GIS在交通運輸規劃與管理中的應用＊

索明亮 梁艷平

（北京交通大學城市交通復雜系統理論與技術教育部重點實驗室 北京 100044）

0 引 言

地理信息系統（geographic information system，GIS）是指在計算機軟硬件支持下，運用系統工程和信息科學方法，對地表空間數據進行采集、存儲、顯示、查詢、操作、分析和建模，以提供對資源、環境和區域等方面規劃、管理、決策和研究的人－機系統.在GIS技術不斷發展下，目前GIS的應用已從基礎信息管理與規劃轉向更復雜的區域開發、預測預報，甚至與衛星遙感技術相結合用于全球監測，成為重要的輔助決策工具.本文從地理信息系統在交通領域的應用現狀入手，分析了交通地圖數據庫的建立、數據分析與處理等GIS應用于交通需要解決的關鍵問題，最后預測并設想了GIS在交通運輸規劃與管理中的城市道路設計、車輛誘導、城市交通預測、城市交通設施管理幾個方面的應用.

1 GIS在交通領域中的應用現狀

交通規劃中經常要涉及到人口、國民經濟數據，各類城市規劃的用地與規模，道路長度等級與通行能力，交通量，交通分區等眾多內容，用地理信息系統來管理，可以在兼容接口的條件下接收上述大部分現有數據，大幅度減少各部門數據調查和數據輸入的時間和工作，從而縮短規劃項目的設計周期，提高工作效率［1］.現在許多大城市（如北京、上海、廣州等）規劃，大都采用了美國MapInfo公司研制的GIS軟件平臺MapInfo桌面地理信息系統軟件將交通規劃與GIS相結合，對城市的綜合交通網絡進行規劃，效果良好.圖1表示的是交通規劃中利用MapInfo繪制的北京市公路交通數據采集與發布設施布設現狀圖，對路網上的交調設備，視頻監控設備，可變情報板等基本設施進行了布設、屬性標注和管理.

數據真正的價值不在于海量的原始數據而在于在此基礎上的實用分析，GIS系統的決勝之處就在于它的智能性，能將數據合理地分化、分析，并能用一些易于觀看、簡練的表達方式，如一些統計圖表、分區圖、專題圖等.如北京市交管局從2000年起開始啟動的北京交通治理地理信息系統建設（見圖1），該系統采用的是基于RSRI產品構架的GIS平臺，它以專業化、綜合性、可視化的基礎地理信息為基礎，綜合集成現有系統，將監控視頻、交通控制信號、交通違章監測等的實時動態信息等各種數據采集起來進行集中治理、分析，以便交通治理人員做出快速響應，從而達到疏導交通、緩解擁堵的目標，進一步提高北京市交通治理的現代化水平.

圖1 北京市路網設施規劃總體效果圖

2 GIS應用于交通需要解決的關鍵問題

2.1 交通地圖數據庫的建立

地理信息系統若應用于交通，必須具備快速的圖示顯示、動態軌跡顯示、靈活快速的信息查詢和路徑計算與選擇等功能.因而設計地圖數據庫應遵循以下原則：圖形結構簡單，拓撲關系簡單，冗余度小，圖形刷新速度快，有良好的圖形剪裁功能，非空間數據功能強.

1）常見數據結構和模型存在的問題 地圖數據的種類繁多、數據量大、變化快，建立一個集中式、分功能型的地圖數據結構存在理論和技術上的困難.現有的數據結構和模型都是針對具體問題設計而成的，既有各自特點，又存在局限性.尤其是復雜對象，由于被多個共享的節點分開，沒有建立索引，因此定位復雜對象只能采用窮盡順序搜索法.拓撲模型具有結構緊湊、冗余度低的特點，但數據結構復雜，拓撲結構建立比較困難，導致空間查詢和空間分析算法也相當復雜，計算時間長［2］.

2）交通地圖數據庫建立 采用現有的GIS平臺（如 MapInfo、ArcGIS等），將現有的地圖數據轉換成相應的GIS平臺下的數據，再利用GIS平臺拓撲化功能將數據拓撲化，建立起完備的拓撲化的地圖道路交通網絡，通過外部的DBMS管理屬性數據，從而完成各項復雜的功能.這樣建立起來的地圖數據庫能夠充分利用現有GIS平臺的強大功能，如空間查詢、網絡分析等［3］.

2.2 交通問題中的數據分析與處理

1）信號交叉口服務水平分析 道路或路網的總行車延誤中，交叉口延誤所占比例一般都在80%以上，對交叉口的分析具有重要意義.采用GIS技術，可以直觀地顯示交叉口的類型、進口道的車道數、寬度以及交通控制裝置等，這就為交叉口服務水平的分析提供了直觀空間信息.分析采用的主要評價指標為機動車停車延誤.目前用于直行優先信號控制交叉口進口道延誤計算模型主要有英國TRRL的韋伯斯特（Webster）模型和美國HCM延誤模型.

Webster交叉口進口車道延誤模型為

式中：d為每輛車的平均延誤；c為信號周期時長；λ為綠信比；q為標準化交通量；X為飽和度［4－7］.

式（1）中，第1項是均勻車輛到達率所產生的延誤；第2項是車輛到達隨機性所產生的延誤；第3項是由模擬法求出的補償項.該公式只適用于飽和度X＜1.

計算得到d后，再根據HCM信息交叉口服務水平標準為交叉口服務水平定級.

HCM延誤模型為

式中第1項是均勻車輛到達率所產生的延誤；第2項是隨機到達或超飽和流所產生的延誤.該式主要適用于飽和度X≤1.2時.

2）最佳路徑分析與選擇 GIS能夠進行交通網絡中徑路的分析計算，從而提供最佳徑路以供選擇，如：距離最短，費用流最小，時間最省等.

本文的最短徑路算法采用標號法，即Dijkstra法［8－9］.Dijkstra算法的基本原理是：假設每個點都有一對標號（dj，pj），其中dj是從起源點s到點j的最短路徑的長度（從頂點到其本身的最短路徑是零路（沒有弧的路），其長度等于零）；pj則是從s到j的最短路徑中j點的前一點.

求解從起源點s到點j的最短路徑算法的基本步驟如下.

步驟1初始化.起源點設置為：（1）ds＝0，ps為空；（2）所有其他點：di＝∞，pi＝∞；（3）標記起源點s，記k＝s，其他所有點設為未標記的.

步驟2檢驗從所有已標記的點k到其直接連接的未標記點j的距離，并設置dj＝min｛dj，dk＋lkj｝.式中：lkj為從點k到j的直接連接距離.

步驟3選取下一個點.從所有未標記的結點中，選取dj中最小的一個i：di＝min｛dj，所有未標記的點j｝.點i就被選為最短路徑中的一點，并設為已標記的.

步驟4找到點i的前一點.從已標記的點中找到直接連接到點i的點j＊，作為前一點，設置：i＝j＊.

步驟5標記點i.如果所有點已標記，則算法完全推出，否則，記k＝i，轉到步驟2再繼續.

以下是C＋＋語言編制的單源最短路徑算法，代碼如下：

輸入圖形數據時，圖用鄰接矩陣表示.

運行程序后，即能夠求出源點到各頂點的最短路長.

3 GIS在交通運輸規劃與管理中的應用性研究

1）城市道路設計 在以往的城市道路設計中，工作量不僅大而且效率低下，現運用地理信息系統技術將使設計者的效率大為提高.如：在城市GIS交通專題信息系統上利用GIS的動態模擬技術、虛擬現實技術對規劃方案進行仿真、模擬、然后進行評估，使方案滿足于當前的需要，預測出一定的發展空間.此外，還可以利用GIS中的疊置分析、網絡分析、緩沖區分析等對道路的寬度、長度、最優路徑的選擇進行設置.GIS中的三維拓撲生成，還可以使道路立體化，根據不同路段規劃哪些地方需要建設立體交叉，哪里該設公交停靠站點等.

2）車輛誘導 利用GIS技術開發出的車載導航系統，不僅可以使駕駛員在車輛運行中直接查看道路圖、停車設施、商業點和旅游景區，而且還可以幫助駕駛員快速找到去往目的地的最佳路徑，從而縮短旅行時間.此外，導航系統還兼有對各路段交通現時擁堵狀況的分析功能，避免駕駛員駛入交通堵塞區，從而節約行駛時間.

3）城市交通預測 在城市交通規劃與管理過程中，需要處理的數據量往往很大.采用的數學模型很復雜，規劃成果或分析結果的表示也要求多樣化.利用GIS強大的數據采集、數據管理、圖形顯示功能，尤其是空間分析功能，可以很方便地實現交通需求預測、車流路徑選擇、道路通行能力分析、交通質量評價等.

4）城市交通設施管理 利用地理信息系統軟件（如ArcGIS、Mapinfo）本身所具有的功能，首先建立綜合信息數據庫，需要對一個城市交通路網結構的實現，這種路網結構包含路網內的統計概念上交通流分布，即需要歷史數據或大量的實時交通流數據作為路網構架的基礎；其次交通流覆蓋的路網結構上，實現各種交通控制方式，在路網上的道路交叉口應用圖層建立交通信號控制對象，控制相關的數據存儲在控制數據數據庫中；最后建立交通設施靜態信息數據庫，對路網中的各類靜態交通設施（各種路標、指示牌、紅綠燈設備、檢測線圈等等）的所屬信息進行統計與查詢，并將路網實體數據和屬性數據以分路段的方式與地理坐標聯系起來，從而對各種交通設施進行維護與管理.

4 結束語

城市交通網絡在一個城市的發展中占有至關重要的地位，如何在信息技術高速發展的今天，利用現代科技對其進行規劃和管理是擺在我們面前亟需解決的問題.本文利用GIS技術能對空間信息和非空間信息同時進行分析和處理，同時將結果以圖形（統計圖、專地圖等）方式顯示，將其應用于交通領域，不僅直觀，而且差異性明顯，而且能為解決交通問題進行二次開發，為處理具有地理特征的交通信息提供了新的技術手段.

［1］徐 強.GIS在交通領域中的應用現狀與發展趨勢［J］.山西科技，2008（4）：52－53.

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