交通地理信息系统的发展.doc

交通地理信息系统的发展08地信 交通地理信息系统GIS-T(GeographylnformationSystem -Transportation)是GIS在勘测设计、规划、管理等交通领域中的具体应用。GIS的基本思想是将地表信息按其特性进行分类，然后进行分层管理和分析。GIS实质上是一种空间数据库管理系统。它除了具有一般数据库系统的功能之外，如数据输入、存储、查询和显示等，还可进行空间查询和空间分析。GIS的发展起始于20世纪60年代。20世纪80年代走向成熟并迅速在各国推广应用。由于GIS的功能和使用特点非常适合交通领域，我国交通部门一直是其应用的重点行业之一。GIS-T的基本功能包括编辑、制图和显示及测量图层等功能，主要用于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。编辑功能使用户可以添加和删除点、线、面或改变它们的属性；制图和显示功能可以制作和显示地图，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的其他功能包括迭加、动态分段、地形分析、栅格显示和路径优化等。在CIS-T的上述功能中，空间分析功能是地理信息系统软件的核心，迭加分析、地形分析和最短路径优化分析等功能是为空间分析服务的。交通设计部门可以利用GIS-T的等高线、坡度坡向、断面图的数字地形模型的分析功能进行公路测设。一、交通地理信息系统的历史及现状 从Tomlinson（1967）第一次提出“地理信息系统这一概念时起，交通地理信息系统的发展可以追溯到本世纪六十年代。计算机技术的发展，给人们很大的帮助，它使得信息存储和数字计算变得容易。学者们建立起许多不同的数学模型来用计算机表达客观世界。同样，地理学者们也试图用尽量少的数据种类和数据量来表达地理事物，并进行复杂的操作和计算。在60年代，美国人口统计局建立的DIME以及後来的TIGER数据模型中，研究者们就开始采用基於点和线的一维线性网络来表达道路系统。在同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）。这一模式成为一直以来，道路交通系统表达模型的一个主流。这种表达方式也适於进行道路交通系统的路径分析。随著城市的发展，城市道路交通系统变得复杂起来，诸如多车道、单行线、转弯限制、立交桥等的出现。初时，学者们可以通过向属性表中增加新的字段来解决这些新现象。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单行线。在向大众提供即时路况信息方面，一些系统采用传输由闭路电视系统记录的即时交通画面的方式来发布信息。这是一个相对独立的系统，与交通信息系统是不相连的，公众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。随著情形变得越来越复杂，仅仅对属性表修改已不能满足现代城市交通地理信息系统发展的要求。城市交通地理信息系统的发展面临诸多挑战。二、交通信息化现状近年来，部相继颁发了公路、水路交通信息化“十五”发展规划、公路、水路交通信息化工作指导意见、交通（公路水路）信息化建设指南、中国交通电子政务建设总体方案等，这些文件在推动交通信息化的进程中发挥了重要作用。 在2002年全国交通信息化工作会议上，张部长明确指出：“交通信息化的目的是通过广泛应用现代信息技术，实现交通产业升级，使社会公众享有更多的信息资源，提高科研、生产、和管理的效率和能力，加快推进交通现代化。”2002年全国交通信息化工作会议以后，各省、自治区、直辖市交通厅（局、委）积极贯彻会议精神，并按照张部长在讲话中提出的具体要求，结合本地实际，大力推进信息化工作，使全行业信息化发展速度大大加快，成效显著。主要表现在：（一）在政务建设方面，信息化方面已经取得明显成效。 交通部机关信息化基础设施改造一期工程已经完成，办公自动化系统已挂网运行两年，取得较好的效果。大多数省、自治区、直辖市交通厅（局、委）建设了政府机关局域网，开通了办公自动化系统和各类管理应用系统，并相继建立了对外服务网站，基本实现了有关信息网上发布。地区级以下交通主管部门在办公中普遍应用了计算机，部分了实现与上级主管部门的网络联接和利用互联网传递信息。（二）在公路水路基础设施建设领域，信息化取得重要进展。在规划、勘察、设计等工作中，许多单位已经利用网络开展联合设计，开始普及应用计算机辅助设计系统（CAD）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）等，基础设施建设前期工作大大加快；在建设管理方面，高等级公路、大型桥梁建设、深水筑港、深水航道整治已经采用信息化的施工技术，广泛应用了项目管理软件，明显提高里管理水平。 在海事基建方面，已建成了17个船舶交通管理中心和42个雷达站，提高了船舶及特殊水域的交通管理水平。(三)在交通运营管理领域，信息化已有较大突破。区域性运政管理计算机系统得到普遍应用；路面养护管理与评价系统（CPMS）、桥梁养护与评价系统（CBMS）已在20多个省、自治区、直辖市推广应用；公路GIS系统、公路规费征稽系统等也得到了很好应用；高速公路通信、监控、收费系统成为高速公路运营管理的重要手段，京沈高速公路联网收费系统于去年10月正式启用，广东、浙江、江苏、重庆、山东、山西、辽宁等省也都实现了省内联网收费。在海事管理系统中，建成了覆盖全国14个直属海事局的水上安全监督信息网，实现了船舶、船员、通航环境管理等水上安全监督管理业务的计算机化，ISM管理信息系统、中国船舶报告系统、船舶检验信息系统等都得到了很好的应用，为保障船舶航行安全发挥了重要的作用。(四)在运输企业管理方面，信息化建设已呈现良好势头。电子商务、现代物流理念逐步渗透，计算机联网售票，车站、港口、车辆、船舶的计算机管理系统已经普遍应用，工作效率大大提高。大中型港口和大型航运企业（集团）积极开展企业信息化建设，围绕运营管理、调度指挥、运输过程控制和企业内部事务处理等业务需求，开发了企业内部管理方面的信息系统，并通过国际互联网开展用户服务。港航EDI用户总数已超过1000个，其应用已收到明显的经济和社会效益，成为我国港航运输生产中不可缺少的技术手段。此外，标准、规范、法规和制度建设都有不同程度的进展。配合应用系统的开发，制定完成了有关信息技术标准和代码。特别应指出的是，随着信息技术的快速发展，交通系统政府网站建设发挥了越来越大的作用。虽然交通信息化建设已取得显著成绩，但距离交通行业发展的实际需求还有不小的差距。随着我国经济社会的快速发展，交通运输管理和服务水平不高的问题越来越突显。因此，需要将信息技术融入到交通建设与运输管理的全过程，加强决策支持系统建设，加快行政管理科学化步伐，提高政府行政管理水平，为公众提供更多的信息服务，全面提升整个行业的管理水平。面对上述需求，交通信息化任务任重而道远。三、城市交通地理信息系统发展面临的挑战 (一)、标准化问题 标准问题是信息共享的基础，是生产发展到一定水平之後的需要，其本质是一种管理。交通地理信息系统的标准问题是一项既困难又迫待解决的任务。城市交通地理信息的标准化所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，它要面对的是一个充满了历史遗留的城市景观。虽然，我们可以将一个在平原地区新兴起的城市规划成一个结构上非常有条理的城市，如棋盘格一样的道路系统，以顺序数字命名的街道（如中国古代的皇城）。这样的城市道路结构易於用计算机系统表达，便于管理。但大多数的城市历经长时间的发展，拥有一个极为复杂的道路交通网络，以及极具区域特色的道路名称系统。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城市交通信息，一直是地理信息系统专家们契而不舍的追求目标。 在现实世界中，人们通过地址来寻找城市中的目标。这种现实世界的定位方式是通过一段文字来表达目标位置的。例如，我们用“香港中环干诺道中1号来表示香港富丽华酒店的位置。在地理信息系统中，计算机是无法通过诸如以上文字叙述而直接寻找到目标的位置的。目标的位置是由其所在地的地理空间坐标确定的，如该地的经度和纬度，或是其在规定的大地平面坐标系中的X，Y值。然而，经度纬度或是XY值对於市民来说，只是空洞的数字，没有丝毫意义。虽然，现在市民可以购买全球地理定位系统（GPS）接收仪来轻易地知道自己所在的地理坐标，但那一串数字远不如街名路名门牌号更亲切实在。因此，交通地理信息系统需要一座沟通计算机与用户的桥梁，进行用户的现实世界语言同计算机语言之间的转换。 数据是信息系统的基础，是信息系统得以生存的先决条件。目前交通地理信息系统所使用的数据，并不是专门为考虑交通应用要求而设计的，它们有著各种各样的来源。由於对於交通数据尚未有统一的要求，不同部门生产的交通数据之间差别很大。由於对道路等级的划分没有一致的标准，不同的交通数据生产者对某一道路的级别判断不同；对於应该包括到道路网络中去的最低等级道路各有不同意见；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。这种种差异导致了不同部门的交通数据之间缺乏一致性，令不同交通信息数据库之间的互操作产生困难，造成不必要的人力和财力上的浪费。由於缺乏标准化规定所造成的交通信息数据库之间的差异是不可忽视的。Dr. Noronha（1999）在他最近的一份研究中指出：利用GPS和照相测量法对不同部门生产的、不同比例尺的数字交通地图进行的调查中，发现不同地图之间存在显著差异（见图2）。他将同一区域由三个不同部门制作的电子交通地图A、C和E，同GPS勘测结果叠加起来，可以发现地图C同GPS勘测结果几乎完全符合，而地图A和E则有不可忽视的位置错误。(二)、交通地理现象表达所存在的问题 在对地理现象进行抽象表达时，通常采用以下三种数据模型（Goodchild，1992）：对地面某一连续变化现象进行抽象表达的域模型（field models）；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（discrete entity models）；对嵌於地表的线性网络的变化进行抽象表达的网络模型 （network models）。由於交通系统自身的特性，几乎所有应用於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。用许多具有多种属性的线段代表城市道路网，用离散点代表各种道路网中的标识性地物，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示起到了一定的作用。然而，现实世界中，城市交通系统越来越向复杂的方向发展，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，加上新的越来越复杂交通规则，使得这种简单的线性网络越来越不适合城市交通系统的表达。如何解决这些复杂交通现象的表达问题，是目前城市交通地理系统面临的又一重要问题。对於这些问题，学术界有一些相应的解决方案。然而，这些方案是否能真正解决城市交通系统表达所存在的问题，还有待於进一步考察与研究。 多车道 目前，由於所需存储空间少，分析算法简便，大部分交通地理信息系统都采用一维线段来表示道路。然而，这种表达方法越来越显示出不足。道路并不是简单的一维线段，它是有一定宽度的面状实体，是由多个车道组成的系统。由於道路级别不同，车道的数目相差较大，宽度也从10米至100米不等，若均以一维线段表示不是很恰当。而且，在精度较高的地图中，如1：10000幅地图中，路宽为100米的道路在该图上应显示为宽度为1厘米的条带。这时若仍然用一维线段来表示也不合适。一些地理信息系统专家建议将车道数目作为线性网络中一维线段的属性来表示。然而，在现实世界中，车道的情形要复杂得多。在交叉路口，只有部分车道允许转弯，其他车道只能直行；在高速公路系统中，有些车道是通往出口的，其他车道则会继续前行。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，分别记录它们的特性。对於现代司机来说，了解每一车道使用的具体指示变得越来越重要了。如，在高速公路系统中，那一条车道是引向公路出口的；是不是在某一车道上的车辆都必须驶离公路；何时转向某一车道通往一特定路口等。在某些道路系统中，基於车道的指示要比基於线段和结点的指示要更有用一些。这表明基於车道水平的表达模型更适於人类行为的体现。另外，进行有效的车道表达所需要的几何细节的精度是相当高的。虽然50米的精度车辆定位的要求，但是对於车道的定位则需要高於5米的精度。这种定位精度已经超出了许多现有网络数据库的精度。如TIGER是由比例尺为1：24000和1：100000的地图混合编制而成的，它们的位置精度分别大致为12米和50米。在GPS系统帮助下取得5米以上的定位精度需要不同技术和高质量的大地测量控制的帮助。） 方向问题 现代交通系统中，交通规则变得越来越复杂。为了便於交通流的畅通运转，对道路中车流的方向作了许多限制，诸如某路口禁止左转，某条道路只能单向行驶，禁止逆行等。这些规定使得交通网络不仅仅是一个简单的连通网，而成为复杂的有向网。在进行路径分析时，就不仅要考虑通过某一路径所需要的代价（如时间、距离），还要考虑路径的通行方向和路径之间的连通性。要处理这种问题，基础地理数据模型必须扩充新的结构。一些地理专家通过在地理数据结构中添加转向表（turntable）来解决这一问题。转向表将网络中在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，同时记录它们之间的连通性，并建立转向表中线段标识同其在线属性表中记录之间的连接。对於单行线，也可以以转向表的记录来表达出来。我们可以将单行线通行方向线段对记录的通行属性设置为Yes，而对於其逆行方向的线段对记录的属性，我们设置为No，这样就不会出现沿单行线逆行的路径了。表示了转向表对方向限制记录的示意。通过转向表的建立，可以较好地解决交通系统中方向的问题。 道路立交 由於城市发展空间的限制和对便捷快速交通的要求，城市道路交通系统逐渐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越来越普遍，如何在基於一维线性网络的网络模型中表达道路立交化也是交通信息系统中存在的问题。虽然地理信息系统中三维空间表达技术和虚拟现实技术的发展逐渐成熟，但考虑到三维表达的复杂性和空间分析的难度，在一段时间内许多交通地理信息系统依然要采用一维线性网络来表达道路交通系统。我们想要区分在同一结点相遇并相互连通的线路与在空间中立体交叉的线路，若是在非平面的线性网络中，这种差别比较容易区别的，但是在平面线性网络中，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（见图5）。这时，我们可以利用前面提到的转向表来解决这个问题。通过设置转向表中的连通属性，我们可以限定线路的通行方向只能为直行，不可以转弯。以此来表明两条立交的路线彼此互不连通。 (三)、多种交通方式下实时路径查询 交通地理信息系统的功能不仅仅要为政府和管理者提供信息决策支持、管理规划，为广大市民提供交通信息、出行指导也是它的重要功能之一。乘公共交通系统工具出行的市民则想知道如何乘车才能最快或最经济地到达目的地；自己驾车的市民在出行前都很想知道当时的路面交通状况如何，是否通畅。现代城市交通系统变得越来越发达的同时也变得越来越复杂。一个城市的公共交通系统往往是由多种交通工具构成的，如火车、地下铁路、公共汽车、小型公共汽车、有轨电车、出租车等。这些公共交通工具的服务线路密如蛛网般地分布於城市道路网中，重叠交错，延伸到城市的各个角落。如香港1100平方公里的土地上城市面积不过130平方公里，在遍布市域的1865公里的道路系统中拥有超过100条的公共交通线路，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，多种交通工具线路混合并存，各种转乘站林立，出行者很容易就会迷失在各种交通工具令人眼花撩乱的指示牌中。这种情况下，人们很难知道如何选择一条“最省时间或“最经济的出行线路。在多类型交通系统中进行最佳路径选择是交通信息系统进行路径搜寻的一个难点。目前，地理信息系统界的学者在创建适於多种交通类型混合表达的数据库方面所花费的努力很少，但基於多类型交通系统的路径搜寻在提供城市交通信息服务中是十分重要的组成部分（Goodchild，1999）。解决这一挑战，会令众多的城市出行者受益。