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GIS在交通中的應用與發展

  來源:安全管理網 
評論: 更新日期:2019年11月28日

  摘 要:地理信息技術的日臻成熟為GIS在交通領域內的廣泛應用創造了一定基礎。本文總結了GIS技術的特點,并介紹了GIS在交通領域中的應用—GIS-T。通過對GIS-T中關鍵技術的分析,對其應用中面臨的實際問題作了一定研究,并提出了解決問題的方案。

  關鍵詞:GIS GIS-T 關鍵技術 

  解決方案地理信息系統是集現代計算機科學、地理學、信息科學、管理科學和測繪科學為一體的一門新興學科。它采用數據庫、計算機圖形學、多媒體等最新技術,對地理信息進行數據處理,能夠實時準確地采集、修改和更新地理空間數據和屬性信息,為決策者提供可視化的支持〔1〕。目前在很多領域中,GIS技術已被廣泛應用。尤其是在交通領域,GIS與傳統的交通信息分析和處理技術緊密結合,延伸出了交通地理信息系統(Geographic Information System for Transportation),簡稱GIS-T。

1 GIS概述

  GIS最早起源于20世紀60年代“要把地圖變成數字形式的地圖,便于計算機處理分析”的目的。1963年,加拿大測量學家R.FTomlinson首先提出了GIS這一術語,并用于自然資源的管理和規劃。后來的幾十年中間,伴隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發展,GIS的應用也日趨深化和廣泛,在環境、資源、石油、電力、土地、交通、公安、航空、市政管理、城市規劃等領域成為常備的工作系統。
  GIS是圖形處理技術、可視技術及數據庫等技術的有機結合,并以其混合數據結構和強大的地理空間分析功能而獨樹一幟。它與CAD系統和DBMS(數據庫管理系統)等有著很大的區別。CAD系統雖具有強大的圖形處理能力,但其拓撲關系比較簡單,管理和分析大型地理數據庫的能力也有限;DBMS則側重于非圖形數據的優化存儲和查詢,而圖形查詢、顯示功能、數據分析功能均相對較弱。
  眾所周知,GIS中最基礎的也是最重要的部分是地理數據。GIS能夠實現對大量復雜地理數據的輸入、存儲、操作和分析、輸出等一系列功能。
  輸入:GIS數據大多數來自現實世界,數據量比較大。目前被廣泛采用的數據輸入方法是傳統的手工數字化方法。同時,遙感數據正日益成為GIS數據的重要來源,這標志著GIS數據輸入已經開始借助于非地圖形式。另外,GPS技術的日益成熟也促進了GIS數據采集技術的發展。
  存儲:GIS對數據的存儲比較獨特,即在大多數的GIS系統中普遍采用了分層技術,所以用戶在存儲這些數據時,只是處理涉及到層,而不是整幅地圖,因而能夠對用戶的要求作出快速反應。
  操作和分析:GIS充分繼承了CAD和DBMS的圖形操作和數據處理的成熟技術。GIS中空間數據與屬性數據有著緊密的聯系,對數據的一致性要求較高,并且GIS對地理數據有著強大的空間分析功能。這是GIS的精華所在,也是GIS技術能夠在很多領域中廣泛應用的關鍵。
  輸出:GIS能以合適的形式輸出用戶查詢結果或數據分析結果。對于輸出精度要求較高的應用領域,可以利用數據校正、編輯、圖形整飾、誤差消除、坐標變換等技術來提高輸出質量。
  由于GIS中數據的處理比較繁瑣,工作量非常大,完全通過手工方式已經無法滿足當前的需求,因此必須充分利用計算機的處理能力,借助于軟件系統來協助完成這些工作。目前GIS領域比較成熟的軟件有美國ESRI公司的Arc/Info,Mapznfo公司的MapInfo,Intergraph公司的MGE等。

2 GIS在交通中的發展

  近年來,隨著地理信息系統的飛速發展,越來越多的應用領域同GIS技術建立了緊密的聯系。由于交通信息系統具有精度要求高、規則復雜、動態化、離散化等特點,原有的信息技術已經不能完全滿足交通應用的需求,而借助于GIS的強大功能,可以實現交通信息化的時代要求。交通領域中GIS的應用也越來越受到研究者和開發者的重視。
  交通地理信息系統是收集、整理、存儲、管理、綜合分析和處理空間信息和交通信息的計算機軟硬件系統〔2〕,是GIS技術在交通領域的延伸,是GIS與多種交通信息分析和處理技術的集成。GIS-T具有強大的交通信息服務和管理功能,它可以應用在交通管理的各個環節。在交通工程領域采用GIS技術和方法研究交通規劃、交通建設和交通管理及其相關的問題,具有其他傳統方法無可比擬的優點。
  20世紀60年代,美國人口統計局建立了DIME以及后來的TIGER數據模型,當時他們就采用了基于點和線的一維線性網絡來表達道路系統。在那些與點線相連的屬性表中,記錄了點線的各種屬性信息。一直以來,這種模式都是道路交通系統表達模型的一個主流。但是隨著社會和經濟的發展,道路交通系統變得日益復雜,對交通地理信息系統的要求越來越高,GIS-T將面臨更多的挑戰。

3 GIS-T關鍵技術

  GIS-T是改進了的GIS和TIS(交通信息系統)的結合體。目前很多研究人員致力于GIS-T的研究與開發,圍繞著GIS-T產生了較多的研究課題,不同的研究課題涉及到的GIS-T的功能也有所區別。為了進行詳細說明,可以通過定義3個功能組來獲得一個通用的框架,這3個功能組是:數據管理(實現數據存儲和維護)、數據操作(實現原始數據的創新)、數據分析或者建立可分析的模型。它們是相互依賴相互支持的,數據存儲是數據操作的前提,而數據的建模又是在前兩個的基礎上建立起來的。
  3.1 數據庫管理系統
  長期以來,交通部門要使用和維護大量的信息,在很多情況下都是多個交通信息系統共存于同一個部門中,而且每一個交通信息系統只能處理某一類數據信息(如高速公路規劃網、公路管理系統以及事故信息等)。GIS-T的數據管理系統的關鍵技術在于通過建立數據模型和數據交換的框架,把上述不同的數據存儲于一個統一的數據管理系統中,任何部門都能訪問到該系統中符合本部門要求的數據,同時能對這些數據進行分析和建模,然后進行管理和決策。
  3.2 數據協同
  交通數據一般都是由多個機構提供并維護,數據類型、數據標準難以統一。每個數據源可能都有自己的數據模型。數據模型的不同和使用方法的多樣性給數據管理分析造成了很大問題。由于數據位置、拓撲結構、分類、命名和屬性、線性測量的誤差,導致不同來源數據的統一過程比較復雜,結果存在很大的不確定性。要使GIS技術在交通領域取得進展,必須借助數據協同技術,從地圖的匹配算法、交通數據的錯誤模型和錯誤傳播(尤其是一維數據模型)、數據質量標準和數據交換標準三個方面解決數據統一的問題。
  隨著地理數據越來越廣泛的應用,協同性主題逐漸成為GIS-T領域中的一個最為緊迫的課題。在詳細的數字街道數據庫、緊急事件的安排和調度系統、車輛導航系統以及ITS(智能交通系統)的各個部分(包括測量使用者和運輸控制中心或者信息服務提供商之間的無線通訊)都必須應用數據協同技術。
  3.3 實時GIS-T
  地理數據的收集是一個持續的過程。近年來,已經開始出現實時基礎上的數據操作。例如,帶有全球定位系統GPS的車輛提供速度、位置等要素信息到運輸管理中心,管理中心再根據發送的交通信息將預測信息返回給車輛,這樣就組成了地區的阻塞管理系統。由此可見,進行實時數據的存儲、恢復、處理和分析需要更快的數據訪問模式、更強大的空間數據融合技術以及動態路由算法。
3.4 龐大的數據集
  現實世界的交通問題涉及到龐大的地理數據和復雜的網絡。地理信息科學對地理可視化和數據采集的規則、技術發現和數據獲得的計算方法進行了研究和集成,同時也促進了GIS-T的發展。
  由于交通數據集大小的不同,就需要經常更新系統設計,這個系統設計包括了信息顯示的精確性、速度上的優化、算法運行時間與流程中的分析工具以及網絡分析的優化。
3.5 分布式計算
  互聯網技術提供的可連接性改變了計算機、應用軟件、數據和用戶之間的關系。計算機已經形成了一個可移動的、分布式的、普遍存在的實體。基于互聯網的GIS應用變得越來越普遍(包括在交通領域中)。以通訊網絡技術為基礎的分布式計算技術可以有效地使用本地和遠程的計算資源,借助完善的系統資源,實現適時應用的構想。

4 GIS-T中面臨的問題及解決方案

4.1 多格式數據源集成問題
  GIS中最基礎的部分是數據,在GIS-T中也不例外。但是多年來,一方面由于缺乏權威的專業數據公司制作并出售基礎的地理數據,所需的數據來源沒有保證,導致了大量的人力物力花費在制作基礎數據的工作上;另一方面,對已有的數據沒有充分加以利用,各部門積累下來的基礎數據由于數據格式和規劃不統一,難于共享利用,這樣不僅加大了成本,而且還延長了建設的周期。因此,實現多源數據集成、解決多格式數據源集成是近年來GIS-T系統研制開發的重要課題。目前,方案有以下3種:
  (1)據格式轉換模式:把其它的數據格式經專門的數據轉換程序進行格式轉換后,復制到當前系統的數據庫或文件中。
  (2)數據互操作模式:這是Open GIS Consortium(OGC)制定的規范,GIS互操作是指在異構數據庫和分布式計算的情況下,GIS用戶在相互理解的基礎上,能夠透明地獲取所需的信息。
  (3)直接數據訪問模式:就是在一個GIS軟件中實現對其它軟件數據格式的直接訪問,用戶可以使用單個GIS軟件存儲多種數據格式。
4.2 交通地理現象的表達
  GIS-T中涉及3類模型:①區域模型,即在跨越空間時代表連續變化的現象;②離散實體模型,也就是離散的實體(點、線或多邊形)及其相關屬性的集合的抽象表達;③網絡模型,代表拓撲連接的嵌于地表的線性網絡變化的抽象表達。由于交通系統自身的特性,應用于交通系統的數據模型幾乎都沒有超出上述的三種模型的范圍。
  在對交通模型進行表達的時候,可以用許多具有多種屬性的線段代表道路網,用離散點代表各種道路網中的標志性地物,用線性網絡代數對交通網絡進行分析,這些方法對實現道路交通系統的計算機表示起到了一定的作用。在交通領域中,圍繞以弧和點的概念建立的網絡模型起的作用是最重要的。實際上,在許多交通應用中,只需要單個的表示數據的網絡模型就可以了。這種應用的例子包括:
  (1)人行道以及其它設備管理系統;
  (2)實時與下線行程安排;
  (3)基于網絡的交通信息系統和行程計劃任務;
  (4)導航系統;
  (5)實時交通堵塞管理和事故發現等。

5 結語

  在交通領域,GIS-T被公認為21世紀的支柱性產業,是信息產業的重要組成部分。隨著GIS技術研究的進一步深入,目前GIS-T中存在的問題會逐步得到解決,這必定會促進GIS-T的各個方面的應用和發展,大大地改變交通現狀,帶動整個交通行業的突飛猛進,成為促進經濟發展的重要動力。

參考文獻

〔1〕鄔倫.地理信息系統——原理、方法和應用.北京:科學出版社,2001.2
〔2〕李躍軍.GIS在交通領域中的應用,湖南交通科技,2001.12
〔3〕徐建剛、韓雪培.城市規劃信息技術開發及應用.南京:東南大學出版社,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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