线性参考系统和动态分段技术在城市gis-t中的应用研究-黄丽霞.docx

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1、东北师范大学 硕士学位论文 线性参考系统和动态分段技术在城市 GIS-T中的应用研究 姓名：黄丽霞 申请学位级别：硕士 专业：地图学与地理信息系统 指导教师：张洪岩 20070501 地理信息系统 （ GIS)以计算机科学技术为依托，是一个进行空间地理信息采集、 存储、处理、显示和分析的强大系统，因而在一些方面得到了应用。日前，随着计算机 科学技术的飞跃发展， GIS技术的应用也日趋广泛。 GIS在交通地理信息中应用一交通 地理信息系统 （ GIS-T， Geographic Infonnation System for Transportation)是 GIS 技术在 交通领域的延伸，是 G

2、IS与多种交通信息分析和处理技术的集成，以收集、存储、管理、 综合分析和处理空间信息和交通信息为主要目标的一种综合性技术 。 线性参考系统 （ LRS， Linear Reference System)是 一 维的系统，这是一种直接的方 法将多套属性与线性物体的多个组成部分联系起来。通过线性参考系统，极大地提高了 人们对线性物体的理解、维护和分析能力。 动态分段技术 （ DS， Dynamic Segmentation)是一种对线性特征的属性进行动态分 析显示的技术，它根据各种需求将路段进行动态的分段，并将属性的沿程变化存储为独 立的属性表 (事件属性表 )，使道路以一维线性参照系统为基础建立

3、的各类属性集与道路 以二维参照系统为基础建立的空间位置关联起来。 本文中以建立线性参考系统为基础，选取里程参考方法对路段进行动态分段，并以 长春市的部分道路为实例，论证了线性参考和动态分段这两项新技术在城市交通地理信 息系统中，不仅能实现道路图形和道路各种属性数据间的双向动态可视化査询分析，而 且可以动态地描述公路各种属性数据间 的关系，从而可以方便、快速进行数据的综合处 理、显示和分析。 关键词：交通地理信息系统 （ GIS-T);线性参考；动态分段；査询；显示 Abstract Geographic Information System (GIS) is a useful tool whi

4、ch based on the technology of computer .With it, we can collect, storage, manage, display and analyse geographic spatial imformation. Now just because its advantage ,the GIS is applied in many fields, including in Geographic Information System for Transportation(GIS-T?iii other words,it is an integr

5、ated technology of GIS, which can collect, storage, manage, analyse and deal with the geographic spatial imformation of traffic. Linear Reference System(LBS) is a one dimension system and it can join directly the multiattribute and linear objects. With the LBS, we can understand, vindicate and analy

6、se the linear object as quickly as possible. Dynamic Segmentation (DS) is a technology of analysing and displaying the linear object attributes dynamicly. With this technique, we can segment the route dynamicly, and storage the attributes of all the roads in an unattached table(event table).As a res

7、ult， all kinds of attributes based on a one system may relating with the spatial position based on two dimensions. In this thesis, we should establish the LBS firstly and may choose the mothed of Mileage-reference, and then segment the route. With this method and the data of the part of Changchun ro

8、ads , we can query and analyse the graph of roads from the corresponding spatial data, homologously, we also can do what do just now in GIS-T. Moreover, we can describle the relation of all kinds of attributes of road* Key words: Geographic Information System for Transportation(GIS-T), Linear Refere

9、ncing, Dynamic Segmentation, query, display n 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 秀 oC U 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， sp: 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复

10、印件和磁盘， 允许论文被査阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文版权使用授权书 学 位 论 文 作 者 签 名 指 导 教 师 签 日 期： Xr.4 日 学位论文作者毕业后去向 : 工作单位： _ 通讯地址： _ 电话 : 邮编 : 第 1 章绪论 城市道路是城市的重要基础性设施，在城市的经济建设中起举足轻重作用。良好的 道路运营情况能有效地保证城市经济建设的正常运行，对繁荣城市经济起着良好的促进 作用。随着社会经济的发展 f城市规模不断

11、扩大，城市交通系统日趋复杂 r由此所产生 的交通问题也日益尖锐。 地理信息系统 （ GIS， Geographic Information System)发展起始于 20世纪 60年代， 是与计算机技术同步发展的 .以往 GIS的被认为是一项专门技术，只注重于地理信息的 管理和应用，如局限于测绘、制图、资源与地理环境研究等领域随着计算机技术的 飞速发展，GIS技术的应用也日趋广泛。 20世纪 80年代走向成熟并迅速在各国推广应 用 .它不但在资源与环境的管理与规划中发挥着重要作用，而且逐渐成为城市交通管理 和规划、商业策划、急救抢险、军事战略分析等领域的重要工具。可以说这项新兴技术 应用的触角

12、已经延伸至我们生活的许多方面，并给我们带来便利：电子地图、卫星导航、 数字地球、数字城市，还有许多人津津乐道的 Google Earth， 这些眼下最时尚的新事物 , 其核心正是 GIS技术。G1S技术与数据库技术、通信技术一样，已成为现代信息技术的 重要组成部分。 交通是人们生活的重要组成部分，也是 GIS技术的一个重要应用领域一交通地理信 息系统 （ GIS-T, Geographic Information System for Transportation)。 从上个世纪开始， 由于 GIS的功能和使用特点非常适合交通领域，我国交通部门一直是其应用的重点行业 之一。 GIS-T基本功能

13、包括编辑、制图和显示及测量图层等功能，主要用于对空间和属 性数据的输入、存储、编辑，以及制图和空间分析等。可以说，这是一个存储、管理、 综合分析和处理空间信息和交通信息的计算机软、硬件系统，是 GIS技术在交通领域的 发展与延伸，它具有强大的交通信息服务和管理功能，可以应用在交通管理的各个环节。 在交通工程领域采用 GIS技术和方法研究交通规划、交通建设和交通管理及其相关的问 题，具有其他传统方法无可比拟的优点。然而在城市 GIS-T中再加入新的技术，将使系 统更加富有魅力。 1.1选题依据和研究意义 1.1.1选题依据 地理信息系统 （ GIS)是一个进行空间地理信息采集 、存储、处理、显示

14、和分析的 强大系统，因而在一些方面得到了应用 9 随着信息产业的发展， GIS正走出测绘、绘 图、资源和环境管理等传统领域，日益深入到社会生活的方方面面，渐渐开始与普通大 众亲密接触：在路线复杂的市区里，如果有人突发心脏病，基于 GIS平台的 120医疗急 救指挥系统，可以指挥人们绕过堵车路段，争分夺秒地把病人送到最近的医院。 GIS技 术定位的呼救点，能够自动标注发病地点及会面地点，并按照离发病点由近到远的原则 推荐5个就诊医院。在指挥中心，可直接对 120急救医院进行调度并对其车辆及出车情 况进行管理与监控。发生这些事件时，能及时、快捷地査询、获取与分析基于交通的信 息第一重要。 GIS-

15、T是 GIS技术在交通领域的延伸，是 GIS技术与多种交通信息分析和处理技术 的集成，是以收集、存储、管理、综合分析和处理空间信息和交通信息为主要目标的综 合性技术，它使得许多交通问题得到了简化和解决 13。而把线性参考系统和动态分段技 术这两项新技术应用在 GISJ中，对于处理具有线性特征的道路数据起了十分重要的作 用。 线性参考系统 （ LRS， Linear Reference System)是指在处理线性要素时，对于未知 线性要素的位置信息可由已知线性要素的位置信息与其相对位置关系加以表示或量测， 而不是在传统的 x、 y平面坐标系统中表达，这样大大简化了数据记录 41。这是一种直接

16、的方法将多套属性与线性物体的多个组成部分联系起来。通过线性参考系统，极大地提 高了人们对线性物体的理解、查询和分析能力。 动态分段技术 （ DS， Dynamic Segmentation)是一种对线性特征的属性进行动态分 析显示的技术，指在不改变要素位置描述 （ 坐标的前提下，即不是在线状要素沿线上 某种属性发生变化的地方进行物理分段，而是将属性的沿程变化存储为独立的属性表 (事件属性表 )， 使道路以一维线性参照系统为基础建立的各类属性集与道路以二维参照 系统为基础建立的空间位置关联起来，在显示和分析过程中直接依据事件属性表中的距 离值对线状要素进行动态逻辑分段，不必随每个属性集的分段不同

17、来修改对应的二维空 间中的坐标数据。动态分段功能将地图网络中的路径根据其属性将特征相近或相同的路 径分段。分段是动态进行的，因为它与当前路径的属性相对应，如果属性改变了，动态 分段 将创建一组新的分段 动态分段在 GIS-T的开发中至关重要，利用动态分段功能，不仅能实现道路图形和 道路各种属性数据间的双向动态可视化查询分析，而且还可以动态地描述公路各种属性 数据间的关系，从而可以方便、快速进行数据的综合处理、显示和分析 目前，线性参考系统和动态分段技术在 GIS-T中的应用还不多见。国外在这方面领 先一步，但在国内，在这方面的研究刚刚起步。 本论文的选题是在编写 ArcGIS9操作指南中的第二

18、十二章 ArcGIS中的线性参 考的基础上进行的。加上笔者一直对城市 GIS-T的问题颇感兴趣 ，用了半年的时间收 集并仔细地阅读参考资料，在总结前人工作的基础上，提出了自己的创新思想。 城市中的道路相对来说更具体有线性特征，论文以长春市道路数据为例，认真对线 性参考和动态分段技术这两项新技术在城市 GIS-T中的应用进行研究，为长春市的 GIS-T 中解决道路问题提供参考依据，同时使线性参考系统和动态分段技术在其他城市的 GIS-T应用中具有借鉴意义。 随着挞界经济全球化，城市化进程越来越快。城市经济的髙速发展，城市规模的不 断扩大，人口急剧膨胀，交通问题也变 得越来越严重。如汽车数量的增加

19、而引起的交通 堵塞、意外事故、以及环境污染等，这让城市交通也面临前所未有的压力。完善交通网 络，有效、经济、安全地获取交通信息、管理和控制道路交通，大力发展城市 GIS-T是 目前许多大中型城市所选择的解决方法。而如何借助最新的信息技术，大力提高交通管 理与规划的信息化水平是解决问题的有效途径之一。城市 GIS-T的规划和管理需要大量 的空间数据支持，需要对城市交通数据的空间关系进行分析以抽取交通道路的基本特 征，从而进行各种基于城市交通道路特征的可视化分析，最终实现对科学的规划方 案的 制定提供有力的支持 6。 城市交通道路数据的种类繁多，如属性数据、空间数据、影像数据等等。据量大， 操作复

20、杂。交通信息具有精度要求髙、规则复杂、动态化、离散化等特点。但由于交通 信息的空间分布特殊性一交通信息或与交通有关的信息（如沿交通线路的设施与事件） 都是存在或发生在交通网络系统中的某一路段或某一点，即这些现象可视为一维线性分 布，这使得基于传统的二维平面空间坐标系统的 GIS-T在空间利用率和运行速度上无法 达到令人满意的效果 7。 线性参考是指对线性要素采用相对参考的方法来描述位置点，它摒弃了传统的用 xy 坐标表示路径位置信息的方法，因而大大减小了数据的存储量。动态分段技术是指按各 种不同需求将路径逻辑分段，思想简单，方法灵活，有利于分段方法的添加与更新。这 两种新兴技术在城市 GIS-

21、T中的的应用，有利于政府在城市交通道路的管理、决策支持 方面走上一个新的层次，也将给人们生活带来许多的便利。 1.2本文的主要工作 线性参考和动态分段技术在 GIS-T中应用的重要性是本论文的研究基础。本研究根 据社会发展和方便获取交通信息的需要出发，以国内外的理论研究为基础，以已有研究 为参照，以自己的创新为依托，并借助 ArcGIS9.1软件平台开展论文的写作工作。主要 工作体现在以下几个方面： 1. 建立线性参考系统，这是实现动态分段的基础。 2. 建立动态分段数据模型，以具体的分段法为例实现动态分段，并建立相应的属 性表； 3. 以长春市为例，研究线性参考系统和动态分段这两项新技术在城

22、市 GIS-T中的 应用。 具体工作体现在： （ 1)创建路径，生成路径数据； （ 2)编辑路径； （ 3)建立线性参 考系统； （ 4)建立动态分段数据模型 ； （ 5)创建事件属性表； （ 6)实现路径和事件的显 示与査询。本研究的最终目的是在 GIS-T中通过引入线性参考和动态分段这两项新技术 t 以简化数据记录，实现更加方便、快捷的获取有关交通方面的信息。 3 地理空间数据是地理信息系统的血和肉，同理在本论文中，空间数据是 一 切研究的基础 本论 文的最终目的：实现方便、快捷的査询、显示和分析与交通相关的信息 . 属性表的生成 - |查询 | |显示 | 分析 图 L1技术路线流程图

23、事件属性表 路径属性表 路段属性表 弧涵涵 第 2章研究基础 2.1国内外研究现状 地理信息系统 （ GIS)是诞生于二十世纪六十年代的一门实践性很强的综合性科学 随着 GIS技术的发展成熟，交通道路数据库不失时机地引入了 GIS， 将交通信息系统推进 个新的发展阶段，即出现了 GIS-TW。 GIS-T在世界许多国家的交通部门得到了迅速的发展。在欧美等发达国家，各地方 交通部门纷纷采用 GIS技术建立了交通管理系统、出行信息系统、商业车辆运行系统、 车辆自动定位系统及车辆自动识别系统等，并尝试通过 Internet实时发布交通信息。截止 1989年为止，世界上有 57%的国家的交通部门在使用

24、 G1S11。 目前世界上许多国家，特 别是美国、加拿大、芬兰等发达国家的公路部门对 GIS及相关技术的应用研究非常重视， 投入了大量的人力财力。在美国，大部分的州的交通和公路部门都在使用 GIS-T。 加拿 大的亚尔伯他省建立了公路维护地理信息系统，该系统使用专用检测车辆定期检测路面 的平整度和损坏程度等。加拿大还应用 GK成功地完成了在温哥华岛的一条 127 km、 4车 道的公路通道选择和初步设计。在此项目中 GIS很好地解决了项目涉及的环境分析 (包 括野生动物、森林、水、土壤、植被和土地利用等问题 )、公路选址等问题。在日本， 以 丰田公司为首的各大汽车公司，与交通部门通力合作，己制

25、定了完善的数字交通信息 通讯协议，在全球率先建立了全数字化交通信息台，通过广播电台实时发布城市交通信 息，且与之配套的车载交通信息系统可实时接收发布的数字交通信息，并将其反映在计 算机屏幕上，可自动完成实时交通流的车辆自动导航 由于公路、铁路和航道等交通基础设施需要的往往只是带状空间数据，随着国外 GIS-T技术的逐渐成熟和数据采集技术的快速发展，建立我国的交通地理信息系统的条 件开始逐渐成熟，而且将成为我国发展 GIS的重点领域，从 G1S在我国近几年的发展 领域也可以看出这种趋势。当前我国有关部门已经开始着手进行交通地理信息系统的开 发，并进行了一些有益的尝试。 近十年来，我国 GIS-T

26、也有了长足的进展 在已经建设的城市地理信息系统中，均 把交通路网管理信息系统作为其中重要的环节，并用来解决城市交通阻塞、拥挤等问题 交通部从 “ 七五 ” 、 “ 八五 ” 到 “ 九五 ” 做出了持续努力，推广路面管理系统 (CPMS)。 GIS-T也被广泛地引入高速公路、城市自来水、送电变电线路、有线电视网、煤气、天 然气管网等基础设施的建设和运行监控项目中。许多地方交通部门也开发了自己的应用 系统，如广东省综合交通规划信息系统等 。 不过，这类系统中，还只限于公路数据库的建立与管理，在城市交通领域，也只限 于其静态的路段査询及检索。近几年，随着 GPS技术的广泛推广与应用， GIS/GP

27、S集成 技术支持下的车辆导航与监控应用已经在我国得到了一定的发展，但其中存在一个很大 的问题，就是静态的 GIS数据库不能反映实时变化的交通网络的动态特征，这在很大 5 程度上影响了车辆导航应用的有效性 8。 由于城市道路的线性特征和线性参考技术处理线性要素带来的便利，线性参考系统 被引入了 GIS-T的研究之中。 Vonderohe等于 1994年（最早 ） 提出了一个通用的线性参考 系统模型，郑全红在基于 ArcGIS与 ArcObjects的线性参考系统的建立与应用中提出 了相对完整的线性参考系统的方法示意图 |91。软件方面 ， ArcGIS 8率先推出了线性参考 功能集 111)1。

28、 线性参考和动态分段这两新技术的同时应用，将更加提高 GIS-T的实用性，因而动 态分段的思想随之而生。美国威斯康星交通厅戴维 .复莱特先生于 1987年首先提出了动 态分段 (DS)的思想。该思想解决了传统的 GIS技术在处理线性特征时所采用的弧段一结 点数据模型这一静态分段所遇到的问题 11。动态分段思想提出后，各 GIS软件公司纷 纷投入大量人力来研究动态分段技术。 1991年 6月第一个具有动态分段功能的 GIS软 件 ARC/INFO6.0问世 1121。目前，几家著名的 GIS公司在其产品中均加入了动态分段功 能，包括 ARC/INFO、 ArcView、 TransCAD、 MG

29、E等。国内第一个具有动态分段功能 的 GIS软件 TRANS-GIS， 并以 TRANS-GIS为支撑环境，成功地开发了具有当代国际 先进水平的 “ 地市级公路数据库系统 ”113。 总之，线性参考和动态分段技术在 GIS-T中应用，将 GIS-T又推进了一个新的发 展阶段。但这两项技术在 GIS-T中的应用还不多见，国外在这方面的研究早于国内。 2. 2理论基础 2.2.1线性参考系统理论 地理数据根据其表达模型的不同可以有多种格式的数据，如以要素集为特点的矢量 数据，以格网单元及其相应属性构成的栅格数据，由一系列三角点构成的不规则三角网 (即TIN格式 )。矢量格式的数据适合静态性要素的建

30、模，如能较好的对固定边界的水 体和土壤等进行建模。但是，有些应用却要求能够对不同的线性要素，如公路、城市街 道、铁路、河流、管线和地下水管道等进行相对位置的建模。由此，一维线性测量系统 应运而生。 对于交通部门而言，需要收集许多都是线性要素的数据，例如高速公路、城市街道、 铁路。这些线性要素在传统的 GIS-T中都是在以 x、 y为坐标的二维坐标系统中加以建 模，这样构建的模型能较好的保存其静态特性。然而，线性要素常常具有动态特性，为 了解决这个问题，则需要构建一维线性参考 系统。 在线性参考系统中，线性参考 （ LR， Linear Referencing)是指根据己存在的线性要 素位置的相关性来存储地理数据的一种方法 141。未知要素的位置信息可由己知线性要素 的位置信息与其相对位置关系加以表示或量测，而不是在传统的 x、 y平面坐标系统中表 达，这样大大简化了数据记录 4i，并且，运用线性参考方法能直观看到线性要素的部分 属性。