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一、背景
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20世纪80年代以来，交通运输部门采用现代技术改善工作效率和质量。同时，环境保护、经济可持续发展等影响人类生活质量和生存空间等重大问题日趋严重，而由交通所引起的环境污染、交通堵塞等问题也被人们逐渐认识，跨学科多层次的合作研究成为解决交通运输及其相关问题的基本途径。
随着社会的进步，社会经济水平不断提高，人民生活也越来越富裕，由道路、水运、铁路、航空和管道构成交通系统也越来越复杂。在交通的规划、设计和管理中遇到许多前所未有的难题。而交通地理信息系统（Geographic Information System for Transportation，GIS-T）的出现给新时期的交通提供了崭新的技术平台和手段。
GIS-T是以现代计算机科学、地理学、信息科学、管理科学和测绘科学为基础，并与传统的交通信息分析和处理技术紧密结合，采用数据库、计算机图形学、多媒体等最新技术，对交通地理信息进行数据处理，能够实时准确地采集、修改和更新地理空间数据和属性信息，为决策者提供可视化的支持。GIS-T为新时期的交通行业发展提供了新的思维模式。
国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006━2020年）》中指出，交通运输业发展思路之一是“以提供顺畅、便捷的人性化交通运输服务为核心，加强统筹规划，发展交通系统信息化和智能化技术，安全高速的交通运输技术，提高运网能力和运输效率，实现交通信息共享和各种交通方式的有效衔接，提升交通运营管理的技术水平，发展综合交通运输”。而智能化和信息化的基础之一就是GIS-T。
交通部颁布的《公路水路交通中长期科技发展规划纲要（2006-2020年）》中给出公路水路交通科技发展目标之一“到2010年，数字交通技术实用化程度和行业管理信息化水平明显提升，集装箱多式联运和一体化运输技术明显突破，交通决策技术明显提高。到2020年，智能化数字交通管理技术、一体化运输技术、决策支持技术整体达到国际先进水平，交通运输管理技术能够适应交通现代化的要求，全面实现决策的数字化与科学化”。
国务院颁布的《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》指出，要“推进工业结构优化升级”，并“坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，提高经济社会信息化水平”。而GIS-T的研究、开发和应用正是促进交通行业信息化的必要手段和途径，进而改善交通行业的发展模式，保证交通行业的科学发展和可持续发展。
二、国外发展状况
美国是较早利用计算机技术建立交通运输和规划数据库的国家之一。在20世纪80年代中期，美国联邦公路署开始公路综合数据库的开发研制，并在1988年建立了实用的GIS-T。该系统包含45，000条道路，总长595，456公里覆盖全美国的公路网，并且有与每条公路关联的属性信息，如公路等级、归属、编号、长度、路幅形式、中央分隔带、交叉口类型、车道数、路面类型、桥梁、州交通量、州界等。1995年第20届PLARC会议上，美国联邦公路署向与会的各国代表提供了一张综合公路数据库V2.0光盘，该数据库是适合于交通运输网络规划、分析建模的综合数据库，是当时世界上最大的公路数据库之一。
在美国公路署的倡导下，各州运输局相继展开一系列的GIS-T的研究，包括适合于GIS-T的交通运输建模问题、GIS-T的数据存储方式、数据格式转换、GIS-T应用范围、软件平台选择、GIS-T项目可行性研究等。其中Wisconsin 运输局是GIS-T的开发与数据集成的先驱，开发的基于地理信息系统的路面管理系统已投入运营之中，同时还开发了桥梁管理和维护地理信息系统、交通标志和道路设施管理系统、基于地理信息系统的交通事故分析等系统。为减少数据建库费用，实现资源共享，各州运输局与测绘部门紧密合作，采取分工负责数据采集，同时将GPS技术引入数据采集中并建立了进行空间信息采集和集成的参考框架和标准。美国运输组织成立了GIS-T工作组，从事GIS-T与ITS的数据模型、线性参考系设计、数据质量控制、线性参考系中的误差传播等研究。
随着GIS-T的广泛研究和展开，美国从1992年以来先后召开多次学术研讨会并出版了相应的论文集。美国开展GIS-T研究的特点是紧密结合交通运输发展的实际，解决在交通运输中急需解决的关键技术和策略问题。
德国是较早将GIS-T用于公路选线实际工作中的国家之一。在兴建勃兰登堡的Oranienburg市的绕城公路时，通过GIS-T技术进行了该项目的环境协调性研究及路线方案的规划。日本东京煤气公司研制了基于GIS-T的车载导航系统，该系统由CD-ROM数据库和实时通信系统组成，用于事故抢修、车辆调度和野外作业指挥。加拿大的艾伯塔省建立了全省的公路维护系统，实现了GIS-T对道路养护的决策支持。美国印第安纳州交通局采用GIS-T管理全州的公路、上千座桥梁以及铁路、航道、民航机场等交通信息。
在发达国家，GIS-T几乎已渗透于交通的各个领域。在交通规划中应用于：交通需求分析与预测、路网方案评估、项目选择及优化、交通工程设施规划、危险品运输路径规划、紧急情况下的疏散规划、公交线路规划、公共汽车站站址选择等；在道路设计中应用于：道路走廊选择、路权取得、道路线形仿真等；在交通管理与服务中的应用有：日程养护管理、路面管理系统、桥梁管理系统、辅助决策系统、交通控制、交通事故分析、交通动态模拟、汽车运输调度、交通灾害防治、超限卡车路径选择、车辆导航系统等；在港口应用于：港口基础设施管理、船舶自动识别技术、装卸管理等；在航道中应用于：航道疏浚、航标管理等。这些应用的技术手段是以GIS-T为中心，集成全球定位系统、遥感、网络和多媒体等技术。
三、国内发展与现状分析
我国是一个发展中国家，经济上还处于发展阶段。我国的现状使交通规划与管理就显得十分重要。为从根本上解决交通问题，吸取西方发达国家在交通管理规划方面的经验教训，增强规划决策和管理的科学性、合理性，逐步展开GIS-T技术在交通规划与管理中的推广和应用，进行GIS-T的理论和应用研究，具有重要的理论意义和现实价值。
从20世纪80年代起，我国公路管理部门采用各种数据库系统建立了一些公路路况数据库，交通部组织组织了一系列旨在提高公路规划和管理水平的应用系统开发研制，包括路面管理系统CPMS、桥梁管理系统CBMS，这些系统具有查询简单快速的特点，但只有公路属性数据，并未建立各级道路的空间数据库，无法满足空间分析的需要，难以胜任对公路信息的全方位动态管理和进行公路规划、建设和养护的分析和决策支持。为从总体上改善我国公路信息的管理水平，缩短与发达国家之间的差距，交通部决定建立我国自己的公路数据库系统，并于1991年将省市两级的公路数据库建设任务下达，开发完成了地市级公路数据库Trans-GIS的研制开发。1995年交通部科技司申报国家重点科技项目“GIS在公路信息系统中的应用研究与开发”中，着手研究将GIS-T技术用于公路建设和管理，建成基于公路交通地理信息系统。1998年中国城市规划研究院承担的863项目“GIS支持下的城市交通需求分析系统软件开发”，将城市地理信息系统和交通需求模型结合为一体进行研究开发，在交通需求分析中引入地理信息系统空间数据分析模型和空间技术分析，从交通数据采集、管理、交通分析过程以及结果的表现等方面对交通需求分析进行支持。GIS-T的研究在中国蓬勃发展起来。
GIS-T蓬勃发展的主要原因分析如下：一是信息技术的发展，使得相关信息技术的性能价格比急剧提高，开发相关系统的经费门槛大幅度降低，系统开发费用从几百万降低到几十万人民币。二是目前在软件开发领域，组件技术以前所未有的方式提高了软件的生产效率，近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。为了适应组件式软件技术潮流，地理信息系统软件像其他软件一样，由过去厂家提供全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来，从而使开发相关系统的技术门槛大幅度降低。三是我国公路大建设，以及因特网和电子商务引发的对物流的关注，形成了对以GIS-T为核心的3S（卫星定位系统GPS、地理信息系统GIS和遥感系统RS）技术研究和应用的强大的需求。
在此条件下，GIS-T呈现如下特点：
（1）交通系统应用3S技术，体现出集成和综合的特点，交通部提出了“数字交通”的概念，加强以GIS-T为核心的信息技术在交通领域的综合研发和应用。
（2）以省、部级有关单位为示范，以地市级单位为推广，以大型的运输企业为综合应用，广泛推广实施GIS-T技术的应用，提高了交通行业发展的技术含量。
（3）不仅在基础设施管理单位开发相关系统，而且逐渐向物流和电子商务等交通服务领域转移，建立以GIS-T为平台的物流核心关键技术。
（4）随着我国智能运输系统应用逐步开展，一些成功的智能运输系统把GIS-T作为系统的信息平台，通过地理信息系统整合各种其他交通信息。
根据目前GIS-T在交通行业的很多领域都有比较好的应用和发展前景。
在宏观决策和规划中的应用。我国交通在今后相当长时期内将处于快速发展时期，交通管理和建设的投资规模大、项目多、战线长，是一个规模巨大、耦合度高、透明度低、动态而且开放的系统，需求预测、发展战略、政策策略、资金投入等方面将面临着大量的复杂决策问题，如建设项目的宏观决策、建设和养护项目的选择与优化排序、建设管理与工程的控制等。而目前这些决策，如规划（计划）、投资项目优化、公路建设和管理的宏观决策和管理工作仍多处于手工操作阶段，计算机仅仅用作文字和表格处理的工具。大量建设信息仍以纸张为存放介质且较为零散，查询效率低，信息处理重复工作量大、耗时多，更无法实时、全面地为领导或上级部门提供综合信息报告。利用地理信息系统等信息技术，可以提供直观、明了的集点、线、面信息为一体的多媒体方式的各种公路专题图，实现交通决策和管理的科学化，提高决策的效率和质量。
在公路建设中的应用。在公路建设中，可以充分利用交通地理信息技术为公路勘测和设计服务。在道路选线过程中，利用GPS和RS和其他测量手段，获得外业的勘测数据，然后通过测量数据产生数字地面模型，作为内业数据处理的基础，以选择公路走向。在构建数字地面模型中，一般采用地形图数字化或扫描矢量化，随着数字地球概念和技术的广泛应用，现在则以卫星图像和航空照片为基础，通过地理信息系统软件可以快速精确地生成数字地面模型。在此基础上，输入有关的技术，环境及社会等数据，并且考虑各种限制条件，如曲率半径、最大纵坡、多层地质构造及边坡、已有线形物（公路，河流，铁路等）、特别区域（沼泽地，城镇，环境保护区等）等，优化道路的选择。利用卫星图像技术或航空摄影测量技术，可以准确获得地形高程及图像，大大减少繁琐、艰巨的实地测量等前期工作。地理信息系统软件等技术在计算机上的运算和虚拟，可以节省期资金及设计时间。通过确定路线最佳方案，可以大幅度减少并平衡工程的土石方量。通过在路线优化过程中处理、保存大量的数据，并计算各条优化路线的分项建设费用，为项目提供财务分析及运营费用控制。
在公路养护中的应用。路网的养护和建设业务范围比较大，养护管理业务非常复杂和繁多，但从业务流程上讲，有养护决策所需要信息的采集、养护方案决策、养护项目进度管理、竣工管理等环节。养护的不同职责也分散在不同的业务部门。我们可以通过GIS-T技术，进行整体的决策和调度，在路网级根据交通量、交通类型、路面状态等决定养护的规模和次序，根据交通分配决定养护的时间以避免交通堵塞等，并且直接进行养护项目的管理，合理配备养护的人力和物力，有效安排养护资金，跟踪、评价养护项目的完成情况，实现公路养护项目计划管理、进度管理、成本管理、质量管理的计算机化。
一）主要研究开发内容
空间数据的获取是GIS建设与运行的基础，数据源及数据获取方式的不同，对数据模型的生成产生很大的影响，如何根据不同的需要，采取合适的方法来获取数据，以及如果保证数据的精确度，最终使可视化程度更接近现实，提高系统的空间查询分析能力。
由于客观世界的多样性和复杂性，可视化要涉及多方面的数据集成，要采用较复杂的数据模型。为了有效的管理和分析三维GIS中的各种数据，要求三维GIS的数据模型有着很强的数据表达能力。三维GIS数据模型不但要满足三维空间分析的需要，也要满足三维图形空间生成和管理的需要。如何选择一种快速而且有效的建模方法来满足不同应用的需求。
如何使人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对场景进行全方位的审视，比如可以从任意角度、距离和精细程度观察场景，可以选择并切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞翔等，还可以自己控制浏览的路线等等。
（二）技术关键
1、空间数据采集方法
空间数据采集是GIS建设和运行的基础，广义GIS空间数据不仅包括地理、测绘数据，还包括地质环境与工程设计数据。人类在认识自然和改造自然的过程中，发现和发明了一系列空间定位方法与定位工具，使得人类能够认识地球表面、内部及其外部空间。随着现代测绘技术、地质勘探和地球物理技术的发展，三维空间数据采集技术不断发展和丰富，极大地提高了人类认识自然的能力。
1.1 空间数据采集方法
空间数据的获取既可以直接在野外通过全站仪或者GPS、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及既有地图上得到。其中地图数字化和摄影测量是大规模空间数据采集最有效的两种方式，应用也最为普遍。
1.1.1 地图数字化技术
从现代意义上讲，以往的大比例尺、航测各种比例尺成图等，都是模拟的纸质图、胶片或影像。要进入GIS实现计算机管理，必须是数字化的电子地图。将现有图像负载的大量信息输入数据库的过程称为数字化。广义的数字化泛指将信息转化为计算机能接收的形式的过程，而狭义的数字化则指将地图/影像转变为符合要求的矢量数据结构的过程。目前，地图/影像数字化包括手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式。前者是借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的过程；后者借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。
（1）手扶跟踪数字化
手扶跟踪数字化设备包括固定地图用的数字化板和采样用的游标，手扶数字化过程包括以下三步：图件的预处理：在进行图件的数字化之前，应根据图幅内容及图件各要素进行编号。编号时要按照编号系统的统一要求进行，通常以小比例尺分幅或经纬度位置分区域统一编号，以便于图幅的拼接和处理；也可以按行政区域的管理范围分区域编号。在区域编号时，对图斑、结点、链段、独立点均要事先分别编号，而主要链段上的特征点和特征线可在数字化时按顺序递增编号。编号结束后，应做必要的记录，以便查询。记录内容包括：图幅编号、图幅坐标及编号内容等。图幅编号之后，即可在数字化仪上进行图件定位。
图件的数字化：通常，数字化仪采用点模式、线模式和数据流模式采集数据。在点模式下，地图上的各个孤立点通过将游标定位于采集点的位置上并按下按钮进行记录；线模式下，直线段是通过数字化线段的两个端点来记录的，曲线则通过对组成它的一系列直线的数字化来记录；在数据流模式下，曲线是以时间或距离的规定间隔来自动采集曲线上点的坐标值。点模式和线模式的优点是尽可能减少特征点丢失，重采样精度高，缺点是采样效率低，一般适合地籍图、规划图的数字化。数据流模式的优点是重采样效率比较高，缺点是容易丢失特征点，一般适合地形图、等高线图的数字化。
图属关系连接：图件数字化仅仅获得了点、线、面要素的几何坐标数据，还必须输入点、线、面要素的属性信息，并生成点、线、面要素之间的拓扑关系，拓扑关系可以通过全多边形模式、手工模式或自动模式建立。
（2）扫描数字化
扫描数字化是使用扫描仪将整幅地图扫描成像之后，再进行矢量转换或屏幕跟踪的方法。这种方式通常要求对原始材料进行预处理。例如将地图中的各种色彩不同的地理特征先分色，复制在透明薄膜上，然后再进行扫描。目前已有自动的分色扫描仪，也有研究自动分层建库的文献。经过光学扫描仪的栅格扫描方法得到地图栅格数据结构，是以像素方式存储的，在使用之前，需要将它转换成矢量数据结构。矢量数据结构在数据冗余、地图缩放、漫游、存储空间、编辑、修改以及地图分析等方面具有栅格数据所不能比拟的优越性，所以根据系统设计时选择的地图数据存储格式还要进行必要的矢量化处理。栅格数据转换矢量数据的方法主要分为三类，即点状栅格的矢量化，线状栅格的矢量化和面状栅格的矢量化。
一、地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
二、GIS规划：
○ 数字化技术：输入地理数据，将数据转换为数字化形式的技术；
○ 存储技术：将这类信息以压缩的格式存储在磁盘、光盘、以及其他数字化存储介质上的技术；
○ 空间分析技术：对地理数据进行空间分析，完成对地理数据的检索、查询，对地理数据的长度、面积、体积等的量算，完成最佳位置的选择或最佳路径的分析以及其他许多相关任务的方法；
○ 环境预测与模拟技术：在不同的情况下，对环境的变化进行预测模拟的方法；
○ 可视化技术：用数字、图像、表格等形式显示、表达地理信息的技术。
归纳起来，GIS选址方法主要有层次分析法、重心法、网络覆盖模型和模拟仿真法等几种方法，下面对这几种方法进行简要的分析。
1.层次分析法
层次分析法是美国运筹学家T.L.Saaty教授于20世纪70年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法。它合理地将定性与定量的决策结合起来，按照思维、心理的规律把决策过程层次化、数量化，特别适合那些难于完全定量进行分析的复杂问题。它首先将所要分析的问题层次化，即根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合。形成一个多层分析结构模型，最终归结为最低层（方案、措施、指标等）相对于最高层（总目标）相对重要程度的权值或相对优劣次序的问题。
层次分析法的优点是：(1)简单明了，提供了层次框架，便于整理思路；(2)通过对比进行标度，增加了判断的客观性；(3)把定性判断与定量推断结合，增强科学性和实用性。
然而层次分析法也存在明显的不足：(1)层次分析法客观性很高，因素较多（超过9个）时，标度工作量太大，易引起标度专家反感和判断混乱；(2)层次分析法也有致命的缺点，它只能在给定的策略中去选择最优的，而不能给出新的策略；(3)层次分析法中所用的指标体系需要有专家系统的支持，如果给出的指标不合理则得到的结果也就不准确；(4)构造判断矩阵时，由于受资料、信息和分析人员水平的限制，很难准确地用“稍微！ 重要”、“较为重要” 和“极端！ 重要” 等模糊字眼来表示两元素间的关系，评价结果受人为主观因素影响大，且判断矩阵的一致性不甚理想。
层次分析法可用于CO2地质封存选址工作中，这主要是由地质封存选址的多因子性决定的（参见第六章第四节多因子排序选址技术的GIS实现）。在因子权重分配结构表中可以看出，因子根据特性划分为指标层A、指标亚层B、指标亚层C和具体指标层D。在划分层次时，要考虑因子的归属关系。另外，具有一票否决的因子应予以关注，并在评价时单独考虑，不计入同一层级的因子权重计算中。
2.重心法
重心法是单个设施选址最常用的方法，如物流配送中心、油库选址、库房、工具设备存放点、停车场等，重心法也常常用于剔除一些不合适的备选方案。重心法是一种静态的方法，将需求点看成是分布在某一平面范围内的物体系统，各点的需求量和资源量分别看成是物体的重量，物体系统的重心点将作为选址空间的最佳设置点。
GIS中的最短路径分析是重心法中常用的方法。
重心法的优点是：(1)计算简单，数据容易搜集，易于理解；(2)对于单一设施定位时应用解析方法简便易行；
重心法的不足有：(1)自由度过多导致计算量较大；(2)迭代法计算求得的最佳地点实际上往往很难找到；(3)对于复杂的选址问题，使用重心法常常感到困难，通常需要借助其他更为综合的分析技术。
若碳源分布清楚，目标靶区地质条件相似，为求得最佳CO2运输路由，即可用该方法进行选址。
3.网络覆盖模型
网络覆盖模型可用于移动基站覆盖、服务网点覆盖、油库最大覆盖面积选址等多方面，可解决对于需求已知的一些需求点，如何确定一组服务设施来满足这些需求点的需求，也就是需要确定服务设施的最小数量和合适的位置。可分为两种不同的模型：集合覆盖模型（用最小数量的设施去覆盖所有的需求点）和最大覆盖模型（在给定数量的设施下，覆盖尽可能多的需求点）。前者常用启发式算法；后者常用贪婪算法。移动基站覆盖等选址可以首先根据GIS中地图进行场址初选，根据数字地形图，生成正射三维影像，或进行三维浏览，从而能够快速地把握整个地区的地形特点，同时参考已有的站点、居民区位置、道路位置，就可以初步推测若干个比较合理的站址。初选出部分地址点后可以使用DEM分析方法优化站址选择方案，使用GIS中的同时分析计算出几个候选站点的可视域，并把可视域叠加到地图上，依此衡量是否能够覆盖决策者感兴趣的区域。
在综合考虑碳源（需求点）、场地封存规模（最大覆盖模型）、交通条件或道路位置，在选址地质条件清楚的情况下，可用此法确定场地范围，为灌注井布置提供经济上的依据。
4.模拟仿真法
模拟仿真方法是将实际问题用数学方法和逻辑关系表示出来，建立数学逻辑模型，利用计算机来运行模拟仿真模型，模拟时间系统的运行状态及其随时间变化的过程，对一个系统按照一定的作业规则由一个状态变换为另一个状态的动态行为进行描述或分析，并通过对模拟仿真运行过程的观察和统计，得到被模拟仿真系统的输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能，然后通过模拟计算及逻辑推理确定最佳布局方案。
模拟仿真法的优点有：(1)直观形象，清晰明了；(2)研究结果相对解析方法更接近于实际的情况。
其缺点是：(1)进行相对比较严格的模型的可信性和有效性的检验；(2)有些仿真系统对初始偏差比较敏感，往往使得仿真结果与实际结果有较大的偏差；(3)要求设计人员必须具备丰富的经验和较高的分析能力，面对相对复杂的仿真系统。
模拟仿真方法在CO2地质封存选址工作中主要应用于具体的单点位置选取及灌注井施工选点等工作。在具体使用时应结合其他数值模拟方法综合运用。
当然，应用空间选址方法进行选址不是单一方法的简单运用，可以是好几种方法综合的使用，另外，还可以使用模糊聚类法、遗传算法等众多算法进行数学建模。