城市交通网络最佳路径分析

资遵珏发与直场殛螋区塑虹墅鱼量蚴２噬丛（垒）
描述该算法的实现过程为［１０，１１］：用带权的邻接矩 阵Ｃｏｓｔ来表示带权的具有Ｎ个结点的有向图，Ｃｏｓｔ［ｉ， 力表示弧＜Ｋ∈Ｋ＞的权值，如果从Ｋ到巧不通，则 Ｃｏｓｔ［ｉ，力＝∞，然后引进一个辅助向量Ｄｉｓｔ，每个分量 Ｄ／ｓｔ［ｉ］表示从起始点到每个终点Ｋ的最小权值；假定 某向量的起始点在有向图中的序号为ｍ，并设定该向 量的初始值为：Ｄ／ｓｔ［ｉ］＝Ｃｏｓｔ［ｍ，ｉ］，Ｋ∈Ｖ。式中，Ｖ 是结点的集合。令ｓ为已经找到的从起点出发的最短 路径的终点的集合，初始值为Ｓ＝｛Ｖｍ｝，则：第１步选
在众多的最短路径算法中，Ｄｉｊｋｓｔｒａ算法因其能适 应百度文库络拓扑的变化，加之性能稳定，因此在ＧＩＳ最短路 径分析中得到较为广泛的应用【１０Ｊ。Ｄｉｊｋｓｔｒａ算法的基 本思想就是以始发点汤为根节点，遍历所有距‰距 离最短或时间最短的邻近节点，逐步遍历，逐步邻近，
直至所有节点全部遍历一遍，直至目标点，这样每一个 节点）【ｉ距离）（ｏ均为距离最小或时间最少路径［１１】。 也就是寻找这样一个路径，使两点之间的距离最短或 时间最少，即Ｄ／ｓｔ＝ｒａｉｎ｛砒ｔ（ｉ，『）｝。
在地理信息系统中，包含３种数据类型，即点、线 和面。在交通网络构建中，其空间数据主要为点和线， 表现在交通实体上分别对应的节点和路段称为结点和 链［５】，见表ｌ。链是指网络中流动的管线，在交通网络 模型中指路段；结点是网络中链的连接点，如车站、街 道交叉口、港口等，其状态属性包括阻力和需求。结点 又有以下几种常见类型：①障碍。禁止在网络链中流 动的点，如交通路障。②拐角点。出现在网络链中所 有的分割结点上状态属性的阻力，如拐弯的时间限制 和交通规则限制（如不允许左转等）。③中心。它是接 受或分配资源的位置，如商业中心、电站等，其状态属７ 性包括资源总量、阻力限额等（如物流源、商业中心 等）。④站点。在交通链中资源增减的点，如库房、汽 车站点等［５］５。在收集到交通路段和结点数据后，建立 空间数据的属性结构，见表２。对空间数据和属性数
空间致据略图
属性字段
嬲类型
长度 双｝｜｝度
属性结构
黻
双精度
用时 双精度
路段质量 整型
描述每一路描述每一路描述每一路描述每一路
段的长度，段的行车速段的行车时段的质量状
数据属性描是进行距离度，是进行阃，是进行况，是进行
述
最短路径分时间最短路时间最短路最佳路径分
析的重要参径分析的重径分析的重析的重要参
敷
要参数
中图分类号：嗍 关键词：交通网络；拓扑分析；网络分析；最佳路径分析；ＡＩｃＧＩＳ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—８１４１（２００８）０４—０３０９—０３
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［后］＝抛［＿『］＋Ｃｏｓｔ［ｊ，ｋ］，重复第２、３步操作共Ｎ一１
次，由此求得从％出发到图上各个顶点的最佳路径 是依路径权值递增的序列。这样，便可找出指定点之 间的某种量度最小的路径，达到最佳路径分析的目的。
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·３１０·
万方数据
３交通网络最佳路径分析 路径分析是ＧＩＳ网络分析研究的热点，是ＧＩＳ软
件中的基本空间分析方法之一，也是交通地理信息系 统的核心功能，通常可理解为求解最佳路径。在对交 通网络进行路径分析时，按其网络路径中所赋予权重 的不同，可分为距离最短路径问题、时间最短路径问 题、油耗最小路径问题、费用最小路径问题、安全舒适 性最优路径问题等【９Ｊ９。一般而言，时间最短路径是大 多数出行者都特别关注的问题，因此面向最短时间的 最佳路径分析也就成为ＧＬＳ着重研究的问题之一。目 前最常用的基于交通网络模型的路径分析应用模型一 般是将实际的路段抽象为网络中的一条边，以边的权 重值来表示两点间的连通费用，可以为行车时间、速 度、路段长度等，从而求出交通网络上某点到其它任一 点的连通费用总和最小的路径作为最佳路径［４，９Ｉ。从 某种意义上讲，求解最佳路径实际上就是求解有条件 的、带权重的最短路径。
摘要：以城市交通网络的构建作为切入点，分析了城市交通网络模型的建立、空间数据的拓扑分析、几何网络的构建和最佳路 径。通过具体的实例，利用ＡｒｃＧＩＳ网络分析工具，探讨了基于距离最短的最佳路径分析、基于时间最少的最佳网络分析和有障碍物
的时间最少的最佳路径分析，阐述了ＧＩＳ技术在城市交通网络最佳路径分析中的重要作用，以期通过ＧＩＳ的网络分析技术来构建城 市智能交通网络体系，为城市的发展提供坚实的基础设施保障。
位置关系的描述，而地理要素之间的空间位置关系可 抽象为点、线（或弧）、面（多边形）互相之间的空间几何 关系，包括点与点、点与线、点与面、线与线、线与面和 面与面等６种关系［６，７｜。拓扑分析的主要功能就是将 这６种空间关系有机地整合起来，对空间实体如点、 线、面之间的邻接、包含、覆盖、相离和相接等空间位置 关系进行描述。创建拓扑关系可真实地表示地理要 素，更好地描述现实世界的地理现象，拓扑关系能清楚 地反映地理实体之间的逻辑结构关系，它比单纯的空 间数据有更大的稳定性，不随地图投影的变化而变 化［５］。在ＡｒｃＧＩＳ中进行空间数据的拓扑分析，必须注 意参与拓扑创建的要素均要在同一数据集中，并且需 要定义拓扑规则、拓扑等级和拓扑容限【８Ｊ。地理实体 之间的主要拓扑关系见表３。拓扑分析在交通网络最 佳路径分析中具有举足轻重的作用，是网络分析的基 础，具有拓扑关系的矢量数据是网络分析必要的数据 来源。因此，在进行网络分析之前，必须对交通矢量数 据进行拓扑分析，在ＡｒｃＧＩＳ中的拓扑分析工具见图２。 交通网络的拓扑分析主要是节点和路段间的关系构 建，具体表现为节点与路段的相互关系和路段与路段问
Ｄｉ酬Ｌａｎｄ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
ａｎｄ Ｅｃｏｌ００ｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｑｌ∞弛Ｕｎ蛔ｍｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，凸即ｇ血６１００５９，Ｃｈｉｎａ；
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：盈Ｅ究左法！
：
据进行分析，在构建空间数据的拓扑关系基础之上建
立交通网络数据模型，见图１。
表１ 交通网络模型空间数据类型及简略状态一性
数据类型别称（交通或网络）
状态属性
点
节点或结点
障碍、拐角点、中心、站点等
线
路段或链
街道、路段、可通行、不可通行、限速，等
面
研究区域
一
裹２交通网络模型空间数据属性结构
众所周知，城市交通网络在现代化都市生活中起 着越来越重要的作用，其建设水平总体上反映了城市 交通网络与城市规模、人口、社会经济发展水平相适应 的状况，不同的城市规模、经济发展水平和城市的性质 对交通网络建设水平的要求有着很大的差别…１。随着 我国城市化水平的提高，城市建成区范围逐步扩大，人 口和产业也逐步向城市集中，人们在城市中的活动频 度不断增加，这就给我国的城市交通带来了前所未有 的压力。目前，我国的各个大中小城市均面临着较大 的交通压力，直接影响到城市经济的发展以及人们的 出行。那么，优化城市交通结构、构建城市交通网络模 型、分析交通网络的最佳路径、选择最优出行路线和方 式是缓解交通压力、提高交通运营效率的有效技术手 段，也是当前研究城市交通的热点问题。本文在前人 研究的基础之上，借助ＧＩＳ几何网络分析技术，探讨了 城市交通模型的构建、空间数据的拓扑以及最佳路径 的分析，以期能对城市智能交通发展研究提供借鉴。
收稿日期．＇２００８—０２—２５；修订日期：２０∞一０３—２１ 基金项目：北京市“资源环境与地理信息系统”重点实验室开放基 金；四川省学术与技术带头人培养基金（编号：２２００３１９）；四川省青年科 技基金（编号：０６Ｑ０２６—０１４）。 第一作者简介：吴柏清（１９６９一），男，重庆人，博士研究生，副教授， 主要从事遥感与ＧＩＳ在城镇规划中的应用研究。
万方数据
１交通网络模型的建立 数据模型是指一组实体和实体之间的关系，这些
实体和关系被用于创建真实现象的表示形式，而网络 数据模型是真实世界中的网络系统（如交通网络、通信 网络、地下市政管网等）的抽象表示【２－４］。网络数据模 型的优劣直接关系到后续分析工作的成功与否，它是 整个工作能否正常进行的关键。
３．心ｉＩｌｇ胁喇呻脚岫ｆｏｒ Ｒ嘲础踟ｉｒｏｌｌ嗽吐４ｎｄ娜Ｉｎｆｏｎｍｆｉｏｎ ＳｙＢｔ皿，ｃ叩眦Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖ商ｔｙ，ｒ，ｅｉｊｉＩｌｇ １０００３７，嘶）
㈣：Ｆｒｏｍ ｃ０瑚佃咖ｔｈｅ ｂＩⅢｄｉＩ唱ｏｆｔｈｅ嘶’８佃ｍ叩嘎妇ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｐ印盯ｅｌ蛔毗ｅｄ ｄｒｙ’Ｂ Ｕ，ａ．ｒｌｓｐｏｒｔａｆｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｉｓ
塞蘧珏发与直扬＆§地堡函篁！呼ｇ鲤４蠡Ａｉｄ匣２Ｑ鳗丛（垒）
：五匪究方法！
城市交通网络最佳路径分析
吴柏清１，２何政伟１一，许辉熙１，张新海１，刘慧卿２ （１．成都理工大学数字国土与生态科学研究所，四川成都６１００５９；２．成都理工大学资源环境与城乡规划系，四川成都６１００５９；
３．首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京ｌ∞ｏ卵）
要参数
敷
城市交通网络模型
辨∈
资源珏发与直扬Ｂ霎§咝壁趟单些堕量§ｉ迥熊垫鳗丝（生ｌ
的关系，如节点必须在路段之上，路段与路段之间的相 交处必须剪断以及节点间的匹配相连等。通过ＡｒｃＧＩＳ
的拓扑分析工具（图２）可方便地实现，进而完成交通 网络数据的拓扑构建。
裹３主要拓扑类型
地理实体
点一点 点—线
点一面 线—线 线一面 面一面
择Ｋ，使腑＃［力＝ｒａｉｎ｛Ｄ／ｓｔ［ｉ］Ｉ Ｋ∈Ｖ—ｌｓ｝，Ｋ∈Ｖ，巧
就是当前求得的一条从％出发的最优路径的终点，令 Ｓ＝ＳＹ｛Ｋ｝；第２步修改从％出发到集合Ｖ—Ｓ中任 一顶点圪的最短路径长度，如果Ｄ／ｓｔ［力＋Ｃｏｓｔ［．『，七］ ＜Ｄ／ｓｔ［后］，则做第三步；第３步修改Ｄｉｓｔ［后］为Ｄ／ｓｔ
……，Ｊ１谴
一技干道
：研究方法：
４ ＡｒｅＧＩＳ工具分析实例 以成都市市区街道略图为例，进行城市交通网络
最佳 路径分析研究。我们将成都市街道分为４个等
级，首先为一环、二环和三环，在此路段上行车速度最 快；其次为主干道，行车速度一般；第三为次于道，行车 速度比主干道次之；最后为小道，行车速度最慢。根据 这４种交通街道的等级，绘制成都市交通略图的专题 图，并进行拓扑分析，为交通网络最佳路径分析做准 备；然后，赋予不同的路段以不同的速度属性，并计算 出在每一路段上行车的平均时间。数据准备好之后， 便可以利用ＡｒｅＧＩＳ网络分析工具建立几何网络并进 行最佳路径分析。如图３为Ａ、Ｂ两点问不同类型的 最佳路径分析结果。其中图３Ａ表示距离最短的路径 分析；图３Ｂ为用时最短路径分析；图３Ｃ为在某些路段 上设置障碍从而得到带障碍的用时最短路径分析。
拓扑关系
相互关联性，一个点与一个点的依存关系 点在线上。点在线外 点在面上，点在面外。点在面的边界上 线与线的连接、交叉、相离；线的不可自相交（如等高线） 线在面内，线在面外，线是面的外轮廓
面与面的邻接关系，公共边 一
图２ ＡｚｃＧＩＳ交通网络拓扑分析工具
圈１交通网络数据模型的构建
２交通网络拓扑分析 拓扑分析是对地理信息系统中地理要素之间空间