交通地理信息系统

nbsp;   序
    当今世界，科学技术突飞猛进，全球经济一体化趋势进一步加强，科技对于经济增长的作
用日益显著，教育在国家经济与社会发展中所处的地位日益重要。进入新世纪，面对国际国内
经济与社会发展所出现的新特点，我国的高等教育迎来了良好的发展机遇，同时也面临着巨大
的挑战，高等教育的发展处在一个前所未有的重要时期。其一，加入WID，中国经济已融入到
世界经济发展的进程之中，国家间的竞争更趋激烈，竞争的焦点已更多地体现在高素质人才的
竞争上，因此，高等教育所面J陆的是全球化条件下的综合竞争。其二，我国正处在由计划经济
向社会主义市场经济过渡的重要历史时期，这一时期，我国经济结构调整将进一步深化，对外
开放将进一步扩大，改革与实践必将提出许多过去不曾遇到的新问题，高等教育面临加速改革
以适应国民经济进一步发展的需要。面对这样的形势与要求，党中央国务院提出扩大高等教
育规模，着力提高高等教育的水平与质量。这是为中华民族自立于世界民族之林而采取的极
其重大的战略步骤，同时，也是为国家未来的发展提供基础性的保证。
    为适应高等教育改革与发展的需要，早在1998年7月，教育部就对高等学校本科专业目
录进行了第四次全面修订。在新的专业目录中，土木工程专业扩大了涵盖面，原先的公路与城
市道路工程，桥梁工程，隧道与地下工程等专业均纳入土木工程专业。本科专业目录的调整是
为满足培养“宽口径”复合型人才的要求，对原有相关专业本科教学产生了积极的影响。这一
调整是着眼于培养21世纪社会主义现代化建设人才的需要而进行的，面对新的变化，要求我
们对人才的培养规格、培养模式、课程体系和内容都应作出适时调整，以适应要求。
    根据形势的变化与高等教育所提出的新的要求，同时，也考虑到近些年来公路交通大发展
所引发的需求，人民交通出版社通过对“八五”、“九五”期间的路桥及交通工程专业高校教材体
系的分析，提出了组织编写一套21世纪的具有鲜明交通特色的高等学校教材的设想。这一设
想，得到了原路桥教学指导委员会几乎所有成员学校的广泛响应与支持。2000年6月，由人
民交通出版社发起组织全国面向交通办学的12所高校的专家学者组成21世纪交通版高等学
校教材(公路类)编审委员会，并召开**次会议，会议决定着手组织编写土木工程专业具有交
通特色的道路专业方向、桥梁专业方向以及交通工程专业教材。会议经过充分研讨，确定了包
括基本知识技能培养层次、知识技能拓宽与提高层次以及教学辅助层次在内的约l30种教材，
范围涵盖本科与研究生用教材。会后，人民交通出版社开始了细致的教材编写组织工作，经过
自由申报及专家推荐的方式，近20所高校的百余名教授承担约130种教材的主编工作。2001
年6月，教材编委会召开第二次会议，全面审定了各门教材主编院校提交的教学大纲，之后，编
写工作全面展开。
    2】世纪交通版高等学校教材编写工作是在本科专业目录调整及交通大发展的背景下展
开的。教材编写的基本思路是：(1)顺应高等教育改革的形势，专业基础课教学内容实现与土
木工程专业打通，同时保留原专业的主干课程，既顺应向土木工程专业过渡的需要，又保持服
务公路交通的特色，适应宽口径复合型人才培养的需要。(2)注重学生基本素质、基本能力的
培养，为学生知识、能力、素质的综合协调发展创造条件。基于这样的考虑，将教材区分为二个
主层次与一个辅助层次，即基本知识技能培养层次与知识技能拓宽与提高层次，辅助层次为教
学参考用书。工作的着力点放在基本知识技能培养层次教材的编写上。(3)目前，中国的经济
发展存在地区间的不平衡，各高校之间的发展也不平衡，因此，教材的编写要充分考虑各校人
才培养规格及教学需求多样性的要求，尽可能为各校教学的开展提供一个多层次、系统而全面
的教材供给平台。(4)教材的编写在总结“八五”、“九五”工作经验的基础上，注意体现原创性
内容，把握好技术发展与教学需要的关系，努力体现教育面向现代化、面向世界、面向未来的要
求，着力提高学生的创新思维能力，使所编教材达到先进性与实用性兼备。(5)配合现代化教
学手段的发展，积极配套相应的教学辅件，便利教学。
    教材建设是教学改革的重要环节之一，全面做好教材建设工作，是提高教学质量的重要保
证。本套教材是由人民交通出版社组织，由原全国高等学校路桥与交通工程教学指导委员会
成员学校相互协作编写的一套具有交通出版社品牌的教材，教材力求反映交通科技发展的先
进水平，力求符合高等教育的基本规律。各门教材的主编均通过自由申报与专家推荐相结合
的方式确定，他们都是各校相关学科的骨干，在长期的教学与科研实践中积累了丰富的经验。
由他们担纲主编，能够充分体现教材的先进性与实用性。本套教材预计在二年内完全出齐，随
后，将根据情况的变化而适时更新。相信这批教材的出版，对于土木工程框架下道路工程、桥
梁工程专业方向与交通工程专业教材的建设将起到有力的促进作用，同时，也使各校在教材选
用方面具有更大的空间。需要指出的是，该批教材中研究生教材占有较大比例，研究生教材多
具有较高的理论水平，因此，该套教材不仅对在校学生，同时对于在职学习人员及工程技术人
员也具有很好的参考价值。
    2l世纪初叶，是我国社会经济发展的重要时期，同时也是我国公路交通从紧张和制约状
况实现全面改善的关键时期，公路基础设施的建设仍是今后一项重要而艰巨的任务，希望通过
各相关院校及所有参编人员的共同努力，尽快使全套2l世纪交通版高等学校教材(公路类)尽
早面世，为我国交通事业的发展做出贡献。
    2l世纪交通版
    高等学校教材(公路类)编审委员会
    人民交通出版社
    2001年12月
前    言
    地理信息系统(GIS)起源于20世纪60年代，它作为一种采集、存储、管理、查询、检索、分
析、描述、显示与应用地理信息的空间信息系统，在短短40多年内取得了惊人的发展，并广泛
地应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通管理、经济建设等军用、民用
众多领域。目前，地理信息系统已逐步发展成为一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、现
代测绘学、环境科学、工程科学、空间科学和管理科学为一体的跨多学科、多领域的新兴学科。
    作为地理信息技术在交通领域的延伸，交通地理信息系统(GIS-T)是地理信息系统与多
种交通信息分析和处理技术的集成，是专门为研究和解决交通领域问题而形成的地理信息系
统，其应用涵盖了交通领域十分宽广的范围，如交通基础设施规划与设计、交通规划和实施、交
通分析和控制i交通安全分析、交通项目环境影响评估、交通建设项目管理、交通基础设施管
理、交通运营管理，以及配置和管理复杂的物流管理系统、智能交通系统等。正由于交通地理
信息系统是在地理信息系统的基础上发展起来的，因此交通地理信息系统不仅涵盖了地理信
息系统所有的功能，具有与地理信息系统相同的基础理论、技术体系、模型和方法，而且由于交
通行业本身的专业特点和应用上的需求所决定的研究对象和方法上的差异，以及交通信息与
地理信息的不同，交通地理信息系统还具有其鲜明的行业特色。
    考虑到交通地理信息系统的上述特点，以及土木工程、交通工程等专业本科生及研究生大
多没有接触过地理信息系统课程和技术上的系统学习和培训等因素，因此本书从地理信息系
统基本理论、原理、方法人手，在总结地理信息系统在交通领域的研究、开发与实际工程应用的
基础上，结合国内外有关研究成果和交通地理信息系统的发展趋势，系统地对交通地理信息系
统的基本原理、基本方法及其在交通领域的各种应用进行论述。为便于非“地理信息系统”专
业的师生的学习，本书在内容的安排上，对交通地理信息系统的理论模型和公式推导进行了系
统全面的论述，但是没有作为重点花太多篇幅来描述，而是侧重从交通行业应用的角度，系统
介绍交通地理信息系统的基本原理，基本方法，系统的分析、设计与实现，以及GIS-T在交通领
域各方面的实际应用。本书在编写中力求全面、系统，并尽可能地注重理论与实际相结合，以
增强其实用性、可读性和可操作性。希望通过对本教材的学习，使学生能对交通地理信息系统
有一个系统、全面的了解和认识，并能够利用GIS-T技术解决交通领域的具体问题。
    全书共分十章：**章，绪论，重点介绍地理信息系统及交通地理信息系统的基本概念、组
成及功能，发展历史及研究与应用现状；第二章介绍了有关地理空间及空间数据的基本知识，
空间数据来源，空间数据质量及评价，以及空间数据标准化等问题；第三章，介绍了GIS数据
库，各种空间数据模型与结构，以及空间数据的组织与管理；第四章，空间数据处理与维护，阐
述了坐标体系的转换与坐标校核，数据的压缩与编码，数据库的更新与维护，以及3s(GPS、Rs
与GIS)数据一体化等内容；第五章，介绍了空间信息分析的基本方法，数字地面模型，以及空
间信息的可视化与空间查询等内容；第六章，介绍基于网络的地理信息系统的基本概念和网络
地理信息系统的设计；第七章，详细论述了交通信息特点、线性参照系统、大地坐标与公路里程
的相互转换、动态分段技术，及交通地理信息系统数据模型等交通地理信息系统实现的关键技
术；第八章，讨论了交通地理信息系统的开发模式、开发策略、开发步骤等系统开发方面的问
题，并结合交通地理信息系统开发实例，介绍了交通地理信息系统的开发方法和具体实现全过
程；第九章，介绍了交通地理信息系统在交通行业的各种应用情况；第十章，对国内外有代表性
的成熟GIs系统软件进行了介绍，并对地理信息系统的发展趋势进行了展望。
    本书**章、第九章由符锌砂编写，第二章、第十章由郭云开编写，第三章、第五章由黄桂
兰编写，第四章、第六章由贺志勇编写，第七章、第八章由桂岚编写。研究生姚岢、杨华剑等同
学在资料收集、整理和书稿校对等方面做了很多工作。全书由符锌砂进行统一整理和统稿。
本教材编写过程中，参考了许多国内外相关文献和著作，吸收了许多专家学者的研究成果，在
此对他们表示感谢。
    本书可作为高等学校土木工程专业(道路方向)、道路桥梁与渡河工程专业及交通工程等
专业本科生和研究生的教材或教学参考书，也可供交通行业有关的技术人员、工程设计人员和
研究开发人员学习和参考。希望该书的出版，对交通地理信息系统在交通领域的研究和应用
起到很好的促进作用。
    交通地理信息系统技术发展迅速，内容丰富，涉及多个学科和领域的交叉与融合，涉及的
研究范围很广。由于编者水平所限，本书如有不妥之处，热忱希望读者给予指正。
    符锌砂
    2006年8月

第五章  空间信息的查询与分析
    空间分析是对分析空间数据有关技术的统称。根据作用的数据性质不同，可以分为：
    (1)基于空间图形数据的分析运算；
    (2)基于非空间属性的数据运算；
    (3)空间和非空间数据的联合运算。
    空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数
理统计分析，代数运算等数学手段，*终的目的是解决人们所涉及地理空间的实际问题，提取
和传输地理空间信息，以辅助决策。
**节  空间关系的基本概念
在地理信息系统中集中存储了以下的内容：
-空间分布位置信息
·属性信息
·拓扑空间关系信息。
由此可见，空间位置、关系与度量的描述在GIS中起着举足轻重的作用。
地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线(或弧)、多边形(区域)之间的空间几何关
系，
(2)分离。
(3)一点为其他诸点的几何中心。
(4)一点为其他诸点的地理重心。
2．点一线关系
(1)点在线上：可以计算点的性质，如拐点等。
(2)线的端点：起点和终点。
(3)线的交点。
(4)点与线分离：可计算点到线的距离。
3．点一面关系
(1)点在区域内，可以记数和统计。
(2)点为区域的几何中心。
(3)点为区域的地理重心。
(4)点在区域的边界上。
(5)点在区域外部。
4．线一线关系
(1)重合。
(2)相接：首尾环接或顺序相接。
(3)相交。
(4)相切。
(5)并行。
5．线一面关系
(l)区域包含线：可计算区域内线的密度。
(2)线穿过区域。
(3)线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称。
(4)线与区域分离。
6．面一面关系
(1)包含：如岛的情形。
    (2)重合。
    (3)相交：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或。
    (4)相邻：计算相邻边界的性质和长度。
    (5)分离：计算距离、引力等。
    近年来，空间关系的理论与应用研究在国内外都非常多。它为地理信息系统数据库的有
效建立、空间查询、空间分析、辅助决策等提供了*基本的关系。
    空间关系包含三种基本类型，即拓扑关系、方向关系、度量关系。
    拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在
拓扑变换下能够保持不变的几何属性——拓扑属性。为了得到一些拓扑的感性认识，假设欧
氏平面是一张高质量无边界的橡皮，该橡皮能够伸长和缩短到任何理想的程度。想象一下基
于这张橡皮所绘制的图形，允许这张纸伸长但是不能撕破或者重叠，这样原来图形的一些属性
将保留，而有些属性将会失去。例如，在橡皮表面有一个多边形，多边形内部有一个点。无论
对橡皮进行压缩或拉伸，点依然存在于多边形内部，点和多边形之间的空间位置关系不改变，
而多边形的面积则会发生变化。前者则是空间的拓扑属性，后者则不是拓扑属性。表5-1列
出了包含在欧氏平面中的对象的拓扑和非拓扑属性。
欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性
┏━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓
┃                ┃    一个点在一个弧段的端点                                                          ┃
┃                ┃    一个弧段是一个简单弧段(弧段自身不相交)                                          ┃
┃                ┃    一个点在一个区域的边界上                                                        ┃
┃                ┃    一个点在一个区域的内部                                                          ┃
┃    拓扑属性    ┃                                                                                    ┃
┃                ┃    一个点在一个区域的外部                                                          ┃
┃                ┃    一个点在一个环的内部                                                            ┃
┃                ┃    一个面是一个简单面(面上没有“岛”)                                              ┃
┃                ┃    一个面的连续性(给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点)  ┃
┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫
┃                ┃    两点之间的距离                                                                  ┃
┃                ┃    一个点指向另一个点的方向                                                        ┃
┃    非拓扑属性  ┃    弧段的长度    ；                                                                ┃
┃                ┃    一个区域的周长                                                                  ┃
┃                ┃    一个区域的面积                                                                  ┃
┗━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛
    从表中可以看出，拓扑属性描述了两个对象之间的关系，因此又称为拓扑关系(Topologi-
cai Relation)。
    方向关系又称为方位关系、延伸关系，它定义了地物对象之间的方位，如“江西省在广东
省北部”就描述了方向关系。
    基本空间对象度量关系包含点／点、点／线、点／面、线／线、线／面、面／面之间的距离。在基
本目标之间关系的基础上，可构造出点群、线群、面群之间的度量关系。例如，在已知点／线拓
扑关系与点／点度量关系的基础上，可求出点／点间的*短路径、*优路径、服务范围等；已知
点、线、面度量关系，进行距离量算、邻近分析、聚类分析、缓冲区分析等。
第二节  空间信息分析的基本方法
  一、空间信息量化   
  地理事物或现象是现实世界的客观存在，而计算机所处理的对象*好是数字。也就是说，
地理信息系统所描述和处理的数据集是现实世界信息的模型。由于现实世界中地理要素或现
象的空间分布是连续的任意形态，只有在空间离散化的基础上，化无限为有限才能对其进行描
述；而其地理属性，既可能是定量的也可能是定性的，需对其进行编码描述。因此，地理信息系
统表达现实世界的信息传输过程实质是一个数量化的过程。
    空间离散化有两类形式：栅格化和矢量化。如某地理区域内有森林、河流、房屋等地理要
素，可分别用栅格化和矢量化的形式来离散地理空间和描述空间实体，相应得到两种不同结构
类型的空间数据，即栅格数据与矢量数据。