GIS在城市交通工程中的应用

w1527354476 · 发表于 2016-4-19 13:31

GIS在城市交通工程中的应用

（北京交通大学交通运输学院）

摘要： GIS被公认为21世纪的支柱产业，它的应用深入到各行各业。本文通过介绍GIS的定义、组成部分、工作原理以及相关技术，分析GIS的特点和工作原理，指出GIS的发展趋势和新的合作领域，重点描述了GIS在城市交通的应用。

关键词：GIS; 电子地图；城市交通

The application of GIS to the urban traffic engineering

(School of traffic and transportation, Beijing University)

Abstract： GIS is recognized as the pillar industry of the 21st century，its application has extended to all fields. This article analyzes the definition of GIS, components, principle and related technologies, also points out the trend and the new cooperation areas of GIS, and emphasizes to describe the application in the field of urban traffic.

Keywords: GIS; electronic map; urban traffic

1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息这一术语，并于1971年建立了世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统(CGIS),用于自然资源的管理和规划。GIS在之后的半个世纪中迅猛发展，逐渐运用于各个领域。进入上世纪70年代后，计算机技术推动了GIS的发展，一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和地理信息系统。例如，从1970年至1976年，美国地质调查局就建成50多个GIS,加拿大、联邦德国、瑞典和日本等国也相继发展了自己的GIS。在80年代GIS软件的研制和开发取得了很大成绩，涌现出一系列有代表性的GIS软件，如Arc/Info、Genamap、MGE、Cicad、System9等。随着研究的深入，GIS理论越来越完善。

1 什么是GIS

GIS（Geography information system）地理信息系统是融合计算机图形和数据库于一体，用来存储和处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有机地结合起来，根据用户的需要将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策。

地理信息系统是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析（如图1）。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使 GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

我们当今面临世界的最主要的挑战是——人口过多，环境污染，森林破坏，自然疾病等。这些都与地理因素有关。

不论是从事一种新的职业，还是寻找生长香蕉的最合适的土壤，或是为救护车计算最佳的行车路线，这些问题也都有地理因素。

地图制作和地理分析已不是新鲜事，但GIS执行这些任务比传统的手工方法更好更快。而且，在GIS技术出现之前，只有很少的人具有利用地理信息来帮助做出决定和解决问题的能力。

今天，GIS 已是一个全球拥有数十万的人员和数十亿美元的产业。GIS已在全世界的中学、学院、大学里被讲授。在每个领域里的专家不断地意识到按地理的观点来思考和工作所带来的优越性。

2 GIS的组成

GIS 由五个主要的元素所构成：硬件、软件、数据、人员和方法。

2.1 硬件

硬件是GIS所操作的计算机。今天，GIS软件可以在很多类型的硬件上运行。从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。

2.2 软件

GIS软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件部件有：

（1）输入和处理地理信息的工具；

（2）数据库管理系统(DBMS) ；

（3）支持地理查询、分析和视觉化的工具；

（4）容易使用这些工具的图形化界面(GUI) ；

2.3 数据

一个GIS系统中最重要的部件就是数据了。地理数据和相关的表格数据可以自己采集或者从商业数据提供者处购买。GIS将把空间数据和其他数据源的数据集成在一起，而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系统，来管理空间数据。

2.4 人员

GIS技术如果没有人来管理系统和制定计划应用于实际问题，将没有什么价值。GIS的用户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该系统并完成他们每天工作的人员。

2.5 方法

成功的GIS系统，具有好的设计计划和自己的事务规律，这些是规范而且对每一个公司来说具体的操作实践又是独特的。

3 GIS如何工作

GIS就是用来存储有关世界的信息，这些信息是可以通过地理关系连接在一起的所有主题层集合。这个简单却非常有力和通用的概念，对于解决许多真实世界的问题具有无价的作用，这些问题包括：跟踪传输工具、记录计划的详细资料，模拟全球的大气循环等。

图表 4 GIS建模过程

3.1 地理参考系统

地理信息包含有明确的地理参照系统，例如经度和纬度坐标，或者是国家网格坐标。也可以包含间接的地理参照系统，例如地址、邮政编码、人口普查区名、森林位置识别、路名等。一种叫做地理编码的自动处理系统用来从间接的参照系统，如地址描述，转变成明确的地理参照系统，如多重定位。这些地理参考系统可以使你定位一些特征，例如商业活动、森林位置，也可以定位一些事件，例如地震，用于做地表分析。

3.2 矢量和栅格模式

地理信息系统工作于两种不同的基本地理模式——矢量模式和栅格模式。

在矢量模式中，关于点、线和多边形的信息被编码并以x、y坐标形式储存。一个点特征的定位，例如一个钻孔，可以被一个单一的x、y坐标所描述。线特征，例如公路和河流，可以被存储于一系列的点坐标。多边形特征，例如销售地域或河流聚集区域，可以被存储于一个闭合循环的坐标系。矢量模式非常有利于描述一些离散特征，但对连续变化的特征，例如土壤类型或赶往医院的开销等，就不太有用。

栅格模式发展为连续特征的模式。栅格图象包含有网格单元，有点像扫描的地图或照片。不管是矢量模式还是栅格模式，用来存储地理数据，都有优点和缺陷。现代的GIS都可以处理这两种模式。

4 GIS在城市交通工程中的应用

4.1 进行地理信息查询和分析

GIS搜索数据库并进行地理信息查询的能力，节约了许多公司数以百万计的美元。GIS有以下几个功能：

（1）缩短回答客户请求的时间

（2）找到适合于开发的土地

（3）在粮食、土壤和天气之间找寻相关关系

（4）电气线路故障定位

房地产经纪人可以用GIS在一定的区域内寻找满足下列条件的所有房屋：瓦盖的屋顶、五个房间，并可列出它们的所有特点。

图表 5 GIS操作界面1

查询可以通过增加准则来进一步细化：房价必须每平方英尺少于100美元。还可以列出这些房屋离学校在一定的距离之内。

图表 6 GIS操作界面2

4.2 改进机构集成

许多采用了GIS的机构发现其主要效益之一是改进了它们自己的机构和资源的管理。由于GIS具有将数据集合和地理信息链接起来的能力，促使它们之间共享和交流局部信息。通过产生可共享的数据库，一个部门可从另一个部门的工作中得到好处，这是由于数据只需采集一次，但应用多次。

由于个人和部门之间的通讯在增加，冗余被减少，生产力提高，整体组织效率改进。因此，在一个有效的公司里，用户和基本建设数据库可以集成在一起，这样，当需要进行维护时，受影响的用户会得到计算机发出的信件。

4.3 做出好的决定

一个古老的格言“好的信息导致好的决定”，对于GIS和其他信息系统来说都是正确的。然而，一个地理信息系统（GIS），并不是一个自动决策系统，而是一个查询、分析和支持作出决策处理的图件数据工具。GIS技术已经被用于帮助完成一些任务，例如：为计划调查提供信息，帮助解决领土争端，以最小化视觉干扰为原则设置路标。

GIS可以用于帮助一个新房址的选定，以使其受环境影响最小，在低风险区域，离人口聚集地近。可以以地图和附加报告的方式简洁而清晰的提供这个信息，使决策者集中精力于实际的问题，而不是花时间去理解数据。由于GIS结果能够很快地获得，多个假想的结果可以被高效地评价。

4.4 制图

图件在GIS中占有重要的一席之地。GIS的制图方法比传统的人工或自动绘图方法要灵活得多。她开始于数据库的创建。已经存在的纸张图件可以进行数字化，并可以把计算机兼容的信息转换到GIS中。以GIS为基础的图形数据库是可以延续的，比例尺也不受限制。图件可以以任何地点为中心，比例尺任意，使用突出效果的特殊字符有效地显示所选择的信息。

图表 8 绘图操作流程图

地图集和地图丛书的特征可以用计算机程序编码，并与最终的数据库产品相比较。在其他GIS中使用的数字化产品还可以来自数据库的简单拷贝。在一个大的组织机构中，地形数据库可以被其他部门用作参考构架。

5 GIS的相关技术

GIS与其他几种信息系统密切相关，但由于其处理和分析地理数据的能力使其与它们相区别。尽管没有什么硬性的和快速的规则来给这些信息系统分类，但下面的讨论可以帮助区分GIS和桌面制图、计算机辅助设计CAD、遥感、DBMS、以及GPS技术。

5.1 桌面制图

桌面制图系统用地图来组织数据和用户交互。这种系统的主要目的是产生地图：地图就是数据库。大多数桌面制图系统只有及其有限的数据管理、空间分析以及个性化能力。桌面制图系统在桌面计算机上进行操作，例如PC机，Macintosh以及小型UNIX工作站。

5.2 计算机辅助设计CAD

计算机辅助设计(CAD)系统促进了产生建筑物和基本建设的设计和规划。这种设计需要装配固有特征的组件来产生整个结构。这些系统需要一些规则来指明如何装配这些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系统已经扩展可以支持地图设计，但管理和分析大型的地理数据库的工具很有限。

5.3 遥感和GPS

遥感是一门使用传感器对地球进行测量的科学和技术，例如，飞机上的照相机，全球定位系统（GPS）接收器，或其他设备。这些传感器以图像的格式收集数据，并为利用、分析和可视化这些图像提供专门的功能。由于它缺乏强大的地理数据管理和分析作用，所以不能叫做真正的GIS。

5.4 DBMS数据库管理系统

数据库管理系统专门研究如何存储和管理所有类型的数据，其中包括地理数据。DBMS使存储和查找数据最优化，许多GIS为此而依靠它。相对于GIS而言，它们没有分析和可视化的工具。

6 GIS在城市交通工程中应用的发展趋势

Internet改变了我们的世界。当前，Internet已不仅仅是一种单纯的技术手段了，它已演变成为一种经济方式——网络经济。人们的生活也离不开Internet。大量的应用正由传统的Client/server（客户机4/服务器）方式向Brover/server（浏览器/ 服务器）方式转移，GIS技术和Internet技术的融合，正逐渐形成一种新的技术，我们称之为WebGIS，和传统的基于Client/server的GIS相比，WebGIS有如下特点：

1 更广泛的访问范围

客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，而这一Internet/intranet所特有的优势方便了GIS的数据管理，使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。

2 平台独立性

无论服务器/ 客户机是何种机器，无论WebGIS服务器端使用何种GIS软件，由于使用了通用的Web浏览器，用户就可以透明地访问WebGIS数据，在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析，实现远程异构数据的共享。降低系统成本，传统GIS在每个客户端都要配备昂贵的专业GIS软件，而用户使用的经常只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪费，WebGIS 在客户端通常只需使用Web浏览器（有时还要加一些插件），其软件成本与全套专业GIS相比明显要节省得多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用也不容忽视。更简单的操作要广泛推广GIS，使GIS系统为广大的普通用户所接受，而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统操作的要求。通过的Web 浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择。

3 GIS协助海量数据管理

GIS 技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数据管理问题，因为对于一个城市级的GIS系统，其数据量极其巨大，一般可达到GB的数据量级。例如沈阳市1：1500的基础地图就有2.4GB。传统的基于文件的管理方式显然不能处理这些问题，而利用面向对象的大型数据库技术则能够有效地解决这一问题。

4 高分辨率遥感与GIS结合

现在，高分辨率的遥感影像已逐渐应用到商业领域当中，其最高精度可以达到1m 左右。高分辨率遥感影像意味着什么？它意味着人们在数据采集和数据更新上的一场革命。在传统的地图数据采集过程中，人们是采用手工作业方式，这要耗费大量的人力和物力，而且数据更新的周期很长。但是，利用卫星拍摄的高分辨率的遥感影像，人们可以迅速得到几周前甚至几天前最新更新数据，使得数据更加真实准确，成本还可以降低十几倍。高分辨率的遥感影像在商业领域有很多应用，如国土资源统计、灾害评估、自然环境监测以及城建规划等各个领域。

5 三维GIS与虚拟现实

三维GIS是许多应用领域对GIS的基本要求。三维GIS 和二维GIS 相比，可以帮助人们更加准确真实地认识我们的客观世界。以前的三维显示只能应用在大型的主机和图形工作站上，且只在极少数的部门，如地震预测、石油勘探、航空视景模拟器中得到应用，成本动辄上百万美元。随着计算机技术的发展，硬件成本不断地降低，一台普通的2PC机就可以很轻松地进行真三维显示和分析。以前的GIS大多提供了一些较为单位的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距。现在，三维GIS 可以支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，解决了三维空间操作和分析问题。

综上所述，GIS已深入到各行各业。据抽样调查，我国43 个省市、05 个行业中不同程度地使用了GIS。GIS的应用日趋广泛，已成为城市规划、设施管理和工程建设的重要工具，同时还进入到军事战略分析、商业策划、移动通信、文化教育乃至人们的日常生活当中，其社会地位发生了明显的变化。GIS已被公认为21世纪的支柱产业。