交通地理信息系統

交通地理信息系統是由地理信息系統發展而來的，因此我們首先回顧一下地理信息系統。

地理信息系統簡稱GIS（GIS—Geographic Information System），它是指為收集、管理、操作、分析和顯示空間數據的計算機軟、硬體系統。

GIS的發展始於20世紀60年代，是與計算機技術同步發展的。今天的地理信息系統集成了計算機資料庫技術和計算機圖形處理技術，它不同於以往只處理統計的資料庫系統和處理非地球坐標的計算機圖形輔助設計軟體。在對象處理上比上述兩類軟體更加全面，即地理信息系統所處理的事務對象具有空間地理特徵，也具有統計信息特徵。如一段公路，起訖點是它的地理特徵，公路的造價、技術標準以及交通量等又具有統計數據特徵。這些統計數據在紙介質地圖上是難以描述的。

地理信息系統的基本思想是將地球表層信息按其特性的不同進行分層（base map），每個圖層存儲特徵相同或相似的事物對象集，如河流、湖泊、道路、土地利用和建築物等構成不同的圖層，然後分層管理和存儲。這樣每個圖層都有一個唯一的資料庫表與其相對應，這個資料庫表成為屬性資料庫，庫中內容稱屬性數據。因此地理信息系統是一種空間性資料庫管理系統，然而它除了具備一般數據管理系統的數據輸入、存儲、查詢和顯示輸出等基本功能外，它更能夠進行空間查詢和空間分析，用戶可以根據需要建立一個應用分析模型，通過動態分析為評價、管理和決策服務。

交通地理信息系統（Geographic Information System for Transportation）簡稱GIS-T，是收集、存儲、管理、綜合分析和處理空間信息和交通信息的計算機軟硬體系統。它是GIS技術在交通領域的延伸，是GIS與多種交通信息分析和處理技術的集成。

GIS—T包括3個子系統：資料庫子系統、數據採集和質量控制子系統以及系統功能表徵子系統。

1．資料庫子系統

GIS—T中主要交通數據的類型包括：

(1)空間信息(如交通分區圖，道路網路圖，設施分布圖等)；

(2)屬性信息(交通區屬性資料庫，路網屬性資料庫，設施屬性資料庫，交通流量、道路等級、路面狀況、圖像數據，如航空影像、設施照片等)；

(3)其他有關信息，如多媒體資料庫中航空影像、設施照片、聲音等多媒體信息：

2．數據採集與質量控制子系統

採集行政區域邊界、道路、鐵路、基礎設施等要素的空問圖形數據，這些空間要素按照不同空間數據類型分層，並且能夠滿足規劃與管理應用的數據質量要求。

系統提供的屬性資料庫管理子系統，能夠完成相應的屬性數據，如上所述的行政區域，交通分析區域，路線，基礎設施等信息的輸入、修改、查詢和管理等功能，並且建立空間數據與相應屬性資料庫的關聯。

3．系統功能表徵子系統

1)路網管理

系統提供交通路網的編輯，如路段的修改，增加或刪除路段．增加或刪除節點，路段合併或分割等功能。

路網管理中採用動態分段技術，動態分段功能是將地圖網路中的連線按特徵分段。

2)空間查詢

子系統提供從圖形查詢屬性和從屬性查詢圖形的圖文交互查詢方式，包括空間位置、屬性、範圍和關係等多種功能。

查詢內容包括：交通流量圖、各路段的交通飽和狀態表、擁擠交叉口的空間、時間分布圖，以及交叉口飽和狀態表等。

3)統計分析

系統將查詢的數據以各種數據視圖進行表達，這些數據包括規劃對象地區社會經濟、人口、交通總量等指標歷史變化的統計圖。

4)審問分析

系統提供了空問數據的編輯和修改功能，主要包括交通區域的編輯、交通分區的合併、分割。

5)專題製圖

基本功能用於編輯、顯示和測量圖層，主要包括編輯、綜合製圖和測韙等功能。

6)柵格顯示

柵格顯示功能使得GIS可以包含圖片和其他影像，並可將對應的屬性數據進行疊加分析，對圖層進行更新。

7)路徑優化

設定起止點，可以選擇最短路徑，同時可以設置某個路口不能通行，某個路段不能通行；指定通行條件．尋找最佳路徑。

交通地理信息系統的主要功能有：基本功能、疊加功能、動態分段、地形分析、柵格顯示功能、路徑優化功能。

基本功能用於編輯、顯示和測量圖層，主要包括對空間和屬性數據的輸入、存儲、編輯，以及製圖和空間分析等功能。編輯功能允許用戶添加和刪除點、線、面或改變它們的屬性，綜合製圖功能可以靈活多樣的製作和顯示地圖，分層輸出專題地圖，如交通規劃圖、國道圖等，顯示地理要素、技術數據，並可放大縮小以顯示不同的細節層次。測量功能用於測定地圖上線段的長度或指定區域的面積。

疊加功能允許兩幅或更多圖層在空間上比較地圖要素和屬性，分為合成疊加和統計疊加。合成疊加得到一個新圖層，它將顯示原圖層的全部特徵，交叉的特徵區域僅顯示共同特徵；統計疊加的目的是統計一種要素在另一種要素中的分佈特徵。

動態分段功能將地圖網路中的連線根據其屬性將特徵相近的連線分段。分段是動態進行的，因為它與當前連線的屬性相對應，如果屬性改變了，動態分段將創建一組新的分段。

動態分段引入GIS-T的軟體是為了分析以線為基礎的運輸系統的屬性，如路面管理中，路網圖將以路面鋪裝採用瀝青或混凝土來“自動分段”，以便每種類型的路面含在同一個組中。如果因為需要採用路面類型和車道數這兩種屬性進行分段，那麼每類路面中車道數相同的又自動形成一組。

地形分析功能主要通過數字地形模型（DTM），以離散分佈的平面點來模擬連續分佈的地形，為道路設計創建一個三維地表模型，這在道路設計中是十分需要的。實際的道路設計採用另一軟體在導入GIS的三維地模後進行，然後設計的結果再導出到GIS中，以供將來的分析。

柵格顯示功能允許GIS包含圖片和其它影像，並可對這些圖片對應的屬性數據進行疊加分析，從而對圖層進行更新。如可以通過添加新特徵建築象橋樑和交叉口以及更正線型等，對原有的道路圖層進行更新。對帶狀（或多邊）圖層進行疊加可以標出土地的用途和其它屬性。

最短時間路徑分析模型在運輸需求模型中已經使用了很多年。集成化的GIS-T將具有這一功能，而無須與其它軟體創建鏈接。當然隨著GIS-T功能的完善，將來與其它軟體如運輸需求規劃模型和道路設計軟體的鏈接將是必須的。

綜上所述，空間分析是地理信息系統軟體的核心，疊加分析、地形分析和最短時間途徑優化功能為交通地理信息系統軟體空間分析提供了強大的工具和廣闊的應用空間。隨著這些功能和其它功能的完善和發展，交通地理信息系統為交通各部門提供了一個功能強大的空間信息服務和管理工具，它將象字處理軟體WORD和電子表格EXCEL一樣成為各部門日常工作不可或缺的工作手段，並將廣泛普及。

交通地理信息系統因具有強大的信息服務和管理功能，所以應用範圍廣泛。具體體現在三個方面，一是它可以應用在交通管理的各個環節，即從交通規劃、設計、施工到運營和養護的所有階段以及交通科研。二是它可以廣泛應用在國家、省、市等不同層次的管理。三是可以廣泛應用在政府、交通運輸管理、運輸企業和工程設計施工等各部門。下面簡單介紹一下它的具體應用。

由於採用空間數據和資料庫掛接，改變了傳統的信息管理方法，地圖由傳統的靜態紀錄變為信息豐富多樣的動態的電子地圖，實現了數據可視化。它使交通主管部門對公路等基礎設施的管理變得直觀、簡單和輕鬆。如通過直接對地圖實體進行查詢，可以獲得公路線路的空間位置和走向，技術標準，交通流量等多方位的信息。通過綜合統計和分析各種交通數據以及採用豐富多樣的圖表顯示，可以為決策提供科學快捷的支持。

公路網規劃和路線選擇是GIS-T應用發展的重點領域之一。目前基於GIS-T的交通規劃模型軟體已經開發成功並進入商業化應用階段，這些軟體包括全部的GIS軟體功能，其應用模型與GIS集成為一體，它使交通規劃的手段更加強大。由於應用GIS-T能夠更好的考慮和評估公路對環境的影響，因此在公路路線的選擇和初步設計中GIS-T將得到廣泛應用。加拿大已經成功地應用GIS完成了在溫哥華島的一條127公里、4車道的公路通道選擇和初步設計。在此項目中GIS很好地解決了項目涉及的環境分析、公路選址等問題，包括野生動物、森林、水、土壤、植被和土地利用等。

GIS-T為道路工程的計算機輔助設計CAD提供了強大的數字化地理平台，正是基於此，CAD已有早期的平面二維設計跨入了三維設計，進入了可視化設計時代，這是CAD領域的突破性發展。GIS-T還與路面管理系統、橋樑管理系統等公路養護管理系統相關連，藉助先進的路面和橋樑檢測設備和數據搜集手段，使道路養護管理更加科學合理，經濟高效。如加拿大的Alberta省建立了公路維護地理信息系統，該系統使用專用檢測車輛，定期檢測路面的平整度和損壞程度等；這些指標由車載全球定位儀（GPS）定位裝置準確確定道路的位置，檢測數據傳輸到公路養護地理信息系統，養護模塊自動生成路段養護報告。

藉助GIS的運行路徑選擇功能，運輸企業可以對公司的運營線路進行優化，並根據專題地圖的統計分析功能，分析客貨流量的變化情況，制定行車計劃。此外還可以幫助運輸管理部門對特種貨物（如長大件貨物、危險貨物或貴重貨物）運輸進行線路選擇和監控。

智能運輸系統是新近發展起來的交通管理系統，它將和GIS-T、全球地位系統GPS一道成為未來十年交通領域快速發展的新技術。基於GIS-T、GPS的ITS，將能夠為道路用戶提供實時動態交通信息服務，改善出行方式；也能夠為道路管理者提供控制信息，大大提高現有道路的通行能力和安全性。這三種技術如何有效的集成還處在研究之中，但無疑這將是GIS-T的又一重大應用領域。

當前交通決策要求GIS-T提供的數據範圍在不斷擴大，可喜的是數據採集的技術也有了長足發展，這些技術包括GPS、視頻技術、數碼攝像技術、高清晰衛星圖像、高清晰度掃描技術以及實時系統和感測器。這些實時系統和感測器眾多：氣象雷達、車輛身份證條碼、交通量計數器、路面溫度感測器、ITS中的車輛導航系統。ITS不僅需求大量的空間及其相關數據，同時也成為其它諸多用途的數據源，這無疑又激勵更新數據採集技術的開發，所有這些技術均對GIS-T的設計實施產生影響。

開展研究的重點包括：

·對各種數據採集技術現狀和特性的評估，了解它們相互作用和集成的可能性

·從運輸部門的需求來設計技術上可行的數據採集方案

·在GIS-T的發展規劃中制定策略來研究比選使用這些新技術。

可以預計未來十年內GIS-T、GPS和ITS這三種快速發展的技術將有效地集成起來，發揮良好的社會經濟效益，大大提高現有道路的通行能力和安全性。

當前這些技術間合適的切入點還沒有很好地研究清楚，要作的研究有：

·分析和評估這三類技術的發展現狀和方向

·研究如何將這三種技術有效集成，並分析這種聯合發展的可行性

·開發適應全球不同地區需求的技術集成模式

·建造示範中心以便觀測和測試技術集成的效果

·制定上述模式所需空間數據的標準

·調查並修正這些數據標準以最終滿足ITS的需要

隨著GIS-T的發展和推廣，資料庫的維護對許多用戶來說還頗顯陌生，開展的相關研究有：

·新的數據採集技術如GPS將對資料庫維護產生怎樣的影響？採用什麼技術來合併和統一新的採集技術採集的數據和原有資料庫存有的空間數據？

·存放在不同圖層的數據在不同比例尺下使用時最佳的連接方式是什麼？

·CAD與GIS-T之間數據模型的連接如何發展？

·遙感數據如何才能得到有效地利用？

由於公路、鐵路和航道等交通基礎設施需要的往往只是帶狀空間數據，隨著國外GIS-T技術的逐漸成熟和數據採集技術的快速發展，建立我國的交通地理信息系統的條件開始逐漸成熟，而且將成為我國發展GIS的重點領域，從GIS在我國近幾年的發展領域也可以看出這種趨勢。當前我國有關部門已經開始著手進行交通地理信息系統的開發，並進行了一些有益的嘗試，如廣東省綜合交通規劃信息系統等，但鑒於我國GIS基礎工作薄弱，特別是基本的空間資料庫尚未建立，因此GIS-T的開發費用十分巨大；加上GIS-T的發展涉及眾多部門和多種技術，因此有關部門應當重視和開展我國GIS-T的發展策略研究。

筆者認為：我國發展GIS-T應當採用“把握機遇、統一規劃、完善基礎、及時跟進、高起點開發、協調發展”的發展策略。

GIS-T是交通信息化發展的一個重要領域，如上所述，因為它具有強大的交通信息處理功能，將象辦公軟體一樣廣泛普及，成為交通各部門日常處理信息不可缺少的新工具，因此GIS-T的產品有著廣闊的市場前景和誘人的商業價值。在信息時代和無限商機面前中國的交通信息產業人士應當把握機遇。

由於GIS-T的發展不但涉及眾多交通部門，還包括與其它各級政府管理部門（如土地管理、環保、交通管理等部門）之間的信息交流；同時又涉及多種信息技術，而信息技術發展的速度十分迅速，為了降低空間數據資源採集和管理的成本，為了適應未來發展的需要，必須在多方部門的參與下，統一規劃和構建我國GIS-T的發展框架。

由於我國GIS發展基礎薄弱，因此在統一規劃的思路和明確的發展框架下，要不斷完善基礎資料庫的建設，同時在技術上及時跟進國外先進的GIS技術，高起點開發，並與我國的信息產業發展速度相協調，共同發展適合我國國情的GIS-T。

當前我國各地許多部門雖然已經開展了GIS-T的研究與開發，這些開發均是出於本部門的需要，很少考慮到將來部門之間的數據交流和共享，加上沒有全國性的GIS-T發展框架和數據標準，數據的通用性將成為影響GIS-T開發的關鍵因素，建議交通有關部門及時組織開展GIS-T發展體系和框架標準的研究。

地理信息系統是近二十年來迅速發展的信息技術（IT—Information Technology）的重要組成部分，它的應用已經從早期的環境保護和礦產資源管理拓展到與空間地理相關聯的更廣泛的領域，特別是在交通領域，原有的多種交通信息處理技術（如CAD、規劃分析）正在與地理信息系統融合，逐漸形成具有強大功能並具有交通特徵的地理信息管理系統，即交通地理信息系統（GIS-T）。它將成為交通各部門日常信息處理不可缺少的新工具，就象現在廣泛使用的辦公字處理軟體WORD和電子表格EXCEL一樣。它將徹底改變傳統的信息處理方式，使交通規劃、建設、管理和運營變得直觀、輕鬆和高效。可以說它是交通進入數字化時代的標誌。

GIS的發展起始於20世紀60年代。20世紀80年代走向成熟並迅速在各國推廣應用。由於GIS的功能和使用特點非常適合交通領域，我國交通部門一直是其應用的重點行業之一。