【交通地理信息系统研究的历史与现状】

《城市网络模型与算法》

研究报告

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中国地质大学信息工程学院空间信息工程系

2011年 4 月

交通地理信息系统研究的历史与现状

1.引言

近十几年来，随着地理信息系统的快速发展，其在城市内部以及城市圈的规划、管理等方面起到越来越不可低估的作用。在众多与城市有关的地理信息系统应用中，交通地理信息系统的发展越来越受到城市管理者和相关研究人员的瞩目。

在城市交通管理规划中，基于地理的分析是决策的基本要求。然而，交通数据的种类繁多（包括属性数据、空间数据、影像数据等），普通数据库管理系统是无法应对如此大规模的复杂数据的；同时，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([3])。交通地理信息系统的出现为交通数据的自动化管理提供了一个可行的途径：在交通规划系统和地理信息系统空间数据的相似性基础上，利用GIS来管理数据资料和网络信息，建立点线面的空间数据与交通专业数据库间的各种映射关系，将GIS的许多功能结合到交通管理规划过程中（[2]）。借助于GIS的强大功能，可以实现交通信息化的时代要求。

2.交通地理信息统的历史与现状

交通地理信息系统是地理信息系统更中的一个重要分支，是公路、铁路、水路、航空、管网和通讯线路等线性空间要素分析和建模的工具，也是研究地理要素沿线性网络系统运动、变化和发展的有力手段（[1]）。交通地理信息系统是收集、整理、存储、管理。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,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。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。

从Tomlinson（1967）第一次提出“地理信息系统”这一概念时，交通地理信息系统的发展可以追溯到本世纪六七时年代。计算机技术的发展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以及后来的TIGER数据模型中，研究者们就开始采用基于点和线的一维线性网络来表达道路系统。在点线相连的属性表中记录点线的各种属性信息。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。随着城市的发展，城市道路交通系统变得越来越复杂，诸如多车道、单行线、转弯、高架桥等的出现，其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。

GIS-T在世界许多国家交通部门得到了迅速发展。截止19年为止，世界上有57%的国家的交通部门在使用GIS。在美国几乎所有的州的交通和公路部门都在使用GIS-T。在美国公路署的倡导下，各州运输局相继展开一系列的GIS-T的研究，包括适合于GIS-T的交通运输建模问题、GIS-T的数据存储方式、数据格式转换、GIS-T应用范围、软件平台选择、GIS-T项目可行性研究等。其中Wisconsin运输局是GIS-T的开发与数据集成的先驱，开发了基于GIS的路面管理系统、桥梁管理和维护GIS、基于GIS的交通事故分析等系统。GIS-T与路面管理系统、桥梁管理系统等公路养护管理系统相关联，借助先进的路面和桥梁检测设备和数据搜集手段，使道路养护管理更加科学合理，经济高效。如加拿大的Alberta省建立了公路维护地理信息系统，该系统使用专用检测车辆，定期检测路面的平整度和损坏程度等；这些指标由车载全球定位仪（GPS）定位装置准确确定道路的位置，检测数据传输到公路养护地理信息系统，养护模块自动生成路段养护报告。

到目前为止，在发达国家GIS-T几乎已经渗透于交通的各个领域。在交通规划中主要用于交通需求分析与预测、路网方案评估、交通设施的选址与规划等；在道路舌居中主要用于道路走廊选择、路权取得、道路线性仿真等；在交通管理与服务中主要用于日程养护管理、路面管理系统、交通控制以及事故分析、车辆导航等；在港口方面主要涉及港口基础设施管理、船舶自动识别技术、卸载管理等；航道中主要用于航道疏浚、航标管理等。这些应用的技术手段都是以GIS-T为中心，集成了全球定位系统、遥感、网络和多媒体等技术。

由于公路、铁路和航道等交通基础设施需要的往往只是带状空间数据，随着国外GIS-T技术的逐渐成熟和数据采集技术的快速发展，建立我国的交通地理信息系统的条件开始逐渐成熟，而且将成为我国GIS发展的的重要领域（[5]）。近十年来，我国交通地理信息系统也有了长足的进展：在已经建设的城市地理信息系统中均把交通路网管理信息系统作为其中重要的环节，并用来解决城市交通阻塞、拥挤等问题。国家不断完善全国公路数据库系统，并在此基础上开发完成了中国国家公路地理信息系统，整合完成了路网空间数据库、搭建全国路网综合信息平台、实现公路数据的可视化管理；为决策这提供可靠依据；为全国路网实时监控系统和公众出行服务系统提供基础平台。（[4]）交通地理信息系统也被广泛地引入高速公路、城市自来水、送电变电线路、有线电视网、煤气、天然气管网等基础设施的建设和运行监控项目中，许多地方交通部门也开发了自己的应用系统，如广东省综合交通规划信息系统等。

3.交通地理信息系统应用领域分析

3.1道路规划、建设与综合管理

公路网规划和路线选择是GIS-T应用发展的重点领域之一。公路建设的走向布设收多方面因素的影响，GIS-T本身所提供的最佳路径分析功能，包括最短路径分析以及最小造价路径分析等为公路规划提供一定的借鉴和参考材料。目前基于GIS-T的交通规划模型软件已经开发成功并进入商业化应用阶段，这些软件包括全部的GIS软件功能，其应用模型与GIS集成为一体，它使交通规划的手段更加强大。由于应用GIS-T能够更好的考虑和评估公路对环境的影响，因此在公路路线的选择和初步设计中GIS-T将得到广泛应用。加拿大已经成功地应用GIS完成了在温哥华岛的一条127公里、4车道的公路通道选择和初步设计。在此项目中GIS很好地解决了项目涉及的环境分析、公路选址等问题，包括野生动物、森林、水、土壤、植被和土地利用等（[1]）。

公路的维护管理是公路建成后的重要任务，我国现有的公路里程长、道路等级多，公路养护管理的模式不同，依稀紧紧依靠GIS-T系统来完成公路的维护管理工作十分困难。在当前的技术条件下，可以结合GIS-T与办公OA系统的优势，综合考虑道路管理部门养护信息、路政信息、监控信息等数据，结合部门内部管理的工作流，把GIS-T系统融合到道路管理部门的办公系统中，真正做到养护、监控、路政管理的内部统一，形成公路综合管理的应用系统，为道路相关部门提供有效的管理工具（[6]）。

3.2城市交通控制与监管

GIS-T具有地理、地形数据的查询分析和处理功能，所以在运输企业的运营管理中，可以通过建立GIS-T数据库，为相关部门及用户提供各种查询和分析方法。制作道路流通图、物/客流密度图等，对道路拥堵利用情况进行实施的监测，提供统计、分析，诊治预测的模块，从而为交通运输管理部门提供接侧支持服务。

此外，现代物流最显著的特征就是加强对货物运输过程的综合管理。GIS-T结合全球卫星定位系统可以方便地进行货物调查和分与派遣、路径分析（最佳路径最短路径）、设施和仓储管理等多方面的需求。例如，运输行业可以运用GIS-T的运行路径选择功能，根据道路的条件，对运营公司的路线进行优化。还可以协助运输管理部门对大宗货物的运输经行监控与管理。

将计算机辅助绘图软件和交通事故数据与GIS-T集成为一个整体，在交通地理信息系统的基础上开发出事故定位系统。形象直观地报告事故地点、性质和起因；找出事故多发地段，分析可能引起事故的道路条件的缺陷；结合现有道路条件，进行事故发生情况的预测等。有些研究还利用GIS-T再现事故，为事故鉴定提供有效的手段。

3.3智能交通系统（ITS）

ITS是研究各种运输形式的需求及相互间的转换条件和相应的运输策略，是综合利用交通信息系统、同学设备、定位系统和智能化分析与选线的交通管理系统（[7]）。ITS利用目前成熟的和正在形成的新技术、新方法，如信息处理技术、通信技术、控制技术、电子技术等，使交通运输系统得到协调统一和优化。ITS将和GIS-T、全球地位系统GPS一道成为未来十年交通领域快速发展的新技术。

ITS将原来分散的、局部的、区域的交通管理设备和道路上的车流辆及驾驶员信息等汇集成为一个整体，经过一系列优化处理并提出一个系统的策略，就形成了一个综合性的运输应用系统。它使人、车、路、环境(气候、紧急情况预警)达到一种高效而自然的和谐，提高运输效率，节约能源和时间，在安全性、机动性、可达性方面也得到大幅度的提高。

3.4道路信息发布系统

道路交通信息中包含有大量的空间数据，这些空间数据可准确地反映出交通路线、交通设施的准确位置，这些信息如果只通过图纸和文字的描述，其方便性、易用性、准确性等都会大大降低。利用GIS-T建设道路管理信息系统，将现有的公路交通地图在网上进行发布，工作人员及普通百姓都可以通过浏览器快速查询公路状况，实现公路交通地图浏览、道路信息查询、公交换乘查询、道路信息统计和专题地图等功能。基于Intranet的地图发布系统的建立和使用，为今后公路公共信息的发布和信息的交流打下坚实基础。随着WebGIS技术的发展Go2map已经成为一套成熟的平台，Go2map经过长期的实践，已经开发出一套对于信息发布非常高效的“扩展网络地图引擎”系统，目前已经能够解决应用系统所遇到的大部分难题，特别是大访问量的问题。

4.交通地理信息系统面临的挑战

4.1标准化问题

交通地理信息系统作为整个ITS系统的信息提供系统，是进行智能运输系统的现代化管理、规划和科学决策的先进手段，担负着整个ITS系统综合信息的存储、分析、交换和服务的任务，标准化则是它能实现其功能的重要前提（[8]）。目前，在GIS-T的开发建设中，由于开发人员复杂，开发平台不一，建设目的不同，及验收指标的不一致，造成工程验收、测试、维护、系统见通过接口连接、数据共享等一系列困难。因而，GIS-T急需一个标准化体系（[9]）。

交通地理信息系统的标准化是一项既困难又破待解决的任务。城市交通地理信息系统的标准化所面向的对象与其他标准化行为的对象不同，它面对的不是一个新的对象进行规范，它要面对的是一个经历长时间的发展，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纷乱的城市交通信息，是标准化体系中的又一难题。

此外，如何规范交通数据的存储格式，道道数据共享的目的，也是众多学者和GIS软件开发商共同面临的课题。目前，一些国家的心理信息标准化组织正在着手制定有关交通地理信息系统的各项标准。其中，美工的联邦地理数据委员会（FGDC）的地面交通附属委员会于1995年发布了《国家空间数据基础设施框架交通识别标准（草案）》，其中规定的多有道路的标准分段方式，道路属性表的的组成，唯一的道路属性标识码等，为交通数据标准的制定提供了一些又一的参考（[10]）。

4.2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：对地面某一连续变化现象进行抽象表达的域模型；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；对嵌于地表的网络模型和离散实体模型的范围。由于交通系统自身的特性，几乎所有应用于交通系统的的数据模型都没有超出网络模型和离散实体模型的范围（[10]）。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示性地物，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作用。然而，现实世界中，城市交通系统变得越来与复杂，立交系统、转弯、多车道和单行线等交通特征越来越普遍，加上新的更加复杂的交通规则，使得这样简单的线性网络越来越不适合现代交通系统的表达。

目前，大部分GIS-T都采用一维折线来表示道路。但是，这种表达方法存在明显的不足。道路并不是简单的一维线段，它是具有一定宽度的带状的三维实体，由于道路级别的不同，车到的数目和宽度等均有较大的差别，若均以一维折线表示就显得很不恰当。一些专家建议轿车到数目作为线性网络中一维线段的属性来表示。但是，车到的情形哟啊复杂很多，例如交叉路口处，只有部分车道允许转弯；在高速公路系统中，有些车道是通往出口的，其它则会继续前行。车道属性表只是记录车道的数目，根本不可能区分不同的车道并记录它们的属性。如何建立更有效的多车道模型是GIS-T面临的难题（[7]）。

此外，由于城市发展空间的和对便捷快速交通的要求，城市道路系统逐渐由二维平面面向三维空间发展，道路立体化的发展趋势越来越明显。两条道路立体交叉二互不相同的情况越来越普遍，如何在基于一维线性网络的网络模型中表达道路立体化也是交通信息系统中存在的问题。

4.3多种交通方式下的实时路径查询

交通地理信息系统的功能不仅仅要为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、出行知道也是它的重要功能之一。现代交通系统中，如何利用GIS-T选择一条“最省时间”或“最经济”的出行线路，即多类型交通系统的最佳路径选择问题，是交通地理信息系统进行路径搜寻的一个难点。值得注意的是，即时交通信息的获取对路径选择也具有重大作用：城市中某一道路不同方向不同时间的交通流量有显著的差别，通过该段道路所需的时间也不尽相同，这样的差异道道足以影响用户进行路径搜寻的结果，因此，相关动态信息的获取在路径搜索中显得尤为重要。

由此可见，传统的GIS-T线性数据模型与拓扑模型相结合仍不能满足导航视图或行为视图的需要，时间作为交通事件描述、交通分析及导航的重要因素，在一数据模型加人时间维，建立应用面广、标准化、简单方便的时空数据模型有待于进一步研究（[11]）。

5.结语

地理信息系统是近20年来驯熟发展的信息技术的重要组成部分。它的应用已经从早期的环境保护和矿产资源管理拓展到与空间地理相关联的各个领域。特别是在交通领域，原有的多种交通信息处理技术（如CAD、规划分析）正在与地理信息系统融合，逐渐形成具有强大功能并具有交通特征的地理信息管理系统，即交通地理信息系统（GIS-T）。目前GIS-T中存在的问题将逐步得到解决，这也必定会促进GIS-T的各个方面的应用和发展，大大改变目前的交通现状，成为交通各部门日常信息处理不可缺少的新工具。它将彻底改变传统的信息处理方式，使交通规划、建设、管理和运营变得直观、轻松和高效。可以说它是交通进入数字化时代的标志，并带动整个交通产业的发展，成为促进经济发张的重要动力。

参考文献

[1]张小文.交通地理信息系统的类型、方法及应用初探

[2]席淑丽.浅谈地理信息系统（GIS）及其在城市交通规划中的应用

[3]牛志达.浅谈交通地理信息系统的应用与发展

[4]何兴燕.基于ArcEngine的福州市道路交通地理信息系统设计与实现

[5]张正伟.交通地理信息系统应用前景广泛

[6]陈永红. GIS-T的应用现状及发展趋势

[7]胡燮.交通地理信息系统的探讨

[8]李杨.交通地理信息系统前景广阔

[9]成艳辉.基础地理信息数字产品标准化问题研究

[10]城市交通地理信息系统发展面临的若干问题

[11]石建军.交通地理信息系统数据模型的研究进展