GIS-T课件(11讲)

1、ITSITS及相关应用的交通数据模型及相关应用的交通数据模型第第4 4节节 第三章第三章 GIS-TGIS-T数据模型数据模型ITS的信息流的信息流保存集成的多模式交通系保存集成的多模式交通系统模型的数据库系统统模型的数据库系统交通流的控制设备交通流的控制设备信号灯信号灯可变信息牌可变信息牌数数据据更更新新数据更新数据更新出行出行/ /交通系统的特性交通系统的特性通常的行程时间通常的行程时间网络的性能网络的性能事故发生率事故发生率linklink的行程时间的行程时间信息采集信息采集嵌入在交通设嵌入在交通设施内的传感器施内的传感器车载车载GPSGPS接收机接收机数据更新数据更新出行者的特性出行者

2、的特性社会经济属性社会经济属性关于决策及信息关于决策及信息提供的态度提供的态度路线选择的标准路线选择的标准数数据据更更新新信息系统的特性信息系统的特性ITSITS的可用性的可用性提供信息的类型提供信息的类型存取成本存取成本可靠性可靠性数数据据更更新新出行者出行者路路线线信信息息导导航航信信息息 ITS需要导航数据模型需要导航数据模型可以在地图参考框架内定位车辆并提供导航功能以及当前及未来系统的性能信息 各种数据库必须面向出行者进行无缝集各种数据库必须面向出行者进行无缝集成成ITS内部以及ITS之间的各种数据必须进行无缝集成 数据必须是可以互操作的数据必须是可以互操作的数据易于在不同系统组件和I

3、TS间交换和存取ITS数据库的功能需求数据库的功能需求导航数据模型的导航数据模型的功能需求功能需求 首先，数据模型必须可以将给定的经纬度转换为街道首先，数据模型必须可以将给定的经纬度转换为街道地址，反之亦然地址，反之亦然 其次，数据模型必须支持地图匹配，即当报告的车辆其次，数据模型必须支持地图匹配，即当报告的车辆位置位于网络之外时，可以捕捉到网络中距车辆位置位置位于网络之外时，可以捕捉到网络中距车辆位置最近的位置最近的位置. 第三，数据模型必须支持最优路线计算，这要求数据第三，数据模型必须支持最优路线计算，这要求数据模型具有较高的精度如包含转向限制这样的交通规章模型具有较高的精度如包含转向限制

4、这样的交通规章 数据模型必须支持复杂的路线导航提示功能数据模型必须支持复杂的路线导航提示功能 由车载GPS和设备内的传感器得到的高精度位置信息在传统的网络结构中参照时都损失掉了。 动态分段网络模型可以提高模型沿弧的长度进行定位的能力，但不能完全记录如斜坡等复杂道路几何形态以及如道路的立体交叉等非平面特征。 导航数据模型还需要支持交通流控制和解决导航设备在每一个路段内的不同车道上提供定位信息的问题。结点结点-弧模型无法支持导航的弧模型无法支持导航的功能功能 车道信息在ITS 中的作用 用来提供转向信息、避开障碍物或专用车道、监视用于分析的特定车道上的车流、为改进路线指引建模并表示车道的起止点 基

5、于车道的网络数据模型应该表达的信息 它可以表达车道的起始和终止、并行车道间的连通性、转向、移动障碍以及行驶限制，包括前向、侧向、转向限制等信息1. 基于车道的网络数据模型基于车道的网络数据模型1. 一种可能是直接应用结点-弧段拓扑，在车道数量发生变化的地方添加一个结点，将弧拆分。2. 按照车道数目进行动态分段。此时，车道数目的变化用从弧起点开始度量的偏移距离或覆盖百分比来记录。这些路线系统不能跨越多于一个弧段，否则会改变网络拓扑。3. 记录转弯处车道的连通性和弧内平行车道的连通性（这关系到车辆的换道行驶），前者通过扩展前述的转向表结构实现，后者通过几何形态或作为弧的一个属性来表示。在结点在结点

6、-弧段弧段模型添加车道信息的策模型添加车道信息的策略略(Fohl et a1.1996; Gottsegen, Goodchild, and Church 1994)图图3-15 基于车道的导航数据模型的关系模式（基于车道的导航数据模型的关系模式（Fohl et al 1996）Lane idStreet idfromTo lane车道的开始位置车道的结束位置Lane idTurn idpositionTo laneTo positionimpedance源车道的开始位置目标车道目标车道的结束位置Lane idTurn id startendTo laneTo offsetdistanceim

7、pedance车道内转向开始的位置车道内转向结束 的位置转向的目标车道目标车道上转向开始的位置完成转向的所需的线性距离车道车道点转向表点转向表线性转向表线性转向表2. 三维数据模型三维数据模型 经典的结点-弧段模型无法应用于下列领域： 坡地和山地真实距离的测量 三维结构的表示，如上穿或匝道 一个弧段上分配了多条路线 通过捕获空间的第三维，GIS可以有效地支持高级ITS应用（Bespalko，Ganter和Van Meter1996） 面向对象的三维数据模型可以辨别道路交叉是从上越过、从下穿过还是平面相交，从而可以提供通过复杂道路交叉口或匝道时的导航服务 视觉增强技术通过智能显示器来估测行驶速度

8、、方向以及贴近信息 合成的3D信息可以实时地预测潜在的车辆冲撞 无人驾驶需要道路传感器的准确信息以及驾驶环境的实时反应3. 分布式互操作交通数据库分布式互操作交通数据库 由于ITS地理和功能的不断扩大，集中式的交通数据管理不能满足ITS在区域或国家层面处理动态交通数据的需求 分布式的数据库有利于用户间的数据共享，但不利于数据的准确性和完整性 由于ITS应用的多面性，集成数据库涉及语义、模式和语法异构问题，但语义异构问题是很难解决的。集成数据库的最大障碍是人而不是技术本章小结本章小结第第5 5节节 第三章第三章 GIS-T数据模型数据模型第四章第四章 交通数据源与集成交通数据源与集成第一节第一节

9、 大地测量中的基本概念大地测量中的基本概念第二节第二节 交通数据获取及数据产品交通数据获取及数据产品第三节交通数据集成第三节交通数据集成第四节空间数据质量第四节空间数据质量第五节第五节 空间及网络聚集空间及网络聚集第六节本章小结第六节本章小结大地测量中的几个基本概念大地测量中的几个基本概念第第1 1节节 第四章第四章 交通数据源与集成交通数据源与集成1 . 大地测量基准大地测量基准Geodetic datum图图4-1 球体球体sphere、参考椭球面、参考椭球面ellipsoid和大地水准面和大地水准面geoid大地水准面大地水准面geoid：面上各点的重力势（mgh）相等，且与重力方向垂直

10、的曲面参考椭球面参考椭球面ellipsoid ：代表某一地区大地水准面的地球椭球,地面上一切观测元素都应归算到参考椭球面上，并在这个面上进行计算。它是大地测量的计算基准面，也是研究地球形状的地图投影参考面高程基准高程基准面面：就是地面点高程的统一起算面，由于大地水准面所形成的体形与整个地球体形最为接近，通常采用大地水准面作为高程基准面（1956黄海高程系统和1985国家高程基准）基准基准参考椭球体参考椭球体使用的地区使用的地区Australian Geodetic 1984澳大利亚澳大利亚European 1979欧洲（不包括英国）欧洲（不包括英国）Indian 印度，尼泊尔印度，尼泊尔Kor

11、ean Geodetic System南韩南韩North American Datum 1927(NAD 27)加拿大、美国、墨西哥、中美加拿大、美国、墨西哥、中美洲洲North American Datum 1983(NAD 83)加拿大、美国、墨西哥、中美加拿大、美国、墨西哥、中美洲洲Ordance Survey Great Britain 1936U.K.S-42(Pulkovo 1942)Krassovsky1940东欧东欧South American 1969South American1969南美南美TokyoBessel1841日本、韩国日本、韩国World Geodetic S

12、ystem1972WGS72全球定义全球定义World Geodetic System1984WGS84全球定义全球定义北京北京54、西安、西安80Krasovsky椭球、椭球、IUGG75椭球椭球中国中国表表4-1 世界各地常用世界各地常用的大地测量的大地测量基准基准 在使用不同测量基准的数据集上操作GIS功能会产生位置误差（可能达到1km），因此，当多个基于不同测量基准的GIS数据集用于GIS应用时，测量基准的换算是必不可少的。 World Geodetic System1984是最新的大地水准面，它具有几个有价值的特性： 支持海拔、经纬度的测量 它以地球质心为中心并支持GPS 它是国际标

13、准，因此，支持国际数据的集成 与North American Datum (NAD83)兼容 地图投影是曲面上的位置到平面上的位置的数学变换 根据投影过程中几何扭曲的性质将地图投影分为三类 Conformal map projections保形地图投影 保持原地理要素的角度和小的区域（如，墨卡托投影） Equal-area map projections等面积地图投影 保持原要素的面积，但角度和形状不保持（如，兰伯特投影） Equidistant map projections等距地图投影 只能保持一两个选定点之间的距离不变2. 地图投影 由于不同地图投影中的几何扭曲的类型不同，通常在GIS的

14、分析和显示功能被用于地图层之前，转换所有的GIS图层到同一个地图投影，地图投影的选择依赖于感兴趣的地球表面的位置和项目的需求 对于涉及区域较小、精度要求不高的项目，投影引起的扭曲较小，可以忽略，反之，则应仔细评估扭曲，确保满足项目需求 从弯曲的地球表面开发2-D地图时，每个地图投影选择特定的子午线作为中央参考地址，因此，通常，离子午线越远的位置扭曲越大 我国测绘部门使用地图投影 我国的基本比例尺地形图(1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万) 大于等于50万的均采用 高斯高斯-克吕格投影克吕格投影(Gauss-Kruger)，这是一个横轴椭

15、圆柱面等角投影 小于50万的地形图采用等角正轴割园锥投影，又叫兰勃特投影(Lambert Conformal Conic)； 海上小于50万的地形图多用等角正轴圆柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator)。 它把地球视为球体，假想一个平面卷成一个横圆柱面并把它套在球体外面，使横轴圆柱的轴心通过球的中心，球面上一根子午线与横轴圆柱面相切。这样，该子午线在圆柱面上的投影为一直线，赤道面与圆柱面的交线是一条与该子午线投影垂直的直线。将横圆柱面展开成平面，由这两条正交直线就构成高斯-克吕格平面直角坐标系。为减少投影变形，高斯-克吕格投影分为3度带和6度带投影高斯-克吕格投影 两类主要的坐标系统 地理坐

16、标系统使用经纬度标识位置(3D网格)3. 坐标系统坐标系统赤道的经1度表示111.321 km北纬60度的经1度表示55.802 km 平面坐标系统(2D网格) 笛卡尔坐标系统 极坐标系统 大多数GIS系统基于地理坐标系统或笛卡尔坐标系统，极少使用极坐标系统 许多国家和国际的测绘机构采用横轴墨卡托Universal Transverse Mercator(UTM)坐标系统 Universal Transverse Mercator(UTM)坐标系统 基于Transverse Mercator map projection(保形地图投影的一种) 地球东西分成60个区，每个区6度 覆盖南纬80度，

17、北纬84度，从南到北分成20个区，除北纬最后一各分区12度外，其余各区均为8度，用字母C到X标识，字母O和I略去不用，避免与0和1混淆 使用伪原点（在南半球，赤道南10,000,000米与每个UTM区中心线西500,000米交点。在北半球，每个UTM区中心线西500,000米与赤道的交点）定义每个区内位置的坐标1800W1680W60W1620E1740E1800E800S720S80S80N720N840N赤道赤道子午线子午线60E12330315859 603N。X图图4-34-3 Universal Transverse Mercator(UTM)Universal Transverse

18、 Mercator(UTM)坐标系坐标系统统1680W1740E1620EWNMCD U.S. Military Grid Reference System是UTM的扩展 将每个UTM区分成100X100km2的单元，用两个字母标识每个单元 单元内的位置以单元的西南角为原点，测量东和北方向的偏移 坐标形式如18SUT9210620137，精度取决于UT后的位数，最多10位，精度可达1m State plane coordinate system(SPCS) (Snyder1987)简化各州的本地测绘计算 British National Grid System（是一种层次结构的坐标系统，略）4

19、 地图比例尺地图比例尺地理范围地理范围活动活动地图比例尺（寸）地图比例尺（寸）数据精度数据精度（英尺）（英尺）概括概括级别级别省省省际规划省际规划1：500,000830高高多个地区多个地区走廊选址走廊选址1：500,0008301：100,000170地区地区地区规划地区规划1：100,000170城市区域城市区域设施设施1：100,000170管理管理1：24,0001：12,0004030项目项目走廊分析走廊分析1：24001：12004030工程设计工程设计/建建筑筑1：12001：12030.33低低表表4-24-2 GIS-T应用及相关数据应用及相关数据需求（需求（Vonderoh

20、e et al 1993Vonderohe et al 1993）交通数据获取及数据产品交通数据获取及数据产品第第2 2节节 第四章第四章 交通数据源与集成交通数据源与集成 地理数据获取系统由三个主要部分构成 运载技术：人载技术、车载技术、机载技术、星载技术 地理参照技术：车载测距仪distance measuring instruments（相对距离）、惯导系统inertial navigation systems（方向、距离）、雷达或激光测距仪rangefinder（从设备到目标）、全球定位系统全球定位系统global position system(定位定位) 地理描述技术： 键盘和语音

21、识别系统、数码相机或摄像机、遥感、交通流采样和监视设备遥感、交通流采样和监视设备2.1地理数据获取系统地理数据获取系统 GPS构成 空间段：24颗地球轨道卫星（21颗导航卫星、3颗备用卫星）12小时为周期运行于地球上空20200公里的六个轨道上 控制段：5个监测站接收GPS卫星的信号并上载必要的矫正数据、3个地面天线 用户段：GPS接收机和用户群 GSP提供的服务（2000年以前） 针对美国及其军事联盟用户提供的精准定位服务（水平22m，垂直27.7m） 全球范围内民用的标准定位服务（水平100m，垂直156m）全球定位系统全球定位系统GPS GPS定位原理地球地球卫星坐标已知卫星坐标已知距离

22、可测距离可测XYZ GPS在交通的应用 导航工具 危险品运输、车队管理、应急车辆派发以及智能交通系统中的车辆自动定位系统 GPS记录的经纬度坐标可以用来绘制GIS地图层的点、线、多边形 使用车载GPS通过纪录位置和视频图像获取交通基础设施的数据（Novak and Nimz 1997） 使用车载GPS通过纪录位置和时间间隔获取更加准确的行程时间(Guo and Poling 1995) 使用GPS获取交通数据的主要缺点是GPS与卫星的通讯限制了GPS在市区范围的使用 主要关注从图象抽取交通网络数据的问题以及新的高分辨率的RS系统在交通领域的潜在应用 GIS与RS高度互补的 RS是GIS的丰富数

23、据源 GIS通过支持图像的处理、可视化以及集成辅助信息，可以改善遥感图像的校正和分类过程 GIS通过集成高分辨率的遥感系统可以有效支持分析和决策，以往主要用于环境应用，现在越来越多地用于交通交通数据的遥感交通数据的遥感(Remote Sening)（Jensen1996；Lillesand等等2000；Richards等等1999）遥感图像的校正遥感图像的校正 图像传感技术和平台的分类 两类图像传感技术（主动和被动）、两类遥感平台（基于卫星和飞机） 主动图像传感器:发射能量到目标并记录其返回，用于获取地形信息 无线电波雷达(RADAR-radio detection and ranging)：

24、可以穿透云层和植被 激光雷达(LIDAR-light detection and ranging)：可以穿透云层 被动遥感设备：记录太阳反射的电磁能量或目标发出的红外能量，用于获取研究领域的地表及地质特征 航空或卫星摄影设备 采样其他电磁谱非可见带宽的传感器常娥二号CCD立体相机距月表面20公里拍摄的月球表面遥感图像（图像分辨率1.4米，DEM空间分辨率4米） 选择图像传感器技术和平台需要考虑的因素 空间分辨率：卫星1-10m；航拍0.25m2 ；雷达8-50m；合成孔径雷达SAR(synthetic aperture radar)sub-meter；激光雷达精度高于sub-meter 谱分辨

25、率：不同的频带反映了不同的地表、基础设施、大气条件和地质特征。被动遥感设备4个频带（可见颜色(V)0.4-0.7微米，近红外(NIR)0.7-1.1微米，中红外(MIR)1.5-2.5微米，远红外(TIR)3-12微米）；全色传感器系统（P）0.5-0.7微米；多谱传感器系统3-7个可见光范围内的频带；超普传感器系统200个可见和红外范围内的频带；雷达3个频带；激光雷达1个频带 时间分辨率：机载传感器具有较高的频率；星载传感器1天或几周；地球同步卫星可以连续监视给定的研究区域 拍摄场景的尺寸：航拍或激光雷达数米；卫星系统数十至数百公里人工要素人工要素时间分辨率时间分辨率空间分辨率（米）空间分辨率（米）谱分辨率谱分辨率应急响应应急响应事前应急事前应急1-5年年1-5P,V,NIR事后应急事后应急12小时小时-2天天0.25-2P,V,NIR,R毁坏的交通、房毁坏的交通、房屋等设施和服务屋等设施和服务1-2天天0.25-1P,V,NIR交通基础设施交通基础