基于gis的道路交通系統(tǒng)模型研究

基于gis的道路交通系統(tǒng)模型研究

1交通gis的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀信息系統(tǒng)（gis）是信息系統(tǒng)，用于收集、存儲、管理、描述、分析和分析地殼、空間和地理分布數(shù)據(jù)。作為一種決策支持系統(tǒng),它具有信息系統(tǒng)的各種特點,是管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。在計算機(jī)軟硬件支持下,GIS技術(shù)可以按地理坐標(biāo)或空間位置對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理,對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理并研究各種空間實體的分布及相互關(guān)系;通過對多因素的綜合分析,迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息,并能以地圖、圖表或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果。計算機(jī)及數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展,極大地促進(jìn)了GIS的發(fā)展,它使海量信息的存儲和處理變得容易實現(xiàn)。在20世紀(jì)60年代,美國人口統(tǒng)計局建立的DIME以及TIGER數(shù)據(jù)模型中,就開始采用基于點和線的一維線性網(wǎng)絡(luò)來表達(dá)道路系統(tǒng)。在同這些點線相連的屬性表中,記錄了點線的各種屬性信息(見圖1、表1)。這種模式一直成為道路交通系統(tǒng)的表達(dá)模型。這種表達(dá)方式也適合進(jìn)行道路交通系統(tǒng)的路線分析。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,道路交通系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,如多車道、單行線、轉(zhuǎn)彎限制、立交橋等。起初,可以通過向?qū)傩员碇性黾有碌淖侄蝸斫鉀Q這些問題。如加入字段——車道數(shù)來表示該路段的車道屬性,加入字段——通行方向來注明該路段是否為單行線。在路況信息表現(xiàn)方面,一些系統(tǒng)采用閉路電視或可變情報板記錄動態(tài)交通畫面來發(fā)布信息。但這與交通信息系統(tǒng)是不相連的,人們只知道道路交通的大致情形,而無法充分利用所給予的信息。在道路交通系統(tǒng)特別是城市交通系統(tǒng)越來越復(fù)雜的情況下,僅僅對屬性表修改已不能滿足現(xiàn)代交通GIS發(fā)展的要求。我國進(jìn)行交通GIS的研究于20世紀(jì)90年代初才開始,并已經(jīng)在區(qū)域管理、規(guī)劃和決策中取得了實際的效益。目前,交通GIS的研究和應(yīng)用正逐步形成行業(yè),具備了走向產(chǎn)業(yè)化的條件。2離散實體模型對地理現(xiàn)象進(jìn)行抽象表達(dá)是GIS設(shè)計過程中的核心問題,同樣也是交通GIS設(shè)計中的核心問題。通常采用以下三種數(shù)據(jù)模型對地理現(xiàn)象進(jìn)行抽象表達(dá):對地面某一連續(xù)變化現(xiàn)象進(jìn)行抽象表達(dá)的域模型(fieldmodels);對離散點、線、面狀事物及其相關(guān)屬性集合進(jìn)行抽象表達(dá)的離散實體模型(discreteentitymodels);對嵌于地表的線性網(wǎng)絡(luò)的變化進(jìn)行抽象表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)模型(networkmodels)。由于交通系統(tǒng)自身的特性,幾乎所有應(yīng)用于交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型都沒有超出網(wǎng)絡(luò)模型和離散實體模型的范圍。用多種屬性的線段代表城市道路網(wǎng),用離散點代表各種道路網(wǎng)中的標(biāo)識性地物,用線性網(wǎng)絡(luò)對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,這些方法對現(xiàn)實道路交通系統(tǒng)的計算機(jī)表現(xiàn)起到了一定的作用。然而,由于現(xiàn)代交通系統(tǒng)越來越復(fù)雜,如多車道、單行線、轉(zhuǎn)彎限制、立交系統(tǒng)等交通特征變得越來越普遍及一些新的交通規(guī)則的出現(xiàn),使得上述這種簡單的線性網(wǎng)絡(luò)不能滿足現(xiàn)代交通系統(tǒng)的要求。要較好地解決這些復(fù)雜交通現(xiàn)象的表達(dá)問題,目前還存在一些問題,有待于進(jìn)一步提高。2.1交通網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化交通GIS的標(biāo)準(zhǔn)問題是一項既困難又亟待解決的任務(wù)。交通地理信息的標(biāo)準(zhǔn)化面對的對象與其他標(biāo)準(zhǔn)化行為的對象不同,它面對的不是對一個新的對象進(jìn)行規(guī)范,而是一個極為復(fù)雜的道路交通網(wǎng)絡(luò)。如何用計算機(jī)系統(tǒng)中簡單、有條理的記錄來表達(dá)現(xiàn)實世界中復(fù)雜而又紛亂的交通信息,一直是從事交通GIS工作者所關(guān)注的問題之一。目前交通GIS所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并不是專門為交通應(yīng)用而設(shè)計的,來源于不同部門,沒有統(tǒng)一的要求。不同部門提供的交通數(shù)據(jù)之間差別也很大。道路網(wǎng)絡(luò)地理精度各不相同,數(shù)據(jù)的存儲格式也是千差萬別。因此,不同交通信息數(shù)據(jù)庫之間的相互共享較困難,對數(shù)據(jù)的采集造成不必要的人力和財力上的浪費。可見,實現(xiàn)交通信息數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化是目前亟待解決的問題之一。2.2有一維路段屬性的道路車道目前,大部分交通GIS都采用一維線段來表示道路。但是,這種表達(dá)方法越來越表現(xiàn)出不足。道路并不是簡單的一維線段,它是有一定寬度的帶狀三維實體,車道的數(shù)目相差也較大,道路寬度從幾米至數(shù)十米不等,若均以一維線段表示就顯得很不恰當(dāng)。例如在比例尺為1∶10000的地圖中,路寬為80m的道路在該圖上的寬度為0.8cm,用一維線段來表示也不合適。因此,一些專家學(xué)者提出將車道數(shù)目作為線性網(wǎng)絡(luò)中的一維線段屬性來表示。然而,事實上并不是這么簡單。例如,在交叉路口,只有部分車道允許轉(zhuǎn)彎,其他車道只能直行;在高速公路上,有出口車道、進(jìn)口車道。車道屬性表只能記錄車道的數(shù)目,根本不可能區(qū)分不同的車道和記錄它們的特性。對于城市道路和高速公路,道路的車道屬性要比幾何屬性更有用一些?？梢?基于車道屬性的表達(dá)更適于人類行為的體現(xiàn),也是交通GIS面臨的難題之一。2.3交通地理轉(zhuǎn)向表的建立現(xiàn)代交通系統(tǒng)中,交通規(guī)則越來越復(fù)雜。道路中車流的方向作了許多限制,如某路口禁止左轉(zhuǎn)、某條道路只能單向行駛、禁止逆行等。這些規(guī)定使交通網(wǎng)絡(luò)成為復(fù)雜的有向網(wǎng)。在進(jìn)行路線選擇時,不僅要考慮通過某一路線所需要的時間、距離,還要考慮路線的通行方向和路線之間的連通性?；谝陨线@些問題,交通地理數(shù)據(jù)模型必須擴(kuò)充新的結(jié)構(gòu)。通過在地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加轉(zhuǎn)向表(turntable)將網(wǎng)絡(luò)中在同一結(jié)點相連接的所有線段對(線段已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中編號,同樣一對線段不同行車方向按不同記錄處理)進(jìn)行記錄,并同時記錄它們之間的連通性,建立轉(zhuǎn)向表中線段標(biāo)識同其在線段屬性表中記錄之間的連接。對于單行線,也可以用轉(zhuǎn)向表的記錄來表達(dá)。我們可以將單行線通行方向線段對記錄的通行屬性設(shè)置為Yes,而對于其逆行方向的線段對記錄的屬性設(shè)置為No,這樣就不會出現(xiàn)沿單行線逆行的路徑了。通過轉(zhuǎn)向表的建立,可以較好地解決交通系統(tǒng)中的方向問題。圖2、表2表示了轉(zhuǎn)向表對方向限制記錄的示意。2.4交通gis的基礎(chǔ)問題道路交通系統(tǒng)正在由二維平面向三維空間發(fā)展,道路立體化的發(fā)展趨勢越來越明顯。兩條道路立體交叉而互不相通的情況也較普遍,基于一維線性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型表達(dá)道路立交化也是交通信息系統(tǒng)中存在的問題之一。雖然GIS中三維空間表達(dá)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為可能,但考慮到三維表達(dá)的復(fù)雜性和空間分析的難度,目前大多數(shù)交通GIS仍然采用一維線性網(wǎng)絡(luò)來表達(dá)道路交通的幾何模型。這樣,所有交叉的線路(無論是平面相交還是立體交叉)都要在交叉處生成一個結(jié)點,很難區(qū)分同一結(jié)點處路線是相遇并相互連通還是空間立體交叉?？梢?道路立交也是當(dāng)前交通GIS中存在的一個問題。利用前面提到的轉(zhuǎn)向表可以解決交通GIS中的道路立交問題。通過設(shè)置轉(zhuǎn)向表中的連通屬性,我們可以限定線路的通行方向是否只能為直行(不可以轉(zhuǎn)彎),來判斷兩條立交的路線是否彼此連通。2.5交通線路方面,應(yīng)增加道路補車板,將道路充放電,交通GIS的功能不僅僅是為政府和管理者提供信息決策支持、管理規(guī)劃,還有為人們提供交通信息、出行指導(dǎo)。例如,人們乘坐公交車時知道如何乘車才能最快或較經(jīng)濟(jì)地到達(dá)目的地;駕駛?cè)藛T在出行前如何知道當(dāng)時的路面交通狀況及是否通暢等?，F(xiàn)代交通系統(tǒng)特別是城市交通系統(tǒng)在快速發(fā)達(dá)的同時也變得越來越復(fù)雜。一個城市的交通系統(tǒng)往往是由多種交通工具構(gòu)成的,如地鐵、公共汽車、小型公共汽車、有軌電車、出租車等。這些交通工具的服務(wù)線路分布在城市道路網(wǎng)中,重疊交錯,密如蜘蛛網(wǎng)般的延伸到城市的各個角落。較典型的如香港城市面積不到130km2,城市道路總長約1865km,公共交通線路100多條,其中包括公共汽車、迷你巴士、九廣鐵路(KCR)、城市地鐵(MTR)和機(jī)場快線。現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)中,多種交通線路混合并存,人們很難選擇一條“最省時間”或“最經(jīng)濟(jì)”的出行線路。因此,進(jìn)行最佳路線選擇是交通信息系統(tǒng)進(jìn)行路線搜尋的一個難點。開發(fā)基于多類型交通系統(tǒng)路線搜尋對城市交通信息服務(wù)具有十分重要的意義。實時交通信息的獲取對路線選擇也具有重大作用。城市中某一道路不同方向及在一天中不同時段的交通流量有很大的差別,通過該段道路所需要的時間也會隨著時間的不同而不同。因此,在路線搜尋時還應(yīng)考慮相關(guān)的動態(tài)信息的獲取。如臺北、香港,已經(jīng)將城市主要交通路口和路段的實時交通狀況用閉路電視系統(tǒng)進(jìn)行記錄,并將畫面定時(3min或5min)輸送到Internet網(wǎng)上公布。人們可以通過網(wǎng)絡(luò)了解城市各主要道路的動態(tài)交通狀況。所以將實時動態(tài)