[科普中国]-交通地理信息系统

交通地理信息系统的概念

交通地理信息系统是由地理信息系统发展而来的，因此我们首先回顾一下地理信息系统。

地理信息系统GIS地理信息系统简称GIS（GIS—Geographic Information System），它是指为收集、管理、操作、分析和显示空间数据的计算机软、硬件系统。

GIS的发展始于20世纪60年代，是与计算机技术同步发展的。今天的地理信息系统集成了计算机数据库技术和计算机图形处理技术，它不同于以往只处理统计的数据库系统和处理非地球坐标的计算机图形辅助设计软件。在对象处理上比上述两类软件更加全面，即地理信息系统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，起讫点是它的地理特征，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。

地理信息系统的基本思想是将地球表层信息按其特性的不同进行分层（base map），每个图层存储特征相同或相似的事物对象集，如河流、湖泊、道路、土地利用和建筑物等构成不同的图层，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。因此地理信息系统是一种空间性数据库管理系统，然而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，它更能够进行空间查询和空间分析，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。

交通地理信息系统交通地理信息系统（Geographic Information System for Transportation）简称GIS-T，是收集、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。它是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。1

交通地理信息系统的结构GIS—T包括3个子系统：数据库子系统、数据采集和质量控制子系统以及系统功能表征子系统。

1．数据库子系统

GIS—T中主要交通数据的类型包括：

(1)空间信息(如交通分区图，道路网络图，设施分布图等)；

(2)属性信息(交通区属性数据库，路网属性数据库，设施属性数据库，交通流量、道路等级、路面状况、图像数据，如航空影像、设施照片等)；

(3)其他有关信息，如多媒体数据库中航空影像、设施照片、声音等多媒体信息：

2．数据采集与质量控制子系统

采集行政区域边界、道路、铁路、基础设施等要素的空问图形数据，这些空间要素按照不同空间数据类型分层，并且能够满足规划与管理应用的数据质量要求。

系统提供的属性数据库管理子系统，能够完成相应的属性数据，如上所述的行政区域，交通分析区域，路线，基础设施等信息的输入、修改、查询和管理等功能，并且建立空间数据与相应属性数据库的关联。

3．系统功能表征子系统

1)路网管理

系统提供交通路网的编辑，如路段的修改，增加或删除路段．增加或删除节点，路段合并或分割等功能。

路网管理中采用动态分段技术，动态分段功能是将地图网络中的连线按特征分段。

2)空间查询

子系统提供从图形查询属性和从属性查询图形的图文交互查询方式，包括空间位置、属性、范围和关系等多种功能。

查询内容包括：交通流量图、各路段的交通饱和状态表、拥挤交叉口的空间、时间分布图，以及交叉口饱和状态表等。

3)统计分析

系统将查询的数据以各种数据视图进行表达，这些数据包括规划对象地区社会经济、人口、交通总量等指标历史变化的统计图。

4)审问分析

系统提供了空问数据的编辑和修改功能，主要包括交通区域的编辑、交通分区的合并、分割。

5)专题制图

基本功能用于编辑、显示和测量图层，主要包括编辑、综合制图和测韪等功能。

6)栅格显示

栅格显示功能使得GIS可以包含图片和其他影像，并可将对应的属性数据进行叠加分析，对图层进行更新。

7)路径优化

设定起止点，可以选择最短路径，同时可以设置某个路口不能通行，某个路段不能通行；指定通行条件．寻找最佳路径。1

交通地理信息系统的主要功能交通地理信息系统的主要功能有：基本功能、叠加功能、动态分段、地形分析、栅格显示功能、路径优化功能。

基本功能用于编辑、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。

叠加功能允许两幅或更多图层在空间上比较地图要素和属性，分为合成叠加和统计叠加。合成叠加得到一个新图层，它将显示原图层的全部特征，交叉的特征区域仅显示共同特征；统计叠加的目的是统计一种要素在另一种要素中的分布特征。

动态分段功能将地图网络中的连线根据其属性将特征相近的连线分段。分段是动态进行的，因为它与当前连线的属性相对应，如果属性改变了，动态分段将创建一组新的分段。

动态分段引入GIS-T的软件是为了分析以线为基础的运输系统的属性，如路面管理中，路网图将以路面铺装采用沥青或混凝土来“自动分段”，以便每种类型的路面含在同一个组中。如果因为需要采用路面类型和车道数这两种属性进行分段，那么每类路面中车道数相同的又自动形成一组。

地形分析功能主要通过数字地形模型（DTM），以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，为道路设计创建一个三维地表模型，这在道路设计中是十分需要的。实际的道路设计采用另一软件在导入GIS的三维地模后进行，然后设计的结果再导出到GIS中，以供将来的分析。

栅格显示功能允许GIS包含图片和其它影像，并可对这些图片对应的属性数据进行叠加分析，从而对图层进行更新。如可以通过添加新特征建筑象桥梁和交叉口以及更正线型等，对原有的道路图层进行更新。对带状（或多边）图层进行叠加可以标出土地的用途和其它属性。

最短时间路径分析模型在运输需求模型中已经使用了很多年。集成化的GIS-T将具有这一功能，而无须与其它软件创建链接。当然随着GIS-T功能的完善，将来与其它软件如运输需求规划模型和道路设计软件的链接将是必须的。

综上所述，空间分析是地理信息系统软件的核心，叠加分析、地形分析和最短时间途径优化功能为交通地理信息系统软件空间分析提供了强大的工具和广阔的应用空间。随着这些功能和其它功能的完善和发展，交通地理信息系统为交通各部门提供了一个功能强大的空间信息服务和管理工具，它将象字处理软件WORD和电子表格EXCEL一样成为各部门日常工作不可或缺的工作手段，并将广泛普及。

交通地理信息系统的具体应用交通地理信息系统因具有强大的信息服务和管理功能，所以应用范围广泛。具体体现在三个方面，一是它可以应用在交通管理的各个环节，即从交通规划、设计、施工到运营和养护的所有阶段以及交通科研。二是它可以广泛应用在国家、省、市等不同层次的管理。三是可以广泛应用在政府、交通运输管理、运输企业和工程设计施工等各部门。下面简单介绍一下它的具体应用。

电子地图使交通管理工作变得轻松直观由于采用空间数据和数据库挂接，改变了传统的信息管理方法，地图由传统的静态纪录变为信息丰富多样的动态的电子地图，实现了数据可视化。它使交通主管部门对公路等基础设施的管理变得直观、简单和轻松。如通过直接对地图实体进行查询，可以获得公路线路的空间位置和走向，技术标准，交通流量等多方位的信息。通过综合统计和分析各种交通数据以及采用丰富多样的图表显示，可以为决策提供科学快捷的支持。

公路网规划手段更加强大公路网规划和路线选择是GIS-T应用发展的重点领域之一。 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。

道路设计和养护GIS-T为道路工程的计算机辅助设计CAD提供了强大的数字化地理平台，正是基于此，CAD已有早期的平面二维设计跨入了三维设计，进入了可视化设计时代，这是CAD领域的突破性发展。GIS-T还与路面管理系统、桥梁管理系统等公路养护管理系统相关连，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。

运输企业运营管理借助GIS的运行路径选择功能，运输企业可以对公司的运营线路进行优化，并根据专题地图的统计分析功能，分析客货流量的变化情况，制定行车计划。此外还可以帮助运输管理部门对特种货物（如长大件货物、危险货物或贵重货物）运输进行线路选择和监控。

为智能运输系统（ITS）提供数字化平台智能运输系统是新近发展起来的交通管理系统，它将和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。基于GIS-T、GPS的ITS，将能够为道路用户提供实时动态交通信息服务，改善出行方式；也能够为道路管理者提供控制信息，大大提高现有道路的通行能力和安全性。这三种技术如何有效的集成还处在研究之中，但无疑这将是GIS-T的又一重大应用领域。

国外GIS-T当前的研究重点数据采集的技术比选当前交通决策要求GIS-T提供的数据范围在不断扩大，可喜的是数据采集的技术也有了长足发展，这些技术包括GPS、视频技术、数码摄像技术、高清晰卫星图像、高清晰度扫描技术以及实时系统和传感器。这些实时系统和传感器众多：气象雷达、车辆身份证条码、交通量计数器、路面温度传感器、ITS中的车辆导航系统。ITS不仅需求大量的空间及其相关数据，同时也成为其它诸多用途的数据源，这无疑又激励更新数据采集技术的开发，所有这些技术均对GIS-T的设计实施产生影响。

开展研究的重点包括：

·对各种数据采集技术现状和特性的评估，了解它们相互作用和集成的可能性

·从运输部门的需求来设计技术上可行的数据采集方案

·在GIS-T的发展规划中制定策略来研究比选使用这些新技术。

GIS-T和ITS之间如何协调发展可以预计未来十年内GIS-T、GPS和ITS这三种快速发展的技术将有效地集成起来，发挥良好的社会经济效益，大大提高现有道路的通行能力和安全性。

当前这些技术间合适的切入点还没有很好地研究清楚，要作的研究有：

·分析和评估这三类技术的发展现状和方向

·研究如何将这三种技术有效集成，并分析这种联合发展的可行性

·开发适应全球不同地区需求的技术集成模式

·建造示范中心以便观测和测试技术集成的效果

·制定上述模式所需空间数据的标准

·调查并修正这些数据标准以最终满足ITS的需要

数据库维护技术随着GIS-T的发展和推广，数据库的维护对许多用户来说还颇显陌生，开展的相关研究有：

·新的数据采集技术如GPS将对数据库维护产生怎样的影响？采用什么技术来合并和统一新的采集技术采集的数据和原有数据库存有的空间数据？

·存放在不同图层的数据在不同比例尺下使用时最佳的连接方式是什么？

·CAD与GIS-T之间数据模型的连接如何发展？

·遥感数据如何才能得到有效地利用？

我国发展GIS-T的策略探讨和建议由于公路、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，而且将成为我国发展GIS的重点领域，从GIS在我国近几年的发展领域也可以看出这种趋势。当前我国有关部门已经开始着手进行交通地理信息系统的开发，并进行了一些有益的尝试，如广东省综合交通规划信息系统等，但鉴于我国GIS基础工作薄弱，特别是基本的空间数据库尚未建立，因此GIS-T的开发费用十分巨大；加上GIS-T的发展涉及众多部门和多种技术，因此有关部门应当重视和开展我国GIS-T的发展策略研究。

笔者认为：我国发展GIS-T应当采用“把握机遇、统一规划、完善基础、及时跟进、高起点开发、协调发展”的发展策略。

把握机遇GIS-T是交通信息化发展的一个重要领域，如上所述，因为它具有强大的交通信息处理功能，将象办公软件一样广泛普及，成为交通各部门日常处理信息不可缺少的新工具，因此GIS-T的产品有着广阔的市场前景和诱人的商业价值。在信息时代和无限商机面前中国的交通信息产业人士应当把握机遇。

统一规划由于GIS-T的发展不但涉及众多交通部门，还包括与其它各级政府管理部门（如土地管理、环保、交通管理等部门）之间的信息交流；同时又涉及多种信息技术，而信息技术发展的速度十分迅速，为了降低空间数据资源采集和管理的成本，为了适应未来发展的需要，必须在多方部门的参与下，统一规划和构建我国GIS-T的发展框架。

完善基础协调发展由于我国GIS发展基础薄弱，因此在统一规划的思路和明确的发展框架下，要不断完善基础数据库的建设，同时在技术上及时跟进国外先进的GIS技术，高起点开发，并与我国的信息产业发展速度相协调，共同发展适合我国国情的GIS-T。

当前我国各地许多部门虽然已经开展了GIS-T的研究与开发，这些开发均是出于本部门的需要，很少考虑到将来部门之间的数据交流和共享，加上没有全国性的GIS-T发展框架和数据标准，数据的通用性将成为影响GIS-T开发的关键因素，建议交通有关部门及时组织开展GIS-T发展体系和框架标准的研究。

结语地理信息系统是近二十年来迅速发展的信息技术（IT—Information Technology）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更广泛的领域，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）。它将成为交通各部门日常信息处理不可缺少的新工具，就象现在广泛使用的办公字处理软件WORD和电子表格EXCEL一样。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。

交通地理信息技术的发展交通地理信息系统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。

交通地理信息技术的功能及应用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GIS-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。

GIS-T通过地理信息系统与多种交通信息分析和处理技术的集成，可以为交通规划、交通控制、交通基础设施管理、物流管理、货物运输管理提供操作平台。如运输企业可以借助路径选择功能，对营运线路进行优化选择，并根据专用地图的统计分析功能，分析客货流量变化情况，制定行车计划。运输管理部门可以利用它对危险品等特种货物运输进行路线选择和实时监控。