地理信息系统(GIS-Geographic Information System)是人类在生产实践活动中,为描述和处理相关地理信息而逐渐产生的软件系统。它以计算机为手段,对具有地理特征的空间数据进行处理,能以一个空间信息为主线,将其它各种与其有关的空间位置信息结合起来。它的诞生改变了传统的数值处理信息方式,使信息处理由数值领域步入空间领域。GIS的作途十分广泛,可以为各类应用目的服务,例如交通、能源、农林、水利、测绘、地矿、环境、航空、国土资源综合利用等等。在未来"数字地球"的建设中,将起到十分重要的作用。研究GIS的理论与技术,开发GIS软件产品以及推进和深化GIS各类应用已经成为国内外科技界和产业界的一大热点。本文将在介绍地理信息系统技术和发展的基础上,研究其在智能交通系统(ITS)中的应用。
2 GIS系统的技术与发展
2·1 GIS系统的基本理论和发展趋势
GIS的理论基础主要有两大支柱:地球科学和信息科学。前者涉及地物空间信息及其关系信息的获取、分类模型及语意表示中的理论问题和实践问题,后者则涉及信息的组织、存储、处理、可视化表示及传输中的理论问题和实践问题。GIS的技术基础包括遥感技术、定位技术和信息技术的各个方面。GIS技术发展的总趋势是从系统为中心向以数据为中心的方向发展。未来的GIS,系统的概念将越来越模糊。系统之间将不仅可以实现数据共享,而且可以实现互操作。积极推动这一进程的是OpenGis。OpenGis是开放地理数据互操作的简称,由开放地理信息系统协会(OGC)提出。它规定了应用程序之间需要互操作的地理数据应包含的各种标准数据类型和在其上所实施的基本操作,它规定了互操作的规范和对数据语意的共同理解,从而为软件开发人员提供一个接口框架。遵循这个框架开发的软件可以允许用户在一个开放的信息技术环境中访问和处理不同来源的地理数据。OpenGis的软件框架主要由三部分组成:
统一的开放式地理数据模型OGM;
统一的地理操作模型;
实现团体间的地理数据与操作资源共享的信息团体模型。
一个完整的OpenGis软件平台应该有符合OGC规范的基础协议、基础应用组件与工具、应用开发组件与根据及外部开发根据。它是"数字地球"的关键技术之一。GIS系统发展的趋势之二是全关系化。其目标就是大大提高空间数据的建设、分析速度;大大简化GIS应用软件的设计。并且,GIS与GPS技术的一体化,一直是GIS技术界努力的方向。
2·2 GIS的软件系统
GIS用于获取、处理、分析、访问、表示和在不同用户、不同系统和不同地点之间传输数字化空间信息。它作为计算机信息系统的一类,属于计算机软件的范畴。GIS的基本特征是以计算机为运行平台,空间数据参与运算,为各类应用目的服务。
GIS系统软件可以分为三个层次:
1·基础软件平台
以计算机硬件和系统软件为基础,是衡量一个国家GIS研究、发展和软件水平的标志,是GIS软件产业首先要发展的。
2·应用软件开发平台。
3·应用软件系统。
最近几年,GIS软件在功能上没有太大的突破,各GIS软件厂商的努力方向主要是优化软件性能,同时追赶计算机技术的发展潮流,更换平台和环境,并扩展数据库管理系统,更改开发语言和开发模式,以及发展Internet上的GIS。目前几乎所有的GIS软件都支持Windows或Sindows NT。从发展趋势上看,这仍将是一大主流。在空间数据库管理方面,客户/服务器体系结构仍是GIS软件追求的目标。Laser Dcan公司的GAD、ERSIA公司的SDE、Oracle、Ingres、Informix等软件的可选模块都已具有管理空间数据(如点、线、面等图形数据)的能力。最近两年,对GIS软件影响较为深刻的技术是部件对象模型。软件厂商已由原来向用户提供系统转为提供控件OCX或Active X,如ERSI公司的apObject、MapInfo公司的MapX等。
国内GIS软件开发单位也在紧跟潮流,如武汉测绘科技大学的GeoStar、中国地质大学的MAPGIS、北京图原公司等也都推出了自己的控件。这些控件均按照各自的需要自行定义,目前还没有统一的标准使不同软件商生产的控件能够协同工作。因此为了符合实际需要,国际上GIS软件工业界正在制订开放型的地理数据互操作协议OpenGis,就是要制订统一标准,使各个软件厂商生产的控件能够协同工作。这一解决方案将使用户从中大大受益,当用户开发应用系统时,可以选择不同厂商的控件,并调用不同GIS软件的数据。这无论是对应用系统软件开发还是数据共享都非常有意义。
随着Internet/Intranet的普及,Internet/IntranetGIS软件的竞争已到了白热化的程度。Internet与部件对象模型技术相结合,将进一步发展基于分布式部件模型的Internet GIS。在理论研究方面,时空数据的处理及真三维或四维GIS仍然是一个研究热点,目前这方面还没有较成熟的软件面市。但是,随着计算机的处理能力和多维空间数据可视化技术的进步,推出商品化的多维GIS软件系统将为时不远。另外,虽然从本质上说地理空间数据不属于GIS技术的范畴。但在当前我国GIS的发展中,空间数据非常重,它实际上是一个GIS工程能否正常运行的关键。
2·3 MapInfo软件简介
MapInfo及其MapBasic地理信息开发应用平台是目前地理信息领域应用最为广泛的工具之一。MapInfo是美国MapInfo公司的产品,它的推出吸引了越来越多的用户,目前已经在世界范围流行起来。MapInfo以其桌面产品MapInfo Prfessional为起点,为用户提高完整的地理信息解决方案。作为MapInfo地理信息系统的开发工具MapBasic语言,具有强大的地理信息数据操作功能、丰富的程序语句和完善的各类函数。MapInfo应用系统,执行复杂而先进的数据库查询操作。MapBasic与所有支持MapInfo的平台兼容,易与诸如VisualBasic、C++、Visual C++、Power Builder、Delphi等语言编写的应用软件集成,并能实现MapInfo与其它应用程序的连接。
当今,比较前卫的桌面地理信息系统开发工具是MapinfoMapX,它是Mapinfo公司新推出的GIS产品,它不同于Mapinfo Professional Runtimes和apBasic,它是一个OCX控件。开发人员使用它可将桌面地理信息系统的功能嵌入一系列软件应用中,从而满足用户的特定需求。它可在诸如VB、VC、PowerBuild或Delphi这些可视化编程环境中调用。由于MapinfoMapX不再是一个专有程序语言,使用人员可在原有熟悉的编程环境下花费较少的时间和财力使用Mapinfo MapX提供的先进地理信息系统功能。
3 GIS系统在智能交通系统中的应用
为了缓解现代城市交通的压力,近年来出现了ITS智能交通系统,它将最新的GSM(全球移动通信系统)、GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)系统与计算机网络技术融合在一起。借助于高科技手段,ITS系统可以对机动车辆实施管理、调度、救生、咨询或进行防盗等多种功能,可大幅度提高交通管理质量。此系统可以合理利用和充分发挥现有道路交通的潜力,有效解决城市交通拥挤的现象。
3·1 电子导航地图
在智能交通系统中,车辆定位是首先要实现的功能。车辆定位最常用的方式是通过GPS(全球定位系统)或移动通信网中的定位业务来实现。GPS系统可以提供全球覆盖、全天候、免费的高精度标准授时/导航定位服务,通过车载GPS接收机可以实时地获得车辆的经纬度位置和时间等关键信息。也正因为此,GPS系统成为当前车辆定位的首选方案。车辆定位系统将GPS系统获得的经纬度信息与电子导航地图进行地图匹配,以确定车辆在城市交通道路中的具体位置。GPS车辆定位系统工作原理图如图1所示。在此系统中,需要电子导航地图来描述城市道路交通信息,而电子导航地图即属于GIS地理信息系统的一种应用。对于任何车辆的定位和导航系统,只要涉及与地图有关的功能,地理信息系统数据库是必不可少的。
在GIS中,电子导航地图图形的表示方法有两种:
一、栅格形式,以象素形式表示整个地图。其主要缺点是:存储量大,对处理器和内部总线要求高,缺乏灵活性,不能附加数据。但因它易于实现、可以直接显示任何图形、显示速度快、程序开发简单等优点,也经常被使用。另外,将栅格图形作为矢量图层的背景,可以提供比矢量图更为细致的图形。
二、矢量形式,以矢量图形构成整个地图。具有无级放大、缩小、可分块管理和自由移动等特点。使用灵活,但其制作与程序开发比较复杂。电子导航地图应用系统目前正朝着高精度、高可靠性、高自动化和微型化、智能化、一体化的方向发展。该系统由多个模块组成,要使各个模块有条不紊地工作,并和谐地组合在一个完整的系统内,必须依靠大量的软件支持,软件是电子导航地图应用系统的核心。其基本功能如下:
1·信息源的中断响应和实时处理;
2·各种图像处理、定位;
3·控制、显示、记录、标绘、修改各类信息;
4·系统管理、检测和故障诊断;
5·用户命令的处理等。
电子导航地图的开发与管理,属于GIS系统范畴,其开发形式主要有三种:
一、自主设计电子导航地图的数据结构和数据库,利用Visual C++、Visual Basic等编程语言开发GIS系统软件。这种开发形式要求必须具备雄厚的科研力量和巨额的开发费用。
二、引进国内外先进的GIS系统软件,利用其提供的二次开发工具,结合自己的应用目标开发。这种方法比较简单易行,主要缺点是移植性差,并且受开发工具的限制,不能脱离原系统软件环境而独立运行。
三、利用支持对象技术的高级语言和GIS厂商提供的控件构成面向最终用户的可执行应用程序。利用这些控件开发的GIS被称为嵌入式的GIS。这种方法是随着20世纪90年代兴起的控件技术的发展而开始流行的,它的特点是开发周期短、成本低、可以脱离大型商业GIS软件平台独立运行,为不熟悉GIS技术的团体和个人提供使用上的便利,是未来GIS开发的重要方向。
3·2 智能交通监控系统
智能交通GIS监控系统原理图如图2所示。使用GIS监控调度系统平台的智能交通监控系统可以应
用于多种情况,例如:
·应用于市区统一的交通管理监控系统,可以对市区内的车辆进行有效的指挥和监控,有助于缓解交通紧张状况、预防事故、合理地分配和调度资源、威慑针对车辆的犯罪等等。
·集团用户通过GIS监控系统平台监控和调度手下车辆运营,可以充分利用车辆资源提高车辆的营运效率,降低营运成本。
·对某些特种车辆,如运钞车、急救车、警车、出租车等,进行实时监控和调度。
GIS监控调度系统平台可提供如下功能:
1·电子导航地图的无级放大、缩小;
2·电子导航地图的任意平移、切换;
3·显示模式任选;
4·几十种图层任意调用;
5·图形编辑;
6·各种信息(地理目标、车辆信息等)查询;
7·监控车辆信号选择接收;
8·各种数据统计、管理;
9·各种操作的在线帮助;
10·各种应急方案设定与预演;
11·车辆运行轨迹重现;
12·行车路线预先设定;
13·各种行车记录统计与分析;
14·最短路径与最佳路径的选择;
15·接警、处警管理。
4 结论
ITS智能交通系统的发展和建立是21世纪城市交通发展的趋势。现在一些较小的发达国家已经形成了全国智能交通网络,并且在实际应用中取得了明显的经济效率和社会效益。对城市的交通、安全做出了积极的贡献。对我国来说,实现全国的交通网络,不但不实际,而且也没必要,但是对一些大中城市来说,则不仅是可行的,而且对现代城市的发展和人民的生活也是十分必要的。作为实现智能交通的重要环节---GIS地理信息系统的研究也就被提上工作日程。可以说,GIS地理信息系统的研究已形成了一个软件产业,将在越来越多的应用领域得到研究和利用。
