（交通运输规划与管理专业论文）GIST空间数据库管理与应用关键技术研究.pdf

g i s t 空间数据库管理与应用关键技术研究 摘要 交通是地理信息系统( g i s ) 的一个重要应用领域，由于其空间特征和应用的独特性，将g i s 在交通中的应用强化为一个专用名词交通地理信息系统( g i s t ) 。本文以国家“十五”重点科 技攻关计划“智能交通系统关键技术研究”子课题之一面向r r s 的交通规划与交通分析软件开发、 江苏省交通科学研究计划项目公路交通信息、基础地理信息空间数据库管理及应用技术研究为 依托，以交通网络分析软件系统皿a n s t a r 为基础，系统研究了g i s t 空问数据库管理与应用的 关键技术。 论文研究的核心是g i s t 空间数据库管理与应用的相关理论与技术。全文共分为五个部分：交 通系统及交通系统的信息化、空间数据库管理理论及数据模型、面向交通要素的多维时空数据模型 t f o d m 、g i s i t 空间数据库应用技术、应用软件系统开发技术。前两部分是研究的基础，第三、 第四部分是研究的核心，第五部分是应用软件开发技术及应用软件开发。整个研究以g i s t 空间数 据库理论基础分析、核心理论技术研究、应用系统开发为主线，形成一个完整的从理论到应用的研 究整体。 论文第一部分对交通系统信息化基础进行分析研究。系统阐述交通系统信息化基本理论、交通 信息的分类、交通信息的特征；进一步分析研究交通信息应用与管理的先进技术，阐述g i s 特征与 基本功能；分析研究g i s - t 在交通领域应用的几个方面。 论文第二部分对g i s t 相关的理论技术方法进行研究。主要有一般数据库技术的发展、数据模 型和数据模式、空间数据库原理、空间数据模型、空间数据类型、空间数据操作等。对空间数据库 的模型、基于要素的g i s 建模方法、空间数据类型、基本空间数据关系及空问数据的操作进行了全 面的分析与总结。 论文第三部分是本研究的两个核心部分之一。深入详细地分析了现有g i s t 线性数据处理相关 技术，对现有交通线性数据模型进行归纳和总结，根据线性交通模型所描述的度量、序( 方位) 和 拓扑空间关系，提出将现有交通线性模型分为一级空间抽象模型、二级空间抽象模型和三级空间抽 象模型；通过对g i s t 的相关数据模型及其优缺点进行分析和总结，认为现有g i s _ t 数据模型以平 面静态结构为主，而三维空间g i s t 、时态g i s t 正逐渐成为g i s t 领域的研究热点，因此提出一 个面向交通要素的多维g i s - t 空间数据模型_ t f o d m ，并详细介绍了t f o d m 概念模型和t f o d m 逻辑模型；对基于关系级、元组级、属性级的多种时空数据模型进行分析总结，对交通要素的一般 属性时态描述、空间几何位置时态描述和空问拓扑关系时态描述进行分析研究，进一步提出t f o d m 时态数据模型，同时提出一种面向交通要素的多基态修正时态数据模型。 论文第四部分亦是本研究的核心之一。针对t f o d mg i s 。t 数据模型涉及的主要应用技术进行研 究和分析。首先对基于线性l r s 的儿何数据到基于s r s 的几何数据的插值转换进行分析研究，提出 应用于l r s 到s r s 的插值方法，进一步研究时空拓扑多层次网络的自动生成技术；研究并提出 东南大学博士学位论文 t f o d m 中几何网络数据处理技术，对网络路径分析算法进行分析研究，根据t f o d m 空间网络的 特点，建立基于网络要素面向对象的空间网络数据结构；分析层次空间推理策略的网络分层方法， 对基于空间分片层次策略的最短路径算法进行研究，提出基于复合结点的层次网络路径分析算法。 论文第五部分详细介绍了作者主持开发的基于g i s 的交通规划与分析软件系统的两个子系统一 一交通网络空间数据库输入与管理子系统、交通网络分析预测成果视觉化与输出子系统的主要功能。 对交通网络空间数据库输入与管理子系统中的空间网络建立技术进行了分析研究，并提出应用于交 通网络分析软件的空间网络生成方法与几何网络处理技术方法；根据t f o d m 概念数据模型、逻辑 数据模型，提出一个应用于交通网络分析软件系统的t f o d m 物理数据模型和数据结构，并应用于 1 h n s t a r 网络分析软件的应用开发中。 关键词：交通地理信息系统( g i s t ) ；空间网络：空间网络数据库：空间网络数据库模型 儿 g i s t 空间数据库管理与应用关键技术研究 a b s t r a c t 1 协s p o r 亡a t i o ni sa j l1 m p o r t a t l t 矗e l do fg i sa p p l i c a t i o n d u et oi t ss p a t i a la 1 1 da p p l i c a b l ec h a m c t e r i s t j c s ， g i s 印p l i c a t i o ni nt r a n s p o r t a t i o ni ss p e c i a l l yt e h n e d a sg i s t g e o g r a p h i c a ii n f o n l l a t i 。ns y s t c mf o r 1 t a n s p o r t a t i o n t h i sd i s s e n a l l o ns t l i d i e ss y s t e m a t l c a l l ym ek e yt e c l l n o l o g y 。fg i s ts p 撕a ld a t a b a s e m 柚a g e m e n ta n d 印p l i c a 石o n ，b a s e do n 似op r o j e c t s t h ef i r s tp r o j e c t l s “i t s o r i e n t e dn a i l s p o r t “o n p l a 嘶n ga i l dt r a n s p o r 【a h o na m l y s l ss o 胁a r ed e v e l o p m e n t ”，ap a no ft h e “t e n 血f l v e - y e a rp i 趾 n a t i o n a ik e yp r o j e c t 。f “as t u d yo nk e yt e c h n o l o g yi ni m e l l i g e n tt r a l l s p o n a t l o ns y s t e m ，”a n dt l l es e c o n d 0 n e 诬as t u d yo nh 培h w a yt r a i l s p o r t a t i o n 心衄a t i o n ，b a s l cg e o 卿h ym f 0 皿a t i o ns p a t i a ld a t a b a s e m a i l a g 哪e n ta 玎dm e i r a p p l i c a t i o nt e c l l l l 0 1 0g y w i t haf o c u so n 吐1 et 1 1 e o r i e sa n dt e c h n i q u e sr e l a t e dt 0g i s ts p a t i a ld a t a b a s em a l l a g e m e n t 姐d a p p l i c a t i o n ，t 1 1 ed i s s e r t a t i o nc 衄s i s t so f 石v ep a n s ：1 ) 仃a i l s p o r t a t i o ns y s t e ma n di t si n f o m a t i o n a l i z a 石o n ；2 ) t l l e o r yo fs p a t i a l d a t a b a s em a l l a g e m e n ta n dd a t a r n o d e l s ；3 ) 廿a n s p o r t a t i o n f e a t u r e - o r i e n t e d m u l t i 血n e n s i o n a ls p a t i o t e m p o m ld a t am o d e l _ _ t f o d m ；4 ) g i s _ ts p 撕a ld a 曲a s e 印p l i c 撕o nt e c h n 0 1 0 肼 卸d5 ) 印p l i c a t i o ns o r w a r et e c h n i q u e sa 工l dd e v e l o p m e n t t h ef 酏t 似op a r t ss e r v ea st 1 1 eb a s e sf o r r e s e 眦h ， w h i l ei h ei h i r da 1 1 df o u r t hp a r t sa r em ec o r eo fr e s e a r c h ，柚d 廿1 e 丘r hp a r ti sm ea p p l i c a t i o ns o 脚a r e t e c h i l i q u e sa n dd e v e l o p m e n t t h es t u d yi sc o 1 p l e t ei nt 1 1 e o r ya n d8 p p l i c a t i o n ，w i mg i s ts p a t i a ld a t a b a s e m a m g e r r ”n t p a r tia n a l y z e s 血eb a s i so ft r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi n j b 玎1 1 a t i o n a l i z a 乜o n ，i n c l u d i n gt h eb a s i ct h e o e s ， c l a s s i 6 c a t i o na n dc h 眦c t e r i s t i c so ft r a n s p o n a t i o ni n f o r i i l a h o n i tf u r t h e rs t l l d i e st 1 1 ea d v a n c e dt e c h n 0 1 0 9 yo f 缸彻s p o r t a t i o n1 n f o r m a t i o n 印p l i c a t i o na 1 1 dm a n a g e m e m ，g i sf e a t i l r e sa n db a s i c 血n c t i o n sa n d 印p l i c a t i o n o fg i s ti nt h e 丘e l do ft r 卸s p o n a t i o n p a ni id e a l sw i 山g i s _ t _ r e l a t e dm e o 珥t e c l l i l 0 1 0 9 ya n dm e m o d ，w h i c hc o n s i s t so f 血ed c v e l o p m e n to f g e n e r a ld a t a b a s et e c 1 1 1 i q u e s ，d a t am o d e la n dd a t as c h e m a ，s p a t i a ld a t a b a s ep r i n c i p l e s ，s p a t i a ld a t am o d e l ， t y p ea n do p e r a t i o nb ym a k i n gaf 【1 1 1a n a l y s i sa n ds u 珊n a r yo fs p 撕a 1d a 诅b a s em o d e l ，f c a 帆o r i e n t c dg i s m o d e l i n gm e t h o d ，s p a t i a ld a l at y p e s ，b a s i cs p a t l a ld a t ar e l a t i o n sa sw e l la s 叩e r a t i o no f s p a t i a ld a l a a so n eo ft l l et w oc e n t r a lp a n so ft h er e s e a r c h ，p a ni i ig i v e sad e t a i l e da c c o u n io fg i s _ tl i n e a rd a t a p r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa 1 1 das u m m a r yo ft h et r a n s p o r t a t i o n1 i n e a rd a t am o d e l _ i tp r o p o s e sm a tm ec u r f e n t 1 1 n e a rm o d e lc a nb ed i v i d e di n t ot h ef i r s t ，s e c o n da n dt h i r d1 e v e l so f a b s a c ts p a t i a lm o d e l sa c c o r d i n gt oi h e m e a s u r e ，s e q u e n c ea n dd i r e c t i 彻d e s c 曲e di n 血el i n e a rr n o d e la n dt 叩0 1 0 百c a ls p a t i a l r e l a t i o n s h i p 舡e rt l e a 1 1 a l y s i sa n da c c 。u n to f 血eg i s td a t am i ) d e la 1 1 di t sa d v a n t 3 9 e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，1 th o i d s 血a t 山e c u r r e mo l s _ td a t am o d e li sm i n l ys t “cp l a n a tc o n s 订u c t ，w h e r e a s3 ds p “a l t c m p o m lg i s - t sa r e g r a d u a l l yi nf o c u st h e r e f o r e ，山ed i s s e r t a t i 。“p m p o s e st h et f o d m ，t h e 仃a i l s p o r t a t i 。nf e a t l l r eo r i e n t e d d a t am o d e l ，d e s c 曲e sc o m p l e t e l yt h ec o n c 。p t 【l a la n dt h el 0 9 1 cm o d e l so ft f o d m ，a 工1 da n a l y s e st h em u l t i s p a t i a la n dt e m p o r a ld a t am o d e lb a s e do nr e l a t i o nl e v e l ，t u p l el e v e la n da t t r i b u t el e v e l i ta l s od e s c 曲e st h e g e n e r a lt e m p o r a la t t r j b u t eo ft r a n s p o r t a t i o nf e a t u r e ，s p a t l a lt e r “p o r a l l o c a t i o na n dt o p 0 1 0 9 j c a ls p a t i a l 东南大学博士学位论文 r e l a t i o n s h 啦f u 汕e 彻o r e ，让m i s e st h et f o d mt e l p o m ld a t am o d e la sw e ua st h et r a n s p o r t a t i o nf e a t u r c o r i e n t e ds p a 石a 1 - t 啪p o r a ld a t am o d e l so f m u l t i b a s es t a t ew i m 锄e n d i n e n t s p a r ti vi sa n o t h e rc e n 廿a 1p a no f 血ed i s s e r t a t i o n ，w h j c hf o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o nt e c l l i l o l o g yo f t h e t f o d mg i s td a t am o d e l f i r s t l y ，i ts t u d i e st h eu t s b a s e da i 】ds r s - b a s e dv a l u ec 彻v e r s i o n ，w i i ht h e p r o p o s a lo fm c m e 血o d 丹蚴l r st os r s i tf u n l l e ri n v e s t i g a t e s 血ea u t o m a t i cg e n e m t i n gt e c h n i q u e so f s p 撕a i t e l n p o m l t 叩o l o g i c a lm u l i i l e v e ln e 似o r ka n dn e m o r kp a t l la l g o r i o n l eb a s i so f 也ep m p o s e d t f o d mn e t w o r kd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，a 1 1 de s t a b l i s h e st h en 咖o r kf e a t 、1 r eb a s e da n do b j e c t o r i e n t e d s p a t i a ln e 押o r kd a t ac o n s 扛l l c ta c c o r d i n gt ot 1 1 ec h a m c t e r i s t i c so ft f o d ms p a t i a ln c 似o r k ，a i l da n a l y z e s s p “a l i n f e r e n c en e 似o r kh i e r a r c h i c a lm e 血o d m o r e o v e t l l es p a t i a lt i l e _ b a s e da i l dh l e m r c h l c a ls h o n e s t p a t ha l g o r i t j ss c m t i n i z e d a i 】dt l l e c o m p l e xn o d e 七a s e d h i e r a r c h i c a ln e 船o r kp a t ha l g 嘶t h mi s d e v e l 叩e d p a nvd e s 嘶b e s 廿l em i n 缸1 c t l o n so ft l l e 押os u b s y s t e l i l so f l eg i s - b a s e d 打a n s p 叫“o np l a i l n i n g a 1 1 da i l a 】y z i n gs o f t w a r es y s t e md e v e l o p e db yt h ea u 血o e 扛a n s p o n a t i o ns p a t i a ln e 时o r kd a t a b a s ei n p u ta n d c o n 打o ls y s t e 】na n dt m n s p o r t 撕o nn e t w o r ka n a l y z i l l ga n dp r e d i c t i “gv i s u a l i z 撕o na i 】do u t p u ts y s t e l n n c r e a t e sas p a t 瑚n e 押o r kg e n e m t i n ga 1 1 dn e 旧o r kp r o c e s s i l l gt e c h n j q u ea p p l i c a b l et o 虹硼s p o n a c i o nr l e t w o r k a n a l y s i ss o 脚a r ca i l da 1 0 d mp h y s i c a ld a t am o d e la n dd a t as 廿u c t u r ct ob ea p p l i e di nt l l ed e v e l 叩m e n to f t r a l l s t a rn e t w o r ks o f t w a r e k e yw o r d s ：g e o 卿h i c a li n f o n n a t i o ns ”l e mf o rt r a n 甲o n a t i o n ，g i s _ t ，s p a t 瑚n e t w o r k ，s p 撕a 1 d a t a b a s e ，s p 撕a 1d a t a b a s e 瑚o d e l ，s p “a ln e t w o r kd a t a b a s em o d e l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 一躲解一 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日期：2 0 0 5 7 8 第一章绪论 1 1 立题背景及意义 第一章绪论 交通拥挤和交通事故越来越严重地困扰着世界各国，解决这一问题的重大社会经济意义己为人 们所共识。人们提出了多种解决交通问题的办法，其中一种就是利用先进的科学技术改善现有交通 运输系统的状况，并且人们认为这是解决问题的最佳途径 杨兆升等，2 0 0 0 。现代交通产生海量的交 通信息，涉及各种各样的数据，除了具有信息量大、动态、不确定、复杂、非线性、时变等特征外， 还具有明显的空间特征。现代交通产生的浩如烟海的数据，必须借助先进的技术进行数据采集、存 储、分析和决策。我国各地都花费了大量的人力、物力于各种交通调查，建立综合交通信息数据库 ( 交通信息数据库、交通地理信息空间数据库) 与交通相关的管理信息系统。这些数据和信息系统 有的是基于数据库技术，有的是基于地理信息系统( g e o 铲a p i l i ch l f o m l a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 技 术。然而，由于多方面的原因，这些宝贵的数据并没有得到充分应用。科学的管理及广泛地运用这 些数据库数据、快速地提取面向某一具体任务的信息，把从交通相关数据中提取的信息用于交通规 划、建设和管理是一项非常有意义的研究丁作。 交通系统具有明显的地域特征，是地理信息科学研究的一个重要范畴。目前还没形成一套完 整的交通信息、交通基础地理信息数据管理与应用理论体系。运用先进的计算机理论与技术、地理 信息系统理论与技术、空间数据库管理与应用技术，研究交通信息、交通基础地理信息空间数据管 理与应用理论体系，研究交通信息、交通基础地理信息可视化技术、基于g i s 的交通规划建设与管 理技术，面向交通建设现代化，实现交通系统规划、建设与管理的一体化，对解决交通拥挤问题有 着十分重要意义。 本研究的核心是交通地理信息系统( g e o g r a p l l i c1 1 1 f o r 工n a t i o ns y s t e mf b rt r a n s p o r t a t i o n ，简称 g i s t ) 空间数据库( s p a t i a ld a l a b a s e ) 的概念数据模型、逻辑数据模型、时态数据模型、交通信息 空间数据库管理理论与应用技术方法。 g i s _ t 空间数据库管理与应用技术的研究将促进交通管理的自动化和智能化。面向城乡一体化的 交通信息及交通基础地理信息数据模型的研究将进一步推动城乡交通管理的一体化，为城乡一体数 字交通的建设提供技术基础。 论文结合国家“十五”重点科技攻关计划“智能交通系统关键技术研究”( 项目号：2 0 0 l b a 4 0 2 a 0 6 ) 子课题之一面向i t s 的交通规划与交通分析软件开发、江苏省交通科学研究计划项目公路交通 信息、基础地理信息空间数据库管理及应用技术研究( 项目号：0 2 x 叭7 ) 进行，论文的成果应用 于交通网络分析软件的设计开发。 东南大学博士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 自2 0 世纪6 0 年代以来，数据库和信息技术已经系统地从原始的文件处理演化到复杂的、功能 强大的数据库系统。自2 0 世纪7 0 年代以来，数据库系统的研究和开发已经从层次和网状数据库系 统发展到开发关系数据库系统、数据建模工具、索引和数据组织技术。 地理信息系统( g i s ) 是专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的计算机信息系统， 是表达、模拟现实空间世界和进行空间数据处理、分析的工具。国外从2 0 世纪6 0 年代初就开始进 行g i s 、g i s t 的相关研究。在g i s t 线性数据模型研究方面，有欧洲标准化组织制定的地理数据 文件标准( g e o g r a p h i cd a 诅f i i es t a n d 盯d ，简称g d f ) ，v o n d e r o h c 的n c h r p2 0 2 7 ( 2 ) 数据模型， d u e k e r b u t l e r 的e n t e r p r i s e g i s t 数据模型。但在模型的实现方面，这些组织和学者所提出的g i s t 数据模型并未能在国际上著名的一些g i s 应用系统软件( 如a r c g i s 、m a p h l f 0 、g e n 枷p 、a u t o d e s k 等) 中应用。这些著名的g i s 软件对网络的处理一般是建立在弧段( a r c ) 与结点( n 0 d e ) 基础之 上，通过层来构筑网络空间关系。 1 2 2 国内研究概况 我国的g i s 技术研究比北美、欧洲等国家起步晚。但目前的g i s 理论技术与方法的研究，已达 到或接近国际先进水平。 g i s 理论与技术在交通运输规划与管理中的应用层次还不高，主要是建立了相关的以电子地图为 基础的交通地理信息系统。目前，国内部分学者对地理信息系统在交通运输、规划与管理中的应用 进行了相关研究 杨兆升，2 0 0 0 ；赵鸿铎，2 0 0 1 ；张山山对面向对象的城市交通规划时空数据模型进 行了相关研究 张山山，2 0 0 3 ；李清泉等对g i s - t 线性数据模型研究现状与趋势进行了分析研究f 李 清泉，2 0 0 4 ；石建军等对交通地理信息系统数据模型的研究进展进行了研究 石建军等，2 0 0 4 ；王 艳慧和陈军对道路网络多尺度数据建模进行了初步研究；杨晓光对中国交通信息系统基本框架体系 进行了相关研究 杨晓光，2 0 0 0 。从研究的内容看，对g i s - t 空间数据库研究还处在实验与基本理 论阶段，一般没有经过应用系统的实际检验，也没有系统地研究适合我国交通规划、建设与管理的 g i s t 数据模型；空间数据管理还仍建立在g i s 之上，对于道路网络而言没有提出一个具体的解决 方案 王艳慧，陈军，2 0 0 4 。还没有报道对交通信息、交通基础地理信息空间数据库管理与应用进行 深入、系统的应用研究。 1 2 3i t s 与g i s - t 的相互关系及发展现状 智能运输系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 是将先进的信息技术、计算机技术、 数据通信技术、传感技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等有效地综合运用于 交通运输、服务控制和车辆制造，加强了车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成一种定时、 2 第一苹绪论 准确、高效的综合运输系统黄卫、陈里得，1 9 9 9 】。r r s 是在传统的交通系统基础上发展起来的新型 交通系统，美国将与i t s 相关的实际应用系统分为7 部分 张其善等，2 0 0 2 ，分别是：先进的交通管 理系统( a t m s ) ，先进的驾驶员信息系统a d i s ，先进的车辆控制系统( a 、，c s ) ，商用车辆运行系 统( c v o m f m s ) ；先进的公共交通系统( a p t s ) ：先进的乡村交通系统( a r t s ) ；自动高速公路 系统( a h s ) 。这些i t s 应用系统几乎都与g i s 相联系。 交通是g i s 的一个重要应用领域，由于其空间特征和应用兴趣的独特性，将g i s 在交通中的应 用强化为一个专用名词g i s - t 李清泉等，2 0 0 4 】。g i s t 是g i s 技术在交通中应用的一种专题地理信 息系统，是g i s 与多种交通信息分析和处理技术的集成 石建军，2 0 0 4 】。 g i s ，t 作为运用先进空间数据库管理技术、空间分析技术、空间信息视觉化技术的新型应用技术 系统，越来越受到交通领域中规划、建设和管理部门的重视。然而，g i s t 技术发展缓慢李清泉等， 2 0 0 】，g i s t 的应剐还局限于一个很小的范围。随着i t s 理念的普及，g i s t 技术已成为g i s 应用 的一个热门发展方向 g o o d c h i l dmf ，1 9 9 9 。 交通信息是基于空间网络的空间信息。目前许多交通信息主要还是通过关系型数据库进行管理， 但传统的关系型数据库不能管理空间数据，因此，必须应用空间数据库对交通信息进行管理，以便 更全面地反映交通信息的空间数据和属性数据。 1 3 研究内容与论文组织 针对g i s t 空间数据库管理与应用的关键技术问题，本文对交通信息、g i s t 空间数据模型、 g i s t 时态数据模型，交通信息空间数据库应用技术进行深入的研究，并开发了相应的g i s t 软件 应用系统。 论文共分八章，各章内容简要如下： 第一章绪论。 第二章对交通系统、交通系统信息化、交通系统信息化的基础进行分析研究。系统阐述交通系 统信息化基本理论，交通信息的分类，交通信息的多源多种性特征、表现形式多样性特征、信息量 巨大特征、空问特征、时间特征、层次特征、主题特征和生命特征；分析研究交通信息应用与管理 的先进技术，阐述g i s 的特征、g i s 的基本功能；分析研究交通领域的g i s g i s t 应用的几个方 面，为以后各章的研究打f 基础。 第三章主要对空间信息管理与应用的一些基本理论、技术进行深入的分析与讨论，重点在与 g i s t 相关的理论技术方法方面。主要内容有一般数据库技术的发展、数据模型、数据模式、传统 数据模型、e ，r 数据模型、面向对象的数据模型，空间数据库原理、空间数据模型、空问数据类型、 空间数据操作等。对空间数据库的模型、基于要素的g i s 建模方法、空间数据类型、基本空间数据 关系及空间数据的操作进行较全面的分析与总结。 第四章深入详细地分析了现有g i s t 线性数据管理相关技术空间网络、空间网络平面数据 模型和非平面数据模型、线性参照、动态分段技术。对现有交通线性数据模型进行了归纳和总结， 根据线性交通模型所描述的度量、序( 方位) 和拓扑空间关系，提出将现有的交通线性模型分为一 3 东南大学博士学位论文 级空间抽象模型、二级空间抽象模型和三级空间抽象模型。对现有g i s t 线性数据模型进行深入分 析，并对相关数据模型的优缺点进行了总结。认为现有g i s - t 数据模型以平面静态结构为主，而三 维空间g i s _ t 、时态g i s t 正逐渐成为g i s t 领域研究的热点；指出时空关系是空间、时间和多种 专题共同作用形成的，单纯对空间和时间进行存储，并不能完整体现时空特征。因此提出一个面向 交通要素的多维g i s _ t 空间数据模型t f o d m 。并详细介绍了t f o d m 的概念模型和t f o d m 的 逻辑模型。 第五章主要对时间的形式化表示、时间参照系与时间基准、时态描述的相关术语、基本时态数 据结构、时态的拓扑关系进行了回顾与分析。对基于关系级、元组级、属性级的多种时空数据模型 进行分析总结，对交通要素的一般属性时态描述、 进行分析研究。提出了t f o d m 的时态数据模型， 模型。 空间几何位置时态描述和空间拓扑关系时态描述 进一步提出一种面向对象的多基态修正时态数据 第六章主要针对t f o d mg i s _ t 空问数据模型涉及的主要应用技术进行研究和分析。首先对基于 线性l r s 的几何数据到基于s r s 的几何数据的插值转换进行了分析研究，提出应用于l r s 到s r s 的4 种整体插值方法和2 种分段插值方法。进一步研究了时空拓扑多层次网络的自动生成技术。 t f c i d mg i s _ t 空间数据模型的空间描述是基于空间网络的，空间网络不仅是交通要素的空间几何骨 架，而且根据空间关系和时问关系可以生成某一时刻的时空拓扑网络。研究并提出了t f o d m 中几 何网络数据处理技术，时空拓扑网络的自动生成技术。最后对网络路径分析算法进行分析研究，根 据t f o d m 空间网络的特点，建立了基于网络要素、面向对象的空间网络数据结构，分析了层次空 间推理策略的网络分层方法，对c a r f r a l l l ( 所提出的层次规则的最短路径算法和基于空间分片层次 策略的最短路径算法进行了研究，并对基于空间分片层次策略进行了拓展，提出了基于复合结点的 层次网络路径分析算法。 第七章是关于采用t f o d m 空间数据模型的软件应用系统的开发及开发技术研究。首先简单介 绍基于g i s 的交通规划与分析软件的总体结构，然后详细介绍作者主持开发的基于g i s 的交通规划 与分析软件系统的两个子系统基于g i s 技术的交通网络空间数据库输入与管理子系统、基于g i s 技术的交通网络分析预测成果视觉化与输出子系统的主要功能。对交通网络空间数据库输入与管理 子系统中的空间网绍建立技术进行了分析研究，提出了应用于交通网络分析软件的空间网络生成方 法，几何网络处理技术方法。在软件系统中实现了第六章中提出的空间网络自动建立。t f o d m 模 型的提出是基于一殷交通领域的应用，根据t f o d m 概念数据模型、逻辑数据模型，提出了一个应 用于交通网络分析的t f o d m 物理数据模型和应用系统的数据结构，并应用于t r a n s t a r 网络分析软 件的应用开发中。 第八章为结语部分，包括研究工作的总结、本研究的创新点以及今后的展望。 4 第二章交通系统及交通信息化分析研究 第二章交通系统及交通信息化分析研究 交通是社会活动、经济活动的纽带和动脉，对城市及区域经济发展和人民生活水平的提高起着 极其重要的作用。近几年来，随着人口增长、国民经济的高速发展以及城市化进程的推进，道路交 通量急剧增长，全国范围内的大中城市及沿海地区公路网都基本上出现了严重的交通阻塞现象。 一般来说，解决交通拥挤的办法是降低道路交通负荷，使道路通行能力适应交通流的要求。降 低交通负荷可通过三条途径实现。一是交通建设，提高交通网络容量，以达到降低交通负荷的目的。 通过道路建设解决交通问题往往是人们首选的措施，但是，道路交通建设投资巨大，建设周期很长。 并且当道路网络基本完善后，新建道路能产生的网络运输效益已经很低，相反会刺激原来被压抑的 交通需求的产生，著名的d o w n s l a w 就非常形象地说明了这个问题。二是交通需求管理。通过控制、 限制、禁止某些交通方式的出行，减少出行量，以达到降低道路交通负荷的目的。三是交通系统管 理。通过一系列的交通组织、交通设施控制交通流量，使交通流在时间上分布趋于均匀，在空间上 分布趋于均匀，有效地避开交通阻塞时刻及阻塞地段，提高网络运输效率。 与建设道路相比，运用现代化的管理技术、管理手段充分发挥道路网络的潜在功能，全面提高 运输效率，缓解道路交通紧张局面，投入少、见效快，更具有现实意义。现代化管理的技术核心是 信息化建设，即道路交通综合信息的管理与应用。 2 1 交通系统及其信息化 交通是各种运输和邮电通信的总称。根据运输方式的不同可分为：航空交通、铁路交通( 或称 轨道交通) 、道路交通( 城市道路和公路) 、船舶交通、管道交通。本文主要以道路交通为例进行相 关分析与研究，对于道路交通信息的特征、分类、空问数据模型同样适用于其它交通运输方式。 在建立各种交通信息管理系统时，本文首先对交通系统特点、功能作用、管理描述进行分析和 研究。 2 1 1 交通系统 交通系统是一个复杂的、开放的大系统，它是社会经济系统的一个有机组成部分，交通系统的 运转受到社会经济系统中其它子系统的影响与制约，如城市人口、城市土地利用直接影响城市交通 系统的交通需求总量及流向分布，区域城镇布局及城镇经济发展直接影响区域公路网系统的交通需 求及流向等。交通系统本身又是由许多相互影响、相互制约的子系统所组成。 交通系统是为社会经济发展、人民生活水平提高服务的，是区域及城市发展的载体、社会经济 活动的支撑体系。 交通系统的基本构成要素包括：人、交通t 具、交通设施。在道路交通系统中主要指：人、车、 路。人指交通出行者、物流运输与经营者、交通管理者、交通规划、建设及研究者 杨晓光，2 0 0 0 】。 s 东南大学博士学位论文 交通工具主要是：机动车、非机动车。交通设施主要包括道路、桥梁、涵洞和隧道结构物及附属设 施。 2 1 2 交通信息化 机械化是工业时代的特征，计算机化是信息时代的特征。目前世界正处于从工业时代向信息时 代转变的过程中，信息化程度已成为衡量一个国家现代化水平和综合国力的重要标志，它是世界国 力竞争的焦点 李莉等，2 0 0 0 1 。 信息化是指以计算机为核心的数字化、网络化、智能化和可视化的全部过程。交通系统的信息 化是计算机为核心的交通系统数字化、网络化、智能化和可视化的全部过程。它正向智能交通系统 ( s ) 及其产业化方向发展。 人类的社会活动产生了交通系统，表现出各种交通现象。各种交通现象是交通系统的真实反映。 交通信息化的基本含义是指：运用各种现代化的高新技术，将各类交通信息从采集、处理到提供服 务加以系统化，共享其资源，为最佳营运与管理交通、发展智能交通系统和新产业，发展经济，推 动城市进步奠定基础【杨晓光，2 0 0 0 。 交通系统信息化，首先必须对真实的交通系统数字化。即通过对各种交通现象的观察、抽象、 综合取舍，得到交通实体目标，然后对实体目标进行定义、编码结构化和模型化，以数据形式存入 计算机内的数据库中。 交通系统信息化的前提是交通系统数字化，数字化的交通系统必须通过数据库管理技术进行管 理。 2 。2 信息化基础 2 2 1 数据、信息、信息系统 2 2 。1 1 数据、信息 我们正处在一个信息变革的时代，数据是推动这场巨大变革的原材料，是对事物描述的符号记 录，数据含义是数据的语义，人们通过解释、推论、归纳、分析、综合等方法，从数据所获得的有 意义的内容称为信息。数据是信息存在的一种形式 王能斌，2 0 0 0 ，通过解释或处理能成为有用的信 息。在计算机科学中，数据是指所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称严蔚敏， 吴伟民，1 9 9 7 。 2 2 1 2 地理信息 地理信息( g e o g r a p h i ci n f o n n a t i o n ) 是指表征地理圈或地理环境阎有要素或物质的数据量、质量、 分布特征、联系和规律的数字、文字、图象和图形的总称 黄杏元，1 9 8 9 】。陈述彭等认为地理信息是 有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，是对表达地理特征与地理现象之 6 第二章交通系统及交通信息化分析研究 间关系的地理数据的解释f 陈述彭，1 9 9 9 。从地理实体到地理数据，从地理数据到地理信息的发展， 反映了人类从认识物质、能量到认识信息的一个巨大飞跃。 地理信息属于空间信息( 许多人把二者等同起来) ，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是 地理信息区别于其它类型信息的一个最显著标志。地理信息的定位特征是通过公共的