基于特征的城市交通网络GIS数据组织与处理方法

中国科学院遥感应用研究所
博士学位论文
基于特征的城市交通网络GIS数据组织与处理方
姓名:***
洛桑灵智多杰
申请学位级别:博士
专业:地图学与地理信息系统
指导教师:***
1999.8.1
woc
摘要
f交通将是‘数字地球’战略发展的最大受益者之一。同时也是实施‘数字地球’战略的一个重要的组成部分。长期以来,交通问题已成为困扰城市发展的重要问题,智能交通系(ITS)的思想由此应运而生。交通地理信息系统(GIS.T)在ITS中占有举足轻重的地位,己成为GIS应用的一个热门发展方向。然而,随着GIS-T的迅速发展,也暴露出GiS应用于交通领域所存在的许多问题。GIS.T的发展趋势是逐渐从地图视图发展到导航视图、将来再从导航视图进化到行为视图。为顺应这■发展趋势.要求对G1S从数据模型、数据结构和相关网络分析算法几个方面进行改进J本文尝试在这一领域进行了一些有益的探索,对城市GIs,T数据组织与处理的几个主要环节进行了深入研究。
本文的主要r作简要介绍如下
(1)发展了一种基于特征的城市GIS—T非平面数据模型:
f在城市GIS.T应用中,考虑到多种交通模式、多重交通属性集的并存及多源交通信息融合的需要,建立基于特征的GIS数据模型尤为重要。直接针对交通特征的建模也是GIS.T逐渐从地图视图发展到导航视图、将来再从导航视图逐渐进化到行为视图的基本需求。
为适应GIS对现代城市交通三维特征的有效表达,需要发展GIS.T非平面数据模型。在本文中.作者发展了一种基于完整交通特征的GIS.T非平面数据模型,从几何、语义、专题属性、时态及拓扑等方面对其特征及关系表达进行了详细论述,并设计了非平面数据模型中交通特征的描述与表达方法。卜——一
(2)发展了基于特征的城市GIS.T非平面数据结构;
阱对基于特征的GIS对数据结构的要求及GIS.T网络分析的特殊需求,在本文中作者设计和实现了交通特征几何、语义、专题及拓扑关系的逻辑数据结构和物理数据结构,并通过实例论述了城市交通网络非平面数据库的实现方法。卜一、r一
(3)发展了基丁分形空间排列的GIS栅格索引型数据结构,并针对基于特征的GIS-T数据模型的具体要求,提出了相关的空间索引与空间查询方法;
f矢量数据空间索引栅格化是发展一体化空间数据结构的方向之一。与其它空间索引方法相比,基丁空间排列码的空间索引方法避免了关键字与空间位置无关、容易因特征的非
均匀分布而造成的索引树不平衡和空间浪费等问题。在本文中作者发展了基于空间层次分解的Gray码、Hilbert码与Sierpinsky码的生成算法,提高了传统空间排列码生成算法的
效率,为高效率的GIS空间索引与空间查询提供了理论依据与方法。在深入分析各种递门空间排歹0空间聚集效率的基础上,作者得出了在各种递归空间排列中,Hilbert码与Sierpinsky码在区域查询中的效率最高,Hilbert码在最邻近点查询中的效率最高的结论。
针对基于特征的GIS-T的数据模型的具体特点,作者提出了基于ttilbert空间排列码的零维交通特征二义平衡排序树的动态索引结构和角点回溯的一维交通特征空间索引结构,以内存索引为主,兼顾磁盘索引,为交通网络的空间查询和其它空间操作提供了技术基础。卜,(4)从四个方面发展了城市交通网络最短路径算法:
似计算机数据结构着手,经过对K叉堆优先级队列效率的比较,作者得出四义堆在K义堆中效率最高的结论,提出了使算法更具灵活性与实用性的最短路径逆向计算思想,发展了基于四义堆优先级队列及逆邻接表、顾及交通特征多时段属性的改进型Dijkstra最短路径算法,极大地提高了传统最短路径算法的效率:从空间顺序关系着手,利用交通网络的空间分布及方位特征构造限制搜索区域,作者发展了基于限制区域的最短路径算法,在一定程度上减小了算法运行规模;从层次空间推理入手,作者发展了基于多阶空间层次的
交通网络有损最短路径算法,使最短路径的选择更符合人类思维特点:从语义层次推理入手,依据超图数据模型及开放图思想,作者提出了适用于语义层次清晰的大范围交通网络的最短路径算法。_h/,
(5)作者对交通网络分析中潜在路径区域特性进行了分析,在所发展的基于特征的GIS.T非平面数据模型和交通网络最短路径算法的基础上,论述了潜在路径区域的应用.交通网络分析中的中心服务范围和可达性评价的方法,并设计了相应的算法。
(6)结合一个应用实例.OPS技术支持下的北京市车辆智能导航系统,作者论述了所提出的数据模型、数据结构、空间索引方法及最短路径算法的具体应用过程。
关键词地理信息系蕴√
非平面
中心服务范围V城市交通网珞/
空间索引
可达性评价V
数据模型\/
分形空间排列
车辆导航系统V
数据结∥特征
最短路径算法V
Abstract
Transportationisimportantelementinthe‘DigitalEarth’strategy,andwillbeofbenefitingfromthestrategyof‘DigitalEarth’themost.Currently,transportationhasbecomethe
bottleneckofurbandevelopment.Thoframeworkofintelligenttransportationsystems(1TS)isset
forwardtosolvesuchproblem.GISfortransportation(G1S-T1takesimportantroleintheandhasbecomeanattractiveresearchfield.However,withtherapiddevelopmentofITS
developmentandapplicationsofGIS—T'manyproblemsconcerningGIShaveemerged.ThegeneraldevelopmenttrendofGIS—Tisfrommapviewtonavigationview,thentobehavioralview.ItrequirestheimprovementofGISdatamodel,datastructureandrelatednetworkanalysisalgorithmsSomeresearchhasbeencarriedoutiflthisdissertationconcerningthemainproceduresofurbanG1S-Tdataorganizationandprocessing.
Themainworkofthisdissertationisrecapitulatedasfollowing.
urbanGIS-Tnon-planardatamodelhasbeendeveloped.(1)Anfeature.based
IntheapplicationsofurbanGIS-T,consideringtherequirementofmultimodal,multisetofaRributesandtheconflatationofmultisourcetransportationirifermation,establishingthefeattire.basedGISdatamodelisveryimportant.DatamodelingtransportationfeaturesdirectlyisthebasicrequirementoftheGIS.Tdevelopingfromthemapviewtothenavigationview.thontothebehavioralviewinthefuture.Inorderingtoefficiently
characteristicsofmodernurbantransportation,therepresentthethreedimensional
planardatamodelmustbedeveloped.Inthisdissertation.anon·planardatamodelofGIS-Tbasedcomplet
etransportationfeaturesisdeveloped.TheauthordescribesindetaiJtherepresentationoffeaturesandrelationsfromgeometry,semantics,thematicattributes,temporalthemesandtopology,anddesignsthedescriptionandrepresentationmethodsofthetransportationfeaturesinthenon—planardatamodel.
(2)Thefeature.basedflOfl—planarurbanGIS.Tdatastructuresdeveloped.
Consideringtherequirementsoffeature-basedGISdatastructureandthespecialrequirementofGIS-Tnetworkanalysis,theauthordesignsandrealizesthelogicalandphysicaldatastructuresofthegeometry,semantics,thematicattributesandtopologicalrelationsofthetransportationfeatures,anddescribestherealizationmethodsofthe
planardatasetsofurbantransportationnetworkswithsomeinstances.
(3)Anrasterindexingstructurebasedfractalspatialorderingisdeveloped.andtherelatedspatialindexingandspatialqueryingmethodssetforwardundertherequirementsoffeature.basedGIS-Tdatamodel.
Theindexingrasterizationofvectordataisofthedevelopmenttrendsofintegratedspatialdatastructures.Comparedwithotherspatialindexingmethods,theindexingmethodsbasedspatialorderingavoidstheproblemsthatindexingkeyisindependentofspatiallocations.andtheindexingtreestendtounbalance.TheauthordevelopsthealgorithmsofgeneratingGraycodes,HilbertcodesandSierpinskycodesbasedhierarchydecomposition,whichimprovesth
eefficiencyoftraditionalalgorithms.Onthebasisofanalyzingthespatialclusteringefficiencyofseveralrecursivespatialordering,theauthorconcludesthatHilbertorderingandSierpinskyorderingaremostefficientintheextent彩碳粉
efficientintheneighborquery.Theauthorsetforwardsquery,andHilbertorderingismost
dynamicindexingstructureforthepointtransportationfeatureswiththebinarybalancedsortingtree,andindexingstructureforthelineartransportationfeatureswithvertexretrospect,basedHilbertspatialordering.Itorientstomemoryindexingandconsidersdiskindexingsimultaneously.
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(4)Theshortestpathalgorithmsdevelopedfromfouraspects.
Fromtheviewofcomputerdatastructures,withtheefficiencycomparisonthek.ary
heappriorityqueue,theauthorgetconclusionthatquadaryheapisthemostefficient
amongthek-aryheapsanddevelopstheDijkstrashortestpathalgorithmwiththequadaryheappriorityqueue.Theauthorsetforwardtheinversecalculationmethod,whichmakes
thealgorithmmoreflexibleandmorepractical;Fromtheviewofspatialordering
男性黑人relations,constructingthesearchingextentwiththespatialdistributionanddirectioncharacteri
stics,theauthordevelopstheshortestpathalgorithmbasedrestrictedsearchingextent,whichdecreasestherunningscopeincertainextent;Fromtheviewofhierarchicalspatialreasoning,theauthordevelopsshortestpathalgorithmbasedmulti—hierarchyoftransportationnetworkstomaketheselectionofshortestpathconforrntotheintellectioncharacteristics;Fromtheviewofsemantichierarchicalreasoning.basedthehyper*graphdatamodelandopengraphassumption,theauthordevelopsshortestpathalgorithmsuitableforthelargescopetransportationnetworkswithdistinctsemantichierarchy.(5)Theauthoranalyzesthecharacteristicsofpotentialpathofthetransportationnetworkanalysis.onthebasisoffeature—basedGIS·Tnon·planardatamodelandthepresentedshortestpathalgorithms,describestheapplicationsofpotentialpathwiththe
centerserviceextentandaccessibilityevaluationmethods,anddesignsrelatedalgorithms.(6)Withapplicationinstance--IntelligentVehicleNavigationSystemofBeijingCitywithGPSteclmology,theauthordiscussestheapplicationproceduresofthepresentedfeature—basedurbanGIS—Tnon—planardatamodel,relateddatastructure,spatialindexingmethodsandshortestpathalgorithms.
KeywordsGISUrbantransportationnetworksDatamodelDatastructure
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FeatureNon·planarSpatialindexingFractalspatialordering
ShortestpathalgorithmCenterserviceextentAccessibilityevaluation
Vehiclenavigationsystem

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