基于GIS的揚州城市公共交通數據庫的構建與分析①

徐 艷, 呂 潔, 馬玉銀, 王海玫, 王年紅, 黃 瑞

1(揚州職業大學 資源與環境工程學, 揚州 225000)2(江蘇信息服務產業基地(揚州), 揚州 225009)

基于GIS的揚州城市公共交通數據庫的構建與分析①

徐 艷1, 呂 潔2, 馬玉銀1, 王海玫1, 王年紅1, 黃 瑞1

1(揚州職業大學 資源與環境工程學, 揚州 225000)2(江蘇信息服務產業基地(揚州), 揚州 225009)

以GIS為平臺, 實現揚州市城市公共交通空間數據庫的構建與分析. 基于ArcGIS平臺深度剖析了公共交通數據庫的設計過程和建構流程; 在此基礎上, 針對性選取交通規劃中的公共交通指標在GIS數據庫中給出了計算和分析方案, 反映出數據庫本身的結構合理性及其對規劃工作的強大支持作用, 也為后期開展智能公交系統提供較完備的數據支撐和技術依據.

城市公共交通; 空間數據庫; 指標分析; ArcGIS

響應“智慧城市”建設, 建立城市公共交通數據庫,將加速揚州市交通信息化建設步伐, 為最終建立智能交通系統提供地理信息數字化平臺. 城市公共交通基礎數據庫針對公共交通信息采集、存儲、處理、分析為主要任務, 及時向普通用戶提供交通信息查詢、為政府管理機構提供管理和宏觀決策參考.

ArcGIS軟件的Geodatabase模型是美國環境系統研究所ESRI推出的一種全新的面向對象的地理數據模型. 本文以揚州城市區域為研究對象, 在系統的需求分析、數據資源和軟硬件調研以及現狀分析的基礎上, 引進GIS技術中的GeoDatabase地理數據模型, 完成研究區城市公共交通空間數據庫的構建, 在此基礎上進行查詢分析、路徑分析、公交分析及三維動畫等,為后期開展智能公交管理信息系統提供較完備的數據支撐和技術依據.

1 ArcGIS10軟件系統介紹

ArcGIS10是ESRI公司研發的一系列整合的應用程序的總稱, 包括ArcCatalog、ArcMap、ArcScene、ArcToolbox等. 其中ArcMap用于地圖制圖、分析和編輯; ArcCatalog用來組織各種GIS數據和創建Geodatabase數據庫; ArcToolbox是一套嵌入工具集合; ArcScene提供基于3D模型視圖及建模、動畫技術[2]. Geodatabase模型是ArcGIS中全新面向對象的地理數據模型, 由表、對象類、要素類與要素數據集、關系類以及幾何網絡等共同構成的集合, 根據需求分析本文選用Personal Geodatabase模型作為公交數據庫信息存儲平臺.

2 數據庫設計流程

在數據庫設計和功能調研的基礎上, 利用Google Earth +GEScene平臺獲取揚州研究區遙感影像作為地理數據庫底圖; 在ArcCatalog創建基于地理底圖坐標系的Geodatabase空間數據庫; 通過外業調研和問卷調查, 將采集后的公交圖形和屬性數據導入Geodatabase數據庫中; 構建的公交數據庫可實現公交信息的查詢與維護、路徑分析、三維動畫、公交指標計算等功能, 具體設計流程如圖1所示.

圖1 數據庫設計流程圖

3 GIS公交數據庫的建構

3.1 影像地圖處理

采用Google Earth+ GEScene技術獲取揚州市研究區免費遙感影像圖(如圖2), 并選取清晰可辨的控制點進行地圖配準. 在ArcMap中利用地理配準工具對影像地圖采用1980西安坐標系大地基準、高斯——克呂格投影設置, 獲得具有真實地理坐標的影像底圖, 作為后期城市公交數據庫的空間坐標系參考標準.

3.2 公交實體與數據庫組織設計

基于GeoDatabase的地理數據庫主要以分層的方式進行數據的編輯和管理. 公共交通中的實體對象一般包括: 城市基礎信息(城市基礎行政區劃、城市道路網絡等); 城市道路系統(城市道路、道路交叉口、特殊節點等); 公交實體(公交站點、公交運行線路及公共自行車租賃點); 公交網絡(基于時間、距離、費用等的道路網絡與公交線路網絡). 其中公交實體的抽象與表達是公交數據庫建構的基礎, 主要包括圖形表達與屬性表設計兩個主要方面, 分別對應GIS數據庫中的空間數據與屬性數據; 公交線路是指公交車依托城市道路連接某線路各公交站點的行駛線路; 公交網絡是在公交實體模擬的基礎上利用拓撲關系建立, 用于復雜分析的虛擬網絡結構; 公交數據庫的整體結構設計則是對各種公交數據與資料的輸入、存貯、關聯、統計、分析、輸出等一系列功能實現的整體數據組織與結構設計如圖3所示.

3.3 數據采集與處理

圖2 遙感地圖

圖3 城市公共交通實體結構

以配準成功的影像地圖為數據庫底圖, 利用ArcGIS的GeoDatabase技術創建揚州市城市公交空間數據庫; 通過調查收集后的公交實體基本資料整理處理入庫(圖4); 導入已有揚州城市基礎地理和城市道路系統要素類(圖5).

城市公交實體數據屬性收集: 與揚州市公交公司合作收集最新公交線路、公交站臺及公交站點數據;通過實地調研公交站臺多媒體信息; 通過城市公共自行車平臺及實地調查收集公共自行車租賃點數據, 共同組成揚州市城市公交數據庫屬性數據, 經過優化處理后導入ACCESS數據庫(圖6)[3].

圖4 公交實體資料入庫流程

圖5 城市基礎地理數據庫

圖6 公共交通數據庫屬性數據

城市公交實體空間數據采集: 通過網絡地圖、揚州公交出行服務系統“掌上公交”和實地調研等, 以揚州市基礎地理數據庫為底圖, 利用ArcGIS軟件采集公交站點、公交線路及公共自行車租賃服務站點的空間信息(圖7); 同時完善與建立道路幾何網絡作為公共交通現狀分析評價的基礎和依據, 也是其他規劃與線網優化的前提和參照.

圖7 公交站點、公交線路及公共自行車租賃點分布

城市公交實體的空間數據和屬性數據關聯: 將公共交通數據庫ACCESS導入城市公交GeoDatabase空間數據庫成為相應表文件, 再應用圖形數據和屬性數據之間的關聯字段創建公交站點、公交線路及自行車租賃站點的邏輯關聯, 完善數據庫屬性

3.4 數據庫的維護與更新

當公交數據庫的結構設計與資料錄入完成后, 需要進行數據維護與更新, 主要包括:

(1) 數據錯誤的發現與修正: 建立拓撲信息檢查錯誤. 揚州市公交GIS數據庫包括116條公交線路、數千個公交站點等等, 很難保證這些海量數據在錄入和編輯的時候沒有錯誤, 因此采用拓撲的方法檢查數據的準確性, 結合實地調研進行數據質量檢核.

(2) 數據的更新: 城市公交系統處在不斷的變化當中. 利用ArcGIS對局部變化的線路或站點進行更新和修正; 利用ACCESS更新屬性信息, 重新建立空間和屬性關聯, 完善最新的空間數據.

4 城市公交數據庫的分析

4.1 公交查詢與路徑分析

公交線路的查詢: 快速便捷的雙向查詢功能; 乘車方案查詢: 起始站點線路查詢, 設定中轉站點查詢, 最短路徑查詢功能[5]. 利用ArcGIS網絡分析功能構建網絡模型后進行路徑分析: 先設定起始點1和終點2, 通過最佳路徑分析找出最佳的經停順序路徑, 如圖8所示.

圖8 路徑分析

4.2 三維符號與動畫制作

公交站臺的符號設計選用ArcGIS + Sketch Up集成制作具有揚州古樸仿真紋理的三維站臺符號; 利用ArcScene動畫功能制作道路行進三維動畫視頻, 以及周邊社區、學校等動畫視頻, 全方位立體展示研究區面貌, 如圖9所示.

圖9 三維符號與三維動畫視頻

4.3 公交站臺覆蓋率分析

公交站臺覆蓋率, 是公交站點服務面積占城市用地面積的百分比, 是反映城市居民接近公交程度的指標, 通常按300 m和500 m服務半徑計算. 按相關交通規定公共交通車站服務面積, 以300 m半徑計算, 不得小于城市用地面積的50%; 以500 m半徑計算, 不得小于90%[8], 計算公式如下:

公交站臺覆蓋率操作方法: 在ArcGIS中使用緩沖區(Buffer)可生成公交站點300 m或500 m面狀圖形,再與城市用地面積相除即得; 生成的公交服務面積圖還可以直觀反映站點服務區的分布狀態.

本研究選用500米半徑, 利用ArcGIS計算統計出市區公交站點的用地內緩沖區面積和城市用地圖形面積(圖10), 最后得出揚州市區公交站臺覆蓋率=41 972 8201.23/ 982 617 100.76 100% = 43.

圖10 揚州市區公交站臺覆蓋率分析

說明揚州市區公交站臺覆蓋率與標準規范相差較大, 建議相關部門在未來城市道路規劃中增加公交站臺數量的分布決策提供理論和數據支持.

4.4 公交站點平均站距

公交站點平均站距, 是城市用地內的公交線段的平均長度, 是反映城市用地公交站點設施配套水平的指標. 按常規公共交通線路平均站距市區線應在500-800 m之間, 郊區線應在800-1 000 m之間[8], 計算公式如下:

公交站點平均站距計算: 城市用地內中所有的公交線段長度的平均值. 在規劃中, 計算不同的城市用地的平均站距圖示其差異性(圖11).

圖11 揚州市區公交站點平均站距計算分析(站距= L為線段總長度/C為線段數)

在ArcGIS中應用此原理得出揚州市公交站點評價站距: 邗江區10 968米, 廣陵區7 804米, 均與常規標準區域相差較大, 建議在今后城市規劃中加大優化公交站點分布和縮短站點平均距離.

4.5 公交線網覆蓋率

公交線網覆蓋率, 是公交線路服務面積占城市用地面積的百分比, 是反映城市居民接近公交程度的指標, 通常按300米和500米服務半徑計算(用于缺少站臺位置的數據情況下, 代替站點覆蓋率指標)[8], 具體公式如下:

公交線路覆蓋率操作方法: 在ArcGIS中使用緩沖區(Buffer)生成公交線路500 m的面域圖形, 再與城市用地面積相除(圖12).

圖12 揚州市區公交線路覆蓋率的計算分析

按原理操作獲得揚州市區公交線路覆蓋率= 503 232 562.5/982 617 100.7 100% = 51.

5 結語

從整體上來說, 基于GIS的城市公共交通數據庫可實現虛擬現實的公共交通, 并且對未來發展情況進行模擬實驗和預測, 以提高規劃的科學性、降低規劃成本和風險. 具體體現在:

(1) 空間數據和屬性數據共同存儲在GeoDatabase數據庫模型中: 提供快速的、多用戶、多類型(諸如矢量、柵格、圖表等)數據存取, 是目前非常主流的數據庫模型.

(2) 數據生成、編輯與處理、空間查詢分析與統計功能: 如基于道路和站臺來生成公交網絡、公交線路查詢、公交指標的計算分析與圖示等等;

(3) 不同屬性、不同格式的公交數據的關聯; 可以與更高級別的GIS數據庫系統, 如城市地理信息數據庫、交通地理信息數據庫兼容, 可以擴展成更高級別的數據庫.

此外, 對于一些研究性機構而言, GIS城市公共交通數據庫可作為研究城市公共交通現狀與發展規律的數據與方法論支持.

1 楊兆升.城市智能公共交通理論與方法.北京:中國鐵道出版社,2004.

2 池建.精通ARCGIS地理信息系統.北京:清華大學出版社,2011.

3 劉鎮陽,張秀媛,徐進等.城市智能公共交通系統.北京:中國鐵道出版社,2005.

4 沈巍.大城市公交優先發展戰略研究南京:東南大學,2006.

5 金銀秋.數據庫原理與設計.北京:科學出版社,2003.

6 陳明輝,王文杰.面向GIS的道路規劃成果信息化管理的實現.地理空間信息,2007,5(2):14–16

7 汝緒偉,丁華,孫靈文.基于GIS的城市道路項目庫建設與空間決策支持分析.城市勘測,2013,4:17–20

8 中華人民共和國建設部. GB 50220–95. 城市道路交通規劃涉及規范.

Construction and Analysis of Yangzhou Urban Public Transport Database Based on GIS

XU Yan1, LV Jie2, MA Yu-Yin1, WANG Hai-Mei1, WANG Nian-Hong1, HUANG Rui112
(Faculty of Resources and Environmental Engineering, Yangzhou College of Technology, Yangzhou 225009, China) (Yangzhou Information Service Industry Base, Yangzhou 225009, China)

Based on GIS as a platform, this paper realizes the construction and analysis of the Geo-database of urban public transport in Yangzhou. Based on the ArcGIS, the design process and construction process of public transport database are analyzed deeply. And the calculation and analysis scheme of the public transport index in the Geo-database are presented, reflecting the structure rationality of database itself and the strong support for the planning work. It also provides a more complete data support and technical basis for the future development of intelligent public transportation system.

urban transit; Geo-database; index analysis; ArcGIS

2013年江蘇省大學生實踐創新訓練計劃(2013625);2015年度揚州市社科研究課題(2015325)

2016-04-06;收到修改稿時間:2016-05-30

10.15888/j.cnki.csa.005559