基于GIS技术的道路查询软件设计的核心技术.docx

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基于GIS技术的道路查询软件设计的核心技术

中文摘要Ⅰ

中文关键词Ⅰ

英文摘要Ⅱ

英文关键词Ⅱ

正文

参考文献31

致谢32

摘要：

近年来，交通行业迅速发展，各种交通道路建设正在如火如荼的展开。

经济和交通基建的发展对道路的交通的管理方式和管理技术提出了更高的要求。

因此，开发交通管理系统，提高交通管理指挥能力，充分发挥交通业在经济发展中的积极作用就成当前交通管理工作的重要任务之一。

本文中主要借助GIS技术的空间数据库管理和查询，分析和数据可视化输出功能，利用ArcGISEngine和面向对象的集成开发环境的VisualC开发基于GIS交通选择网路分析系统。

为数据管理，数据编辑，网络分析和网络查询提供一个一体化平台。

关键词：

GIS；VisualC；空间分析；路线查询

TheRoutequerybasedonGIS

0902class,DepartmentofGeographicalScience;

ChenBo

（Instructor:

HuangYongqi）

Abstract：

Inrecentyears,therapiddevelopmentoftransportsector,roadconstructionisinfullswing.Nationaleconomyandtransportinfrastructuredevelopmenttothemanagementofroadtrafficmanagementmethodsandtechnologiesputforwardhigherrequirements.Therefore,developmentoftrafficmanagementsystems,improvingthetrafficmanagementcommand,transportworkersintofullplayactiveroleineconomicdevelopmenthasbecomeoneoftheimportanttasksofthecurrenttrafficmanagement.ThisarticlemainlythankstothetechnologyofGISSpatialdatabasemanagementandqueryanalysisanddatavisualizationoutput,usingArcGISEngineandobject-orientedintegrateddevelopmentenvironmentforVisualBasic,Visualc,cdevelopmentofaGIS-basedanalysisofroadnetworksystem,datamanagement,dataediting,WebAnalyticsandWebqueryprovidesanintegrationplatform.

Keywords:

GIS；spatialanalysisofGIS；Visualc；routequery.

1.问题的提出

1.1研究的背景

近年来，交通运输业在我国经济发展和人们平时生活的发挥的作用也越来越大。

由于交通运输业与我们的生活息息相关，交通系统的管理问题也迫切的摆在我们面前。

交通系统问题，是一个涉及因素众多，建设变化速度快，网络复杂的问题。

例如一条道路的规模，道宽，路长，承受力，分接点，枝干道数量，交叉点数，交通灯数，和有和外界链接点情况，这些数据繁杂，量大，再和全局的道路网信息有机的相连才能构成一个区域的交通信息系统。

这就需要借助计算机系统来进行管理。

但是道路问题有其独特性，它依赖其地理空间，以及其空间位置关联性。

一般的数据管理系统不能胜任分析，分类，更新等要求。

1.1.1GIS系统在交通系统中的应用现状

20世纪60年代，GIS体系在加拿大提出。

随后，美国，英国，加拿大等国家相续建立GIS系统，并在应用中不断完善它的功能。

至80年代，软件工程的发展促进了GIS数据库系统的开发。

至此，数据库系统也在交通系统的发展中，占据的功能性作用越来越重。

但是，这时候大多数欧美国家多是用CAD系统来储存和管理空间数据的。

到90年代，大功能储存磁盘的诞生，为地理空间数据的录入，储存，检索，分析和输出提供了强大的支持手段。

GIS的功能也随着计算机技术的发展，而向使用方便迅速发展。

各国的地理技术人员纷纷制作了不同种类，不同规模，不同功能的专题地图，来为城市建设和交通规划提供借鉴。

随着GIS软件可以很好的与关系型数据库的结合，可以通过ODBC连接MSACCESS,SQLServerOracle,DB2,可进行空间数据和属性数据的统一储存。

使数据转化和建库同时进行[1]。

国内的GIS落后于国外，我们应用于交通的数据库，还是单纯的应用于计算机的软件统计操作系统，如：

Word，excel,AUTUCAD体统。

但是国内的高校和科研单位也在开发自己的GIS体统，如;map/GIS，geostar和cityscape等。

1.1.2GIS技术在交通信息中应用的必要性

交通地理信息系统（GIS-T）是收集、整理、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技术在交通领域的延伸，是GIS与多种交通信息分析和处理技术的集成。

GIS-T具有强大的交通信息服务和管理功能，它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。

诸多有关城市地理信息的应用中，城市交通地理信息系统的发展越来越受到城市管理者的关注。

交通数据的种类繁多（包括属性数据、空间数据、影像数据等），数据量大，操作复杂，人工管理难度大。

交通地理信息系统的出现为交通数据的自动化管理提供了一个可行的途径。

随着GIS的产生与发展，为处理交通数据设计提供了科学的方法，它既能管理和处理海量数据，又能减少重复性的工作，方便数据修改与调整，避免人为错误，GIS技术必将成为交通规划中科学高效的工具。

1.2研究的目的和意义

GIS凭借其强大的地理分析能力，已经被用于各个行业。

近年来，在交通方面的应用，已经逐步形成一门新型学科——交通地理信息系统。

本文主要是结合GIS在空间运算方面的研究和城市交通地理信息成熟的理论，对道路的查询和最短路径的计算方面进行相应的研究，以期望在交通信息系统查询功能方面上有一定的突破。

2.文献综述

2.1地理信息系统的相关概念综述

地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）是在计算机软硬件技术支持下，以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统，是集计算机科学、地理学、测绘、环境科学、空间科学、地球科学、信息科学和管理科学为一体的多学科新兴边缘学科。

它以空间数据为研究对象，以计算机为工具，通过人的参与进行一系列空间操作和分析，为地球科学，环境科学和工程设计及至企业、公司经营等提供规划管理和决策有用的信息[2]。

城市地理信息系统，简称“UGIS”。

它是GIS的一个分支，是一种运用计算机硬、软件及网络技术，实现对城市各种空间和非空间数据的输入、存贮、查询、检索、处理、分析、显示、更新和提供应用，以处理城市各种空间实体及其关系为主，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的需求，同时借助其特有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策的技术系统。

它是城市基础设施之一，也是一种城市现代化管理、规划和科学决策的先进工具。

其应用由各个业务应用系统、电信基础设施、互联网和网站群、信息化终端、城市空间基础信息平台、城市综合信息平台等要素组成。

2.2交通地理信息系统的研究综述

2.2.1交通地理信息系统的概念

交通地理信息系GIS-T（GeographyInformationSystem-Transportation）是GIS在勘测设计、规划、管理等交通领域中的具体应用。

交通地理信息系统是收集、整理、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技术在交通领域的延伸，是GIS与多种交通信息分析和处理技术的集成[3]。

2.2.2GIS-T系统功能和具体应用

2.2.2.1系统功能

系统基本功能包括：

地图浏览、数据编辑、数据格式转换、信息查询显示、动态信息发布功能、显示控制功能、专题图制作、网络分析、地图打印输出等GIS常见功能。

2.2.2.2具体应用

2.2.2.2.1交通勤务管理:

建立与系统时钟相一致的勤务管理方案，该图层的管理方式是随值勤民警下岗的时间不同而改变。

交通勤务管理系统的建立，改变传统的勤务管理方法，通过地理信息系统电子地图界面可视化，科学布置警力。

2.2.2.2.2交通设备查询及定位:

系统提供交通设备查询定位功能，在查询中可以设置查询的多种条件，如设备类型、设备编码、空间范围。

在查询时，可以组合多个查询条件进行交通设备的查询。

2.2.2.2.3流量监测功能:

系统根据路口流量检测设备监测到的数据，在电子地图上用可视化的方式显示路段车流量的变化。

对受监控的路段，根据监测到的汽车流量数据，用不同的颜色来标识该路段的道路状况是流畅还是拥堵等。

2.2.2.2.4专题图制作

专题地图是指使用各种图形风格（例如颜色或填充模式）图形化的显示地图的基础信息某方面特征的一类地图，要求通过专题图的制作，可以更好地体现出不同图层的特点及本图层在整张地图中的特色。

2.2.2.2.5电子地图

交通管理工作变得轻松直观由于采用空间数据和数据库挂接，改变了传统的信息管理方法，地图由传统的静态纪录变为信息丰富多样的动态的电子地图，实现了数据可视化。

如通过直接对地图实体进行查询，可以获得公路线路的空间位置和走向，技术标准，交通流量等多方位的信息。

通过综合统计和分析各种交通数据以及采用丰富多样的图表显示，可以为决策提供科学快捷的支持。

2.2.2.2.6公路网规划

手段更加强大公路网规划和路线选择是GIS-T应用发展的重点领域之一。

目前基于GIS-T的交通规划模型软件已经开发成功并进入商业化应用阶段，这些软件包括全部的GIS软件功能，其应用模型与GIS集成为一体，它使交通规划的手段更加强大。

由于应用GIS-T能够更好的考虑和评估公路对环境的影响，因此在公路路线的选择和初步设计中GIS-T将得到广泛应用。

加拿大已经成功地应用GIS完成了在温哥华岛的一条127公里、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、公路选址等问题，包括野生动物、森林、水、土壤、植被和土地利用等。

2.2.2.2.7道路设计和养护

GIS-T为道路工程的计算机辅助设计CAD提供了强大的数字化地理平台，正是基于此，CAD已有早期的平面二维设计跨入了三维设计，进入了可视化设计时代，这是CAD领域的突破性发展。

GIS-T还与路面管理系统、桥梁管理系统等公路养护管理系统相关连，借助先进的路面和桥梁检测设备和数据搜集手段，使道路养护管理更加科学合理，经济高效。

如加拿大的Alberta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；这些指标由车载全球定位仪（GPS）定位装置准确确定道路的位置，检测数据传输到公路养护地理信息系统，养护模块自动生成路段养护报告。

2.3交通地理信息系统国内外研究的成果

2.3.1交通地理信息系统研究的主要方向

关于交通地理信息系统研究的问题，不同学者有不同的认识。

国内外学者关于交通地理信息系统的认识如下表：

表1国内外不同学者对交通地理信息系统的研究

学者

研究内容

黄杏元马劲松

道路信息的提取，点，线，面信息的提取和处理。

道路信息的缓冲区的建立和叠置分析。

道理信息的建模，出行分布预测的建模。

“最短路径”的三种运算模型。

交通适宜性分析。

刘学军徐鹏

GIS-T数据采集。

GIS-T数据模型及其组织。

GIS-T分析模型GIS-T设计与开发交通规划GIS支持系统公路工程建设项目管理信息系统公路养护信息系统公路路政GIS公路图文档案资料管理系统公共交通管理信息系统区域性道路客运综合服务信息系统交通管理设施信息系统车辆/驾驶员管理信息系统道路交通指挥与调度管理系统

陈雪明

交通信息系统在美国交通的运用。

道路土地与gis的结合，gps在交通信息定位和跟踪分析的优势。

郭云开赵喜安

交通地理信息系统开发模式交通地理信息系统开发策略交通地理信息系统开发步骤。

交通地理信息系统的软件开发平台交通地理信息系统开发实例——公路养护地理信息系统

理查森·J·马克

交通地理信息系统在互联网上综合提取数据和提供决策支持。

综合看来，国内更加注重现阶段我国的道路信息的提取和建库，目前我国的道路信息系统还依赖以gis系统软件的开发的发展，主要是从传统的技术层面上来开发道路信息系统的功能.例如：

道路的维护，道路主题地图的制作，公路网的规划等等。

国外更加注重道路信息在互联网平台上的操作，建立全球道路一体化，和3S系统的综合运用。

国外在环境，资源和地质监测方面和道路监测上的结合使用上的研究走在我国的前列。

2.3.2GIS在交通信息运用中临的问题

2.3.2.1多格式数据源集成问题

GIS中最基础的部分是数据，在GIS-T中也不例外。

但是多年来，一方面由于缺乏权威的专业数据公司制作并出售基础的地理数据，所需的数据来源没有保证，导致了大量的人力物力花费在制作基础数据的工作上；另一方面，对已有的数据没有充分加以利用，各部门积累下来的基础数据由于数据格式和规划不统一，难于共享利用，这样不仅加大了成本，而且还延长了建设的周期。

因此，实现多源数据集成、解决多格式数据源集成是近年来GIS系统研制开发的重要课题[4]。

目前，针对上面的难题，解决方案有以下3种：

a.据格式转换模式：

把其它的数据格式经专门的数据转换程序进行格式转换后，复制到当前系统的数据库或文件中。

b.数据互操作模式：

这是OpenGISConsortium（OGC）制定的规范，GIS互操作是指在异构数据库和分布式计算的情况下，GIS用户在相互理解的基础上，能够透明地获取所需的信息。

c.直接数据访问模式：

就是在一个GIS软件中实现对其它软件数据格式的直接访问，用户可以使用单个GIS软件存储多种数据格式。

2.3.2.2交通地理现象的表达问题

GIS-T中涉及3类模型：

区域模型，即在跨越空间时代表连续变化的现象；离散实体模型，也就是离散的实体（点、线或多边形）及其相关属性的集合的抽象表达；网络模型，代表拓扑连接的嵌于地表的线性网络变化的抽象表达。

由于交通系统自身的特性，应用于交通系统的数据模型几乎都没有超出上述的三种模型的范围。

在对交通模型进行表达的时候，可以用许多具有多种属性的线段代表道路网，用离散点代表各种道路网中的标志性地物，用线性网络代数对交通网络进行分析，这些方法对实现道路交通系统的计算机表示起到了一定的作用。

在交通领域中，围绕以弧和点的概念建立的网络模型起的作用是最重要的。

实际上，在许多交通应用中，只需要单个的表示数据的网络模型就可以了。

这种应用的例子包括：

人行道以及其它设备管理系统,实时与下线行程安排,基于网络的交通信息系统和行程计划任务,导航系统,实时交通堵塞管理和事故发现等。

2.3.3交通地理信息系统的研究常用模型

系统模型主要从以下几个方面上进行建模;一方面是交通适宜性上建建模，充分考虑交通中的各个要素量，设计不同的权重进行建模。

二是交通的线性回归上建模。

提取各种道路的信息，在我们对目标的要求上（如：

时间，花费，站点等）进行线性回归建模。

三是“最短路径”的建模。

这涉及到不同的数学运算的建模和选择问题。

2.3.4交通地理信息系统的数学运算方法

吴立新,史文中[5]的《地理信息系统原理与算法》这本书中重点介绍了几个“最短路径”的方法。

一是Dijkstra算法，这是最经典的，也是我们最常用的方法，它的优点是可以更好的实现计算机程序的编程，以及简单易懂的数学模型。

二是Floyd算法。

这种算法是求多源、无负权边的最短路。

用矩阵记录图。

时效性较差，时间复杂度O（V^3）。

Floyd-Warshall算法（Floyd-Warshallalgorithm）是解决任意两点间的最短路径的一种算法，可以正确处理有向图或负权的最短路径问题。

Floyd-Warshall算法的时间复杂度为O（N^3），空间复杂度为O（N^2）。

三是SPFA算法。

这种算法是Bellman-Ford的队列优化，时效性相对好，时间复杂度O（kE）（k<

与Bellman-ford算法类似，SPFA算法采用一系列的松弛操作以得到从某一个节点出发到达图中其它所有节点的最短路径。

所不同的是，SPFA算法通过维护一个队列，使得一个节点的当前最短路径被更新之后没有必要立刻去更新其他的节点，从而大大减少了重复的操作次数。

SPFA算法可以用于存在负数边权的图，这与Dijkstra算法是不同的。

与Dijkstra算法与Bellman-ford算法都不同，SPFA的算法时间效率是不稳定的，即它对于不同的图所需要的时间有很大的差别。

2.4本文的技术要点和研究思路

本文主要是综合了我国在交通道路信息系统研究中的优缺点，充分运用黄杏元在道路信息提取方面的优势技术，以黄冈地区为例建立数据库。

同时，借助刘学军在交通信息系统研究上的模型成熟，选取最合适的交通模型。

还有，为实现在日常生活中出行难问题（如：

最短出行路程，最短出行时间，最合适交通工具的选择等问题）的解决，综合了郭云开，吴立新的路径选择算法中的最优Dijkstra算法，利用VisualC++开发GIS系统进行数据运算和查询。

3.黄冈道路要素设计

3.1地图的选取与校正

本文以黄冈市黄州市区道路网为例，首先创建黄州市区的道路数据库，主要选取市区的主干道以及分支小区道路两个层次。

利用GIS的buildnetwork模块创建网络和各个要素的拓扑关系。

从而使用NetworkAnalystTools模块完成最便捷，最方便路程的查询.以黄冈市区为研究对象建立数据库，数据库可以分为基础数据库和专题数据库；

3.1.1图像选取

根据黄冈地区的特殊性，将选取黄冈市的黄州区的城区道路作为研究对象。

研究对象的经纬区域大小，以经纬网地图为准，在地图上选择实际大小为5公里×5公里的区域。

对地图矢量化，然后提取想要的道路信息。

图1黄冈市区道路截取图

3.1.2地形图的配准－加载数据和影像配准工具

打开ArcMap，右键单击空白工具栏处，添加“georeferncing”（影像配准）工具栏。

单击工具栏上的“adddata”（增加数据）图标，选择需要进行配准的影像—mapoflyg.Tif后单击“add”。

在弹出的对话框中选择“no”即可。

单击“Georeferncing”工具栏的下拉菜单，将“autojust”左侧的勾去掉。

图2影像配准图像

3.1.3.输入控制点

在“影像配准”工具栏上，点击“添加控制点”按钮。

使用该工具在扫描图上精确到找一个控制点点击，然后鼠标右击输入该点实际的坐标位置，如下图所示：

图3配准控点图

用相同的方法，在影像上增加多个控制点（大于7个），输入它们的实际坐标。

点击“影像配准”工具栏上的“查看链接表”按钮。

图4配准点精准坐标属性图

增加所有控制点，并检查均方差（RMS）后，在“georeferncing”（影像配准）菜单下，点击“updategeoreferncing”后再单击“fitdisplay”。

执行菜单命令“rectify”，打开“saveas”（另存为）对话框。

设置相应的属性，完成后单击“save”（保存）按钮。

注意：

在“format”一栏的下拉列表框中选择“TIFF”。

3.2道路要素的分类

利用GIS的ArcMapGIS中的功能，首先划分黄冈市区主要的交通干线，将黄岗市区，主要交通道路用不同的线色，进行分类，例如国道用红色，省道用黄色，城市道路用蓝色等。

将主干道进行编号。

建立主干道数据库，在arccatalog储存。

图5黄冈城区主干道的提取标记图

图6黄冈城区主干道提取标记集合图

3.3主干道的提取和缓冲区的建立

标记缓冲区类的标志物，建立实体点数据，录取坐标数据，属性数据，进行编号。

为主干道的与分支道路的交叉点为节点，建立点——线关系，线——线关系数据。

构建一号数据库。

3.3.1首先建立缓冲区的点坐标，以道路沿途的标志建筑物为点坐标。

图7矢量图点实物的标记

图8矢量图点文件提取操作截图

3.3.2其次建立道路的缓冲区的方法

从原理上来说，缓冲区的建立相当的简单，对点状要素直接以其为圆心，以要求的缓冲区距离大小为半径绘圆，所包容的区域即为所要求区域，对点状要素因为是在一维区域里所以较为简单；而线状要素和面状要素则比较复杂，它们缓冲区的建立是以线状要素或面状要素的边线为参考线，来做其平行线，并考虑其端点处建立的原则，即可建立缓冲区，但是在实际中处理起来要复杂的多。

按照其建立的原理来可以介绍如下[5]：

a.角平分线法

该算法的原理是首先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r截出左右边线的起止点，在其它的折点处，用与该点相关联的两个相邻线。

图9角平分线法的缓冲区图

该方法的缺点是在折点处，无法保证双线的等宽性，而且当折点处的夹角越大，d的距离就越大，故而误差就越大，所以要有相应得补充判别方案来进行校正处理。

b.凸角圆弧法

该算法的原理是首先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r截出左右边线的起止点，然后以r为半径分别以首尾点为圆心，以垂线截出的起止点为圆得起点和终点作半圆弧，在其它的折点处，首先判断该点的凹凸性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定。

图10凸角圆弧法的线缓冲区图

该方法在理论上保证了等宽性，减少了异常情况发生了概率，该算法在计算机实现自动化时非常重要的一点是对凹凸点的判断，需要图10凸角圆弧法算法

我们采用角平分线法对黄冈地区的道路进行缓冲区的划分；

图11黄州大道的缓冲区图

3.4分支道路的提取和缓冲区的建立

建立分支干道的线数据，以及点数据（主要是沿途的标志性建筑物）。

同时进行建立枝干道的缓冲区，构建主干道的子数据库。

图12黄冈市区分支干道的数据库

3.5分支道路信息提取应注意的问题

在数据处理的过程中，特别是道路处理中，还应该注意下公交网络空间数据库特点GIS中的数据（如道路、管网、线路等）要进行最短路径的计算，就必须首先按公交线路的空间数据的特点，将其按节点和边的关系抽象为图的结构，这在GIS中称为构建网络的拓扑关系，由于这里的计算与面无关，所以拓扑关系中只记录了线与节点的关系而无线与面的关系,公交网络空间数据库特点如下:

3.5.1连通性

城市道路网络中的道路交叉点无差异地连接着与该路口连通的多条路段，而两路公交线路的站点在同一点时，同路公交路段的连通性和不同公交线路