个基于计算机软件和硬件系统的技术系统，用于收集、存储、管理、运营、分析、显示和描述现实世界中各种空间数据的属性。它是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。现阶段,GIS的研究和实践在国内外已经十分普遍,但由于缺乏三维GIS数据模型理论以及成熟的三维GIS软件,通常用二维GIS与三维建模、分析工具相集成的方式以满足一些特定的应用。目前大多数GIS都使用二维数据描述地理现象,而现实世界是三维的,并且地理信息本身具有地域性、多维结构特性和动态特性等特点,故从二维表示到三维表示日益成为GIS的主要发展方向之一,并趋于对现实世界的增强表示和延伸———“虚拟地理环境”。近年来,GIS在城市规划、管理方面的应用中发挥着越来越大的作用,交通GIS的发展也越来越引起公路行业有关人员的高度重视。交通数据种类繁多(包括属性数据、空间数据、影像数据等)、数据量大、操作复杂、人工管理难度大,交通GIS的出现为交通数据的自动化管理提供了一种新方法。然而,由于交通信息具有精度要求高、规则复杂、动态化、离散化等特点,GIS本身并不能完全满足在交通方面的应用需求,必须进行二次开发。可见,交通信息系统的开发并不是简单的地理系统拷贝,而是面临着一系列的技术问题。GIS在道路管理中的应用在美国、日本等发达国家较为成熟,在我国的研究虽起步较晚,但发展迅速。其共经历了四个阶段,即起步(1970～1980年)、准备(1980～1985年)、发展(1985～1995年)、产业化(1996年以后)阶段。20世纪90年代初,才开始进行交通GIS的研究,在系统技术的应用上开创了新的局面,并在区域管理、规划和决策中取得了实际效益。目前,交通GIS的研究和应用正逐步形成行业,具备了走向产业化的条件。二、道路系统表达模型在60年代美国人口统计局建立的DIME以及TIGER数据模型中,就开始采用基于点和线的一维线性网络来表达道路系统。在那些点线相连的属性表中,记录了点线的各种属性信息(见图1)。这种模式一直成为道路交通系统的表达模型,该表达方式也适合进行道路交通系统的路线分析。随着经济的发展,道路交通系统变得复杂起来,如多车道、单行线、转弯限制、立交桥等。起初,可以通过向属性表中增加新的字段来解决这些问题,如加入字段“车道数”来表示该路段的车道属性,加入字段“通行方向”来注明该路段是否为单行线。在路况信息表现方面,一些系统采用闭路电视或可变情报板记录的动态交通画面来发布信息,但这与交通信息系统是不相连的,人们只知道道路交通的大致情形,而无法充分利用所给予的信息。在道路交通系统特别是城市交通系统越来越复杂的情况下,仅仅对属性表进行修改已不能满足现代交通GIS发展的要求。三、交通特征通过抽象表达进行的是交通模型的建立GIS是为对与地球表面特定位置相关的地理空间信息进行输入、存储、操作和输出处理而设计的计算机应用系统,系统数据库中的数据代表地球表面各种各样的地理现象。对地理现象进行抽象表达是GIS设计过程中的核心问题,同样也是交通GIS设计中的核心问题。通常采用以下三种数据模型对地理现象进行抽象表达:对地面某一连续变化现象进行抽象表达的域模型(fieldmodels);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(discreteentitymodels);对嵌于地表的线性网络的变化进行抽象表达的网络模型(networkmodels)。由于交通系统自身的特性,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。通常采用多种属性的线段代表城市道路网,采用离散点代表各种道路网中的标识性地物,采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现起到了一定的作用。然而,交通系统越来越复杂,如多车道、单行线、转弯限制、立交系统等交通特征变得越来越普遍,还有一些新的交通规则的出现,使得这种简单的线性网络不能满足现代交通系统的要求。对于这些复杂交通现象表达问题的解决,目前还存在一些问题,有待于进一步的提高。1.数据库的整合困难交通信息资交通GIS的标准问题是一项既困难又亟待解决的任务。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。如何用计算机系统中简单、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,一直是从事交通GIS工作者所关注的问题之一。目前交通GIS所使用的数据,并不是专门为交通应用而设计的,来源于不同的部门,没有统一的要求。不同部门提供的交通数据之间差别很大,道路网络地理精度各不相同,数据的存储格式也是千差万别,这样,不同交通信息数据库之间的相互共享较为困难,对数据的采集造成了不必要的人力和财力上的浪费。可见,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。2.有一维分段属性的道路车道目前,大部分交通GIS都采用一维线段来表示道路,但这种表达方法越来越表现出不足。因为道路并不是简单的一维线段,它是有一定宽度的带状三维实体;车道的数目相差也较大,道路宽度从几米至数十米不等,若均以一维线段表示就显得很不恰当。例如在比例尺为1:10000的地图中,路宽为80m的道路在该图上的宽度为0.8cm,用一维线段来表示也不合适。因此,一些专家学者将车道数目作为线性网络中的一维线段属性来表示,然而,事实上并不是这么简单。例如,在交叉路口,只有部分车道允许转弯,其他车道只能直行;在高速公路上,有出口车道、进口车道,车道属性表只能记录车道的数目,根本不可能区分不同的车道和记录它们的特性。对于城市道路和高速公路,道路的车道属性要比几何属性更有用一些。可见,基于车道属性的表达更适于人类行为的体现,也是交通GIS面临的难题之一。3.交通地理转向表的建立现代交通系统中,交通规则越来越复杂,对道路中车流的方向做了许多限制,如某路口禁止左转、某条道路只能单向行驶、禁止逆行等。这些规定使交通网络成为复杂的有向网,在进行路线选择时,不仅要考虑通过某一路线所需要的时间、距离,还要考虑路线的通行方向和路线之间的连通性。基于以上问题,交通地理数据模型必须扩充新的结构。通过在地理数据结构中添加转向表(turntable),将网络中同一结点相连接的所有线段对(线段已经在网络系统中编号,同样一对线段不同行向按不同记录处理)进行记录,并同时记录它们之间的连通性,建立转向表中线段标识同其在线段属性表中记录之间的连接。对于单行线,也可以用转向表的记录来表达,即将单行线通行方向线段对记录的通行属性设置为Yes,而对于其逆行方向的线段对记录的属性设置为No,这样就不会出现沿单行线逆行的路径了。通过转向表的建立,可以较好地解决交通系统中的方向问题。图2表示了转向表对方向限制记录的示意。4.《汉字》某品牌,因条件而生道路交通系统正在由二维平面向三维空间发展,道路立体化的发展趋势越来越明显。两条道路立体交叉而互不相通的情况也较为普遍,基于一维线性网络的网络模型表达道路立交化也是交通信息系统中存在的问题之一。虽然GIS中三维空间表达技术和虚拟现实技术的发展已经成为可能,但考虑到三维表达的复杂性和空间分析的难度,目前大多数交通GIS仍然采用一维线性网络来表达道路交通的几何模型,这样,所有交叉的线路(无论是平面相交还是立体交叉)都要在交叉处生成一个结点,很难区分同一结点处的路线是相遇并相互连通还是空间立体交叉。可见,道路立交也是当前交通GIS中存在的一个问题。利用前面提到的转向表可以解决交通GIS中的道路立交问题。通过设置转向表中的连通属性,可以限定线路的通行方向是否只能为直行(不可以转弯),以此来判断两条立交的路线是否彼此连通。5.道路交通状况的实时监控交通GIS的功能不仅仅是为政府和管理者提供信息决策支持与管理规划,还可以为人们提供交通信息、出行指导。例如,人们乘坐公交车时知道如何乘车才能最快或较经济地到达目的地;驾驶人员在出行前知道当时路面的交通状况及是否通畅等。现代交通系统特别是城市交通系统在快速发达的同时也变得越来越复杂,一个城市的交通系统往往是由多种交通工具构成的,如地铁、公共汽车、小型公共汽车、有轨电车、出租车等。这些交通工具的服务线路分布在城市道路网中,重叠交错,密如蜘蛛网般地延伸到城市的各个角落。较典型的如香港,其城市面积不到130km2,城市道路总长约1865km,公共交通线路为100多条,其中包括公共汽车、迷你巴士、九广铁路(KCR)、城市地铁(MTR)和机场快线。现代城市交通系统中,多种交通线路混合并存,人们很难选择一条“最省时间”或“最经济”的出行线路,进行最佳路线选择也是交通信息系统进行路线搜寻的一个难点。因此,开发基于多类型交通系统路线搜寻功能对城市交通信息服务具有十分重要的意义。实时交通信息的获取对路线选择也具有重大作用。城市中某一道路不同方向及在一天中不同时段的交通流量有很大的差别,通过该段道路所需要的时间也会随着时间的不同而不同。因此,在路线搜寻时还应考虑相关动态信息的获取。如台北、香港,已经将城市主要交通路口和路段的实时交通状况用闭路电视系统进行记录,并将画面定时(3min或5min)输送到Internet网上公布。人们可以通过网络了解城市各主要道路的动态交通状况。