基于GIS 平臺(tái)的交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周偉均，黃 敏，沙志仁

(中山大學(xué)智能交通研究中心，廣東 廣州 510006)

交通標(biāo)線是交通設(shè)施中的重要組成部分，由畫(huà)于路面上的各種線條、箭頭、文字、立面標(biāo)記、突起路標(biāo)和輪廓標(biāo)等所構(gòu)成的交通安全設(shè)施［1］。合理設(shè)置交通標(biāo)線不僅可以有效地管理和引導(dǎo)交通流，提高通行能力，更可以減少交通事故，預(yù)防交通擁堵［2］。為此，交通標(biāo)線的管理越發(fā)受到重視，其信息化管理方面的需求日益明顯，而交通標(biāo)線布設(shè)方案在計(jì)算機(jī)上的自動(dòng)生成是實(shí)現(xiàn)交通標(biāo)線信息化管理的基礎(chǔ)。

目前，交通標(biāo)線布設(shè)方案生成方面的研究主要在交叉口自動(dòng)化設(shè)計(jì)中所提及，而未獨(dú)立對(duì)其進(jìn)行更深入的標(biāo)線數(shù)據(jù)模型研究。譬如，利用AutoCAD輔助設(shè)計(jì)交叉口及其相應(yīng)的標(biāo)志標(biāo)線等交通設(shè)施［3］，或者基于 AutoCAD 的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用［4－5］實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合的交叉口自動(dòng)布設(shè)。雖然有學(xué)者開(kāi)始在面向自動(dòng)布設(shè)的交叉口數(shù)據(jù)模型［6］中提及標(biāo)線的數(shù)據(jù)模型與建立面向智能化管理的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)模型研究［7］，但所建立的標(biāo)線數(shù)據(jù)模型難以滿足標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成的要求。同時(shí)基于工程制圖軟件AutoCAD平臺(tái)，雖有著精確的圖形效果，但布設(shè)效率極為欠缺。

筆者建立了面向布設(shè)方案自動(dòng)生成的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)模型，同時(shí)利用線性參考技術(shù)在ArcGIS 9.2與Visual Basic 6.0相結(jié)合的軟件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了更高效率的面向給定基礎(chǔ)路網(wǎng)的交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成。

1 面向交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成的研究思路

交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)化生成是指在已經(jīng)獲得交通標(biāo)線所在路網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其布設(shè)方案的前提下，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)標(biāo)線的布設(shè)生成，同時(shí)允許修改生成效果圖。

交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成對(duì)標(biāo)線所在路網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型要求并不高，采用傳統(tǒng)的結(jié)點(diǎn) －弧段(Node-Arc)拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型即可。傳統(tǒng)的結(jié)點(diǎn)－弧段數(shù)據(jù)模型是Sheffi結(jié)合圖論［8］理論所提出的，路網(wǎng)可以用圖論中的有向圖來(lái)描述。有向圖G=(V，E)是頂點(diǎn)與邊的非空集合，其中V是G中頂點(diǎn)的集合，E則是G中以V中頂點(diǎn)為端點(diǎn)的弧段的集合。

交通標(biāo)線布設(shè)方案，包括了所要布設(shè)的交通標(biāo)線種類(lèi)、交通標(biāo)線的線性參考位置信息及其相應(yīng)的樣式信息。其中交通標(biāo)線布設(shè)種類(lèi)及其線性參考位置是設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際道路情況、國(guó)標(biāo)的相關(guān)規(guī)定及個(gè)人的設(shè)置經(jīng)驗(yàn)得到的，而標(biāo)線的樣式是根據(jù)國(guó)標(biāo)的相關(guān)規(guī)定確定的。

交通標(biāo)線所在路網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其布設(shè)方案已經(jīng)由設(shè)計(jì)人員獲取和設(shè)計(jì)完成。探討的是通過(guò)建立面向布設(shè)方案自動(dòng)生成的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)交通標(biāo)線布設(shè)方案及標(biāo)線與基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)的關(guān)系在計(jì)算機(jī)上的表達(dá)。接著利用線性參考技術(shù)，并選用ArcGIS的二次軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)線布設(shè)方案的自動(dòng)生成與顯示，并將標(biāo)線的屬性信息寫(xiě)入相應(yīng)的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 面向布設(shè)方案自動(dòng)生成的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)模型

從數(shù)據(jù)的幾何特性來(lái)看，各種地理實(shí)體可分別用點(diǎn)要素、線要素及面要素代表。根據(jù)道路交通標(biāo)線的幾何特征及其與線性參考系統(tǒng)的參考路徑的方向關(guān)系，將道路交通標(biāo)線劃分為縱向標(biāo)線、橫向標(biāo)線及點(diǎn)狀標(biāo)線。將基礎(chǔ)路網(wǎng)中的道路幾何中心線視為參考路徑，則縱向標(biāo)線包括車(chē)行道中心線、車(chē)行道分界線、車(chē)行道邊緣線、禁止變換車(chē)道線等;橫向標(biāo)線包括人行橫道線、停止線等;點(diǎn)狀標(biāo)線代表不規(guī)則標(biāo)線，包括導(dǎo)向箭頭、人行橫道預(yù)告標(biāo)識(shí)、路面文字標(biāo)記等。

面向布設(shè)方案自動(dòng)生成的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)模型應(yīng)能夠適用于給定的傳統(tǒng)結(jié)點(diǎn)－弧段路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及能夠描述與該路網(wǎng)相對(duì)應(yīng)的交通標(biāo)線布設(shè)方案。因此，標(biāo)線的數(shù)據(jù)模型需要對(duì)標(biāo)線的樣式、線性參考位置信息進(jìn)行完整地描述。結(jié)合交通標(biāo)線對(duì)象的分類(lèi)，對(duì)縱向標(biāo)線、橫向標(biāo)線及點(diǎn)狀標(biāo)線的概念數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析。

2.1 縱向標(biāo)線

以圖1的車(chē)行道分界線為例，當(dāng)取路網(wǎng)幾何中心線OA為參考路徑及參考路徑的起始點(diǎn)為O時(shí)，為完整描述車(chē)行道分界線的參考位置需要以下信息:車(chē)行道分界線的起始點(diǎn)距參考路徑起點(diǎn)的縱向距離From_Pos;車(chē)行道分界線的終結(jié)點(diǎn)距參考路徑起點(diǎn)的距離To_Pos;車(chē)行道分界線與參考路徑的橫向偏移Offset。取縱向標(biāo)線兩個(gè)端點(diǎn)中距參考路徑起點(diǎn)最近的端點(diǎn)為車(chē)行道分界線的起始點(diǎn)。

圖1 車(chē)行道分界線示意Fig.1 The schematic diagram of lane－dividing line

由此，可以推導(dǎo)出更一般的面向縱向標(biāo)線的概念數(shù)據(jù)模型，模型中包括了對(duì)標(biāo)線樣式信息的表達(dá)，如圖2。

圖2 縱向標(biāo)線數(shù)據(jù)模型E－R圖Fig.2 E－R diagram for data model of longitudinal markings

2.2 橫向標(biāo)線

以圖3的停止線為例，為完整描述停止線的參考位置需要以下信息:停止線的起始點(diǎn)距參考路徑起點(diǎn)的縱向距離From_Pos;停止線的終結(jié)點(diǎn)距參考路徑起點(diǎn)的距離To_Pos;停止線起始點(diǎn)與參考路徑的橫向偏移距離From_Offset;停止線終結(jié)點(diǎn)與參考路徑的橫向偏移距離To_Offset。取橫向標(biāo)線兩個(gè)端點(diǎn)中距參考路徑起點(diǎn)最近的端點(diǎn)為其起始點(diǎn)。

圖3 停止線示意Fig.3 The schematic diagram of stop line

同樣地，可以推導(dǎo)出更一般的面向橫向標(biāo)線的概念數(shù)據(jù)模型，模型中包括了對(duì)標(biāo)線樣式信息的表達(dá)，如圖4。

2.3 點(diǎn)狀標(biāo)線

以圖5的導(dǎo)向箭頭為例，為完整描述導(dǎo)向箭頭的參考位置需要以下信息:導(dǎo)向箭頭距參考路徑起點(diǎn)的縱向距離Position;導(dǎo)向箭頭與參考路徑的橫向偏移距離Offset。

圖4 橫向標(biāo)線數(shù)據(jù)模型E－R圖Fig.4 E－R diagram for data model of latitudinal markings

圖5 導(dǎo)向箭頭示意圖Fig.5 The schematic diagram of arrow

同樣地，可以推導(dǎo)出更一般的面向點(diǎn)狀標(biāo)線的概念數(shù)據(jù)模型，模型中包括了對(duì)標(biāo)線樣式信息的表達(dá)，如圖6。

圖6 點(diǎn)狀標(biāo)線數(shù)據(jù)模型E－R圖Fig.6 E－R diagram for data model of spot symbol markings

3 面向交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)流程

圖7是標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成的流程圖，它包括了以下3大部分。

圖7 交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Designing procedures for automatic generating designing plan system of traffic markings

3.1 數(shù)據(jù)輸入

首先，它包括了道路的基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取其道路幾何中心線段的幾何屬性，并將道路幾何中心線作為線性參考系統(tǒng)的參考路徑。其次，是由設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)確定的交通標(biāo)線布設(shè)方案，包括了標(biāo)線的布設(shè)種類(lèi)、標(biāo)線的樣式信息、標(biāo)線的線性參考位置信息。

3.2 方案生成

通過(guò)面向布設(shè)方案自動(dòng)生成的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)模型，建立了標(biāo)線與基礎(chǔ)路網(wǎng)的線性參考系統(tǒng)的聯(lián)系，及描述了交通標(biāo)線布設(shè)方案的內(nèi)容。然后利用線性參考技術(shù)與相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，便可生成相應(yīng)的縱向標(biāo)線、橫向標(biāo)線及點(diǎn)狀標(biāo)線。

3.3 結(jié)果輸出

方案的生成不僅包括各種標(biāo)線的生成顯示效果，而且包括了根據(jù)標(biāo)線的數(shù)據(jù)模型生成相應(yīng)的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)對(duì)常見(jiàn)的道路交通標(biāo)線進(jìn)行建模，包括了車(chē)行道中心線、車(chē)行道分界線、車(chē)行道邊緣線、禁止變換車(chē)道線、停止線、人行橫道線、導(dǎo)向箭頭、車(chē)行道限速文字標(biāo)志。采用了ArcGIS Engine 9.2的接口函數(shù)以及VB 6.0的面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)技術(shù)，以GeoDataBase為屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)廣東省珠海市部分示范區(qū)域路段進(jìn)行交通標(biāo)線布設(shè)方案自動(dòng)生成的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。圖8為交通標(biāo)線布設(shè)方案生成效果圖。

圖8 交通標(biāo)線布設(shè)圖Fig.8 Traffic markings designing

該系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的道路基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，選擇相應(yīng)的線性參考系統(tǒng)及不同的交通標(biāo)線布設(shè)方案，生成滿足交通組織管理的各種交通標(biāo)線布設(shè)方案，且該系統(tǒng)能夠支持標(biāo)線位置與樣式的實(shí)時(shí)更改。

5 結(jié)語(yǔ)

采用經(jīng)典的結(jié)點(diǎn)－弧段路網(wǎng)模型與線性參考技術(shù)，作為道路交通標(biāo)線自動(dòng)布設(shè)方案自動(dòng)生成的理論基礎(chǔ)，便于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與具備更廣泛的工程應(yīng)用前景。為支持對(duì)交通標(biāo)線布設(shè)方案的描述及標(biāo)線與基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)，詳細(xì)地分析面向自動(dòng)布設(shè)的交通標(biāo)線概念數(shù)據(jù)模型。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)證明，所建立的交通標(biāo)線數(shù)據(jù)模型能夠根據(jù)給定的基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，生成各種道路交通標(biāo)線的布設(shè)方案，并具有較好的可擴(kuò)展性與普遍適用性，為道路交通標(biāo)線信息化管理提供了重要的技術(shù)研究思路。

所建立的標(biāo)線數(shù)據(jù)模型并不能很好地滿足諸如導(dǎo)流線、中心線圈等面狀的標(biāo)線生成，而暫時(shí)把面狀標(biāo)線歸類(lèi)為點(diǎn)狀標(biāo)線處理。因此，后期的工作展望是將是把道路交通標(biāo)線歸類(lèi)為縱向標(biāo)線、橫向標(biāo)線、點(diǎn)狀標(biāo)線及面狀標(biāo)線，并致力于面狀標(biāo)線布設(shè)方案的自動(dòng)生成研究。

［1］GB 5768—1999道路交通標(biāo)志和標(biāo)線［S］.

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