地理信息系統(tǒng)(GIS-Geographic Information System)是人類在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中,為描述和處理相關(guān)地理信息而逐漸產(chǎn)生的軟件系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)為手段,對(duì)具有地理特征的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,能以一個(gè)空間信息為主線,將其它各種與其有關(guān)的空間位置信息結(jié)合起來。它的誕生改變了傳統(tǒng)的數(shù)值處理信息方式,使信息處理由數(shù)值領(lǐng)域步入空間領(lǐng)域。GIS的作途十分廣泛,可以為各類應(yīng)用目的服務(wù),例如交通、能源、農(nóng)林、水利、測(cè)繪、地礦、環(huán)境、航空、國(guó)土資源綜合利用等等。在未來"數(shù)字地球"的建設(shè)中,將起到十分重要的作用。研究GIS的理論與技術(shù),開發(fā)GIS軟件產(chǎn)品以及推進(jìn)和深化GIS各類應(yīng)用已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外科技界和產(chǎn)業(yè)界的一大熱點(diǎn)。本文將在介紹地理信息系統(tǒng)技術(shù)和發(fā)展的基礎(chǔ)上,研究其在智能交通系統(tǒng)(ITS)中的應(yīng)用。
2 GIS系統(tǒng)的技術(shù)與發(fā)展
2·1 GIS系統(tǒng)的基本理論和發(fā)展趨勢(shì)
GIS的理論基礎(chǔ)主要有兩大支柱:地球科學(xué)和信息科學(xué)。前者涉及地物空間信息及其關(guān)系信息的獲取、分類模型及語意表示中的理論問題和實(shí)踐問題,后者則涉及信息的組織、存儲(chǔ)、處理、可視化表示及傳輸中的理論問題和實(shí)踐問題。GIS的技術(shù)基礎(chǔ)包括遙感技術(shù)、定位技術(shù)和信息技術(shù)的各個(gè)方面。GIS技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)是從系統(tǒng)為中心向以數(shù)據(jù)為中心的方向發(fā)展。未來的GIS,系統(tǒng)的概念將越來越模糊。系統(tǒng)之間將不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,而且可以實(shí)現(xiàn)互操作。積極推動(dòng)這一進(jìn)程的是OpenGis。OpenGis是開放地理數(shù)據(jù)互操作的簡(jiǎn)稱,由開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)(OGC)提出。它規(guī)定了應(yīng)用程序之間需要互操作的地理數(shù)據(jù)應(yīng)包含的各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型和在其上所實(shí)施的基本操作,它規(guī)定了互操作的規(guī)范和對(duì)數(shù)據(jù)語意的共同理解,從而為軟件開發(fā)人員提供一個(gè)接口框架。遵循這個(gè)框架開發(fā)的軟件可以允許用戶在一個(gè)開放的信息技術(shù)環(huán)境中訪問和處理不同來源的地理數(shù)據(jù)。OpenGis的軟件框架主要由三部分組成:
統(tǒng)一的開放式地理數(shù)據(jù)模型OGM;
統(tǒng)一的地理操作模型;
實(shí)現(xiàn)團(tuán)體間的地理數(shù)據(jù)與操作資源共享的信息團(tuán)體模型。
一個(gè)完整的OpenGis軟件平臺(tái)應(yīng)該有符合OGC規(guī)范的基礎(chǔ)協(xié)議、基礎(chǔ)應(yīng)用組件與工具、應(yīng)用開發(fā)組件與根據(jù)及外部開發(fā)根據(jù)。它是"數(shù)字地球"的關(guān)鍵技術(shù)之一。GIS系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)之二是全關(guān)系化。其目標(biāo)就是大大提高空間數(shù)據(jù)的建設(shè)、分析速度;大大簡(jiǎn)化GIS應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。并且,GIS與GPS技術(shù)的一體化,一直是GIS技術(shù)界努力的方向。
2·2 GIS的軟件系統(tǒng)
GIS用于獲取、處理、分析、訪問、表示和在不同用戶、不同系統(tǒng)和不同地點(diǎn)之間傳輸數(shù)字化空間信息。它作為計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的一類,屬于計(jì)算機(jī)軟件的范疇。GIS的基本特征是以計(jì)算機(jī)為運(yùn)行平臺(tái),空間數(shù)據(jù)參與運(yùn)算,為各類應(yīng)用目的服務(wù)。
GIS系統(tǒng)軟件可以分為三個(gè)層次:
1·基礎(chǔ)軟件平臺(tái)
以計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ),是衡量一個(gè)國(guó)家GIS研究、發(fā)展和軟件水平的標(biāo)志,是GIS軟件產(chǎn)業(yè)首先要發(fā)展的。
2·應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)。
3·應(yīng)用軟件系統(tǒng)。
最近幾年,GIS軟件在功能上沒有太大的突破,各GIS軟件廠商的努力方向主要是優(yōu)化軟件性能,同時(shí)追趕計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展潮流,更換平臺(tái)和環(huán)境,并擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),更改開發(fā)語言和開發(fā)模式,以及發(fā)展Internet上的GIS。目前幾乎所有的GIS軟件都支持Windows或Sindows NT。從發(fā)展趨勢(shì)上看,這仍將是一大主流。在空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理方面,客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)仍是GIS軟件追求的目標(biāo)。Laser Dcan公司的GAD、ERSIA公司的SDE、Oracle、Ingres、Informix等軟件的可選模塊都已具有管理空間數(shù)據(jù)(如點(diǎn)、線、面等圖形數(shù)據(jù))的能力。最近兩年,對(duì)GIS軟件影響較為深刻的技術(shù)是部件對(duì)象模型。軟件廠商已由原來向用戶提供系統(tǒng)轉(zhuǎn)為提供控件OCX或Active X,如ERSI公司的apObject、MapInfo公司的MapX等。
國(guó)內(nèi)GIS軟件開發(fā)單位也在緊跟潮流,如武漢測(cè)繪科技大學(xué)的GeoStar、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的MAPGIS、北京圖原公司等也都推出了自己的控件。這些控件均按照各自的需要自行定義,目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)使不同軟件商生產(chǎn)的控件能夠協(xié)同工作。因此為了符合實(shí)際需要,國(guó)際上GIS軟件工業(yè)界正在制訂開放型的地理數(shù)據(jù)互操作協(xié)議OpenGis,就是要制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),使各個(gè)軟件廠商生產(chǎn)的控件能夠協(xié)同工作。這一解決方案將使用戶從中大大受益,當(dāng)用戶開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí),可以選擇不同廠商的控件,并調(diào)用不同GIS軟件的數(shù)據(jù)。這無論是對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)還是數(shù)據(jù)共享都非常有意義。
隨著Internet/Intranet的普及,Internet/IntranetGIS軟件的競(jìng)爭(zhēng)已到了白熱化的程度。Internet與部件對(duì)象模型技術(shù)相結(jié)合,將進(jìn)一步發(fā)展基于分布式部件模型的Internet GIS。在理論研究方面,時(shí)空數(shù)據(jù)的處理及真三維或四維GIS仍然是一個(gè)研究熱點(diǎn),目前這方面還沒有較成熟的軟件面市。但是,隨著計(jì)算機(jī)的處理能力和多維空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的進(jìn)步,推出商品化的多維GIS軟件系統(tǒng)將為時(shí)不遠(yuǎn)。另外,雖然從本質(zhì)上說地理空間數(shù)據(jù)不屬于GIS技術(shù)的范疇。但在當(dāng)前我國(guó)GIS的發(fā)展中,空間數(shù)據(jù)非常重,它實(shí)際上是一個(gè)GIS工程能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
2·3 MapInfo軟件簡(jiǎn)介
MapInfo及其MapBasic地理信息開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)是目前地理信息領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的工具之一。MapInfo是美國(guó)MapInfo公司的產(chǎn)品,它的推出吸引了越來越多的用戶,目前已經(jīng)在世界范圍流行起來。MapInfo以其桌面產(chǎn)品MapInfo Prfessional為起點(diǎn),為用戶提高完整的地理信息解決方案。作為MapInfo地理信息系統(tǒng)的開發(fā)工具M(jìn)apBasic語言,具有強(qiáng)大的地理信息數(shù)據(jù)操作功能、豐富的程序語句和完善的各類函數(shù)。MapInfo應(yīng)用系統(tǒng),執(zhí)行復(fù)雜而先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢操作。MapBasic與所有支持MapInfo的平臺(tái)兼容,易與諸如VisualBasic、C++、Visual C++、Power Builder、Delphi等語言編寫的應(yīng)用軟件集成,并能實(shí)現(xiàn)MapInfo與其它應(yīng)用程序的連接。
當(dāng)今,比較前衛(wèi)的桌面地理信息系統(tǒng)開發(fā)工具是MapinfoMapX,它是Mapinfo公司新推出的GIS產(chǎn)品,它不同于Mapinfo Professional Runtimes和apBasic,它是一個(gè)OCX控件。開發(fā)人員使用它可將桌面地理信息系統(tǒng)的功能嵌入一系列軟件應(yīng)用中,從而滿足用戶的特定需求。它可在諸如VB、VC、PowerBuild或Delphi這些可視化編程環(huán)境中調(diào)用。由于MapinfoMapX不再是一個(gè)專有程序語言,使用人員可在原有熟悉的編程環(huán)境下花費(fèi)較少的時(shí)間和財(cái)力使用Mapinfo MapX提供的先進(jìn)地理信息系統(tǒng)功能。
3 GIS系統(tǒng)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用
為了緩解現(xiàn)代城市交通的壓力,近年來出現(xiàn)了ITS智能交通系統(tǒng),它將最新的GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))、GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS(地理信息系統(tǒng))系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起。借助于高科技手段,ITS系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)動(dòng)車輛實(shí)施管理、調(diào)度、救生、咨詢或進(jìn)行防盜等多種功能,可大幅度提高交通管理質(zhì)量。此系統(tǒng)可以合理利用和充分發(fā)揮現(xiàn)有道路交通的潛力,有效解決城市交通擁擠的現(xiàn)象。
3·1 電子導(dǎo)航地圖
在智能交通系統(tǒng)中,車輛定位是首先要實(shí)現(xiàn)的功能。車輛定位最常用的方式是通過GPS(全球定位系統(tǒng))或移動(dòng)通信網(wǎng)中的定位業(yè)務(wù)來實(shí)現(xiàn)。GPS系統(tǒng)可以提供全球覆蓋、全天候、免費(fèi)的高精度標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)/導(dǎo)航定位服務(wù),通過車載GPS接收機(jī)可以實(shí)時(shí)地獲得車輛的經(jīng)緯度位置和時(shí)間等關(guān)鍵信息。也正因?yàn)榇?GPS系統(tǒng)成為當(dāng)前車輛定位的首選方案。車輛定位系統(tǒng)將GPS系統(tǒng)獲得的經(jīng)緯度信息與電子導(dǎo)航地圖進(jìn)行地圖匹配,以確定車輛在城市交通道路中的具體位置。GPS車輛定位系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。在此系統(tǒng)中,需要電子導(dǎo)航地圖來描述城市道路交通信息,而電子導(dǎo)航地圖即屬于GIS地理信息系統(tǒng)的一種應(yīng)用。對(duì)于任何車輛的定位和導(dǎo)航系統(tǒng),只要涉及與地圖有關(guān)的功能,地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是必不可少的。
在GIS中,電子導(dǎo)航地圖圖形的表示方法有兩種:
一、柵格形式,以象素形式表示整個(gè)地圖。其主要缺點(diǎn)是:存儲(chǔ)量大,對(duì)處理器和內(nèi)部總線要求高,缺乏靈活性,不能附加數(shù)據(jù)。但因它易于實(shí)現(xiàn)、可以直接顯示任何圖形、顯示速度快、程序開發(fā)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),也經(jīng)常被使用。另外,將柵格圖形作為矢量圖層的背景,可以提供比矢量圖更為細(xì)致的圖形。
二、矢量形式,以矢量圖形構(gòu)成整個(gè)地圖。具有無級(jí)放大、縮小、可分塊管理和自由移動(dòng)等特點(diǎn)。使用靈活,但其制作與程序開發(fā)比較復(fù)雜。電子導(dǎo)航地圖應(yīng)用系統(tǒng)目前正朝著高精度、高可靠性、高自動(dòng)化和微型化、智能化、一體化的方向發(fā)展。該系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成,要使各個(gè)模塊有條不紊地工作,并和諧地組合在一個(gè)完整的系統(tǒng)內(nèi),必須依靠大量的軟件支持,軟件是電子導(dǎo)航地圖應(yīng)用系統(tǒng)的核心。其基本功能如下:
1·信息源的中斷響應(yīng)和實(shí)時(shí)處理;
2·各種圖像處理、定位;
3·控制、顯示、記錄、標(biāo)繪、修改各類信息;
4·系統(tǒng)管理、檢測(cè)和故障診斷;
5·用戶命令的處理等。
電子導(dǎo)航地圖的開發(fā)與管理,屬于GIS系統(tǒng)范疇,其開發(fā)形式主要有三種:
一、自主設(shè)計(jì)電子導(dǎo)航地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù),利用Visual C++、Visual Basic等編程語言開發(fā)GIS系統(tǒng)軟件。這種開發(fā)形式要求必須具備雄厚的科研力量和巨額的開發(fā)費(fèi)用。
二、引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的GIS系統(tǒng)軟件,利用其提供的二次開發(fā)工具,結(jié)合自己的應(yīng)用目標(biāo)開發(fā)。這種方法比較簡(jiǎn)單易行,主要缺點(diǎn)是移植性差,并且受開發(fā)工具的限制,不能脫離原系統(tǒng)軟件環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行。
三、利用支持對(duì)象技術(shù)的高級(jí)語言和GIS廠商提供的控件構(gòu)成面向最終用戶的可執(zhí)行應(yīng)用程序。利用這些控件開發(fā)的GIS被稱為嵌入式的GIS。這種方法是隨著20世紀(jì)90年代興起的控件技術(shù)的發(fā)展而開始流行的,它的特點(diǎn)是開發(fā)周期短、成本低、可以脫離大型商業(yè)GIS軟件平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行,為不熟悉GIS技術(shù)的團(tuán)體和個(gè)人提供使用上的便利,是未來GIS開發(fā)的重要方向。
3·2 智能交通監(jiān)控系統(tǒng)
智能交通GIS監(jiān)控系統(tǒng)原理圖如圖2所示。使用GIS監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)
用于多種情況,例如:
·應(yīng)用于市區(qū)統(tǒng)一的交通管理監(jiān)控系統(tǒng),可以對(duì)市區(qū)內(nèi)的車輛進(jìn)行有效的指揮和監(jiān)控,有助于緩解交通緊張狀況、預(yù)防事故、合理地分配和調(diào)度資源、威懾針對(duì)車輛的犯罪等等。
·集團(tuán)用戶通過GIS監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)監(jiān)控和調(diào)度手下車輛運(yùn)營(yíng),可以充分利用車輛資源提高車輛的營(yíng)運(yùn)效率,降低營(yíng)運(yùn)成本。
·對(duì)某些特種車輛,如運(yùn)鈔車、急救車、警車、出租車等,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度。
GIS監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)可提供如下功能:
1·電子導(dǎo)航地圖的無級(jí)放大、縮小;
2·電子導(dǎo)航地圖的任意平移、切換;
3·顯示模式任選;
4·幾十種圖層任意調(diào)用;
5·圖形編輯;
6·各種信息(地理目標(biāo)、車輛信息等)查詢;
7·監(jiān)控車輛信號(hào)選擇接收;
8·各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、管理;
9·各種操作的在線幫助;
10·各種應(yīng)急方案設(shè)定與預(yù)演;
11·車輛運(yùn)行軌跡重現(xiàn);
12·行車路線預(yù)先設(shè)定;
13·各種行車記錄統(tǒng)計(jì)與分析;
14·最短路徑與最佳路徑的選擇;
15·接警、處警管理。
4 結(jié)論
ITS智能交通系統(tǒng)的發(fā)展和建立是21世紀(jì)城市交通發(fā)展的趨勢(shì)。現(xiàn)在一些較小的發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成了全國(guó)智能交通網(wǎng)絡(luò),并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效率和社會(huì)效益。對(duì)城市的交通、安全做出了積極的貢獻(xiàn)。對(duì)我國(guó)來說,實(shí)現(xiàn)全國(guó)的交通網(wǎng)絡(luò),不但不實(shí)際,而且也沒必要,但是對(duì)一些大中城市來說,則不僅是可行的,而且對(duì)現(xiàn)代城市的發(fā)展和人民的生活也是十分必要的。作為實(shí)現(xiàn)智能交通的重要環(huán)節(jié)---GIS地理信息系統(tǒng)的研究也就被提上工作日程?？梢哉f,GIS地理信息系統(tǒng)的研究已形成了一個(gè)軟件產(chǎn)業(yè),將在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域得到研究和利用。
