Географические информационные системы для транспорта (ГИС-Т)

Аннотация

Д-р Ши-Лунг Шоу, д-р Жан-Поль Родриг - Географические информационные системы для транспорта (ГИС-Т). Географические информационные системы для транспорта (ГИС-Т) охватывают принципы и применение географических информационных технологий для решения транспортных задач.

ГИС на транспорте

В широком смысле, географическая информационная система (ГИС) - это информационная система, специализирующаяся на вводе, управлении, анализе и представлении географической (пространственно связанной) информации. Они преобразовали и расширили географию благодаря своей способности хранить большие объемы данных, анализировать их и, в частности, отображать настраиваемые картографические результаты. Среди широкого спектра потенциальных приложений, для которых может использоваться ГИС, транспортные вопросы получили большое внимание, поскольку они одновременно сильно зависят от визуализации и аналитических методов. Конкретная ветвь ГИС, применяемая к транспортным вопросам, обычно обозначаемая как ГИС-Т, является одной из пионерских областей применения ГИС.

К исследованиям ГИС-Т можно подходить с двух разных, но взаимодополняющих направлений. В то время как некоторые исследования ГИС-Т фокусируются на вопросах того, как ГИС может быть дополнительно развита и улучшена для удовлетворения потребностей транспортных приложений, другие исследования ГИС-Т изучают вопросы того, как ГИС может быть использована для облегчения и улучшения транспортных исследований. В целом темы, связанные с исследованиями ГИС-Т, можно сгруппировать в три категории:

• Представления данных. Как различные компоненты транспортных систем представлены в виде базы данных, которая включает в себя как сетевые, так и технические и эксплуатационные характеристики (пропускная способность, скорость).
• Анализ и моделирование. Как транспортные методологии могут использоваться для представления реальной транспортной деятельности.
• Приложения. Какие типы приложений особенно подходят для данных и аналитических возможностей ГИС-Т.

Представление данных ГИС-Т

Представление данных является основной темой исследования ГИС. Прежде чем ГИС можно будет использовать для решения реальных проблем, данные должны быть надлежащим образом представлены в цифровой вычислительной среде. Одной из уникальных характеристик ГИС является возможность интеграции пространственных и непространственных данных для поддержки как отображения, так и анализа. Были разработаны различные модели данных для ГИС. Два основных подхода — это модели данных на основе объектов и модели данных на основе полей:

• Объектно-ориентированная модель данных рассматривает географическое пространство как заполненное дискретными и идентифицируемыми объектами. Характеристики часто представляются в виде точек, линий и/или многоугольников.
• С другой стороны, модель данных на основе поля рассматривает географическое пространство как заполненное реальными объектами, которые непрерывно изменяются в пространстве. Объекты могут быть представлены как регулярные мозаики (например, растровая сетка) или нерегулярные мозаики (например, триангулированная нерегулярная сеть – TIN).

Исследования ГИС-Т использовали как объектные, так и полевые модели данных для представления соответствующих географических данных. Некоторые транспортные проблемы, как правило, лучше подходят для одного типа модели данных ГИС, чем для другого. Например, сетевой анализ, основанный на теории графов, обычно представляет сеть как набор узлов, соединенных набором связей. Поэтому объектная модель данных ГИС является лучшим кандидатом для таких транспортных приложений. Другие типы транспортных данных требуют расширений для общих моделей данных ГИС.

Одним из известных примеров являются линейные данные привязки (например, милевые столбы автомагистралей). Транспортные агентства часто измеряют местоположение объектов или событий вместе со связями транспортной сети (например, дорожно-транспортное происшествие произошло на милевом столбе 52,3 на определенном шоссе). Такая одномерная линейная система привязки (т. е. линейные измерения вдоль сегмента автомагистрали относительно заранее указанной начальной точки сегмента автомагистрали) не может быть должным образом обработана двумерной декартовой системой координат, используемой в большинстве моделей данных ГИС. Следовательно, была разработана модель данных динамической сегментации для удовлетворения конкретных потребностей сообщества ГИС-Т.

Данные о потоках «от начала до назначения » (OD) — это еще один тип данных, который часто используется в транспортных исследованиях. Такие данные традиционно представлялись в виде матриц, двумерного массива, для анализа. К сожалению, реляционная модель данных, широко принятая в большинстве коммерческих программ ГИС, не обеспечивает адекватной поддержки для обработки матричных данных. Некоторое программное обеспечение ГИС-Т разработало дополнительные форматы файлов и функции для пользователей, чтобы работать с матричными данными в среде ГИС. Таким образом, традиционные подходы ГИС могут быть дополнительно расширены и усовершенствованы для удовлетворения потребностей транспортных приложений. Создание и расширение дополнений для программного обеспечения ГИС представляет собой то, как конкретные методы и модели могут быть реализованы в существующих пакетах.

Разработки корпоративных и многомерных моделей данных ГИС-Т также получили значительное внимание. Успешное развертывание ГИС на уровне предприятия (например, в государственном департаменте транспорта или крупной консалтинговой фирме) требует дополнительных соображений для охвата разнообразия требований к приложениям и данным. Корпоративная модель данных ГИС-Т разработана для того, чтобы позволить каждой группе приложений удовлетворять установленные потребности, одновременно позволяя предприятию интегрировать и обмениваться данными. Необходимость интеграции одномерных, двухмерных, трехмерных и временных данных в поддержку различных транспортных приложений также потребовала внедрения многомерных (включая пространственно-временные) представлений данных. Разработка этих систем также была облегчена приложениями облачных вычислений, позволяющими хранить и обмениваться большими базами данных среди большого количества пользователей в разных местах.

Современные информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) изменили то, как люди и предприятия ведут свою деятельность. Эти меняющиеся модели деятельности и взаимодействия, в свою очередь, приводят к изменению моделей трафика. Мир стал более мобильным и динамичным благодаря современным ИКТ. Благодаря достижениям в области технологий определения местоположения (например, система глобального позиционирования, система отслеживания мобильных телефонов, RFID и система позиционирования Wi-Fi) сбор больших объемов данных отслеживания на индивидуальном уровне стал осуществимым и доступным. Следовательно, то, как наилучшим образом представлять и управлять динамическими данными движущихся объектов (пассажиров, транспортных средств или грузов) в среде ГИС, представляет новые исследовательские задачи для ГИС-Т. Большие данные открывают новые возможности для автоматического сбора больших объемов данных с помощью различных датчиков.

Короче говоря, одним из важнейших компонентов ГИС-Т является то, как транспортные данные в среде GIS могут быть наилучшим образом представлены для упрощения и интеграции потребностей различных транспортных приложений. Существующие модели данных GIS обеспечивают хорошую основу для поддержки многих приложений ГИС-Т. Однако из-за некоторых уникальных характеристик транспортных данных и потребностей приложений все еще существует много проблем для разработки лучших моделей данных GIS, которые будут улучшать, а не ограничивать то, что можно сделать с различными типами транспортных исследований.

Анализ и моделирование ГИС-Т

Приложения ГИС-Т извлекли выгоду из многих стандартных функций ГИС (запрос, геокодирование, буфер, наложение и т. д.) для поддержки управления данными, анализа и визуализации. Как и многие другие области, транспорт разработал свои собственные уникальные методы и модели анализа. Вот некоторые примеры:

• Алгоритмы кратчайшего пути и маршрутизации (например, задачи коммивояжера, задачи маршрутизации транспортных средств).
• Модели пространственного взаимодействия (например, модель гравитации).
• Проблемы сетевого потока (например, проблема минимальной стоимости потока, проблема максимального потока, модели равновесия сетевого потока).
• Задачи размещения объектов (например, задача p-медианы, задача покрытия множества, задача максимального покрытия, задача p-центров).
• Модели спроса на поездки (например, четырехэтапное формирование поездок, распределение поездок, модальное разделение, модели распределения трафика и модели спроса на поездки на основе видов деятельности).
• Модели взаимодействия землепользования и транспорта.

В то время как основные процедуры анализа транспортировки (например, поиск кратчайшего пути) можно найти в большинстве коммерческих программных продуктов ГИС, другие процедуры и модели анализа транспортировки (например, модели спроса на поездки) доступны только выборочно в некоторых коммерческих пакетах программного обеспечения. К счастью, подход к проектированию компонентной ГИС, принятый компаниями-разработчиками программного обеспечения ГИС, предоставляет опытным пользователям ГИС-Т лучшую среду для разработки собственных процедур и моделей анализа.

Как для практиков ГИС-Т, так и для исследователей важно иметь полное понимание методов и моделей анализа транспортировки. Для практиков ГИС-Т такие знания могут помочь им оценить различные программные продукты ГИС и выбрать тот, который наилучшим образом соответствует их потребностям. Это также может помочь им выбрать соответствующие функции анализа, доступные в пакете ГИС, и правильно интерпретировать результаты анализа. Исследователи ГИС-Т, с другой стороны, могут применить свои знания для улучшения возможностей проектирования и анализа ГИС-Т. В связи с растущей доступностью данных отслеживания, которые включают как пространственные, так и временные элементы, разработка функций пространственно-временного анализа ГИС для лучшего понимания динамических моделей движения и маршрутизации привлекла значительное внимание исследователей.

Приложения ГИС-Т

ГИС-Т является одной из ведущих областей применения ГИС. Многие приложения ГИС-Т были внедрены в различных транспортных агентствах и частных фирмах. Они охватывают большую часть широкого спектра транспорта и логистики:

• Планирование и управление инфраструктурой
• Анализ безопасности перевозок.
• Анализ спроса на поездки.
• Мониторинг и контроль дорожного движения.
• Планирование и эксплуатация общественного транспорта.
• Оценка экономического и экологического воздействия.
• Маршрутизация и планирование.
• Отслеживание и диспетчеризация транспортных средств.
• Управление автопарком.
• Выбор площадки и анализ зоны обслуживания.
• Управление цепочками поставок.

Каждое из этих приложений, как правило, имеет определенные требования к данным и анализу. Например, представление уличной сети в виде осевых линий может быть достаточным для приложений транспортного планирования и маршрутизации транспортных средств. С другой стороны, приложение по организации дорожного движения может потребовать подробного представления отдельных полос движения, тротуаров и даже кривизны маршрутов. Поворотные движения на перекрестках также могут иметь решающее значение для исследования организации дорожного движения, но не для исследования регионального спроса на поездки.

Эти различные потребности приложений напрямую связаны с вопросами представления, анализа и моделирования данных ГИС-Т. Когда возникает необходимость представления транспортных сетей исследуемой области в разных масштабах, какой будет подходящая конструкция ГИС-Т, которая могла бы поддерживать потребности анализа и моделирования различных приложений? В этом случае желательно иметь модель данных ГИС-Т, которая допускает несколько геометрических представлений одной и той же транспортной сети. Исследования корпоративных и многомерных моделей данных ГИС-Т направлены на решение этих важных вопросов лучшего представления данных, поддерживающих различные транспортные приложения.

Заключение

С быстрым ростом Интернета и беспроводной связи можно найти ряд приложений ГИС-Т на основе Интернета и беспроводной связи, особенно для указания маршрутов движения, что является наиболее распространенным коммерческим использованием. Навигационные системы глобальной системы позиционирования (GPS) доступны в виде встроенных устройств в транспортных средствах, таких как портативные устройства, и в основном в виде встроенных приложений для смартфонов. В сочетании с беспроводной связью эти устройства могут предоставлять информацию о дорожном движении в реальном времени и предоставлять полезные услуги на основе местоположения (LBS). Еще одна тенденция, наблюдаемая в последние годы, — это растущее число приложений ГИС-Т в частном секторе, особенно для логистических приложений. Поскольку многие предприятия осуществляют операции в географически разнесенных местах (например, на объектах поставщиков, в распределительных центрах, розничных магазинах и местах расположения клиентов), ГИС-Т может быть полезным инструментом для различных логистических приложений. Многие из этих логистических приложений основаны на процедурах анализа и моделирования ГИС-Т, таких как задачи маршрутизации и определения местоположения объектов, которые широко используются в электронной коммерции.

ГИС-Т носит междисциплинарный характер и имеет множество возможных применений для решения реальных проблем.

Список использованной литературы

1. Джетлунд, К., Б. Нойхойзер (2022) Географические информационные системы для транспорта. В: Кресс В., Данко Д. (ред.) Справочник географической информации Springer. Справочники Спрингера. Спрингер, Чам. https://doi.org/10.1007/978-3-030-53125-6_26
2. Lo, CP и AKW Yeung (2002) Концепции и методы географических информационных систем. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall.
3. Миллер, Х. Дж. и С. Л. Шоу (2001) Географические информационные системы для транспорта: принципы и приложения. Нью-Йорк: Oxford University Press.
4. Миллер, Х. Дж. и С. Л. Шоу (2015) «Географические информационные системы для транспорта в 21 веке». Geography Compass, т. 9, стр. 180-189.
5. Шоу, С.Л. (2010) «Географические информационные системы для транспорта: от статичного прошлого к динамичному будущему», Annals of GIS, 16(3), стр. 129-140.
6. Тилл, Дж. К. (ред.) (2000) Географические информационные системы в транспортных исследованиях, Оксфорд, Великобритания: Elsevier Science Ltd.