基于出租車GPS數(shù)據(jù)下的交通可視化研究

朱 楠，劉 晶

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及大規(guī)模的交通建設，居民出行的需求與交通量出現(xiàn)急劇的增加，進而出現(xiàn)城市道路網(wǎng)絡建設和居民交通出行需求的不相匹配問題，其中早、晚高峰時段的交通堵塞問題日益嚴峻。隨著GPS等定位技術(shù)快速的發(fā)展，使得獲取海量居民出行交通大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實，但是這些交通大數(shù)據(jù)具有量大、維度高等特點，所以對其進行直接分析的難度相對較大。數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)可以直觀呈現(xiàn)道路交通的運行狀態(tài)，使得不同領域，具有不同知識背景的研究者、交通決策者、交通參與者們都能理解交替運行，發(fā)現(xiàn)交通規(guī)律，為解決現(xiàn)有道路擁堵、合理規(guī)劃建設道路提供有力數(shù)據(jù)支撐。同時，數(shù)據(jù)可視化也是是在大數(shù)據(jù)背景下產(chǎn)生的一種有效數(shù)據(jù)組織手段，致力于明確、有效的傳遞信息。圖形能將無窮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可見圖形符號，并將數(shù)據(jù)清晰直觀的表達出來，加深研究者對于數(shù)據(jù)的理解與記憶。

在過去幾十年間，國內(nèi)外研究者在數(shù)據(jù)可視化方面做了大量研究工作，當前交通大數(shù)據(jù)的可視化實現(xiàn)方法主要可以歸納為3類：第1大類為面向程序開發(fā)研究人員的交通大數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)方法，此類方法是要需求者依據(jù)提供的可視化工具集以及開發(fā)的框架，要求其要具有一定的專業(yè)化開發(fā)基礎，運用編程建立交通大數(shù)據(jù)的可視化實現(xiàn)方法，其主要的代表有數(shù)據(jù)變換、可視分析等技術(shù)的交通時空大數(shù)據(jù)可視分析框架，這一大類實現(xiàn)方法通常沒有需求者界面等易用的屬性，沒有辦法實現(xiàn)沒有基礎編程技術(shù)的需求者；第2大類為面向特定領域需求的交通大數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)方法，這一類方法的系統(tǒng)具有高度的定制特性，是面向某一個特定的領域或則特定的問題，其通用性相對較差，其使用可視化技術(shù)只分析交通大數(shù)據(jù)下特定城市交叉口的機動車軌跡數(shù)據(jù)的微觀狀況；第3大類為通用性的交通大數(shù)據(jù)實現(xiàn)方法，這一類解決方法重復利用率高、靈活性強，但可視化表現(xiàn)效果單一。

由于大家對顏色、溫度之間的對應感知性很高，并且熱圖可很直觀展示交通特性的多少，用戶可以一目了然。因此，本文基于SQL數(shù)據(jù)庫篩選出的南京出租車GPS數(shù)據(jù)，借助Power map三維地圖進行熱圖構(gòu)建，通過熱圖直觀的顯示出南京2010年9月1號晚高峰時段出租車的時空分布。

1 南京出租車GPS數(shù)據(jù)概況

本數(shù)據(jù)集為南京市市區(qū)范圍內(nèi)出租車歷史GPS位置的大數(shù)據(jù)，其包括以下的信息：出租車的ID信息、GPS的時刻、GPS的位置數(shù)據(jù)、GPS的速度等共記錄2010年9月1日到9月2日約591 mB的數(shù)據(jù)，其具體如圖1所示。

圖1 浮動車數(shù)據(jù)內(nèi)容示意圖

GPS浮動車數(shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)及字段說明如表1所示。

表1 GPS浮動車數(shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)及字段說明

FCD采集系統(tǒng)采集出租車GPS地理位置的數(shù)據(jù)、行駛方的向角，時刻數(shù)據(jù)、機動車的編號等數(shù)據(jù)，其可獲取路段的速度、行程的時間等交通相關(guān)數(shù)據(jù)，此外還具有較好的擴展與經(jīng)濟性。對于城市的范圍內(nèi)大量的出租車，采用出租車不斷的向出租車控制中心定時的發(fā)送機動車位置、時間等信息，估計車流的速度，得到城市實時的交通運行速度的數(shù)據(jù)信息，基于此本文主要分析南京的部分區(qū)域出租車的時空分布特性。通常，GPS的數(shù)據(jù)精度約是15 m，因為GPS終端可能被建筑物遮擋等客觀情況，構(gòu)成個別的GPS數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)漂移問題，所以需要對收到的出租車GPS點數(shù)據(jù)進行預處理。

2 出租車交通數(shù)據(jù)的預處理

運用SQL打開并對源數(shù)據(jù)進行篩選。本次實驗對數(shù)據(jù)的篩選主要包括三個方面：(1)將數(shù)據(jù)限定在南京市這一范圍內(nèi)，即經(jīng)度的范圍為東經(jīng)118°22″至119°14″，維度的范圍為北緯31°14″至32°37″。(2)由于是出租車數(shù)據(jù)因此確保車內(nèi)有乘客，即Passenger State的值為1。(3)選取南京市晚高峰為實驗時段，即16∶30至19∶00。具體步驟如下。

打開SQL數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)如圖2所示對話框。

圖2 SQL界面圖

點擊“連接”，進入SQL主界面。

在SQL的左側(cè)目錄中右鍵選擇新建查詢，后輸入如圖3所示代碼，即可添加本地數(shù)據(jù)庫。

圖3 代碼輸入圖

打開數(shù)據(jù)庫，并利用SQL中的篩選功能對源數(shù)據(jù)進行篩選，共篩選出六組數(shù)據(jù)。本文采用的語句如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)篩選語句示例

3 熱圖構(gòu)建

熱圖是一種圖形化的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，在二維地圖上以變化的顏色代表數(shù)值大小。使用Excel 2016中的Power map生成熱度地圖。具體步驟如下：

(1)啟動Excel三維地圖繪制界面。選定數(shù)據(jù)，點擊插入三維地圖，選擇新建演示。

(2)生成Excel默認熱度地圖。Excel右側(cè)存在地圖數(shù)據(jù)元素控制對話框。在“數(shù)據(jù)”標簽下選擇“熱力地圖”；在“位置”中添加字段“緯度”與“經(jīng)度”；在“值”中添加字段“速度”(默認為“計數(shù)—不重復)，此時地圖中顯示播放軸，點擊可進行演示。

(3)修改熱力地圖控制元素及圖例。①對“圖層選項”標簽下參數(shù)進行調(diào)整，其中色階為130%，影響半徑為70%，“視覺化聚合”為求和，其他均為默認；②對圖例進行調(diào)整，右擊“圖例”進行編輯，在“編輯圖例”對話框中取消“顯示標題”勾選，設置“類別”中的字體為12。最終結(jié)果如圖5所示。

圖5 熱圖結(jié)果示意圖

4 交通可視化分析

通過運用SQL篩選出來的六組數(shù)據(jù)(每組數(shù)據(jù)以五分鐘為一時間段)制作熱圖，得到的熱圖如圖6。

圖6 不同時刻路網(wǎng)熱圖

南京市交通熱圖刻畫的該區(qū)域內(nèi)晚高峰時段內(nèi)南京出租車聚集和擴散的過程。絕大多數(shù)熱點區(qū)域的不斷擴大，熱點區(qū)域見得距離不斷靠近，少部分熱點區(qū)域減小。熱點區(qū)域的范圍進一步擴大，并逐漸連接成片，此外，少數(shù)熱點區(qū)域有了繼續(xù)向外延伸的趨勢，并出現(xiàn)了新的熱點區(qū)域。熱點區(qū)域的范圍開始縮小，大的熱點區(qū)域分散成小的熱點區(qū)域。熱點區(qū)域的邊界開始縮小，小的熱點區(qū)開始消散。熱地區(qū)域開始擴大，并出現(xiàn)了新的小型熱點區(qū)域。

由于以上的熱圖變化為熱點區(qū)域之間的相互作用，因此這些熱點區(qū)域的變化將會導致整個路網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。結(jié)合南京市地圖進行分析分析結(jié)果如下：熱點區(qū)域在建寧路、龍蟠中路、內(nèi)環(huán)西線、中心路段、應天大街高架上的分布隨時間的遷移逐漸的擴散收縮再擴散。

5 結(jié) 語

(1)本文以南京市出租車GPS數(shù)據(jù)為研究對象，通過運用SQL打開并篩選數(shù)據(jù)，運用Power map制作南京市出租車交通熱圖。

(2)通過對同一天晚高峰不同時段的分析，可以得出在建寧路、龍蟠中路、內(nèi)環(huán)西線、中心路段、應天大街高架上熱點區(qū)域呈現(xiàn)出隨時間的遷移逐漸的擴散收縮再擴散的分布特征。這對于了解出租車的行駛規(guī)律具有重要意義，對于改善南京市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了參考。