浅谈交通地理信息系统的应用
2013-12-09 22:40:00 来源: 作者：
摘 要：地理信息技术的日臻成熟为GIS在交通领域内的广泛应用创造了一定基础。本文概要介绍了了GIS－T技术及其功能特点，并展望了其在交通领域中的应用前景。
关键词：GIS GIS-T 空间查询 最佳路径分析
近年来，随着地理信息系统（GIS）的飞速发展，越来越多的应用领域同GIS技术建立了紧密的联系。由于交通信息系统具有精度要求高、规则复杂、动态化、离散化等特点，原有的信息技术已经不能完全满足交通应用的需求，而借助于GIS的强大功能，可以实现交通管理现代化、科学化、信息化的时代要求。将GIS与传统的交通信息分析和处理技术紧密结合，延伸出了交通地理信息系统（Geographic Information System for Transportation），简称GIS-T。它是GIS与多种交通信息分析和处理技术的集成。
(一)交通地理信息系统概述
GIS-T集成了数据库技术和计算机图形处理技术，不同于以往只处理统计数据的数据库系统（DBMS）和处理非地球坐标的计算机图形辅助设计软件（CAD）。在对象处理上比上述两类软件更加全面。即GIS-T所处理的事务对象具有空间地理特征，也具有统计信息特征。如一段公路，起迄点是它的地理特征，公路的造价、技术标准以及交通量等又具有统计数据特征。这些统计数据在纸介质地图上是难以描述的。GIS-T是空间分析技术、地图可视化及数据库（空间数据库）等技术的有机结合，并以其混合数据结构和强大的地理空间分析功能而独树一帜。
GIS-T的基本思想是：将地球表层信息按其特性的不同进行分层，每个图层存储特征相同或相似的事物对象集，如道路、桥梁、隧道等构成不同的图层，然后分层管理和存储。这样每个图层都有一个唯一的数据库表与其相对应，这个数据库表成为属性数据库，库中内容称属性数据。因此GIS-T是一种空间数据库管理系统，它除了具备一般数据管理系统的数据输入、存储、查询和显示输出等基本功能外，更能够执行空间查询和空间分析功能，用户可以根据需要建立一个应用分析模型，通过动态分析为评价、管理和决策服务。
目前很多研究人员致力于GIS-T的研究与开发，围绕着GIS-T产生了较多的研究课题，不同的研究课题涉及到的GIS-T的功能也有所区别。为了进行具体说明，可以通过定义3个功能组来获得一个通用的框架，这3个功能组是：数据治理（实现数据存储和维护）、数据操作（实现原始数据的创新）、数据分析或者建立可分析的模型。它们是相互依靠相互支持的，数据存储是数据操作的前提，而数据的建模又是在前两个的基础上建立起来的。
1.数据库治理系统
长期以来，交通部门要使用和维护大量的信息，在很多情况下都是多个交通信息系统共存于同一个部门中，而且每一个交通信息系统只能处理某一类数据信息（如高速公路规划网、公路治理系统以及事故信息等）。GIS-T的数据治理系统的关键技术在于通过建立数据模型和数据交换的框架，把上述不同的数据存储于一个统一的数据治理系统中，任何部门都能访问到该系统中符合本部门要求的数据，同时能对这些数据进行分析和建模，然后进行治理和决策。
2.数据协同
交通数据一般都是由多个机构提供并维护，数据类型、数据标准难以统一。每个数据源可能都有自己的数据模型。数据模型的不同和使用方法的多样性给数据治理分析造成了很大问题。由于数据位置、拓扑结构、分类、命名和属性、线性测量的误差，导致不同来源数据的统一过程比较复杂，结果存在很大的不确定性。要使GIS技术在交通领域取得进展，必须借助数据协同技术，从地图的匹配算法、交通数据的错误模型和错误传播（尤其是一维数据模型）、数据质量标准和数据交换标准三个方面解决数据统一的问题。
随着地理数据越来越广泛的应用，协同性主题逐渐成为GIS-T领域中的一个最为紧迫的课题。在具体的数字街道数据库、紧急事件的安排和调度系统、车辆导航系统以及ITS（智能交通系统）的各个部分（包括测量使用者和运输控制中心或者信息服务提供商之间的无线通讯）都必须应用数据协同技术。
3.实时GIS-T
地理数据的收集是一个持续的过程。近年来，已经开始出现实时基础上的数据操作。例如，带有全球定位系统GPS的车辆提供速度、位置等要素信息到运输治理中心，治理中心再根据发送的交通信息将猜测信息返回给车辆，这样就组成了地区的阻塞治理系统。由此可见，进行实时数据的存储、恢复、处理和分析需要更快的数据访问模式、更强大的空间数据融合技术以及动态路由算法。
4.庞大的数据集
现实世界的交通问题涉及到庞大的地理数据和复杂的网络。地理信息科学对地理可视化和数据采集的规则、技术发现和数据获得的计算方法进行了研究和集成，同时也促进了GIS-T的发展。由于交通数据集大小的不同，就需要经常更新系统设计，这个系统设计包括了信息显示的精确性、速度上的优化、算法运行时间与流程中的分析工具以及网络分析的优化。
1.数据库治理系统
长期以来，交通部门要使用和维护大量的信息，在很多情况下都是多个交通信息系统共存于同一个部门中，而且每一个交通信息系统只能处理某一类数据信息（如高速公路规划网、公路治理系统以及事故信息等）。GIS-T的数据治理系统的关键技术在于通过建立数据模型和数据交换的框架，把上述不同的数据存储于一个统一的数据治理系统中，任何部门都能访问到该系统中符合本部门要求的数据，同时能对这些数据进行分析和建模，然后进行治理和决策。
2.数据协同
交通数据一般都是由多个机构提供并维护，数据类型、数据标准难以统一。每个数据源可能都有自己的数据模型。数据模型的不同和使用方法的多样性给数据治理分析造成了很大问题。由于数据位置、拓扑结构、分类、命名和属性、线性测量的误差，导致不同来源数据的统一过程比较复杂，结果存在很大的不确定性。要使GIS技术在交通领域取得进展，必须借助数据协同技术，从地图的匹配算法、交通数据的错误模型和错误传播（尤其是一维数据模型）、数据质量标准和数据交换标准三个方面解决数据统一的问题。
随着地理数据越来越广泛的应用，协同性主题逐渐成为GIS-T领域中的一个最为紧迫的课题。在具体的数字街道数据库、紧急事件的安排和调度系统、车辆导航系统以及ITS（智能交通系统）的各个部分（包括测量使用者和运输控制中心或者信息服务提供商之间的无线通讯）都必须应用数据协同技术。
3.实时GIS-T
地理数据的收集是一个持续的过程。近年来，已经开始出现实时基础上的数据操作。例如，带有全球定位系统GPS的车辆提供速度、位置等要素信息到运输治理中心，治理中心再根据发送的交通信息将猜测信息返回给车辆，这样就组成了地区的阻塞治理系统。由此可见，进行实时数据的存储、恢复、处理和分析需要更快的数据访问模式、更强大的空间数据融合技术以及动态路由算法。
4.庞大的数据集
现实世界的交通问题涉及到庞大的地理数据和复杂的网络。地理信息科学对地理可视化和数据采集的规则、技术发现和数据获得的计算方法进行了研究和集成，同时也促进了GIS-T的发展。由于交通数据集大小的不同，就需要经常更新系统设计，这个系统设计包括了信息显示的精确性、速度上的优化、算法运行时间与流程中的分析工具以及网络分析的优化。
在对交通模型进行表达的时候，可以用许多具有多种属性的线段代表道路网，用离散点代表各种道路网中的标志性地物，用线性网络代数对交通网络进行分析，这些方法对实现道路交通系统的计算机表示起到了一定的作用。在交通领域中，围绕以弧和点的概念建立的网络模型起的作用是最重要的。实际上，在许多交通应用中，只需要单个的表示数据的网络模型就可以了。这种应用的例子包括：
(1)人行道以及其它设备治理系统；
(2)实时与下线行程安排；
(3)基于网络的交通信息系统和行程计划任务；
(4)导航系统；
(5)实时交通堵塞治理和事故发现等
（二） 交通地理信息系统的功能
GIS-T的基本功能有：用于编辑、显示和测量图层，主要包括对空间和属性数据的输入、存储、编辑，以及制图和空间分析等功能。编辑功能允许用户添加和删除点、线、面或改变它们的属性，综合制图功能可以灵活多样的制作和显示地图，分层输出专题地图，如交通规划图、国道图等，显示地理要素、技术数据，并可放大缩小以显示不同的细节层次。测量功能用于测定地图上线段的长度或指定区域的面积。 GIS-T除以上基本功能外，还具有如下功能：
1.地图操作
GIS-T能提供直观的图层显示与管理；可就行地图放大、缩小、漫游；可直接定为地图比例尺；可进行多种图层设置，能设置可见、可选择、可编辑、可捕捉及编辑锁定状态、移动顺序等，所见即所得。
2. 查询检索
空间数据查询：GIS-T的数据库通过联机分析处理进行数据挖掘，通过GIS-T系统特有的空间拓扑运算，如缓冲、各种邻接运算、最佳路径等等，对路网数据进行挖掘，提取决策需要的各种数据。空间数据的查询大致有如下的方式：通过公路数据的属性数据；通过空间数据查询到公路数据库中的属性数据；点线面互查，如公路经过了哪些地区、某公路上有哪些桥梁等；空间扩充查询，如通过缓冲获得公路影响的人口、公路噪音影响的居民数量等。
空间查询以电子地图的方式表现查询结果，另外，数据库的联机分析处理的查询结果也可以通过电子地图表现出来，如各地区的公路里程，可以在各地区的空间数据上，以颜色、空间变形等表现出来。
多种方式的查询检索：点击查看属性信息；基于属性条件的SQL查询；属性和空间条件的双向查询（文查图、图查文）；多对象组合的跨图层空间、属性条件联合查询；图文互访，以多种方式（如属性数据、照片、录像等）显示公路概况、公路的养护状况、桥梁及附属设施状况、立交桥信息、交通量信息、路政业务信息以及公路设施评价决策和预测信息。
3. 最佳路径分析
实现可进行最佳路径分析的公路路网信息管理系统的网络分析功能。为公路管理部门在营运管理过程中，进行公路车辆调度、紧急情况车辆绕行路径的选择提供决策支持。
最佳路径分析广泛运用于物流、客运线路选择、公路车辆调度、紧急情况车辆绕行路径等方面。路段的划分必须符合最佳路径分析的需要，必须在道路交叉处分段，路段不应该太短以防止最佳路径分析运算时间过长；在GIT-T信息系统平台上显示、打印最佳路径分析的结果；如果有必要，用户可以根据系统没有考虑到的具体情况，对最佳路径进行局部的手工调整；为了扩大项目的使用范围，可以定义不同的最佳含义，如时间、费用、距离等。
（三） 交通地理信息系统的应用前景
交通地理信息系统是GIS技术在交通领域的延伸，是GIS与多种交通信息分析和处理技术的集成。GIS-T具有强大的交通信息服务和管理功能，它可以应用在交通管理的各个环节，具有广泛的用途和应用前景。在交通规划中，可用于交通需求分析与预测、路网规划与管理、可行性研究与方案优选等；在道路设计中，可用于选线、挖填方计算、道路线型仿真、设计管理等；在道路养护中，可基于地理信息系统平台建立公路管理系统、路面管理系统和桥梁管理系统等；在公路交通环保中，可建立公路环境监测系统；在运输管理中，可用于路线规划与管理、站场规划与管理，交通监控与车辆管理、货物跟踪与物流管理、维修点管理等；在交通出行服务方面，可向社会发布有关交通服务资源信息及进行车辆导航等。
在交通领域GIS-T被公认为21世纪的支柱性产业，是信息产业的重要组成部分。随着GIS技术研究的进一步深入，目前GIS-T中存在的问题会逐步得到解决，这必定会促进GIS-T的各个方面的应用和发展，大大地改变交通现状，带动整个交通行业的突飞猛进，成为促进经济发展的重要动力。
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