GIS在城市交通工程中的應用

 

（北京交通大學 交通運輸學院）

 

摘要： GIS被公認為21世紀的支柱產業，它的應用深入到各行各業。本文通過介紹GIS的定義、組成部分、工作原理以及相關技術，分析GIS的特點和工作原理，指出GIS的發展趨勢和新的合作領域，重點描述了GIS在城市交通的應用。

關鍵詞：GIS; 電子地圖；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，加拿大測量學家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息這一術語，并于1971年建立了世界上第一個GIS——加拿大地理信息系統(CGIS),用于自然資源的管理和規劃。GIS在之后的半個世紀中迅猛發展，逐漸運用于各個領域。進入上世紀70年代后，計算機技術推動了GIS的發展，一些發達國家先后建立了許多專業性的土地信息系統和地理信息系統。例如，從1970年至1976年，美國地質調查局就建成50多個GIS,加拿大、聯邦德國、瑞典和日本等國也相繼發展了自己的GIS。在80年代GIS軟件的研制和開發取得了很大成績，涌現出一系列有代表性的GIS軟件，如Arc/Info、Genamap、MGE、Cicad、System9等。隨著研究的深入，GIS理論越來越完善。

1 什么是GIS

GIS（Geography  information system）地理信息系統是融合計算機圖形和數據庫于一體，用來存儲和處理空間信息的高新技術，它把地理位置和相關屬性有機地結合起來，根據用戶的需要將空間信息及其屬性信息準確真實、圖文并茂地輸出給用戶，滿足城市建設、企業管理、居民生活對空間信息的要求，借助其獨有的空間分析功能和可視化表達功能，進行各種輔助決策。

地理信息系統是一種基于計算機的工具，它可以對在地球上存在的東西和發生的事件進行成圖和分析（如圖1）。 GIS 技術把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數據庫操作（例如查詢和統計分析等）集成在一起。這種能力使 GIS與其他信息系統相區別，從而使其在廣泛的公眾和個人企事業單位中解釋事件、預測結果、規劃戰略等中具有實用價值。

我們當今面臨世界的最主要的挑戰是——人口過多，環境污染，森林破壞，自然疾病等。這些都與地理因素有關。

不論是從事一種新的職業，還是尋找生長香蕉的最合適的土壤，或是為救護車計算最佳的行車路線，這些問題也都有地理因素。

地圖制作和地理分析已不是新鮮事，但GIS執行這些任務比傳統的手工方法更好更快。而且，在GIS技術出現之前，只有很少的人具有利用地理信息來幫助做出決定和解決問題的能力。 

今天，GIS 已是一個全球擁有數十萬的人員和數十億美元的產業。GIS已在全世界的中學、學院、大學里被講授。在每個領域里的專家不斷地意識到按地理的觀點來思考和工作所帶來的優越性。

2 GIS的組成

GIS 由五個主要的元素所構成： 硬件、軟件、數據、人員和方法。

2.1  硬件 

硬件是GIS所操作的計算機。今天，GIS軟件可以在很多類型的硬件上運行。從中央計算機服務器到桌面計算機，從單機到網絡環境。

2.2  軟件

GIS軟件提供所需的存儲、分析和顯示地理信息的功能和工具。主要的軟件部件有： 

（1）輸入和處理地理信息的工具 ；

（2）數據庫管理系統(DBMS) ；

（3）支持地理查詢、分析和視覺化的工具 ；

（4）容易使用這些工具的圖形化界面(GUI) ；

2.3  數據

一個GIS系統中最重要的部件就是數據了。地理數據和相關的表格數據可以自己采集或者從商業數據提供者處購買。GIS將把空間數據和其他數據源的數據集成在一起，而且可以使用那些被大多數公司用來組織和保存數據的數據庫管理系統，來管理空間數據。

2.4  人員 

GIS技術如果沒有人來管理系統和制定計劃應用于實際問題，將沒有什么價值。GIS的用戶范圍包括從設計和維護系統的技術專家，到那些使用該系統并完成他們每天工作的人員。

2.5  方法

成功的GIS系統，具有好的設計計劃和自己的事務規律，這些是規范而且對每一個公司來說具體的操作實踐又是獨特的。

3 GIS如何工作

GIS就是用來存儲有關世界的信息，這些信息是可以通過地理關系連接在一起的所有主題層集合。這個簡單卻非常有力和通用的概念，對于解決許多真實世界的問題具有無價的作用，這些問題包括：跟蹤傳輸工具、記錄計劃的詳細資料，模擬全球的大氣循環等。

圖表 4 GIS建模過程

3.1  地理參考系統 

地理信息包含有明確的地理參照系統，例如經度和緯度坐標，或者是國家網格坐標。也可以包含間接的地理參照系統，例如地址、郵政編碼、人口普查區名、森林位置識別、路名等。一種叫做地理編碼的自動處理系統用來從間接的參照系統，如地址描述，轉變成明確的地理參照系統，如多重定位。這些地理參考系統可以使你定位一些特征，例如商業活動、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  矢量和柵格模式 

地理信息系統工作于兩種不同的基本地理模式——矢量模式和柵格模式。

在矢量模式中，關于點、線和多邊形的信息被編碼并以x、y坐標形式儲存。一個點特征的定位，例如一個鉆孔，可以被一個單一的x、y坐標所描述。線特征，例如公路和河流，可以被存儲于一系列的點坐標。多邊形特征，例如銷售地域或河流聚集區域，可以被存儲于一個閉合循環的坐標系。矢量模式非常有利于描述一些離散特征，但對連續變化的特征，例如土壤類型或趕往醫院的開銷等，就不太有用。

柵格模式發展為連續特征的模式。柵格圖象包含有網格單元，有點像掃描的地圖或照片。不管是矢量模式還是柵格模式，用來存儲地理數據，都有優點和缺陷。現代的GIS都可以處理這兩種模式。

4 GIS在城市交通工程中的應用

4.1  進行地理信息查詢和分析 

GIS搜索數據庫并進行地理信息查詢的能力，節約了許多公司數以百萬計的美元。GIS有以下幾個功能： 

（1）縮短回答客戶請求的時間 

（2）找到適合于開發的土地 

（3）在糧食、土壤和天氣之間找尋相關關系 

（4）電氣線路故障定位 

房地產經紀人可以用GIS在一定的區域內尋找滿足下列條件的所有房屋：瓦蓋的屋頂、 五個房間，并可列出它們的所有特點。

圖表 5 GIS操作界面1

查詢可以通過增加準則來進一步細化：房價必須每平方英尺少于100美元。還可以列出這些房屋離學校在一定的距離之內。

圖表 6 GIS操作界面2

4.2  改進機構集成 

許多采用了GIS的機構發現其主要效益之一是改進了它們自己的機構和資源的管理。由于GIS具有將數據集合和地理信息鏈接起來的能力，促使它們之間共享和交流局部信息。通過產生可共享的數據庫，一個部門可從另一個部門的工作中得到好處，這是由于數據只需采集一次，但應用多次。

由于個人和部門之間的通訊在增加，冗余被減少，生產力提高，整體組織效率改進。因此，在一個有效的公司里，用戶和基本建設數據庫可以集成在一起，這樣，當需要進行維護時，受影響的用戶會得到計算機發出的信件。

4.3  做出好的決定 

一個古老的格言“好的信息導致好的決定”，對于GIS和其他信息系統來說都是正確的。然而，一個地理信息系統（GIS），并不是一個自動決策系統，而是一個查詢、分析和支持作出決策處理的圖件數據工具。GIS技術已經被用于幫助完成一些任務，例如：為計劃調查提供信息，幫助解決領土爭端，以最小化視覺干擾為原則設置路標。

GIS可以用于幫助一個新房址的選定，以使其受環境影響最小，在低風險區域，離人口聚集地近。可以以地圖和附加報告的方式簡潔而清晰的提供這個信息，使決策者集中精力于實際的問題，而不是花時間去理解數據。由于GIS結果能夠很快地獲得，多個假想的結果可以被高效地評價。

4.4  制圖 

圖件在GIS中占有重要的一席之地。GIS的制圖方法比傳統的人工或自動繪圖方法要靈活得多。她開始于數據庫的創建。已經存在的紙張圖件可以進行數字化，并可以把計算機兼容的信息轉換到GIS中。以GIS為基礎的圖形數據庫是可以延續的，比例尺也不受限制。圖件可以以任何地點為中心，比例尺任意，使用突出效果的特殊字符有效地顯示所選擇的信息。

圖表 8 繪圖操作流程圖

地圖集和地圖叢書的特征可以用計算機程序編碼，并與最終的數據庫產品相比較。在其他GIS中使用的數字化產品還可以來自數據庫的簡單拷貝。在一個大的組織機構中，地形數據庫可以被其他部門用作參考構架。

5 GIS的相關技術

GIS與其他幾種信息系統密切相關，但由于其處理和分析地理數據的能力使其與它們相區別。盡管沒有什么硬性的和快速的規則來給這些信息系統分類，但下面的討論可以幫助區分GIS和桌面制圖、計算機輔助設計CAD、遙感、DBMS、以及GPS技術。

5.1  桌面制圖

桌面制圖系統用地圖來組織數據和用戶交互。這種系統的主要目的是產生地圖：地圖就是數據庫。大多數桌面制圖系統只有及其有限的數據管理、空間分析以及個性化能力。桌面制圖系統在桌面計算機上進行操作，例如PC機，Macintosh以及小型UNIX工作站。

5.2  計算機輔助設計CAD

計算機輔助設計(CAD)系統促進了產生建筑物和基本建設的設計和規劃。這種設計需要裝配固有特征的組件來產生整個結構。這些系統需要一些規則來指明如何裝配這些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系統已經擴展可以支持地圖設計，但管理和分析大型的地理數據庫的工具很有限。

5.3  遙感和GPS

遙感是一門使用傳感器對地球進行測量的科學和技術，例如，飛機上的照相機，全球定位系統（GPS）接收器，或其他設備。這些傳感器以圖像的格式收集數據，并為利用、分析和可視化這些圖像提供專門的功能。由于它缺乏強大的地理數據管理和分析作用，所以不能叫做真正的GIS。

5.4  DBMS數據庫管理系統

數據庫管理系統專門研究如何存儲和管理所有類型的數據，其中包括地理數據。DBMS使存儲和查找數據最優化，許多GIS為此而依靠它。相對于GIS而言，它們沒有分析和可視化的工具。

6 GIS在城市交通工程中應用的發展趨勢

Internet改變了我們的世界。當前，Internet已不僅僅是一種單純的技術手段了，它已演變成為一種經濟方式——網絡經濟。人們的生活也離不開Internet。大量的應用正由傳統的Client/server（客戶機4/服務器）方式向Brover/server（瀏覽器/ 服務器）方式轉移，GIS技術和Internet技術的融合，正逐漸形成一種新的技術，我們稱之為WebGIS，和傳統的基于Client/server的GIS相比，WebGIS有如下特點：

1 更廣泛的訪問范圍

客戶可以同時訪問多個位于不同地方的服務器上的最新數據，而這一Internet/intranet所特有的優勢方便了GIS的數據管理，使分布式的多數據源的數據管理和合成更易于實現。

2 平臺獨立性

無論服務器/ 客戶機是何種機器，無論WebGIS服務器端使用何種GIS軟件，由于使用了通用的Web瀏覽器，用戶就可以透明地訪問WebGIS數據，在本機或某個服務器上進行分布式部件的動態組合和空間數據的協同處理與分析，實現遠程異構數據的共享。降低系統成本，傳統GIS在每個客戶端都要配備昂貴的專業GIS軟件，而用戶使用的經常只是一些最基本的功能，這實際上造成了極大的浪費，WebGIS 在客戶端通常只需使用Web瀏覽器（有時還要加一些插件），其軟件成本與全套專業GIS相比明顯要節省得多。另外，由于客戶端的簡單性而節省的維護費用也不容忽視。更簡單的操作要廣泛推廣GIS，使GIS系統為廣大的普通用戶所接受，而不僅僅局限于少數受過專業培訓的專業用戶，就要降低對系統操作的要求。通過的Web 瀏覽器無疑是降低操作復雜度的最好選擇。

3 GIS協助海量數據管理

GIS 技術的瓶頸之一就是如何解決海量空間數據管理問題，因為對于一個城市級的GIS系統，其數據量極其巨大，一般可達到GB的數據量級。例如沈陽市1：1500的基礎地圖就有2.4GB。傳統的基于文件的管理方式顯然不能處理這些問題，而利用面向對象的大型數據庫技術則能夠有效地解決這一問題。

4 高分辨率遙感與GIS結合

現在，高分辨率的遙感影像已逐漸應用到商業領域當中，其最高精度可以達到1m 左右。高分辨率遙感影像意味著什么？它意味著人們在數據采集和數據更新上的一場革命。在傳統的地圖數據采集過程中，人們是采用手工作業方式，這要耗費大量的人力和物力，而且數據更新的周期很長。但是，利用衛星拍攝的高分辨率的遙感影像，人們可以迅速得到幾周前甚至幾天前最新更新數據，使得數據更加真實準確，成本還可以降低十幾倍。高分辨率的遙感影像在商業領域有很多應用，如國土資源統計、災害評估、自然環境監測以及城建規劃等各個領域。

5 三維GIS與虛擬現實

三維GIS是許多應用領域對GIS的基本要求。三維GIS 和二維GIS 相比，可以幫助人們更加準確真實地認識我們的客觀世界。以前的三維顯示只能應用在大型的主機和圖形工作站上，且只在極少數的部門，如地震預測、石油勘探、航空視景模擬器中得到應用，成本動輒上百萬美元。隨著計算機技術的發展，硬件成本不斷地降低，一臺普通的2PC機就可以很輕松地進行真三維顯示和分析。以前的GIS大多提供了一些較為單位的三維顯示和操作功能，但這與真三維表示和分析還有很大差距。現在，三維GIS 可以支持真三維的矢量和柵格數據模型及以此為基礎的三維空間數據庫，解決了三維空間操作和分析問題。

綜上所述，GIS已深入到各行各業。據抽樣調查，我國43 個省市、05 個行業中不同程度地使用了GIS。GIS的應用日趨廣泛，已成為城市規劃、設施管理和工程建設的重要工具，同時還進入到軍事戰略分析、商業策劃、移動通信、文化教育乃至人們的日常生活當中，其社會地位發生了明顯的變化。GIS已被公認為21世紀的支柱產業。

 

 

參考文獻

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