交通地理信息系统的组成及功能

2.4.1.1　地理信息系统概述

地理信息系统（GIS）是在计算机软、硬件系统的支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。交通系统具有天然的地理特征，交通系统中的大部分信息与空间位置有关，如交通规划、建设、运营和管理中需要的信息具有面广、量大、复杂等特点，且绝大多数信息具有空间特征。

地理信息系统也称作土地资源信息系统，它是在20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是多种学科交叉的产物。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，它具有以下三个方面的特征：①具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；②以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，可产生高层次的地理信息；③由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用的信息，完成人类难以完成的任务。计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，使地理信息系统得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

地理信息系统的外观表现为计算机软、硬件系统，其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。一个缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上能对地理系统从功能上进行模拟，信息的流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真，地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果，取得地理预测或试验的结果，选择优化方案，这种信息模拟是几乎没有什么代价的，可以避免错误的决策带来的损失。

当具有一定地理学知识的用户使用地理信息系统时，其面对的就不再是毫无意义的数据，而是由空间数据组成的现实世界的一个抽象模型，它比地图所表达的自然世界模型更为丰富和灵活，用户可以按应用的目的观察这个现实世界模型的各方面的内容，也可以提取这个模型所表达现象的各种空间尺度指标。更为重要的是，它可以将自然发生或思维规划的过程加在这个数据模型之上，取得对自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的深刻内涵。

地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。

第一，空间位置特征。地理数据必须包括指明地物在地理空间中的位置的成分，这部分数据称为空间特征数据或空间位置数据。空间特征数据又有两层含义：其一，地物本身的地理位置，位置通常用某种地理坐标（经纬度、高程等）或其组合来表达，也可用相对其他参照系或地物的位置来描述，如车站旁某地物在“车站以北50m”等；其二，多个地物之间的位置的相互关系或空间关系，如空间上的相邻、包含等。

第二，属性特征。除空间位置以外，地理空间数据还必须包括描述地物的自然或人文属性的定性或定量指标的成分，这部分数据称为属性特征数据或属性数据。例如，描述一个机场，不仅应有其位置坐标，还需要其跑道长度、起降机型、航班数量、客运量等属性数据。

第三，时态特征。时态特征指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。同一地物的多时段数据，可以动态地表现该地物的发展变化。时态特征数据可以按时间尺度划分为短期（如地震、洪水、霜冻）、中期（如土地利用、作物估产）、长期（如城市化、水土流失）和超长期（如地壳变动、气候变化）等类型。

交通地理信息从属于地理信息，因此它也具有空间、属性和时间三大空间数据的基本要素。空间位置数据描述交通设施所在位置或交通现象发生和存在的位置，这种位置可以用常规的二维坐标系定义，如大地经纬度坐标、直角坐标系坐标等。交通几何网络特征使其可采用独特的定位方式如线性参照系中的里程进行表达，同时也可通过现象间的相对位置关系进行表达。属性数据描述交通设施现象的定性或定量指标，如公路的名称、等级、起终点等。时间特征是指交通数据采集或交通现象发生的时刻或时段，如某一时刻的交通堵塞情况。由于交通地理信息的天然地域特征，交通地理信息还具有以下特点：

第一，线性分布特征。交通路线一般呈线性空间分布，这是交通地理信息区别于其他地理信息如点状信息、面状信息的显著特点。正是由于这一特点，对交通地理信息的定位，除可用一般的二维、三维坐标系外，还可采用线性参照系统（Linear Referencing System，LRS）定位，即通过地理现象沿路径到该路径起点的距离进行定位，如道路上的交通事故定位就使用里程桩进行定位。

第二，网络分布特征。连接大、中、小城市和乡镇的公路、铁路、航空路线、水运路线等形成分布在不同层面上的交通运输网络，并且具备网络连通性。这是交通地理信息的又一显著特征，直接影响着交通地理现象的数学建模和数据库组织。

第三，动态分段分布特征。动态分段分布特征是指在某一交通路线上，交通路线的信息随着时间、地点的变化非常显著，如同一路段的交通量、车速等特性在上班高峰或深夜变化显著，交通事故点前后的车速特性差异明显。

2.4.1.2　地理信息系统的构成及功能

完整的地理信息系统由四个部分构成：计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员。其核心部分是计算机软、硬件系统，地理空间数据反映了地理信息系统的地理内容，而系统开发、管理和使用人员则决定系统的工作方式和信息表示方式。

1）计算机硬件系统

计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的原件或装置，是地理信息系统的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大关系，受硬件指标的支持或制约。地理信息系统由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。地理信息系统的硬件配置一般包括四个部分：①计算机主机；②数据输人设备，包括图形数字化仪、图像扫描仪、键盘、通信端口等；③数据存储设备，包括软盘、硬盘、磁带、光盘及相应的驱动程序；④数据输出设备，包括图形/图像显示器、矢量/点阵打印机等。

2）计算机软件系统

计算机软件系统指地理信息系统运行所必需的各种程序，通常包括计算机系统软件、地理信息系统软件和其他支撑软件、应用分析程序。

计算机系统软件是地理信息系统日常工作所必需基础软件，由计算机厂家提供，为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等。

地理信息系统软件和其他支撑软件可以是通常的地理信息系统工具系统或专门开发的地理信息系统软件包，也可包括数据库管理系统、计算机图形软件包、CAD、图像处理系统等，用于支持空间数据输人、存储、转换、输出和与用户接口。

应用分析程序是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。在优秀的地理信息系统工具的支持下，应用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存储结构无关，而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题数据，构成地理信息系统的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定了系统的实用性的优劣和成败。

3）地理空间数据

地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通信输人地理信息系统，是系统程序作用的对象，是地理信息系统所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。

地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源与环境管理的重要工具。

4）系统开发、管理和使用人员

人是地理信息系统中的重要构成因素，地理信息系统不同于一幅地图，它是一个动态的地理模型，仅有系统软、硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型和提取多种信息，为研究和决策服务。