3S技术在智能交通中的应用与发展

马飞虎，罗梓铭，姜珊珊，孙喜文，金依辰

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）

3S技术在智能交通中的应用与发展

马飞虎，罗梓铭，姜珊珊，孙喜文，金依辰

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）

3S技术在促进智能交通系统发展的同时也带来了一些相关问题。从3S在智能交通中的应用出发，分别描述了GIS-T数据传输、GPS定位导航、RS图像数据处理，以及三者在交通领域现阶段普遍的应用技术，并阐述了三者之间的联系和智能交通系统架构。从经济学层面分析了3S所带来的影响，展现了近年来我国对智能交通行业市场的投资规模，提出了交通、环境、经济和谐发展的理念。最后，从目前3S技术所存在的问题引发思考，总结了提升其技术与完善智能交通系统的方法。

智能交通系统；3S技术；数据传输；定位导航；数据处理

交通是人类生活与社会发展的必要环节，其交通水平是评估一座城市是否发达的重要指标。由于快速增长的车辆给予城市交通的压力越来越大，传统的道路管理措施和道路建设方案已经无法解决日益增多的交通堵塞，意外事故，环境污染等各类问题。随着社会经济与科学技术的不断发展，城市开始步入智能交通（intelligent transportation system，ITS）[1]的数字化时代。1998年1月，美国副总统阿尔戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球——21世纪认识地球的方式（The digital darth:Understanding our planet in the 21st century）”的演讲，由此提出了数字地球的概念并推动了“3S”技术的应用研究[2]。“3S”即地理信息系统（geographical information system，GIS）、全球定位系统（global positioning system，GPS）、遥感技术（remote sensing，RS）。在我国“六五”到“九五”连续四个五年科技计划和“863计划”的支持下，3S技术步入了更高的发展阶段并取得一系列重大成果。在九五科技规划中，将3S技术列入国家15项重中之重的高新技术发展项目中，推动了3S技术在农业，交通，环境，工业等区域的发展研究。如今，3S技术的应用已经走近我们的各个生活领域和行业，以空间数据信息为基础的发展研究使3S产品大量步入生产市场。由于其强大的空间分析和信息处理能力，给智能交通系统提供了有利的支持和保障。不仅能够高效地采集交通空间数据和建设数据库，也能利用先进的空间信息处理技术和辅助决策能力来解决复杂的交通规划管理问题，提升交通系统的运行效率[3-4]。

1 3S技术在智能交通中的应用

智能交通系统是利用现代科技信息技术、数据通讯传输技术、电子传感器技术、控制技术和计算机技术提高交通整体运行效率的一种现代化综合管理系统。主要以交通信息的采集、分析、处理、发布、显示、应用为主体，其数据库存储了大量的交通数据信息，将整体系统分成了车辆控制系统、车辆管理系统、交通监控系统和旅行信息系统四大子系统[5]。

ITS是未来交通系统的发展趋势，构建“数字化交通”也是当前城市交通必经的阶段[6]。随着3S技术交通领域中的应用越发成熟，既能提供所需的交通空间数据，还拥有对交通信息采集，处理，分析等一系列先进技术，为数据库的建立提供了有力的支持。借助3S技术处理分析地理，路网等空间数据，并通过网络传输的方式发布交通信息，可有效地提高交通系统的运行效率，使用户在出行时做出合适的选择，更能减少交通意外事故的发生率。同时可对采集到的实时交通信息进行分析计算，准确掌握区域内人、车流量的数据，并采取相应的交通管理和规划手段去缓解拥堵问题[7]。

1.1 GIS在智能交通中的应用

为了解决复杂的动、静态交通问题，基于GIS的空间数据查询分析处理等特点，提出了交通地理信息系统（geography information system-transportation，GIS-T）的概念，该系统覆盖了公路、铁路、航空、水运、管道整个交通运输领域。GIS-T融入了GIS、信息传输、传感器、计算机处理等多种技术和交通管理规划、建模仿真等相应工具，用于提升交通运输效率、完善交通综合管理系统，实现了运输工具与网络数据库的结合，给予用户和交通部门准确实时的数据信息[8]。由于GIS-T拥有强大的计算机软、硬件支撑，可以利用有关软件对所收集的交通信息数据进行加工、转换、处理和分析并存储在数据库中，再通过网络传输的方式将所需的数据和信息呈递给用户，便于用户的选择与决策。GIS-T在ITS中的应用主要包括最佳路径分析、交通监控、信息处理、网络流量分析、交通设施建设与辅助决策[9]。GIS-T数据传输与应用如图1所示。

图1 GIS-T数据传输与应用Fig.1 GIS-T data transmission and application

现阶段GIS-T中运用最普遍的是最短路径分析，最短路径的选取是城市交通网络优化所面临的重要问题。GIS-T相关软件通过以Dijkstra算法为基础，对交通网中复杂道路进行分析，得出最短路径的最优解。Dijkstra算法对交通路线进行计算时，需要将节点和边的关系抽象转化为图的结构，通过寻找距离起始点路径最短的当前点，然后展开优先搜索的方式进行路径匹配，但这种算法所遍历的节点较多，产生的效率不高。GIS-T的路径分析软件在Dijkstra算法之上运用了其他加速优化的算法，其目的就是为了增加出行者在交通网络上的选取性，同时提升出行效率[10]。最短路径分析常与叠加分析、地形分析相结合，为GIS-T软件提供了强大的工具。

1.2 GPS在智能交通中的应用

GPS具有全球全天候、准确快速的卫星定位功能，其应用是基于移动位置服务（location based service，LBS）和时间服务之上包括飞机航路引导，船舶远洋导航，汽车自主导航，电子地图，紧急救生，车辆监控与城市智能交通管理等。应用在ITS中可以提供精确的位置信息，通过与无线通信网络、计算机辅助程序、电子地图和车辆管理系统相结合，具备了车辆定位、跟踪、导航与交通管理等多种功能。车辆定位，车辆导航和交通指挥调度系统是目前GPS在ITS上的主要应用。车辆定位利用GPS定位与电子地图相结合对实时车辆位置进行记录，在特殊情况下监控中心可对目标车辆采取定位监控措施，同时进行自动跟踪，为公安部门提供了紧急救援的数据信息；车辆导航是基于GPS定位的原理对车辆进行目的地诱导，包括了路径选择，路径诱导和无线通信三大部分，给予用户更丰富的出行路线规划，提高了出行效率；交通指挥调度系统是依靠GPS车辆定位与相关技术所采集的交通信息，通过分析数据信息来管理车辆和调度指挥，提升了交通车辆的运营效率。

现阶段GPS中运用最普遍的是其定位与导航系统。GPS定位是通过接收机对卫星信号的接收，计算出该点经纬度的空间坐标、速度、时间等信息。在ITS中对路径进行导航时，使用差分GPS技术可提高定位精度。由于城市间密集的高层建筑，地下隧道等障碍物的遮挡导致无法接收到GPS卫星信号时，导入惯性导航系统。利用车速传感器检测汽车的行进速度，采取微处理单元来处理数据，通过速度、时间数据计算行驶距离，陀螺传感器测定行驶方向。该技术能确保GPS导航系统的使用过程不会因地理环境原因导致导航失效。在ITS中为了消除GPS定位和导航所产生的误差，时常结合地图匹配技术，对行驶路线和电子地图上的误差进行匹配修正，系统利用微处理单元对数据进行实时处理，并通过网络传输正确的车辆位置和导航路线到电子地图上[11]。

1.3 RS在智能交通中的应用

RS能够动态、快速、准确地提供地质环境、地理地表物体的信息特征，是现代化采集数据的一种重要技术。目前交通遥感技术随着智能交通的发展也得以重视，主要应用于交通数据的采集、电子地图的更新、道路动态监测、行车流量调查。将交通遥感技术应用在ITS中，是对传统采集交通数据方法的改善，即提升了所获取交通数据的质量与精确性，同时也节约了人力物力和时间。由于城市道路的不断修建，利用高分辨率的卫星遥感影像设备可以远距离、非接触式的获取遥感数据图像，对交通电子地图进行快速更新，给予用户和管理者最新的道路变更信息。利用高光谱遥感技术能够对交通区域内的车辆情况进行检测，车辆拥堵路段会在高光谱图像上形成高温点，通过对图像上高温点颜色深浅和范围大小的分析，可得出交通拥堵情况和持续时间等信息，便于管理部门对交通进行及时的疏导[12]。

现阶段RS中运用最普遍的是无人机数据采集技术。基于遥感平台，利用无人机搭载高光谱成像光谱仪对交通影像数据进行采集，具有时效性强、覆盖面积广、信息真实客观等特点。在交通事故现场，利用无人机遥感技术对实时数据进行传输并获取精确的遥感影像，易于有效开展现场救援工作[13]。但目前无人机获取影像数据具有一定的相机畸变和外方位元素变化较大等问题，需要在后续数据处理过程中采取预处理方案，将杂乱的航拍图像处理为所需的正射影像图，才能应用于交通数据提取和分析过程中。RS图像数据处理与应用如图2所示。

图2 RS图像数据处理与应用Fig.2 RS image data processing and application

1.4 智能交通中3S技术的联系

3S技术为ITS信息的采集、数据库的建立提供了必要的支持。GPS实现了精确的车辆定位和路径导航，RS提供了最新的交通道路影像图，将GPS数据，RS影像图和各类有关的交通资料在GIS计算机系统中进行综合分析集成，能得到全面的交通数据信息。利用3S技术对各类交通数据进行采集、存储、管理、分析和处理，并与智能交通系统相结合，有效地提高了运输效率、减小了交通拥堵、降低了事故发生率，同时也推动了信息化、数字化、智能化交通的发展。交通领域（公路、铁路、航空、水运、管道）中3S技术的应用如表1所示。

表1 交通领域中的3S技术Tab.1 3S technology in transportation field

3S技术所构建的ITS数据库，可以存储和处理大量复杂化的交通大数据，其信息数据在ITS体系中的感知、传输、分析、应用都离不开3S技术的支持[14]。其中RS主要应用于感知层面的数据获取部分，GIS主要应用于分析层中的数据处理部分，GPS主要应用于应用层中的定位与导航部分。图3为智能交通系统架构图。

2 3S技术在ITS中带来的经济影响

3S技术在ITS中的应用不仅是对交通系统运行效率的提升，同时也给交通经济带来了多方面的影响。GIS通过对交通数据的分析处理，提炼出准确的数据信息，完善了交通数据库系统；GPS通过对车辆，行人，道路进行卫星定位，提供了路径导航和位置查询的服务功能；RS利用遥感影像采集数据，给道路地图的更新与绘制提供了重要资源。我国为了构建完善的城市交通系统，对ITS行业市场的投资已逐年增多。从2007年对城市ITS市场规模100亿元的投资，到2015年城市ITS市场规模已超过700亿元。自2010—2015年，增长率均已超过20%且逐年增加，目前我国ITS发展正处于上升期，预期到2020年城市ITS的市场规模将突破1 000亿元[15]。图4为2007—2015年智能交通市场规模柱状图。

虽然该行业投资量大，工程难度高且耗时较长，但考虑到ITS长远发展所带来的收益，我国对其建设的大力投资是改善城市交通系统的必经之路。3S技术在ITS中的应用能对交通状况进行检测，有效缓解道路的拥堵，提升道路的通行能力，减少因交通堵塞所导致的行车能源消耗，时间流逝，道路占用等问题带来的经济损失，同时也节约了扩充城市道路建设投入的资金。因车辆无秩序行驶，道路管理不健全等因素引发的意外交通事故也会对经济、乃至生命安全产生不可逆的影响。利用3S技术对交通规划与管理进行完善，通过政府的介入对道路交通管理采取相关措施，在交通事故发生时，第一时间通知有关部门，并在事故发生区域发布实时信息，让公安机关和救援团队能及时赶往现场展开紧急救援，尽可能地减少伤亡人员。利用GPS导航功能、RS交通影像图和GIS数据处理的集成技术，可使出行者以最佳路径和最短时间到达目的地，提升了因减少出行成本和时间所获得的经济效益。另外，交通运输带来的尾气排放，环境污染等问题也会造成经济的损失并威胁到人们的健康。3S技术与ITS的结合能给节能减排，保护环境等领域提供相关的措施，提高人们的生活质量，实现交通、环境与经济的和谐发展[16]。

图3 智能交通系统架构Fig.3 The structure of ITS

图4 2007—2015年智能交通市场规模Fig.4 Scale of intelligent transportation market during 2007—2015

3 3S技术在ITS中面临的发展问题

我国3S技术的发展正处于由上升期步入成熟期的阶段，因此将GIS、GPS、RS运用在ITS中会面临一些难以避免的问题：

1）GIS的核心是贯穿了整个交通系统体系的数据库，交通数据具有不确定性，其精确度和可靠性的筛选、数据结构之间的转化、数据的压缩与更新是当前系统需要提升的部分。数据的安全性和保密性也受到了大量的关注，用户个人信息和内部交通数据的泄露容易引起各类纠纷，政府需要加强对数据传输的监督和保障。另外，由于国家管理体系的局限性，导致许多交通部门分割严重形成了自我的信息孤岛，使得交通数据信息无法实现共享，降低了国家整体交通系统的运转效率。

2）GPS在定位过程中时常会遇到定位不准确甚至无法定位的问题，例如在地形复杂的环境中，容易对GPS信号造成反射产生漂移现象，影响到定位的精准度。在城市密集高楼之间的道路和轨道内GPS难以接受到卫星信号，导致部分路径导航与电子地图不符，失真的情况也屡屡发生。由于障碍物对卫星信号接受的遮挡，目前大多数GPS技术仍运用在室外定位，对于室内定位的技术还不够完善。

3）RS图像的分辨率不高是我国遥感面临的一大难题，为了满足部分高要求的遥感图像应用，需从国外引进先进的RS工具和高分辨率的影像图，只有提升我国RS技术才能从根本上解决此类问题[17]。另外，遥感大数据由于其复杂的超长时间序列数据分布与高维性等因素，使得本质属性和在高维空间中分布的内蕴结构更加多样化。需要通过降维的方式从诸多数据中寻找本质特征，并确保数据集在降维后的主体特征不发生变化。

3S集成系统将3种技术相结合，虽有效地解决了很多单技术无法处理的问题，但目前仍面临着一些尚未解决的发展问题。3S系统的运行需强大的计算机系统支持，软、硬件作为处理ITS复杂状况的工具，对于硬件设计和软件开发的要求已逐渐提高，同时也需要完善计算机网络中不同软件的语义化、交互式操作，构建更稳定快速的通信网络来提升交通信息的传输效率。随着3S技术在ITS中的广泛应用，该领域所需的人才也逐渐增多，他们不仅要充分掌握3S、ITS的各类知识与相关软件，还应具备将3S技术运用在ITS中的实际能力。未来，我国需要加大对此类人才的培养力度，使该领域拥有更多高能力，高素质的人员。

4 结束语

当前3S技术在智能交通中的应用已经成为了热门的研究领域。我国的3S技术、ITS的发展正处于上升期，“数字化”智慧城市和智能交通也逐渐推广于社会生活中。GIS、RS的数据传输、处理和应用，GPS的定位和导航技术贯穿了整个3S体系。利用3S技术对智能交通领域进行完善，从多方面实现了对整体交通系统运作效率的提升。同时从经济学的角度出发，通过观察近几年国家对ITS行业投资的增长情况，从图4中可看出2007—2015年智能交通市场规模的逐年扩大，分析了3S、ITS给国家带来的经济收益情况，同时提出交通、环境、经济和谐发展的理念。从3S技术在ITS中所面临的发展问题引发思考，提出要发展更为先进的3S技术和培养更多该领域优秀人才的方法，来推进我国智能交通的发展，使城市智能交通系统走向成熟。

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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

（责任编辑 姜红贵）

1005-0523（2017）04-0056-07

2017－03－01

测绘地理信息行业科研专项 （201512027，201512021）；江西省数字国土重点实验室开放研究基金资助项目（DLLJ201605）；江西省重点研发计划项目（20161BBG70079）；江西省科技支撑项目（20161BBG70079）

马飞虎（1973—），男，副教授，博士，研究方向为3S技术集成、工程测量、智能交通等。