地理信息系统在智能运输系统中的应用

2.4.3.1　地理信息系统应用概述

地理信息系统（GIS）是在计算机硬件、软件的支持下，对有关业务数据按地理位置进行预处理、输人、存储、显示查询索引、分析处理并提出应用的技术系统。智能交通管理所涉及的各类信息，大部分都与地理位置和分布密切相关，例如道路网分布信息、交通设施分布信息、交通流量分布信息、交通事故分布信息、交通民警警力分布信息等，无一不与地理位置有关。在交通管理和交通信息服务中使用地理信息系统具有实际意义，这是地理信息系统技术应用的一个重要领域。先进的交通管理/控制中心、车载导航系统和地图信息显示装置都广泛应用基于地理信息系统开发的数字地图数据库，这使地理信息系统成为智能运输系统的主要支撑技术之一。

目前，公路交通管理数据量大，且大部分存在于工程图纸上，信息仍然以普通的数据库属性信息为主。此外，庞大的信息量与单调的查询方式也构成了鲜明的对比。因此，把电子地图这一重要的信息源带到交通管理上来已势在必行。利用地理信息系统技术，能集数据管理、数据分析、图形管理、图形编辑、彩色图形输出等功能于一体，可方便、有效、快速地存储、更新、操作、统计、分析和显示所有交通网络信息，使管理者对各方面情况的研究不再是孤立的，而将自己置身于自然和社会环境当中，直观地掌握全面情况，从而大大提高交通的现代化管理水平，这对公路交通的管理将起到非常积极的作用。

2.4.3.2　在智能运输系统中应用的主要地理信息系统技术

1）地图集成技术

在地理信息系统图形功能的管理信息系统（GMIS）的开发中，图形的处理和非图形的一般属性数据处理往往是分离的，图形的处理在地理信息系统中完成，而数据处理功能由高级语言编写的数据处理模块完成。也有将数据处理模块放在地理信息系统中完成的系统，但这样数据处理的功能往往很差。在传统的地理信息系统中，由于图形处理和数据处理的分离，用户必须在两个系统间来回切换，这导致系统的使用效率低，用户感到很不方便，系统的整体性也比较差，不然，用户必须忍受一个功能残缺的系统。在此利用图形集成的方法来解决以上问题，把Map Info、SuperMAP等与其他编程开发语言的优点相互结合，提高地理信息系统的开发能力和手段。

2）动态分段技术

动态分段是地理信息系统中一种对线性特征的属性动态分析显示的技术，即某一线性特征的属性在用地理信息系统进行分析显示时，其图形分布空间地理位置通过计算其属性表的数据而来。例如，一条路段的路线概况图形可根据计算其起止点里程桩而生成，不需要在图上数字化。动态分段对地理信息系统在公路交通中的应用极为关键，可以说，没有动态分段就没有具有真正实用价值的公路数据库。利用Map Info、SuperMAP等系统软件所提供的开发工具，并根据公路线性空间的特点，有效地实现公路线性动态分段的技术，使得在公路数据库中可进行多个属性集的动态查询显示，大大地减少了数据冗余和重复的手工数字化工作。

3）空间数据的存贮与采集

可把公路数据库的空间数据划分为公路、桥梁、隧道、立交、行政区划、河流、乡镇、村庄等点、线、面特征层，利用Map Info、SuperMAP等GIS软件的专题图层来进行有效的存储管理。对空间数据的采集提供数字化仪、屏幕矢量化、扫描矢量化三种方式输人地图数据。前两种方式可由MapInfo Professional来完成，但效率较低。扫描矢量化的效率较高，支持线的自动跟踪、轮廓提取等全自动矢量化、半自动矢量化方式，并可输出mif这种中间格式，然后转人到GIS软件中。上述两种方式可任意选择。在矢量化的过程中，应同时输人图形对象的基本属性，以与后台的数据库建立一一对应关系。

建立公路数据库必须选择合适的地图来采集空间数据，大比例的地图精度高，符合公路的特征，但加大了数字化工作，并会使计算机的运行速度减慢。当比例尺减小时，公路的线形会被简化，周围环境信息减少，难以描绘公路的路况，所以应根据应用的需要选择合适的图幅。选择具有合适的比例尺（如1∶ 25万）的地图作底图，公路数据库的地图图幅选择具有合适的比例尺（如1∶2 000）的设计图作为地形图，利用Map Info、SuperMAP等GIS软件可成功地解决地图的合成问题。

4）图形与数据查询

公路数据库可以存储大量的道路基础资料，管理人员可以通过这个系统在计算机屏幕上显示出整个公路的地理位置、概况等，可在屏幕上随机点取某个路段或构造物，要求计算机显示出相关的资料（包括数据、图形、照片），也可以输人一些技术指标，要求计算机显示相关的路段和构造物。数据查询包括基本数据查询、公路路线数据查询和分类计算查询；图形查询包括公路概况查询、公路养护情况查询、隧道查询、桥梁查询、立体交叉工程查询、交通量查询、交通事故查询这7项内容。

2.4.3.3　在智能运输系统中应用的主要地理信息系统功能

1）分层管理功能

GIS软件对基础地理信息和专业地理信息进行分层管理和维护，且用不同的符号分层显示，该系统涉及的图形信息较多，各类图形的属性不同，必须分层管理，系统分层设置如下：道路及道路标注线、路口及路段交通设施、路名标注、建筑物及其标注、公交机关（市局、分局、派出所等）、交管局及其职能部门、停车场、警力分布、路口监控点、可变信息板、宾馆饭店、大型体育和娱乐场所、其他标注等。

2）对图形数据和属性数据的编辑和修改

GIS软件系统提供相应工具对地图、属性数据进行编辑和修改，可以非常灵活地对它们进行增、删、改等操作，并同时改变与后台数据库的对应关系。还可以将改变后的地图通过软件模块放回到大型数据库中去，以实现真正的数据共享。

3）道路管理和查询

GIS软件系统提供查询工具以方便地对各个路段进行信息查询，如道路名称、等级、对应的路口、主要建筑物、桥梁、隧道、立交、停车场分布及容量、有关各职能部门的分布、警力分布、交通线路及各站点，以及市政机关的位置等信息。可查询所有基础地理特征和专业地理特征的属性信息，可按用户所确定的条件表达式来检索满足条件的图形和属性，且使图形与属性保持一致。这为快速处理交通事件、维护交通次序提供了前提条件。系统支持标准的SQL查询，并可通过地理运算符对空间位置的关系进行查询分析。可按用户所确定的道路（或街道）名称、等级、公交站点名称、公安局（派出所）名称、交警队名称、停车站（场）名称、可变信息板名称进行定位，即可以将用户指定的地理特征以显著颜色显示在屏幕上。

4）数据的统计和分析

GIS软件系统有多种数据表达方式、数据表的浏览方式、地图的表现方式和统计图的表现方式。其中统计图的颜色、线形、文字均有多种选择，既有二维表达形式又有三维表达形式。系统还提供范围图、直方图、饼图、等级符号图、点密度图、独立值图和格网图等多种专题图，形象直观地对用户数据库中所选择的字段进行分析。

5）图形输出

GIS软件系统可输出整个和区域的省市地图、交通线路图；各路段状况图等。可输出各单位属性的报表；打印条件查询结果。还可以将地图与各种专题图、统计图表、浏览表、图例、查询信息等组织在一起美观大方地打印。

6）决策支持

GIS软件系统通过各种专题地图、统计报表、地理分析等，为交通管理部门提供强有力的决策依据。

7）其他功能

GIS软件系统包括图形缩放、漫游功能，可对所有基础地理信息和专业地理信息进行无级缩放及漫游显示。其具有数据维护功能，可对本系统的各类基础地理信息和专业地理信息进行编辑、更新、备份、恢复等。

2.4.3.4　交通地理信息系统的应用

交通地理信息系统GIS-T因具有强大的信息服务和管理功能，所以应用范围广泛。其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于国家、省、市等不同层次的管理；三是它可以广泛应用于政府、交通运输管理、运输企业和工程设计施工等各部门。

1）交通管理

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，地图由传统的静态记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交通基础设施的管理变得直观、简单和轻松。通过直接对地图实体进行查询，可以获得交通设施的空间位置、技术标准以及实时的动态交通流量等多方位的信息。交通地理信息系统在协助管理人员处理特殊、紧急事件的交通管理工作方面具有得天独厚的优势。交通地理信息系统不仅能帮助管理人员追踪和管理当前的交通基础设施的维护工作，通过系统提供的历史查询功能，还可以帮助管理人员根据过去应对某些事件（如恶劣气候，节假日出行高峰等）的情况和经验作出更好的分析，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，为决策提供科学快捷的支持。此外，交通地理信息系统能对管理部门应对某些突发事件的应急效率进行评价和报告。

美国华盛顿州交通局（WSDOT）曾开发了一个基于地理信息系统的冬季运营系统，并获得了国际奖项“GIS最佳成就奖”。该系统能够帮助管理人员更好地获取冬季暴风雪事件的应急信息，同时也便于直观、详细、具体地展示冬季道路管理维护工作，如融雪剂的使用数量及具体位置、当前道路的积雪状况、已处理道路的状况、当前作业货车的位置及详细信息（比如铲雪刀的位置、融雪剂的喷洒情况、道路温度、气温、天气条件、速度等），以及此前在何时何地做了多少事情等信息。而在该系统开发以前，美国华盛顿交通局只知道大概有多少融雪剂等物资运人运出，但是不知道它们的具体去向；只知道有道路正堆满积雪，但是不知道具体是道路的哪一段。另外，系统提供的历史地图查看功能可以帮助管理人员总结分析过去应对暴风雪的情况和经验，为应对当前的气候状况的决策提供支持。

2）交通规划

我国的交通在近年相当长时期内处于快速发展时期，交通管理和建设的投资规模大、项目多、战线长，是一个规模巨大、耦合度高、透明度低、动态而且开放的系统，在需求预测、发展战略、政策策略、资金投人等方面将面临大量的复杂决策问题，如建设项目的宏观决策、建设和养护项目的选择与优化排序、建设管理与工程的控制等。利用交通地理信息系统等信息技术，可以提供直观、明了地集点、线、面信息为一体的多媒体方式的各种公路专题图，实现交通决策和管理的科学化，提高决策的效率和质量。

交通地理信息系统的理论和技术具有处理具有地理特征的交通信息的优越性。借助交通地理信息系统技术建立、编辑、显示、查询和管理交通规划的图形数据库和属性数据库，对交通规划数据库的地理信息进行空间分析，将交通规划中具有空间特征的信息进行可视化表达，这为信息利用者提供了直观、清晰、全面的信息表达方式，对提高交通规划决策的科学性和合理性有着重要作用，与其他传统的方法相比也具有无可比拟的优势。目前基于交通地理信息系统的交通规划模型软件已经开发成功并进人商业化应用阶段，如TransCAD等。这些交通规划软件包括了全部的地理信息系统软件功能，其应用模型与地理信息系统集成为一体，它们使交通规划的手段更加强大。

由于应用交通地理信息系统能够更好地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交通地理信息系统将得到广泛应用。加拿大已经成功地应用地理信息系统完成了在温哥华岛的一条127km、4车道的公路通道选择和初步设计。在此项目中地理信息系统很好地解决了项目涉及的环境分析、公路选址等问题。

3）道路建设和养护

在公路建设中，可以充分利用交通地理信息系统为公路勘测和设计服务。在道路选线的过程中，利用GPS、遥感或摄影测量技术及其他测量手段，获得外业的勘测数据，然后通过测量数据产生数字地面模型，作为内业数据处理的基础，以选择公路走向。在构建数字地面模型时，采用地形图数字化或扫描矢量化、卫星图像和航空照片的智能识别等技术和方法，通过交通地理信息系统可以快速精确地生成数字地面模型。在此基础上，输人有关的技术、环境及社会等数据，在考虑曲率半径、最大纵坡、多层地质构造及边坡、已有线形物（公路、河流、铁路等）、特别区域（沼泽地、城镇、环境保护区等）等各种限制条件的基础上，优化道路的选择。交通地理信息系统技术在计算机上的运算和虚拟，可以节省前期资金及设计时间。通过确定路线最佳方案，可以大幅度减少并平衡工程的土石方量。通过在路线优化过程中处理、保存大量的数据，并计算各条优化路线的分项建设费用，可为项目提供财务分析及运营费用控制方面的便利。

路网的养护和建设业务范围比较大，养护管理业务非常复杂和繁多，包括养护决策所需要信息的采集、养护方案决策、养护项目进度管理、竣工管理等环节。养护的不同职责也分散在不同的业务部门。通过交通地理信息系统技术，可进行整体的决策和调度，在路网级根据交通量、交通类型、路面状态等决定养护的规模和次序，根据交通分配决定养护的时间以避免交通堵塞等，并且直接进行养护项目的管理，合理配备养护的人力和物力，有效安排养护资金，跟踪、评价养护项目的完成情况，实现公路养护项目的计划管理、进度管理、成本管理、质量管理的计算机化。交通地理信息系统还可与路面管理系统、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。

4）物流分析及运输企业的运营管理

可利用交通地理信息系统强大的地理数据功能来完善物流分析技术。国外公司已经开发出利用交通地理信息系统为物流分析提供专门分析的工具软件。完整的交通地理信息系统物流分析软件集成了车辆路线模型、最短路径模型、网络物流模型、分配集合模型和设施定位模型等。车辆路线模型用于解决在一个起始点、多个终点的货物运输中如何降低物流作业费用，并保证服务质量的问题，包括决定使用多少辆车、每辆车的路线等。网络物流模型用于解决寻求最有效的分配货物路径的问题，也就是物流网点布局问题。分配集合模型可以根据各个要素的相似点把同一层上的所有或部分要素分为几个组，用以解决确定服务范围和销售市场范围等问题。设施定位模型用于确定一个或多个设施的位置。在物流系统中，仓库和运输线共同组成了物流网络，仓库处于网络的节点上，节点决定着线路。根据供求的实际需要并结合经济效益等原则，确定在既定区域内设立仓库的数量、每个仓库的位置、每个仓库的规模，以及仓库之间的物流关系等问题，运用此模型均能很容易地得到解决。

运输企业运营管理涉及车辆调度和实时监控、运输路线优化等方面，运输企业要求获取车辆等运输工具的行驶时间、地点等信息，要求在代价最小的情况下保证运输工具准时到达目的地。交通地理信息系统和GPS监控设备相结合，能够保证管理人员及时、直观地获取运输工具的实时动态信息，为管理人员的正确决策和调度提供支持。借助交通地理信息系统的路径规划选择功能，运输企业可以对运输工具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。

5）为智能运输系统提供数字化平台

智能运输系统是新近发展起来的交通管理系统，它将和交通地理信息系统、GPS一道成为交通领域快速发展的新技术。基于交通地理信息系统、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。利用基于交通地理信息系统的基础信息平台整合各种其他交通信息是有效构建智能运输系统的关键。