三維道路交通網(wǎng)絡(luò)空間分析方法研究課件

1、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目申請復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)的三維模擬及其路徑分析方法研究張志華2012年11月29日題目復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)的三維模擬及其路徑分析方法研究題目缺乏新意，欲改為三維交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及其空間分析方法研究三維交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及其路徑分析方法研究一、項(xiàng)目概述摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快，使得城市的道路交通網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜化，給城市發(fā)展帶來窘困，為有效制定城市的發(fā)展規(guī)劃，有必要深入研究復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)的空間形態(tài)與空間分布。在對國內(nèi)外道路網(wǎng)絡(luò)建模分析與空間分析的基礎(chǔ)上，通過對城市道路交通網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的分析，研究復(fù)雜道路交通網(wǎng)(含有立交橋、轉(zhuǎn)盤、隧道等)的三維建模數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)模型及其

2、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、三維建模方法及其建模步驟；對復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路徑分析，重點(diǎn)研究最短路徑分析、最佳路徑分析以及含約束的路徑分析等；基于上述研究，設(shè)計(jì)并研發(fā)復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)的三維模型可視化與路徑分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用，完善所提出的數(shù)據(jù)模型、建模方法、路徑分析方法等。本項(xiàng)研究對促進(jìn)“數(shù)字城市”理論和方法的發(fā)展具有重要意義。 一、項(xiàng)目概述研究意義： 隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市地上與地下的交通設(shè)施日益發(fā)達(dá)，高架路和地下通道與地面道路一起呈現(xiàn)出錯綜復(fù)雜的大立體特征，使得現(xiàn)有的二維電子地圖無法直觀地反映道路之間的交錯關(guān)系，同時，面向車道復(fù)雜而細(xì)致的交通規(guī)則應(yīng)運(yùn)而生，如單行道、公交專用線、限速車道

3、、限高限重車道、禁止轉(zhuǎn)向車道、交通時段管制車道等。如何描述細(xì)致真實(shí)的道路特征、表達(dá)復(fù)雜的交通現(xiàn)象、提供快速準(zhǔn)確的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航等已成為智能交通和應(yīng)急管理等領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題1-2。 一、項(xiàng)目概述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析：1. 道路交通三維數(shù)據(jù)模型與建模方法研究現(xiàn)狀及分析。第一類為點(diǎn)-弧段模型，包括傳統(tǒng)的點(diǎn)-弧段模型、靜態(tài)分段技術(shù)下的點(diǎn)-弧段模型、動態(tài)分段技術(shù)下的點(diǎn)-弧段模型；第二類為基于車道的數(shù)據(jù)模型。2.路徑分析研究現(xiàn)狀及分析。 空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息?？臻g分析是包括交通網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)在內(nèi)的地理信息系統(tǒng)的主要特征。建立三維交通

4、網(wǎng)絡(luò)模型后，還希望在此基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行空間分析，也只有當(dāng)三維交通網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)具有了空間分析功能后，才能發(fā)揮更大的作用。 最短路徑分析 網(wǎng)絡(luò)分析 最佳路徑分析 算法：Dijkstra算法及其很多改進(jìn)算法 ；Floyd算法；矩陣算法等一、項(xiàng)目概述參考文獻(xiàn)肖樂斌, 鐘耳順, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 等. GIS概念數(shù)據(jù)模型的研究. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)-信息科學(xué)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。期刊出版的時間最好是近5年的多一些。最好還能有當(dāng)年出版的刊物。外文期刊也應(yīng)多些。要盡量全面考慮本專業(yè)研究方向的學(xué)者文獻(xiàn)的引用。二、項(xiàng)目的研究內(nèi)容、研究目標(biāo),以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題研究內(nèi)容（1）三維道路交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究 包括構(gòu)成道路、橋梁、隧道等三維模型的基本元素、基本對象，以及這些基本元素、基本對象之間的空間邏輯關(guān)系，給出具體的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（2）三維道路交通網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)現(xiàn)方法研究 基于上述三維道路交通網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，研究其具體

6、的實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)研究模型的剖分和集成方法，從而達(dá)到模型的無縫集成，為模型的路徑分析和空間查詢奠定基礎(chǔ)。（3）三維道路交通網(wǎng)絡(luò)空間分析方法研究 研究城市道路網(wǎng)信息的抽象表達(dá)形式；系統(tǒng)分析復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征，構(gòu)建交通地理網(wǎng)絡(luò)概念模型；研究符合交通地理網(wǎng)絡(luò)空間特點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式和網(wǎng)絡(luò)連通性表達(dá)模型；在統(tǒng)一的三維坐標(biāo)體系下構(gòu)建城市道路交通三維網(wǎng)絡(luò)的空間數(shù)據(jù)模型，包括三維地理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、網(wǎng)絡(luò)空間關(guān)系模型、網(wǎng)絡(luò)元素空間屬性數(shù)據(jù)管理模型等。與模型研究相對應(yīng)的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的研究，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法是研究的核心和難點(diǎn)所在。根據(jù)道路交通網(wǎng)絡(luò)模型的特點(diǎn)，研究約束路徑分析、最短路徑分析、最佳路徑分析等。

7、重點(diǎn)將最短路徑分析、最佳路徑分析應(yīng)用在城市應(yīng)急指揮（110匪警、119火警、120急救）等方面。（4）實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究 針對所提出的三維交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建和空間分析的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、模型生成方法和空間分析方法，設(shè)計(jì)、開發(fā)出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并以具體的城市道路網(wǎng)為例進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證研究成果的實(shí)用性和有效性，并對研究成果中的不足進(jìn)行修改和完善。 二、項(xiàng)目的研究內(nèi)容、研究目標(biāo),以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題研究目標(biāo)：（1）提出一種新的三維道路交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)道路交通網(wǎng)模型的構(gòu)建，為研究可視化三維道路交通網(wǎng)絡(luò)建模和空間分析及空間查詢提供理論基礎(chǔ)。（2）提出一套基于上述數(shù)據(jù)模型的三維道路交通

8、網(wǎng)絡(luò)建模和路徑分析方法，該方法重點(diǎn)為城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸、旅游出行等提供決策依據(jù)，為研究三維道路交通網(wǎng)絡(luò)建模和路徑分析及空間查詢提供方法基礎(chǔ)。二、項(xiàng)目的研究內(nèi)容、研究目標(biāo),以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題擬解決的關(guān)鍵問題 （1）能夠表達(dá)復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)對象幾何特征、屬性特征和拓?fù)潢P(guān)系特征的三維拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型是本項(xiàng)研究擬解決的一個關(guān)鍵問題。（2）復(fù)雜三維道路交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建時，模型的剖分與集成方法是本項(xiàng)研究要解決的另一個關(guān)鍵問題。（3）含有約束條件的路徑分析仍然是本項(xiàng)研究的難點(diǎn)所在。三、擬采取的研究方案及可行性分析 研究方法對城市道路網(wǎng)三維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究是本項(xiàng)研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。擬采用面向?qū)ο蠓椒ā?/p>

9、地理信息系統(tǒng)中空間實(shí)體拓?fù)潢P(guān)系分析方法、點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)方法和數(shù)據(jù)庫技術(shù)分析方法研究實(shí)用的三維道路建模的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。綜合運(yùn)用計(jì)算幾何方法、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理方法進(jìn)行三維道路網(wǎng)模型的生成、道路網(wǎng)內(nèi)相關(guān)實(shí)體的空間查詢和路徑分析方法研究，尤其是約束路徑分析、最佳路徑分析等。三、擬采取的研究方案及可行性分析 技術(shù)路線 （1）復(fù)雜三維道路交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究技術(shù)路線；（2）復(fù)雜三維道路交通網(wǎng)絡(luò)模型的生成方法研究技術(shù)路線；（3）路徑分析技術(shù)路線；（4）模型的三維可視化技術(shù)路線；（5）實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究；三、擬采取的研究方案及可行性分析實(shí)驗(yàn)手段與可行性分析 （1）擬在微機(jī)

10、Window XP環(huán)境下，利用空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server、面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計(jì)語言VC+和三維圖形庫OpenGL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)。（2）擬以蘭州市城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)和七里河區(qū)的數(shù)據(jù)資料為例，對所研發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和完善。 課題組有微機(jī)10臺，課題申請者和幾名在職人員近年來在三維建模、地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)、圖形圖像處理與可視化方面做了大量研究工作，完成了“蘭州石化公司三維仿真可視化信息管理系統(tǒng)”，在三維建模與空間分析方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。因此，課題組具有完成本項(xiàng)目的基本條件和實(shí)力。 三、擬采取的研究方案及可行性分析關(guān)鍵技術(shù)（1）對城市道路交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象和分類，并對各類

11、對象及其拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行定義。（2）在三維情況下，各種路口的相交情況、立交橋、高架橋、轉(zhuǎn)盤、橋梁以及隧道等的建模方法。（3）復(fù)雜三維道路交通網(wǎng)絡(luò)的約束路徑分析、最短路徑分析、最佳路徑分析等算法。 三、擬采取的研究方案及可行性分析本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處：采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ岢鲆环N新的適合城市道路網(wǎng)絡(luò)建模和路徑分析的三維數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)模型對城市交通網(wǎng)絡(luò)及其構(gòu)模元素進(jìn)行合理的抽象分類，為城市三維交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建與路徑分析方法研究奠定基礎(chǔ)。在具體的建模過程中，提出一種模型的剖分方法，既考慮了各構(gòu)模元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，又能兼顧剖分后模型的構(gòu)建難易；針對前述的模型剖分方法，研究剖分后模型的集成方

12、法，達(dá)到模型整體的無縫集成。提出基于城市道路交通網(wǎng)絡(luò)模型的最短路徑分析、最佳路徑分析以及含有約束條件的路徑分析等空間分析方法。本項(xiàng)研究中，根據(jù)城市交通網(wǎng)絡(luò)模型的特點(diǎn)，考慮同時存在多種條件下的路徑分析（例如，上下班時間段、道路維修、交通事故等），結(jié)合復(fù)雜三維交通網(wǎng)絡(luò)（例如，道路網(wǎng)含有高架橋、立交橋、隧道等復(fù)雜情況），確定各種路徑分析的數(shù)據(jù)模型。2011年青年基金評審意見 申請書瞄準(zhǔn)現(xiàn)有研究與應(yīng)用普遍缺乏三維交通拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)與分析的缺陷，研究三維道路交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型及其路徑分析方法，立題新穎，對于豐富三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）、交通地理信息系統(tǒng)（GIS-T）數(shù)據(jù)建模理論與方法，支持多維高精度

13、交通管理與應(yīng)用，促進(jìn)數(shù)字城市發(fā)展，具有較重要的意義。 項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新點(diǎn)在于：1）提出了一種基于對象的城市道路網(wǎng)絡(luò)三維數(shù)據(jù)模型；2）提出了基于三維路網(wǎng)拓?fù)涞暮s束條件的路徑分析方法。 項(xiàng)目申請研究內(nèi)容和總體方案較好，前期研究工作能為項(xiàng)目的實(shí)施提供有效支撐，具備可行性。2011年青年基金評審意見 三維道路交通網(wǎng)絡(luò)建模及路徑分析相關(guān)研究具有重要的理論與應(yīng)用價值，項(xiàng)目研究目標(biāo)基本明確，但是創(chuàng)新點(diǎn)不足，具體表現(xiàn)在：（1）道路路網(wǎng)三維數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究方法、技術(shù)路線闡述過于簡單，不夠深入和明確，未體現(xiàn)出申請人自己的研究思路，以及與前人研究成果的不同之處。（2）對三維交通路網(wǎng)中路徑分析方法、算法研究

14、現(xiàn)狀的文獻(xiàn)綜述欠缺，申請人此部分從抽象、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型和對傳統(tǒng)平面路徑算法的改進(jìn)展開研究，然而在技術(shù)路線中并未看出具體的三維網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建思路和傳統(tǒng)路徑算法用于三維分析的改進(jìn)思路。總體而言，項(xiàng)目研究的創(chuàng)新性不夠。因此，不建議對該項(xiàng)目予以資助。 2011年青年基金評審意見 三維GIS數(shù)據(jù)模型、相關(guān)算法以及可視化的發(fā)展一直是近幾年的研究前沿，而面向復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)的三維模型和路徑分析方法是其中一個重要研究內(nèi)容，選題具有前沿性和重要應(yīng)用價值。該申請書對研究進(jìn)展闡述的較為全面和深刻；研究內(nèi)容設(shè)計(jì)合理，提出將復(fù)雜道路剖分若干特征分別研究，較以往相關(guān)課題具有新意；技術(shù)路線和實(shí)驗(yàn)手段可行；研究基礎(chǔ)良好；預(yù)算

15、經(jīng)費(fèi)略偏高。綜合考慮申請書在前期文獻(xiàn)分析的系統(tǒng)性，以及提出的研究內(nèi)容具有一定創(chuàng)新性，且研究基礎(chǔ)較為合適，可資助。 2012年地區(qū)基金評審意見 該申請選題為復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)的三維模擬及其路徑分析方法研究，雖然此類問題不是一個新的研究問題，長期以來一直存在，但至今沒有非常好的解決方案，因此該課題仍具有一定的研究價值。 研究內(nèi)容中提出一種新的三維道路交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里的“新”主要強(qiáng)調(diào)增加拓?fù)潢P(guān)系等特征，這與現(xiàn)有三維道路交通網(wǎng)絡(luò)模型相比有何優(yōu)勢還有待進(jìn)一步深入分析。拓?fù)潢P(guān)系的記錄會增加存儲量，同時當(dāng)?shù)缆肪W(wǎng)發(fā)生更新維護(hù)時，相應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系也需要隨之同步更新，這些額外的開銷與其優(yōu)勢相比是否

16、值得還需詳細(xì)探討。含有約束條件的路徑分析作為該課題的研究難點(diǎn)之一，具體的研究思路及其創(chuàng)新之處在研究方案中還需進(jìn)一步討論，以突出其特色。 研究方案總體而言層次清晰，結(jié)構(gòu)較完整。申請人及研究團(tuán)隊(duì)在此研究領(lǐng)域具有一定的研究基礎(chǔ)，為項(xiàng)目的順利完成提供了保障。雖然該課題在創(chuàng)新性方面還有待進(jìn)一步突出，但鑒于作為地區(qū)基金申請項(xiàng)目，在地區(qū)發(fā)展中具有一定的實(shí)際研究意義，因此建議對該項(xiàng)目予以資助。 2012年地區(qū)基金評審意見 1）交通網(wǎng)三維建模研究在國內(nèi)外已有很多文獻(xiàn)和成果。基于三維交通模型的路徑查找也有新的進(jìn)展。課題擬在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上深化，試圖突破基于交通規(guī)則變化的拓?fù)浔磉_(dá)和三維路徑尋優(yōu)瓶頸，具有一定的意義。

17、但缺乏對三維尋優(yōu)文獻(xiàn)回顧。 2）在研究目標(biāo)和內(nèi)容上未見提出針對已有研究缺陷的改進(jìn)，僅僅陳述了一般的數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)分析方法研究。關(guān)鍵問題反映的也是一般交通建模和路徑優(yōu)化面對實(shí)用化必須解決的問題，新意不足。3）研究采用地理數(shù)據(jù)建庫常用的拓?fù)鋵W(xué)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，3D可視化常用的幾何學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等，利用一般編程語言和開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開放。技術(shù)路線尚可，但缺乏對一些關(guān)鍵方法在技術(shù)層面的表述，未能表明申請人有清晰的研究思路。關(guān)鍵技術(shù)也流于一般。4）申請人做過數(shù)字礦山和三維地質(zhì)建模的工作，然而似乎對地面交通和導(dǎo)航并不熟悉。所承擔(dān)過的科研項(xiàng)目多在于地理地質(zhì)數(shù)據(jù)建模和可視化方面，其三維巷道空間分析可以提供一些基礎(chǔ)。由于申請課題的前期工作基礎(chǔ)較差，研究思路不夠清晰，大量時間和資源將會花費(fèi)在數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)建模上；面對已存在的許多類似課題研究，這一團(tuán)隊(duì)的研究難有創(chuàng)新突破。 2012年地區(qū)基金評審意見 復(fù)雜道路交通網(wǎng)絡(luò)三維模擬及其信息處理分析是地理信息技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是數(shù)字城市建設(shè)的重要內(nèi)容之