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GIS在交通中的应用与发展

  来源:安全管理网 
评论: 更新日期:2019年11月28日

  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。本文总结了GIS技术的特点,并介绍了GIS在交通领域中的应用—GIS-T。通过对GIS-T中关键技术的分析,对其应用中面临的实际问题作了一定研究,并提出了解决问题的方案。

  关键词:GIS GIS-T 关键技术 

  解决方案地理信息系统是集现代计算机科学、地理学、信息科学、管理科学和测绘科学为一体的一门新兴学科。它采用数据库、计算机图形学、多媒体等最新技术,对地理信息进行数据处理,能够实时准确地采集、修改和更新地理空间数据和属性信息,为决策者提供可视化的支持〔1〕。目前在很多领域中,GIS技术已被广泛应用。尤其是在交通领域,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。

1 GIS概述

  GIS最早起源于20世纪60年代“要把地图变成数字形式的地图,便于计算机处理分析”的目的。1963年,加拿大测量学家R.FTomlinson首先提出了GIS这一术语,并用于自然资源的管理和规划。后来的几十年中间,伴随着计算机技术和网络技术的迅猛发展,GIS的应用也日趋深化和广泛,在环境、资源、石油、电力、土地、交通、公安、航空、市政管理、城市规划等领域成为常备的工作系统。
  GIS是图形处理技术、可视技术及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。它与CAD系统和DBMS(数据库管理系统)等有着很大的区别。CAD系统虽具有强大的图形处理能力,但其拓扑关系比较简单,管理和分析大型地理数据库的能力也有限;DBMS则侧重于非图形数据的优化存储和查询,而图形查询、显示功能、数据分析功能均相对较弱。
  众所周知,GIS中最基础的也是最重要的部分是地理数据。GIS能够实现对大量复杂地理数据的输入、存储、操作和分析、输出等一系列功能。
  输入:GIS数据大多数来自现实世界,数据量比较大。目前被广泛采用的数据输入方法是传统的手工数字化方法。同时,遥感数据正日益成为GIS数据的重要来源,这标志着GIS数据输入已经开始借助于非地图形式。另外,GPS技术的日益成熟也促进了GIS数据采集技术的发展。
  存储:GIS对数据的存储比较独特,即在大多数的GIS系统中普遍采用了分层技术,所以用户在存储这些数据时,只是处理涉及到层,而不是整幅地图,因而能够对用户的要求作出快速反应。
  操作和分析:GIS充分继承了CAD和DBMS的图形操作和数据处理的成熟技术。GIS中空间数据与属性数据有着紧密的联系,对数据的一致性要求较高,并且GIS对地理数据有着强大的空间分析功能。这是GIS的精华所在,也是GIS技术能够在很多领域中广泛应用的关键。
  输出:GIS能以合适的形式输出用户查询结果或数据分析结果。对于输出精度要求较高的应用领域,可以利用数据校正、编辑、图形整饰、误差消除、坐标变换等技术来提高输出质量。
  由于GIS中数据的处理比较繁琐,工作量非常大,完全通过手工方式已经无法满足当前的需求,因此必须充分利用计算机的处理能力,借助于软件系统来协助完成这些工作。目前GIS领域比较成熟的软件有美国ESRI公司的Arc/Info,Mapznfo公司的MapInfo,Intergraph公司的MGE等。

2 GIS在交通中的发展

  近年来,随着地理信息系统的飞速发展,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,可以实现交通信息化的时代要求。交通领域中GIS的应用也越来越受到研究者和开发者的重视。
  交通地理信息系统是收集、整理、存储、管理、综合分析和处理空间信息和交通信息的计算机软硬件系统〔2〕,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。在交通工程领域采用GIS技术和方法研究交通规划、交通建设和交通管理及其相关的问题,具有其他传统方法无可比拟的优点。
  20世纪60年代,美国人口统计局建立了DIME以及后来的TIGER数据模型,当时他们就采用了基于点和线的一维线性网络来表达道路系统。在那些与点线相连的属性表中,记录了点线的各种属性信息。一直以来,这种模式都是道路交通系统表达模型的一个主流。但是随着社会和经济的发展,道路交通系统变得日益复杂,对交通地理信息系统的要求越来越高,GIS-T将面临更多的挑战。

3 GIS-T关键技术

  GIS-T是改进了的GIS和TIS(交通信息系统)的结合体。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。为了进行详细说明,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:数据管理(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。它们是相互依赖相互支持的,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。
  3.1 数据库管理系统
  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、公路管理系统以及事故信息等)。GIS-T的数据管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管理系统中,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,然后进行管理和决策。
  3.2 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管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。在详细的数字街道数据库、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。
  3.3 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管理中心,管理中心再根据发送的交通信息将预测信息返回给车辆,这样就组成了地区的阻塞管理系统。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。
3.4 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。
3.5 分布式计算
  互联网技术提供的可连接性改变了计算机、应用软件、数据和用户之间的关系。计算机已经形成了一个可移动的、分布式的、普遍存在的实体。基于互联网的GIS应用变得越来越普遍(包括在交通领域中)。以通讯网络技术为基础的分布式计算技术可以有效地使用本地和远程的计算资源,借助完善的系统资源,实现适时应用的构想。

4 GIS-T中面临的问题及解决方案

4.1 多格式数据源集成问题
  GIS中最基础的部分是数据,在GIS-T中也不例外。但是多年来,一方面由于缺乏权威的专业数据公司制作并出售基础的地理数据,所需的数据来源没有保证,导致了大量的人力物力花费在制作基础数据的工作上;另一方面,对已有的数据没有充分加以利用,各部门积累下来的基础数据由于数据格式和规划不统一,难于共享利用,这样不仅加大了成本,而且还延长了建设的周期。因此,实现多源数据集成、解决多格式数据源集成是近年来GIS-T系统研制开发的重要课题。目前,方案有以下3种:
  (1)据格式转换模式:把其它的数据格式经专门的数据转换程序进行格式转换后,复制到当前系统的数据库或文件中。
  (2)数据互操作模式:这是Open GIS Consortium(OGC)制定的规范,GIS互操作是指在异构数据库和分布式计算的情况下,GIS用户在相互理解的基础上,能够透明地获取所需的信息。
  (3)直接数据访问模式:就是在一个GIS软件中实现对其它软件数据格式的直接访问,用户可以使用单个GIS软件存储多种数据格式。
4.2 交通地理现象的表达
  GIS-T中涉及3类模型:①区域模型,即在跨越空间时代表连续变化的现象;②离散实体模型,也就是离散的实体(点、线或多边形)及其相关属性的集合的抽象表达;③网络模型,代表拓扑连接的嵌于地表的线性网络变化的抽象表达。由于交通系统自身的特性,应用于交通系统的数据模型几乎都没有超出上述的三种模型的范围。
  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管理系统;
  (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)实时交通堵塞管理和事故发现等。

5 结语

  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。

参考文献

〔1〕邬伦.地理信息系统——原理、方法和应用.北京:科学出版社,2001.2
〔2〕李跃军.GIS在交通领域中的应用,湖南交通科技,2001.12
〔3〕徐建刚、韩雪培.城市规划信息技术开发及应用.南京:东南大学出版社,2000.9
〔4〕Reza Beheshti,Ralph Michels.The global GIS:a case study.Civil Engineering Informatics,Faculty of Civil Engi-neering and Geosciences,Delft University of Technology,Netherlands.2001

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