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1、第一章概论1.1地理信息系统111地理信息系统的定义及发展所谓地理信息系统是指反映人们赖以生存的现实世界（资源和环境）的现势和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用的技术系统。它强调的是空间的数据结构和数据分析。地理信息系统是随着计算机的发展，在原有学科交叉处派生出来的一门新兴边缘学科。它是用来处理和分析空间数据的一门综合信息技术，它是介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科。它的发展同计算机技术、遥感技术、信息工程及现代地理学息息相关。目前，同地球资源与环境有关的各学科中，地理信息系统的应用极为广泛。地
2、理信息系统起源于本世纪60年代,它作为有关空间数据管理、空间信息分析及传播的计算机系统，在其30 多年的发展历程中已经取得了很大的成就，并广泛地应用于土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、城市规划、经济建设以及政府各职能部门。112地理信息系统的功能地理信息系统的基本功能如下：1、数据采集、检验与编辑。主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数据值逻辑一致、无错等。2、数据格式化、转换、概化，通常称为数据操作。3、数据的存贮与组织。这是一个数据集成的过程，也是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。4、查询、检索、统计、计算功能。查询
3、、统计、计算是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本分析功能。D:WM毕业论文.doc5、空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别。模型分析意指在地理信息系统支持下，分析和解决问题的方法体现，它是地理信息系统应用深化的标志。6、显示。地理信息系统为用户提供了许多用于显示地理数据的工具，其表达形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报表、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出具有高品质的地图。1.2电子地图系统简介
4、近年来，随着计算机技术、激光技术和微电子技术的发展和应用，传统地图的表现形式和记录方式已逐渐失去了它昔日的垄断地位。信息作为经济战略资源，越来越受到人们的广泛关注，信息的及时传输和处理已变成了当今社会生产力、竞争离和发展成功的关键，信息网络将是一种渗透到各个角落的技术和社会力量，它将把整个社会结构紧密联接在一起，成为现代社会的一条命脉。作为空间和时间信息表达、传输工具的地图，又以新的表现形式电子地图面对着信息革命和社会经济发展需求的挑战。在 80 年代中期，随着数字地图及地理信息系统技术的发展和应用，随着计算机视觉化研究的深入，在侧重于空间信息的表现与显示的基础上，电子地图应运而生。电子地图主
5、要应用于政府宏观管理、科学研究、规划、预测、大众传播媒介、信息服务等领域。另外，它与全球定位系统（GPS）相结合，在航天、航空领域、军事领域以及汽车导航中也发挥着十分广泛的作用2。目前，在国际上影响较大的电子地图有美国世界影象电子地图集、加拿大国家电子地图集。随着发展，众多的地理信息系统的应用成果也都以电子地图的形式来展示,好的电子地图应具有地理信息系统的所有功能。121电子地图的基本特征电子地图是以地图数据库为基础，以数字形式存贮于计算机外存贮器上，并能在电子屏幕上实时显示的可视地图，又称“屏幕地图”或“瞬时地图”。根据电子地图存贮介质的不同又可分为“磁盘地图”或“光盘地图”等2。电子地图的
6、主要优点在于：1、电子地图数据库可包括图形、图象、文档、统计数据等多种形式，也可以与视频、音频信号相连，数据类型与数据量的可扩展性比较强。2、查询检索和分析功能；能够支持从地图图形到属性数据和从属性数据到图形图形的双向检索。3、图形动态变化功能；从开窗缩放、浏览阅读等基本功能到地图动画功能、多维动画图形模拟等。4、具有良好的用户界面；使读者介入读地图的生成过程。5、多级比例尺之间的相互转换；由于计算机屏幕幅面的限制和计算机潜在的计算功能和巨大的存贮能力，要求具有多级比例尺不同程度的制图综合功能。6、信息的存贮、更新以及通讯方式较为简便，便于携带与交流。121电子地图软件系统生成模块包括多种地图
7、制图、文字编辑、图表生成、影象恢复、数据更新等功能。分析模块依据不同的用户层次的具体要求而设计，全面考虑电子地图的内容和用途，可设置各种专用模块，或者设置定性分析、定量分析、相关分析、动态分析等功能。显示模块包括检索方式、属性查询、静态显示、动态显示、图形缩放等功能。1.3空间分析的内容及意义空间数据的分析是地理信息系统中的核心部分，也是地理信息系统有别于计算机辅助设计（CAD）的关键所在。在地理信息系统基础上发展起来的电子地图，它不仅着重提高地图的表现力，而且强调地图的分析和应用功能。空间数据分析是指地理信息系统为用户提供的解决问题的方法。空间数据分析的目的是为用户提供一套空间数据的分析方法
8、。空间数据的查询和检索只是空间分析的基本功能，空间分析的更深层次的内容涉及各种空间模型分析，包含内容广泛，通常，它不仅包括对一个目标的空间位置信息和属性信息的分析，还包括对多个目标的分析。下面所列举的是空间数据分析的主要功能：查询检索拓扑查询，位置查询，属性查询，区域查询等。形态分析面积量算，距离量算，质心计算，周长量算等。地形分析等值线分析，坡度坡向分析，分水岭分析，视域分析，剖面分析等。叠置分析视觉信息复合，条件叠置，无条件叠置等。邻域分析缓冲区分析，泰森多边形分析，拟合分析等。网络分析最短或最佳路径分析，空间规划等。图象分析图象增强，图象分割，图象细化等。应用模型分析数学模型，统计模型，
9、逻辑模型等。网络分析作为空间分析的一种，在地理信息系统中有着广泛的应用领域。例如在城市规划中，通信线路的铺设，交通管理线路的确定，以及旅游工作新线路的开辟等。对地理网络（如交通网络），城市基础设施网络（如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等）进行地理分析和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。起基本思想则在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。这类问题在生产、社会经济活动中不胜枚举，因此研究此类问题具有重大
10、意义。1.4本文研究的主要内容在城市电子地图中，公共交通信息模块是必不可少的，它应为各种交通信息的搜索、查询、统计提供方便直观的手段。为了较好地定义交通网络、高效率地获得最佳路径，方便用户查询公共交通信息，本论文研究的主要内容如下：第一章：概略地介绍地理信息系统的发展、功能，电子地图的软件系统、功能以及二者都所具有的最主要功能空间分析。第二章：网络分析的基本数据组织方式。主要介绍了网络分析的理论基础图论，网络的拓扑性质，以及提出了一种适于最短路径算法的数据组织方式。第三章：最短路径问题及算法。在介绍经典的Dijkstra 最短路径算法的基础上，从节省存贮空间和提高运算速度的角度出发，采用邻接点
11、算法来求两点之间的最短路径。第四章：电子地图中公交线路的查询。基于最短路径算法，求得地图上任意两站点之间的最短路径，显示并计算出最佳乘车方案。第五章：结论和建议。联系实际，指出需要改进之处以及在实际应用中应注意的问题。第二章网络分析的基本数据组织方式在 GIS 中,常将空间事物抽象成点、线、面等几何要素。点、线建立拓扑关系，可以组成网络。网络在几何上由边连成，边的端点、交点是网络的结点。例如，道路网可以定义为几何上的“网”，行车路线可以定义为网络的“边”，车站站点可以定义为网络的“结点”。这样就把现实世界中的客观对象抽象成 GIS 中的网络、结点、边之间的关系。对应几何特征又有相应的属性特征，
12、例如道路网中的行车路线的距离等特征，转向点的通行规则等特征。一般，网络在数学和计算机领域中是被抽象为图这个概念的，所以其基础是图的存储表示。作为后述讨论的基础，本章将介绍一些图论的内容。21图一个图由两部分组成，一部分是结点，图的术语中也称之为顶点（vertex）；另一部分是顶点的偶对，称之为边（edge）。通常，图的任意一对顶点间都允许有一条边。树和链表也可看作受限图。因此，从某种意义上来说，图是最基本的数据结构。图被广泛应用于模拟真实事件或抽象问题，并在数百个问题中经常被利用。下面列出图常用解决的几类主要问题：1、模拟计算机与通信网络的联接；2、表示一张地图的一组坐标以及坐标之间的距离，以
13、求得最短路径；3、模拟交通网络的流量；4、寻找从开始状态到目标状态的路径，如人工智能问题求解；5、模拟计算机算法，显示程序状态的变化；6、为复杂活动各子任务的完成寻找较优顺序，如大型建筑的建造；7、模拟家族、商业活动或军事组织的自然科学中动植物分类中的各种关系。3在本文中，作者主要用图来表示地图上一组坐标以及坐标之间的距离，以求得最短路径，从而对交通网中的公共交通信息进行查询。211图论中的基本概念一般在几何上将图定义为空间一些点（顶点）和连接这些点的线（边和弧段）的集合，可以表示为一个偶对 G=（V，E），其中 V 表示顶点的集合，E 表示边的集合，因此图21可以表示为：V=v1，v2，v3
14、，v4，E=e1，e2，e3，e4，e5，e6. 除此以外，还可以用边的两个顶点来表示边。如果边e的两个端点是u和v，那么 e 可写成 e=，这里表示 u 和 v 的无序对，即和都表达了以u，v为端点的无向边。这样图21又可表示为：G=（V，E）， V=v1，v2，v3，v4， E=，图21 中边的两个顶点是无序的，一般称为无向图；在实际应用中，将图和每条边分配一个方向是很自然的，这样的图称为有向图（如图22）。对有向图，有向边e用与其关联的顶点u，v的有序对来表示，即e=（u，v），u 表示边e的起点，v为边e的终点。因此图22就可以表示为：G=（V，E）， V=v1，v2，v3，v4，E=
15、（v1，v2），（v1，v3），（v1，v4），（v4，v2），（v4，v3），（v2，v3） 如果顶点v是边e的一个端点，则称边e和顶点v相关联（incident）；D:WM毕业论文.doc对于顶点u和v，若（u，v）E，则称u和v是邻接的（adjacent）；若两条边有共同的顶点，也称这两条边是邻接的。顶点v的度（degree）是和v相关联的边的数目，记为TD（V）。例如，图21中v2的度是3。对于有向图，以顶点为头的弧的数目称为v的入度（Indegree），记为ID（v）；以v为尾的弧的数目称为v的出度（Outdegree），记为OD（v）。那么，TD（v）=ID（v）+OD（v）应用中往往还需要对图中的边赋值，这个值称为权。它可以表示边的各种不同的意义：如经过边的是一条道路，则权就可能是它的长度，也可能是它的通
