李明軒 ，張健欽，仇培元，杜明義，嚴(yán)家寶

(1.北京建筑大學(xué)，測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044; 2.現(xiàn)代城市測(cè)繪國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044;3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化速度的不斷加快，城市交通問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，城市交通的暢通與否直接關(guān)系到城市化水平的高低［1］。因此，城市政府部門(mén)都將交通規(guī)劃作為城市規(guī)劃的重中之重，開(kāi)展了大量的交通問(wèn)題研究，其中以獲取居民出行信息為主的交通調(diào)查是交通規(guī)劃的重要基礎(chǔ)工作［2］。

傳統(tǒng)的居民出行信息分析方法一般通過(guò)家訪調(diào)查、電話詢問(wèn)等人工調(diào)查方法獲取居民的出行信息，如家庭住址、出行目的、出行次數(shù)、出行時(shí)間、出行方式、社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性和個(gè)人與家庭屬性等［3］。然后在計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算下，通過(guò)相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析方法和數(shù)學(xué)模型得到城市交通量、OD矩陣等結(jié)果。雖然通過(guò)改進(jìn)數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)方法能夠提高分析結(jié)果的質(zhì)量，但這些調(diào)查分析方法仍存在不足，表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

第一，分析方法以數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法為主，面對(duì)海量數(shù)據(jù)很難挖掘其內(nèi)在規(guī)律。

第二，在系統(tǒng)中由于缺少相應(yīng)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型支持，分析過(guò)程中很少考慮時(shí)間屬性，沒(méi)有在統(tǒng)一的時(shí)空體系下研究居民的出行活動(dòng)。

第三，結(jié)果的表達(dá)以統(tǒng)計(jì)圖表為主，沒(méi)有結(jié)合GIS進(jìn)行多維可視化圖形展示，無(wú)法直觀反映動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

此外，隨著GPS、手機(jī)等設(shè)備的普及，居民出行信息的獲取方式也日益豐富和便捷，通過(guò)這些設(shè)備可以得到更加準(zhǔn)確和詳細(xì)的出行軌跡信息［4］。傳統(tǒng)的出行分析系統(tǒng)很難對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和分析，而三維GIS以及時(shí)空數(shù)據(jù)模型為分析出行信息提供了新的思路，國(guó)內(nèi)外也開(kāi)展了相關(guān)的研究［5］。

本文主要討論基于三維GIS技術(shù)的居民出行信息可視化分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立。先從GIS數(shù)據(jù)模型的建立入手，研究建立一種管理和分析居民出行位置信息的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計(jì)，并介紹使用居民調(diào)查數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行出行分析的原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。最后對(duì)所做的研究進(jìn)行總結(jié)，提出下一步的工作方向。

2 居民出行者GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型

2.1 時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型

交通調(diào)查獲取的居民出行信息記錄了城市出行者一天完整的出行內(nèi)容，包括空間、時(shí)間和屬性多個(gè)方面的信息。通過(guò)記錄的時(shí)間信息可以按出行活動(dòng)的先后順序?qū)⑵渑帕衅饋?lái)，形成完整的出行軌跡。結(jié)合交通調(diào)查的特點(diǎn)，本文提出的居民出行者GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型概念模型如圖1所示。

圖1 出行者時(shí)空數(shù)據(jù)模型的概念模型

出行者的屬性信息包含所屬家庭信息和相關(guān)的個(gè)體信息，出行者的行為活動(dòng)全部以出行表示。每一個(gè)出行用出行目的、出行方式和出行路徑加以描述。其中出行路徑又可以用多個(gè)出行的時(shí)刻及對(duì)應(yīng)的位置來(lái)描述。能夠看出時(shí)刻1即為本次出行的出發(fā)時(shí)間，位置1為出發(fā)位置，時(shí)刻n為到達(dá)時(shí)間，位置n為到達(dá)位置。

2.2 邏輯模型

設(shè)計(jì)邏輯模型的目的是從概念模型轉(zhuǎn)換出現(xiàn)階段關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)能夠處理的數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)，使這些結(jié)構(gòu)能夠滿足用戶在功能、性能、完整性、一致性和可擴(kuò)展性等方面的要求。將概念模型轉(zhuǎn)化后得到的出行者邏輯模型的關(guān)系映射如圖2所示。模型中主要有三種實(shí)體類型:出行者、出行和路徑。出行者類型(PERSON)中的屬性包括出行者關(guān)鍵字(Pid)、出行者姓名(Name)、性別(Sex)、收入(Salary)、家庭角色(Role)、工作地點(diǎn)(Wplace)和職業(yè)(Occupation)等。其中Pid為主鍵，用以標(biāo)識(shí)不同的出行者。出行類型(TRIP)中的屬性包括出行關(guān)鍵字(Tid)、出行日期(Date)、出行者關(guān)鍵字(TPid)、出行序列號(hào)(Tnum)、出行目的(Ttype)和出行方式(Tmode)等。其中Tid為主鍵，用以標(biāo)識(shí)不同的出行活動(dòng)。TPid與PERSON類型中的主關(guān)鍵字Pid一致，用以將出行活動(dòng)與發(fā)生該出行的出行者關(guān)聯(lián)。Tnum用于記錄出行者的多個(gè)出行活動(dòng)發(fā)生的先后順序。

圖2 出行者邏輯模型中的關(guān)系映射(PK:主鍵)

路徑類型(PATH)用來(lái)表示出行活動(dòng)的行進(jìn)路徑，由于獲取的出行路徑實(shí)際上是由若干離散的點(diǎn)組成的，因此該類型中每條記錄表示出行活動(dòng)中某一時(shí)刻的位置信息。其屬性包括路徑點(diǎn)關(guān)鍵字(PAid)、出行關(guān)鍵字(PATid)、時(shí)刻(PAtime)和位置(PAlocation)等。其中PAid為主鍵，用以標(biāo)識(shí)不同的路徑點(diǎn)。PATid與Trip類型中的主關(guān)鍵字Tid一致，用以將路徑點(diǎn)與該次出行關(guān)聯(lián)。按PAtime屬性排序得到路徑點(diǎn)的時(shí)空先后順序。

3 居民出行信息可視化分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)交通規(guī)劃和分析的需求，以及前述提出的時(shí)空數(shù)據(jù)模型要求，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程圖

研究中獲取的原始數(shù)據(jù)可以分成三類:基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、人工交通調(diào)查數(shù)據(jù)和定位的位置數(shù)據(jù)。每種數(shù)據(jù)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和獲取時(shí)的存儲(chǔ)格式各不相同，需要采取不同的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、組織和管理方式。根據(jù)獲取的原始數(shù)據(jù)格式和后續(xù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的要求，地圖數(shù)據(jù)采用ArcGIS軟件提供的Personal Geodatabase數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)在本地的Access數(shù)據(jù)庫(kù)中。調(diào)查數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)則用前述的居民出行數(shù)據(jù)模型保存在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。各種數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)和操作在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)并重新組織后，需要提供基本的數(shù)據(jù)操作和查詢功能，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出行數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)，包括傳統(tǒng)的出行分析方法和可視化的分析方法兩種。通過(guò)這兩種分析方法得到的分析結(jié)果既要包括傳統(tǒng)的OD矩陣、出行時(shí)間、出行距離等，也要包括時(shí)空路徑、出行趨勢(shì)等可視化信息。具體系統(tǒng)功能包括:

(1)數(shù)據(jù)管理;數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，組織和維護(hù)。能將三種類型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后，能對(duì)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和刪除。

(2)數(shù)據(jù)查詢操作;該部分主要提供有關(guān)數(shù)據(jù)查詢的相關(guān)操作。包括常規(guī)查詢操作，如獲取指定出行者的個(gè)人信息、指定時(shí)間的出行軌跡、某次出行的出行目的等;對(duì)查詢結(jié)果的顯示，尤其是提供出行軌跡的時(shí)空路徑顯示功能。

(3)出行信息分析;該部分提供兩大方面的功能。一是基于傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的出行分析功能，可以從中獲取出行OD數(shù)據(jù)，出行次數(shù)、出行方式、出行時(shí)間等信息。二是基于可視化分析方法的出行分析功能，包括路網(wǎng)的交通量分配，出行的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)等。

(4)分析結(jié)果的顯示和輸出;分析的結(jié)果通過(guò)圖形或者表格的形式顯示在用戶屏幕上，也可以根據(jù)要求打印成相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)文檔。

4 原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

研究采用C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和ArcEngine，開(kāi)發(fā)了基于三維GIS的居民出行信息可視化分析原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾類主要居民出行信息的存儲(chǔ)、管理和三維可視化顯示，并對(duì)居民出行軌跡進(jìn)行相應(yīng)的行程識(shí)別分析。

4.1 數(shù)據(jù)處理

居民出行軌跡信息可視化分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理除了一般的凈化處理、格式化存儲(chǔ)之外，主要針對(duì)各地理底圖建立相應(yīng)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和三維場(chǎng)景，并在出行軌跡信息這一部分進(jìn)行了居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)兩大類數(shù)據(jù)的處理。

(1)居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)

居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)一般通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的形式采集，其中涵蓋了多個(gè)交通區(qū)塊的居民出行信息及居住地、出發(fā)地、出行方式、出行目的、出行距離等多種屬性信息。系統(tǒng)將調(diào)查數(shù)據(jù)與交通區(qū)塊矢量地圖和路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性關(guān)聯(lián)和空間融合，并對(duì)形成的這種映射關(guān)系點(diǎn)對(duì)進(jìn)行最短路徑處理，從而賦予調(diào)查數(shù)據(jù)矢量地圖特征，進(jìn)而按照不同屬性特征對(duì)居民出行進(jìn)行動(dòng)態(tài)分段處理，使之隨著時(shí)空特性變化而變化。

(2)居民出行定位數(shù)據(jù)

居民出行定位數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)備的定位方式不同，主要包括手機(jī)網(wǎng)絡(luò)定位數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)兩種。系統(tǒng)采用的手機(jī)定位數(shù)據(jù)為2008年1月份部分北京用戶的手機(jī)位置數(shù)據(jù)，雖然手機(jī)定位精度較低，但由于其可在室內(nèi)應(yīng)用且非常便利，并能基本反映受訪者的活動(dòng)范圍，尤其在交通調(diào)查中主要以交通小區(qū)作為活動(dòng)調(diào)查單元時(shí)，手機(jī)定位完全滿足實(shí)際需要，因而主要對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的基站信息處理。

另一方面，系統(tǒng)從相關(guān)單位獲取了部分采用浮動(dòng)車(chē)出行(出租車(chē)和公交車(chē))的定位數(shù)據(jù)，其中主要包括車(chē)輛編號(hào)、日期時(shí)間、經(jīng)緯度、方向和速度等信息。但由于天氣和高大建筑物遮擋影響以及地理底圖矢量化過(guò)程和空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的關(guān)系，系統(tǒng)預(yù)先根據(jù)定位數(shù)據(jù)與地理底圖的空間和屬性關(guān)系，對(duì)這些居民出行定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了路網(wǎng)匹配處理，確定并得到它們?cè)诘缆飞系膶?shí)際位置，以及在時(shí)空路徑中相對(duì)準(zhǔn)確的位置。

4.2 可視化分析

(1)時(shí)空路徑分析

時(shí)空路徑分析是根據(jù)實(shí)際需要顯示單個(gè)或者多個(gè)出行者不同階段或日期的時(shí)空軌跡信息，進(jìn)而分析個(gè)人出行或者全部出行之間的規(guī)律。首先從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找一個(gè)人一天出行的路徑點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照時(shí)間順序排列。之后將位置點(diǎn)轉(zhuǎn)化為具有X、Y、Z坐標(biāo)值的三維點(diǎn)。最后采用線性插值的方法將這些點(diǎn)連成軌跡線，實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)居民出行時(shí)空路徑的顯示，如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 居民出行時(shí)空路徑可視化分析

(2)時(shí)間切片分析

時(shí)間切片分析是指定需要的研究時(shí)間，通過(guò)底圖平面與軌跡相交，得到個(gè)體空間分布在該時(shí)刻的切片，以便直觀地展示居民活動(dòng)在某一時(shí)刻的分布規(guī)律。

一方面，系統(tǒng)通過(guò)修改地圖平面的Z值，可以實(shí)現(xiàn)地圖在時(shí)間軸上的移動(dòng)，與時(shí)空路徑相交形成時(shí)間截面，從而觀察某一時(shí)刻所有居民出行的空間分布，如圖5(a)所示。另一方面，系統(tǒng)中添加了一個(gè)工具條，用來(lái)選擇需要移動(dòng)的地圖平面以及指定時(shí)間截面的時(shí)間，并形成這個(gè)時(shí)間的所有居民出行切片，如圖5(b)所示。

圖5 居民出行時(shí)間切片分析

另外，系統(tǒng)還可以綜合考慮出行者和出行時(shí)間，以便直觀地表現(xiàn)出行者與道路之間的關(guān)系。通過(guò)設(shè)置居民出行對(duì)象和時(shí)空路徑截面時(shí)間，從而形成這些所選出行者在這一時(shí)間的道路分布圖，如圖5(c)所示。

(3)行程識(shí)別分析

行程識(shí)別分析是把時(shí)空分布上離散的軌跡點(diǎn)劃分成停留點(diǎn)和移動(dòng)點(diǎn)兩大類，從而得出居民出行的行停位置和行停區(qū)間，進(jìn)而一方面從停留位置和區(qū)間信息挖掘出有關(guān)停留時(shí)間、停留活動(dòng)目的等信息，另一方面從出行位置和區(qū)間信息挖掘出如出行方式、出行時(shí)間、出行距離等信息。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)居民出行定位信息劃分行停速度閾值范圍，并根據(jù)其時(shí)空特性進(jìn)行聚類分析，賦予每條居民出行定位數(shù)據(jù)記錄的行停屬性，從而對(duì)居民出行時(shí)空路徑劃分出各個(gè)行停區(qū)間，如圖6(a)所示。其中，用深色表示時(shí)空路徑的停留活動(dòng)區(qū)間，用淺色表示時(shí)空路徑的出行活動(dòng)區(qū)間，如圖6(b)所示。

圖6 居民出行行程識(shí)別分析

5 結(jié)論

通過(guò)三維GIS技術(shù)支持，并結(jié)合時(shí)空數(shù)據(jù)模型，可以改善出行信息和分析結(jié)果的表現(xiàn)形式，同時(shí)還能夠提供可視化的分析方法，提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，還可以將多種出行調(diào)查數(shù)據(jù)相互融合，提供更為翔實(shí)的出行信息。由于數(shù)據(jù)和其他條件的限制，原型系統(tǒng)中人工調(diào)查數(shù)據(jù)和手機(jī)位置數(shù)據(jù)還未能很好的結(jié)合，特別是手機(jī)位置數(shù)據(jù)缺少居住地、工作地、出行目的等出行屬性的描述。并且數(shù)據(jù)量偏少，不具有很好的代表性。因此，下一步的研究方向是加強(qiáng)各種出行數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，并考慮與GPS數(shù)據(jù)結(jié)合。同時(shí)完善和擴(kuò)充系統(tǒng)中居民出行分析的方法和功能，改進(jìn)相關(guān)算法，提高數(shù)據(jù)的處理速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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