馬飛虎，羅梓銘，姜珊珊，孫喜文，金依辰

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

3S技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用與發(fā)展

馬飛虎，羅梓銘，姜珊珊，孫喜文，金依辰

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

3S技術(shù)在促進智能交通系統(tǒng)發(fā)展的同時也帶來了一些相關(guān)問題。從3S在智能交通中的應(yīng)用出發(fā)，分別描述了GIS-T數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位導(dǎo)航、RS圖像數(shù)據(jù)處理，以及三者在交通領(lǐng)域現(xiàn)階段普遍的應(yīng)用技術(shù)，并闡述了三者之間的聯(lián)系和智能交通系統(tǒng)架構(gòu)。從經(jīng)濟學(xué)層面分析了3S所帶來的影響，展現(xiàn)了近年來我國對智能交通行業(yè)市場的投資規(guī)模，提出了交通、環(huán)境、經(jīng)濟和諧發(fā)展的理念。最后，從目前3S技術(shù)所存在的問題引發(fā)思考，總結(jié)了提升其技術(shù)與完善智能交通系統(tǒng)的方法。

智能交通系統(tǒng)；3S技術(shù)；數(shù)據(jù)傳輸；定位導(dǎo)航；數(shù)據(jù)處理

交通是人類生活與社會發(fā)展的必要環(huán)節(jié)，其交通水平是評估一座城市是否發(fā)達的重要指標。由于快速增長的車輛給予城市交通的壓力越來越大，傳統(tǒng)的道路管理措施和道路建設(shè)方案已經(jīng)無法解決日益增多的交通堵塞，意外事故，環(huán)境污染等各類問題。隨著社會經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，城市開始步入智能交通（intelligent transportation system，ITS）[1]的數(shù)字化時代。1998年1月，美國副總統(tǒng)阿爾戈爾在加利福尼亞科學(xué)中心發(fā)表了題為“數(shù)字地球——21世紀認識地球的方式（The digital darth:Understanding our planet in the 21st century）”的演講，由此提出了數(shù)字地球的概念并推動了“3S”技術(shù)的應(yīng)用研究[2]?！?S”即地理信息系統(tǒng)（geographical information system，GIS）、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、遙感技術(shù)（remote sensing，RS）。在我國“六五”到“九五”連續(xù)四個五年科技計劃和“863計劃”的支持下，3S技術(shù)步入了更高的發(fā)展階段并取得一系列重大成果。在九五科技規(guī)劃中，將3S技術(shù)列入國家15項重中之重的高新技術(shù)發(fā)展項目中，推動了3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)，交通，環(huán)境，工業(yè)等區(qū)域的發(fā)展研究。如今，3S技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)走近我們的各個生活領(lǐng)域和行業(yè)，以空間數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)的發(fā)展研究使3S產(chǎn)品大量步入生產(chǎn)市場。由于其強大的空間分析和信息處理能力，給智能交通系統(tǒng)提供了有利的支持和保障。不僅能夠高效地采集交通空間數(shù)據(jù)和建設(shè)數(shù)據(jù)庫，也能利用先進的空間信息處理技術(shù)和輔助決策能力來解決復(fù)雜的交通規(guī)劃管理問題，提升交通系統(tǒng)的運行效率[3-4]。

1 3S技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用

智能交通系統(tǒng)是利用現(xiàn)代科技信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)提高交通整體運行效率的一種現(xiàn)代化綜合管理系統(tǒng)。主要以交通信息的采集、分析、處理、發(fā)布、顯示、應(yīng)用為主體，其數(shù)據(jù)庫存儲了大量的交通數(shù)據(jù)信息，將整體系統(tǒng)分成了車輛控制系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)和旅行信息系統(tǒng)四大子系統(tǒng)[5]。

ITS是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，構(gòu)建“數(shù)字化交通”也是當前城市交通必經(jīng)的階段[6]。隨著3S技術(shù)交通領(lǐng)域中的應(yīng)用越發(fā)成熟，既能提供所需的交通空間數(shù)據(jù)，還擁有對交通信息采集，處理，分析等一系列先進技術(shù)，為數(shù)據(jù)庫的建立提供了有力的支持。借助3S技術(shù)處理分析地理，路網(wǎng)等空間數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)布交通信息，可有效地提高交通系統(tǒng)的運行效率，使用戶在出行時做出合適的選擇，更能減少交通意外事故的發(fā)生率。同時可對采集到的實時交通信息進行分析計算，準確掌握區(qū)域內(nèi)人、車流量的數(shù)據(jù)，并采取相應(yīng)的交通管理和規(guī)劃手段去緩解擁堵問題[7]。

1.1 GIS在智能交通中的應(yīng)用

為了解決復(fù)雜的動、靜態(tài)交通問題，基于GIS的空間數(shù)據(jù)查詢分析處理等特點，提出了交通地理信息系統(tǒng)（geography information system-transportation，GIS-T）的概念，該系統(tǒng)覆蓋了公路、鐵路、航空、水運、管道整個交通運輸領(lǐng)域。GIS-T融入了GIS、信息傳輸、傳感器、計算機處理等多種技術(shù)和交通管理規(guī)劃、建模仿真等相應(yīng)工具，用于提升交通運輸效率、完善交通綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了運輸工具與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，給予用戶和交通部門準確實時的數(shù)據(jù)信息[8]。由于GIS-T擁有強大的計算機軟、硬件支撐，可以利用有關(guān)軟件對所收集的交通信息數(shù)據(jù)進行加工、轉(zhuǎn)換、處理和分析并存儲在數(shù)據(jù)庫中，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄⑺璧臄?shù)據(jù)和信息呈遞給用戶，便于用戶的選擇與決策。GIS-T在ITS中的應(yīng)用主要包括最佳路徑分析、交通監(jiān)控、信息處理、網(wǎng)絡(luò)流量分析、交通設(shè)施建設(shè)與輔助決策[9]。GIS-T數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用如圖1所示。

圖1 GIS-T數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用Fig.1 GIS-T data transmission and application

現(xiàn)階段GIS-T中運用最普遍的是最短路徑分析，最短路徑的選取是城市交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化所面臨的重要問題。GIS-T相關(guān)軟件通過以Dijkstra算法為基礎(chǔ)，對交通網(wǎng)中復(fù)雜道路進行分析，得出最短路徑的最優(yōu)解。Dijkstra算法對交通路線進行計算時，需要將節(jié)點和邊的關(guān)系抽象轉(zhuǎn)化為圖的結(jié)構(gòu)，通過尋找距離起始點路徑最短的當前點，然后展開優(yōu)先搜索的方式進行路徑匹配，但這種算法所遍歷的節(jié)點較多，產(chǎn)生的效率不高。GIS-T的路徑分析軟件在Dijkstra算法之上運用了其他加速優(yōu)化的算法，其目的就是為了增加出行者在交通網(wǎng)絡(luò)上的選取性，同時提升出行效率[10]。最短路徑分析常與疊加分析、地形分析相結(jié)合，為GIS-T軟件提供了強大的工具。

1.2 GPS在智能交通中的應(yīng)用

GPS具有全球全天候、準確快速的衛(wèi)星定位功能，其應(yīng)用是基于移動位置服務(wù)（location based service，LBS）和時間服務(wù)之上包括飛機航路引導(dǎo)，船舶遠洋導(dǎo)航，汽車自主導(dǎo)航，電子地圖，緊急救生，車輛監(jiān)控與城市智能交通管理等。應(yīng)用在ITS中可以提供精確的位置信息，通過與無線通信網(wǎng)絡(luò)、計算機輔助程序、電子地圖和車輛管理系統(tǒng)相結(jié)合，具備了車輛定位、跟蹤、導(dǎo)航與交通管理等多種功能。車輛定位，車輛導(dǎo)航和交通指揮調(diào)度系統(tǒng)是目前GPS在ITS上的主要應(yīng)用。車輛定位利用GPS定位與電子地圖相結(jié)合對實時車輛位置進行記錄，在特殊情況下監(jiān)控中心可對目標車輛采取定位監(jiān)控措施，同時進行自動跟蹤，為公安部門提供了緊急救援的數(shù)據(jù)信息；車輛導(dǎo)航是基于GPS定位的原理對車輛進行目的地誘導(dǎo)，包括了路徑選擇，路徑誘導(dǎo)和無線通信三大部分，給予用戶更豐富的出行路線規(guī)劃，提高了出行效率；交通指揮調(diào)度系統(tǒng)是依靠GPS車輛定位與相關(guān)技術(shù)所采集的交通信息，通過分析數(shù)據(jù)信息來管理車輛和調(diào)度指揮，提升了交通車輛的運營效率。

現(xiàn)階段GPS中運用最普遍的是其定位與導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS定位是通過接收機對衛(wèi)星信號的接收，計算出該點經(jīng)緯度的空間坐標、速度、時間等信息。在ITS中對路徑進行導(dǎo)航時，使用差分GPS技術(shù)可提高定位精度。由于城市間密集的高層建筑，地下隧道等障礙物的遮擋導(dǎo)致無法接收到GPS衛(wèi)星信號時，導(dǎo)入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。利用車速傳感器檢測汽車的行進速度，采取微處理單元來處理數(shù)據(jù)，通過速度、時間數(shù)據(jù)計算行駛距離，陀螺傳感器測定行駛方向。該技術(shù)能確保GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的使用過程不會因地理環(huán)境原因?qū)е聦?dǎo)航失效。在ITS中為了消除GPS定位和導(dǎo)航所產(chǎn)生的誤差，時常結(jié)合地圖匹配技術(shù)，對行駛路線和電子地圖上的誤差進行匹配修正，系統(tǒng)利用微處理單元對數(shù)據(jù)進行實時處理，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸正確的車輛位置和導(dǎo)航路線到電子地圖上[11]。

1.3 RS在智能交通中的應(yīng)用

RS能夠動態(tài)、快速、準確地提供地質(zhì)環(huán)境、地理地表物體的信息特征，是現(xiàn)代化采集數(shù)據(jù)的一種重要技術(shù)。目前交通遙感技術(shù)隨著智能交通的發(fā)展也得以重視，主要應(yīng)用于交通數(shù)據(jù)的采集、電子地圖的更新、道路動態(tài)監(jiān)測、行車流量調(diào)查。將交通遙感技術(shù)應(yīng)用在ITS中，是對傳統(tǒng)采集交通數(shù)據(jù)方法的改善，即提升了所獲取交通數(shù)據(jù)的質(zhì)量與精確性，同時也節(jié)約了人力物力和時間。由于城市道路的不斷修建，利用高分辨率的衛(wèi)星遙感影像設(shè)備可以遠距離、非接觸式的獲取遙感數(shù)據(jù)圖像，對交通電子地圖進行快速更新，給予用戶和管理者最新的道路變更信息。利用高光譜遙感技術(shù)能夠?qū)煌▍^(qū)域內(nèi)的車輛情況進行檢測，車輛擁堵路段會在高光譜圖像上形成高溫點，通過對圖像上高溫點顏色深淺和范圍大小的分析，可得出交通擁堵情況和持續(xù)時間等信息，便于管理部門對交通進行及時的疏導(dǎo)[12]。

現(xiàn)階段RS中運用最普遍的是無人機數(shù)據(jù)采集技術(shù)?；谶b感平臺，利用無人機搭載高光譜成像光譜儀對交通影像數(shù)據(jù)進行采集，具有時效性強、覆蓋面積廣、信息真實客觀等特點。在交通事故現(xiàn)場，利用無人機遙感技術(shù)對實時數(shù)據(jù)進行傳輸并獲取精確的遙感影像，易于有效開展現(xiàn)場救援工作[13]。但目前無人機獲取影像數(shù)據(jù)具有一定的相機畸變和外方位元素變化較大等問題，需要在后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中采取預(yù)處理方案，將雜亂的航拍圖像處理為所需的正射影像圖，才能應(yīng)用于交通數(shù)據(jù)提取和分析過程中。RS圖像數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用如圖2所示。

圖2 RS圖像數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用Fig.2 RS image data processing and application

1.4 智能交通中3S技術(shù)的聯(lián)系

3S技術(shù)為ITS信息的采集、數(shù)據(jù)庫的建立提供了必要的支持。GPS實現(xiàn)了精確的車輛定位和路徑導(dǎo)航，RS提供了最新的交通道路影像圖，將GPS數(shù)據(jù)，RS影像圖和各類有關(guān)的交通資料在GIS計算機系統(tǒng)中進行綜合分析集成，能得到全面的交通數(shù)據(jù)信息。利用3S技術(shù)對各類交通數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、分析和處理，并與智能交通系統(tǒng)相結(jié)合，有效地提高了運輸效率、減小了交通擁堵、降低了事故發(fā)生率，同時也推動了信息化、數(shù)字化、智能化交通的發(fā)展。交通領(lǐng)域（公路、鐵路、航空、水運、管道）中3S技術(shù)的應(yīng)用如表1所示。

表1 交通領(lǐng)域中的3S技術(shù)Tab.1 3S technology in transportation field

3S技術(shù)所構(gòu)建的ITS數(shù)據(jù)庫，可以存儲和處理大量復(fù)雜化的交通大數(shù)據(jù)，其信息數(shù)據(jù)在ITS體系中的感知、傳輸、分析、應(yīng)用都離不開3S技術(shù)的支持[14]。其中RS主要應(yīng)用于感知層面的數(shù)據(jù)獲取部分，GIS主要應(yīng)用于分析層中的數(shù)據(jù)處理部分，GPS主要應(yīng)用于應(yīng)用層中的定位與導(dǎo)航部分。圖3為智能交通系統(tǒng)架構(gòu)圖。

2 3S技術(shù)在ITS中帶來的經(jīng)濟影響

3S技術(shù)在ITS中的應(yīng)用不僅是對交通系統(tǒng)運行效率的提升，同時也給交通經(jīng)濟帶來了多方面的影響。GIS通過對交通數(shù)據(jù)的分析處理，提煉出準確的數(shù)據(jù)信息，完善了交通數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；GPS通過對車輛，行人，道路進行衛(wèi)星定位，提供了路徑導(dǎo)航和位置查詢的服務(wù)功能；RS利用遙感影像采集數(shù)據(jù)，給道路地圖的更新與繪制提供了重要資源。我國為了構(gòu)建完善的城市交通系統(tǒng)，對ITS行業(yè)市場的投資已逐年增多。從2007年對城市ITS市場規(guī)模100億元的投資，到2015年城市ITS市場規(guī)模已超過700億元。自2010—2015年，增長率均已超過20%且逐年增加，目前我國ITS發(fā)展正處于上升期，預(yù)期到2020年城市ITS的市場規(guī)模將突破1 000億元[15]。圖4為2007—2015年智能交通市場規(guī)模柱狀圖。

雖然該行業(yè)投資量大，工程難度高且耗時較長，但考慮到ITS長遠發(fā)展所帶來的收益，我國對其建設(shè)的大力投資是改善城市交通系統(tǒng)的必經(jīng)之路。3S技術(shù)在ITS中的應(yīng)用能對交通狀況進行檢測，有效緩解道路的擁堵，提升道路的通行能力，減少因交通堵塞所導(dǎo)致的行車能源消耗，時間流逝，道路占用等問題帶來的經(jīng)濟損失，同時也節(jié)約了擴充城市道路建設(shè)投入的資金。因車輛無秩序行駛，道路管理不健全等因素引發(fā)的意外交通事故也會對經(jīng)濟、乃至生命安全產(chǎn)生不可逆的影響。利用3S技術(shù)對交通規(guī)劃與管理進行完善，通過政府的介入對道路交通管理采取相關(guān)措施，在交通事故發(fā)生時，第一時間通知有關(guān)部門，并在事故發(fā)生區(qū)域發(fā)布實時信息，讓公安機關(guān)和救援團隊能及時趕往現(xiàn)場展開緊急救援，盡可能地減少傷亡人員。利用GPS導(dǎo)航功能、RS交通影像圖和GIS數(shù)據(jù)處理的集成技術(shù)，可使出行者以最佳路徑和最短時間到達目的地，提升了因減少出行成本和時間所獲得的經(jīng)濟效益。另外，交通運輸帶來的尾氣排放，環(huán)境污染等問題也會造成經(jīng)濟的損失并威脅到人們的健康。3S技術(shù)與ITS的結(jié)合能給節(jié)能減排，保護環(huán)境等領(lǐng)域提供相關(guān)的措施，提高人們的生活質(zhì)量，實現(xiàn)交通、環(huán)境與經(jīng)濟的和諧發(fā)展[16]。

圖3 智能交通系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 The structure of ITS

圖4 2007—2015年智能交通市場規(guī)模Fig.4 Scale of intelligent transportation market during 2007—2015

3 3S技術(shù)在ITS中面臨的發(fā)展問題

我國3S技術(shù)的發(fā)展正處于由上升期步入成熟期的階段，因此將GIS、GPS、RS運用在ITS中會面臨一些難以避免的問題：

1）GIS的核心是貫穿了整個交通系統(tǒng)體系的數(shù)據(jù)庫，交通數(shù)據(jù)具有不確定性，其精確度和可靠性的篩選、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)的壓縮與更新是當前系統(tǒng)需要提升的部分。數(shù)據(jù)的安全性和保密性也受到了大量的關(guān)注，用戶個人信息和內(nèi)部交通數(shù)據(jù)的泄露容易引起各類糾紛，政府需要加強對數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)督和保障。另外，由于國家管理體系的局限性，導(dǎo)致許多交通部門分割嚴重形成了自我的信息孤島，使得交通數(shù)據(jù)信息無法實現(xiàn)共享，降低了國家整體交通系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率。

2）GPS在定位過程中時常會遇到定位不準確甚至無法定位的問題，例如在地形復(fù)雜的環(huán)境中，容易對GPS信號造成反射產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，影響到定位的精準度。在城市密集高樓之間的道路和軌道內(nèi)GPS難以接受到衛(wèi)星信號，導(dǎo)致部分路徑導(dǎo)航與電子地圖不符，失真的情況也屢屢發(fā)生。由于障礙物對衛(wèi)星信號接受的遮擋，目前大多數(shù)GPS技術(shù)仍運用在室外定位，對于室內(nèi)定位的技術(shù)還不夠完善。

3）RS圖像的分辨率不高是我國遙感面臨的一大難題，為了滿足部分高要求的遙感圖像應(yīng)用，需從國外引進先進的RS工具和高分辨率的影像圖，只有提升我國RS技術(shù)才能從根本上解決此類問題[17]。另外，遙感大數(shù)據(jù)由于其復(fù)雜的超長時間序列數(shù)據(jù)分布與高維性等因素，使得本質(zhì)屬性和在高維空間中分布的內(nèi)蘊結(jié)構(gòu)更加多樣化。需要通過降維的方式從諸多數(shù)據(jù)中尋找本質(zhì)特征，并確保數(shù)據(jù)集在降維后的主體特征不發(fā)生變化。

3S集成系統(tǒng)將3種技術(shù)相結(jié)合，雖有效地解決了很多單技術(shù)無法處理的問題，但目前仍面臨著一些尚未解決的發(fā)展問題。3S系統(tǒng)的運行需強大的計算機系統(tǒng)支持，軟、硬件作為處理ITS復(fù)雜狀況的工具，對于硬件設(shè)計和軟件開發(fā)的要求已逐漸提高，同時也需要完善計算機網(wǎng)絡(luò)中不同軟件的語義化、交互式操作，構(gòu)建更穩(wěn)定快速的通信網(wǎng)絡(luò)來提升交通信息的傳輸效率。隨著3S技術(shù)在ITS中的廣泛應(yīng)用，該領(lǐng)域所需的人才也逐漸增多，他們不僅要充分掌握3S、ITS的各類知識與相關(guān)軟件，還應(yīng)具備將3S技術(shù)運用在ITS中的實際能力。未來，我國需要加大對此類人才的培養(yǎng)力度，使該領(lǐng)域擁有更多高能力，高素質(zhì)的人員。

4 結(jié)束語

當前3S技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用已經(jīng)成為了熱門的研究領(lǐng)域。我國的3S技術(shù)、ITS的發(fā)展正處于上升期，“數(shù)字化”智慧城市和智能交通也逐漸推廣于社會生活中。GIS、RS的數(shù)據(jù)傳輸、處理和應(yīng)用，GPS的定位和導(dǎo)航技術(shù)貫穿了整個3S體系。利用3S技術(shù)對智能交通領(lǐng)域進行完善，從多方面實現(xiàn)了對整體交通系統(tǒng)運作效率的提升。同時從經(jīng)濟學(xué)的角度出發(fā)，通過觀察近幾年國家對ITS行業(yè)投資的增長情況，從圖4中可看出2007—2015年智能交通市場規(guī)模的逐年擴大，分析了3S、ITS給國家?guī)淼慕?jīng)濟收益情況，同時提出交通、環(huán)境、經(jīng)濟和諧發(fā)展的理念。從3S技術(shù)在ITS中所面臨的發(fā)展問題引發(fā)思考，提出要發(fā)展更為先進的3S技術(shù)和培養(yǎng)更多該領(lǐng)域優(yōu)秀人才的方法，來推進我國智能交通的發(fā)展，使城市智能交通系統(tǒng)走向成熟。

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Application and Development of 3S Technology in Intelligent Transportation

Ma Feihu，Luo Ziming，Jiang Shanshan，Sun Xiwen，Jin Yichen
（1.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

3S technology,while promoting the development of intelligent transportation system，has brought about relevant problems.Based on the application of 3S in intelligent transportation，this paper studied the application of GIS-T data transmission，GPS positioning and navigation，RS image data processing,and their application technologies in the field of transportation at present and expatiated the relationship among them as well as the architecture of intelligent transportation system.From the perspective of economics，it analyzed the impact of 3S,showed the investment scale of China's ITS market in recent years，and put forward the concept of harmonious development of transportation，environment and economy.Finally，the problems of 3S technology were taken into consideration，and the methods of improving ITS technology and ITS were summarized.

intelligent transportation system；3S technology；data transmission；positioning and navigation；data processing

U495

A

（責任編輯 姜紅貴）

1005-0523（2017）04-0056-07

2017－03－01

測繪地理信息行業(yè)科研專項 （201512027，201512021）；江西省數(shù)字國土重點實驗室開放研究基金資助項目（DLLJ201605）；江西省重點研發(fā)計劃項目（20161BBG70079）；江西省科技支撐項目（20161BBG70079）

馬飛虎（1973—），男，副教授，博士，研究方向為3S技術(shù)集成、工程測量、智能交通等。