三维道路交通网络空间分析方法研究课件

1、国家自然科学基金项目申请复杂道路交通网络的三维模拟及其路径分析方法研究张志华2012年11月29日题目复杂道路交通网络的三维模拟及其路径分析方法研究题目缺乏新意，欲改为三维交通网络模型构建及其空间分析方法研究三维交通网络模型构建及其路径分析方法研究一、项目概述摘要：随着城市化进程的加快，使得城市的道路交通网络日益复杂化，给城市发展带来窘困，为有效制定城市的发展规划，有必要深入研究复杂道路交通网络的空间形态与空间分布。在对国内外道路网络建模分析与空间分析的基础上，通过对城市道路交通网拓扑关系的分析，研究复杂道路交通网(含有立交桥、转盘、隧道等)的三维建模数据模型及其数据结构、网络分析数据模型及其

2、数据结构、三维建模方法及其建模步骤；对复杂交通网络进行路径分析，重点研究最短路径分析、最佳路径分析以及含约束的路径分析等；基于上述研究，设计并研发复杂交通网络的三维模型可视化与路径分析实验系统。通过对实验系统进行实地应用，完善所提出的数据模型、建模方法、路径分析方法等。本项研究对促进“数字城市”理论和方法的发展具有重要意义。 一、项目概述研究意义： 随着城市化进程的不断推进，城市地上与地下的交通设施日益发达，高架路和地下通道与地面道路一起呈现出错综复杂的大立体特征，使得现有的二维电子地图无法直观地反映道路之间的交错关系，同时，面向车道复杂而细致的交通规则应运而生，如单行道、公交专用线、限速车道

3、、限高限重车道、禁止转向车道、交通时段管制车道等。如何描述细致真实的道路特征、表达复杂的交通现象、提供快速准确的路径规划与导航等已成为智能交通和应急管理等领域迫切需要解决的关键科学问题1-2。 一、项目概述国内外研究现状及分析：1. 道路交通三维数据模型与建模方法研究现状及分析。第一类为点-弧段模型，包括传统的点-弧段模型、静态分段技术下的点-弧段模型、动态分段技术下的点-弧段模型；第二类为基于车道的数据模型。2.路径分析研究现状及分析。 空间分析是基于地理对象的位置和形态的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。空间分析是包括交通网络信息系统在内的地理信息系统的主要特征。建立三维交通

4、网络模型后，还希望在此基础上能够进行空间分析，也只有当三维交通网络信息系统具有了空间分析功能后，才能发挥更大的作用。 最短路径分析 网络分析 最佳路径分析 算法：Dijkstra算法及其很多改进算法 ；Floyd算法；矩阵算法等一、项目概述参考文献肖乐斌, 钟耳顺, 刘纪远, 等. GIS概念数据模型的研究. 武汉大学学报-信息科学版, 2011, 26(5): 387-392.Li Xiang, Lin Hui. A Trajectory-Oriented Carriageway-Based Road Network Data Model, Part 1: BackgroundJ. Geo-

5、spatial Information Science, 2006, 9(1): 65-70.期刊一定好一些的，最好是SCI或EI刊源的。期刊出版的时间最好是近5年的多一些。最好还能有当年出版的刊物。外文期刊也应多些。要尽量全面考虑本专业研究方向的学者文献的引用。二、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题研究内容（1）三维道路交通网络数据模型与数据结构研究 包括构成道路、桥梁、隧道等三维模型的基本元素、基本对象，以及这些基本元素、基本对象之间的空间逻辑关系，给出具体的三维数据结构。（2）三维道路交通网络模型的实现方法研究 基于上述三维道路交通网络模型的数据模型与数据结构，研究其具体

6、的实现方法。重点研究模型的剖分和集成方法，从而达到模型的无缝集成，为模型的路径分析和空间查询奠定基础。（3）三维道路交通网络空间分析方法研究 研究城市道路网信息的抽象表达形式；系统分析复杂道路交通网络的本质特征，构建交通地理网络概念模型；研究符合交通地理网络空间特点的数据结构形式和网络连通性表达模型；在统一的三维坐标体系下构建城市道路交通三维网络的空间数据模型，包括三维地理网络结构模型、网络空间关系模型、网络元素空间属性数据管理模型等。与模型研究相对应的是数据结构和算法的研究，而且数据结构和算法是研究的核心和难点所在。根据道路交通网络模型的特点，研究约束路径分析、最短路径分析、最佳路径分析等。

7、重点将最短路径分析、最佳路径分析应用在城市应急指挥（110匪警、119火警、120急救）等方面。（4）实验与应用研究 针对所提出的三维交通网络模型构建和空间分析的数据模型、数据结构、模型生成方法和空间分析方法，设计、开发出实验系统，并以具体的城市道路网为例进行实际应用，验证研究成果的实用性和有效性，并对研究成果中的不足进行修改和完善。 二、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题研究目标：（1）提出一种新的三维道路交通网络拓扑数据模型与数据结构，可以实现道路交通网模型的构建，为研究可视化三维道路交通网络建模和空间分析及空间查询提供理论基础。（2）提出一套基于上述数据模型的三维道路交通

8、网络建模和路径分析方法，该方法重点为城市规划、交通运输、旅游出行等提供决策依据，为研究三维道路交通网络建模和路径分析及空间查询提供方法基础。二、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题拟解决的关键问题 （1）能够表达复杂道路交通网络对象几何特征、属性特征和拓扑关系特征的三维拓扑数据模型是本项研究拟解决的一个关键问题。（2）复杂三维道路交通网络模型构建时，模型的剖分与集成方法是本项研究要解决的另一个关键问题。（3）含有约束条件的路径分析仍然是本项研究的难点所在。三、拟采取的研究方案及可行性分析 研究方法对城市道路网三维数据模型和数据结构的研究是本项研究的重点和关键。拟采用面向对象方法、

9、地理信息系统中空间实体拓扑关系分析方法、点集拓扑学方法和数据库技术分析方法研究实用的三维道路建模的数据模型和数据结构。综合运用计算几何方法、地理信息系统、计算机图形学与图像处理方法进行三维道路网模型的生成、道路网内相关实体的空间查询和路径分析方法研究，尤其是约束路径分析、最佳路径分析等。三、拟采取的研究方案及可行性分析 技术路线 （1）复杂三维道路交通网络模型构建的数据模型和数据结构研究技术路线；（2）复杂三维道路交通网络模型的生成方法研究技术路线；（3）路径分析技术路线；（4）模型的三维可视化技术路线；（5）实验与应用研究；三、拟采取的研究方案及可行性分析实验手段与可行性分析 （1）拟在微机

10、Window XP环境下，利用空间数据库管理系统SQL Server、面向对象的可视化程序设计语言VC+和三维图形库OpenGL进行实验系统的研发。（2）拟以兰州市城关区、安宁区和七里河区的数据资料为例，对所研发的实验系统进行验证和完善。 课题组有微机10台，课题申请者和几名在职人员近年来在三维建模、地理信息系统和数据库系统开发、图形图像处理与可视化方面做了大量研究工作，完成了“兰州石化公司三维仿真可视化信息管理系统”，在三维建模与空间分析方面积累了丰富的经验。因此，课题组具有完成本项目的基本条件和实力。 三、拟采取的研究方案及可行性分析关键技术（1）对城市道路交通网络进行抽象和分类，并对各类

11、对象及其拓扑关系进行定义。（2）在三维情况下，各种路口的相交情况、立交桥、高架桥、转盘、桥梁以及隧道等的建模方法。（3）复杂三维道路交通网络的约束路径分析、最短路径分析、最佳路径分析等算法。 三、拟采取的研究方案及可行性分析本项目的特色与创新之处：采用面向对象的方法，提出一种新的适合城市道路网络建模和路径分析的三维数据模型与数据结构。该数据模型对城市交通网络及其构模元素进行合理的抽象分类，为城市三维交通网络模型构建与路径分析方法研究奠定基础。在具体的建模过程中，提出一种模型的剖分方法，既考虑了各构模元素之间的拓扑关系，又能兼顾剖分后模型的构建难易；针对前述的模型剖分方法，研究剖分后模型的集成方

12、法，达到模型整体的无缝集成。提出基于城市道路交通网络模型的最短路径分析、最佳路径分析以及含有约束条件的路径分析等空间分析方法。本项研究中，根据城市交通网络模型的特点，考虑同时存在多种条件下的路径分析（例如，上下班时间段、道路维修、交通事故等），结合复杂三维交通网络（例如，道路网含有高架桥、立交桥、隧道等复杂情况），确定各种路径分析的数据模型。2011年青年基金评审意见 申请书瞄准现有研究与应用普遍缺乏三维交通拓扑关系表达与分析的缺陷，研究三维道路交通网络数据模型及其路径分析方法，立题新颖，对于丰富三维地理信息系统（3D GIS）、交通地理信息系统（GIS-T）数据建模理论与方法，支持多维高精度

13、交通管理与应用，促进数字城市发展，具有较重要的意义。 项目的特色与创新点在于：1）提出了一种基于对象的城市道路网络三维数据模型；2）提出了基于三维路网拓扑的含约束条件的路径分析方法。 项目申请研究内容和总体方案较好，前期研究工作能为项目的实施提供有效支撑，具备可行性。2011年青年基金评审意见 三维道路交通网络建模及路径分析相关研究具有重要的理论与应用价值，项目研究目标基本明确，但是创新点不足，具体表现在：（1）道路路网三维数据模型和数据结构的研究方法、技术路线阐述过于简单，不够深入和明确，未体现出申请人自己的研究思路，以及与前人研究成果的不同之处。（2）对三维交通路网中路径分析方法、算法研究

14、现状的文献综述欠缺，申请人此部分从抽象、构建网络数学模型和对传统平面路径算法的改进展开研究，然而在技术路线中并未看出具体的三维网络模型构建思路和传统路径算法用于三维分析的改进思路。总体而言，项目研究的创新性不够。因此，不建议对该项目予以资助。 2011年青年基金评审意见 三维GIS数据模型、相关算法以及可视化的发展一直是近几年的研究前沿，而面向复杂道路交通网络的三维模型和路径分析方法是其中一个重要研究内容，选题具有前沿性和重要应用价值。该申请书对研究进展阐述的较为全面和深刻；研究内容设计合理，提出将复杂道路剖分若干特征分别研究，较以往相关课题具有新意；技术路线和实验手段可行；研究基础良好；预算

15、经费略偏高。综合考虑申请书在前期文献分析的系统性，以及提出的研究内容具有一定创新性，且研究基础较为合适，可资助。 2012年地区基金评审意见 该申请选题为复杂道路交通网络的三维模拟及其路径分析方法研究，虽然此类问题不是一个新的研究问题，长期以来一直存在，但至今没有非常好的解决方案，因此该课题仍具有一定的研究价值。 研究内容中提出一种新的三维道路交通网络拓扑数据模型与数据结构，这里的“新”主要强调增加拓扑关系等特征，这与现有三维道路交通网络模型相比有何优势还有待进一步深入分析。拓扑关系的记录会增加存储量，同时当道路网发生更新维护时，相应的拓扑关系也需要随之同步更新，这些额外的开销与其优势相比是否

16、值得还需详细探讨。含有约束条件的路径分析作为该课题的研究难点之一，具体的研究思路及其创新之处在研究方案中还需进一步讨论，以突出其特色。 研究方案总体而言层次清晰，结构较完整。申请人及研究团队在此研究领域具有一定的研究基础，为项目的顺利完成提供了保障。虽然该课题在创新性方面还有待进一步突出，但鉴于作为地区基金申请项目，在地区发展中具有一定的实际研究意义，因此建议对该项目予以资助。 2012年地区基金评审意见 1）交通网三维建模研究在国内外已有很多文献和成果。基于三维交通模型的路径查找也有新的进展。课题拟在现有研究的基础上深化，试图突破基于交通规则变化的拓扑表达和三维路径寻优瓶颈，具有一定的意义。

17、但缺乏对三维寻优文献回顾。 2）在研究目标和内容上未见提出针对已有研究缺陷的改进，仅仅陈述了一般的数据模型结构和网络分析方法研究。关键问题反映的也是一般交通建模和路径优化面对实用化必须解决的问题，新意不足。3）研究采用地理数据建库常用的拓扑学和数据库技术，3D可视化常用的几何学和计算机图形学等，利用一般编程语言和开发平台实现系统开放。技术路线尚可，但缺乏对一些关键方法在技术层面的表述，未能表明申请人有清晰的研究思路。关键技术也流于一般。4）申请人做过数字矿山和三维地质建模的工作，然而似乎对地面交通和导航并不熟悉。所承担过的科研项目多在于地理地质数据建模和可视化方面，其三维巷道空间分析可以提供一些基础。由于申请课题的前期工作基础较差，研究思路不够清晰，大量时间和资源将会花费在数据收集和数据建模上；面对已存在的许多类似课题研究，这一团队的研究难有创新突破。 2012年地区基金评审意见 复杂道路交通网络三维模拟及其信息处理分析是地理信息技术的重要应用领域，也是数字城市建设的重要内容之