動(dòng)態(tài)分段技術(shù)在道路空間數(shù)據(jù)建模中的應(yīng)用

秦 鳴，唐 甜

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

進(jìn)入21世紀(jì)，南昌市在城市道路交通建設(shè)方面取得了顯著發(fā)展，初步形成了較為完善的道路交通系統(tǒng)，采用拓寬、渠化等方式新建改建了一批交叉口，大大提高了整體路網(wǎng)的通行能力。

但是，城市道路舊有的管理模式已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)南昌市經(jīng)濟(jì)與交通快速發(fā)展：①市政部門(mén)與交警部門(mén)各成體系，存在重復(fù)調(diào)查的工作，導(dǎo)致大量人力物力的浪費(fèi)；②調(diào)查沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，使得市政與交警的調(diào)查數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，相互不能直接使用；③傳統(tǒng)的圖、表、卡、冊(cè)或簡(jiǎn)單的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存在著效率低下、出錯(cuò)率高、數(shù)據(jù)更新不及時(shí)等問(wèn)題，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化管理的要求；④由于我國(guó)各城市間道路線網(wǎng)結(jié)構(gòu)、交通設(shè)施、交通管制模式和道路管理體制等諸多方面存在著較大差異，每個(gè)城市并不能簡(jiǎn)單的復(fù)制其他城市已有的道路管理系統(tǒng)的成果。因此，建立基于GIS-T南昌市道路管理系統(tǒng)，具有十分積極重要的意義。

南昌市道路管理系統(tǒng)由道路數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS應(yīng)用系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，而道路數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和建立是GIS-T得以穩(wěn)定運(yùn)行的根本保證，同時(shí)也是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的時(shí)間、人力和財(cái)力投入最大的環(huán)節(jié)，約占整個(gè)系統(tǒng)的70%～80%，因此必須高度重視建立數(shù)據(jù)庫(kù)這一過(guò)程。道路數(shù)據(jù)庫(kù)的建立分為4個(gè)步驟：空間數(shù)據(jù)建模、線路系統(tǒng)的建立、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)集成和實(shí)現(xiàn)。由于目前商業(yè)GIS應(yīng)用系統(tǒng)都事先假定數(shù)據(jù)模型，并非按照應(yīng)用系統(tǒng)的特征設(shè)計(jì)出有效的數(shù)據(jù)模型和確定模型中的要素在進(jìn)行建立，這顯然阻礙了對(duì)交通應(yīng)用系統(tǒng)中的功能進(jìn)一步發(fā)展。為此，本文在空間數(shù)據(jù)建模應(yīng)用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的過(guò)程中，涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、車道的幾何數(shù)據(jù)語(yǔ)義描述和車道之間拓?fù)鋽?shù)據(jù)語(yǔ)義描述3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 動(dòng)態(tài)分段技術(shù)原理

1.1 線性參照系統(tǒng)

線性參照系統(tǒng)（linear referencing system，LRS）是指根據(jù)一維空間中的線性要素位置的相關(guān)性來(lái)存儲(chǔ)地理數(shù)據(jù)的一種形式和方法。

線性參照系統(tǒng)最早是由Baker和Blessing在1974年提出的，線性參照系統(tǒng)一般包括3個(gè)部分：①交通網(wǎng)絡(luò)模型；②線性參照方法；③參照基準(zhǔn)與控制。常用的線性參考方法有里程參考、分段參考、地址參考和觀測(cè)點(diǎn)參考[1]。

線性參照形式的核心是線性量測(cè)，線性網(wǎng)絡(luò)實(shí)體是由交通道路網(wǎng)和參照點(diǎn)構(gòu)成。線性屬性數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)道路網(wǎng)絡(luò)承載事件的多重信息。線性參考系統(tǒng)的最為顯著的特點(diǎn)是：在線性網(wǎng)絡(luò)實(shí)體存在著空間位置特征，線性屬性數(shù)據(jù)體現(xiàn)為屬性信息，該屬性信息可借助線性分段技術(shù)在GIS中完成空間現(xiàn)對(duì)位移的展現(xiàn)，其前提條件是這些屬性信息必須滿足線性參照形式。

1.2 動(dòng)態(tài)分段技術(shù)

動(dòng)態(tài)分段（dynamic segmentation，DS）是美國(guó)研究學(xué)者維·夫萊特于20世紀(jì)80年代發(fā)表的研究成果。動(dòng)態(tài)分段是一種新型線性具有多維度信息特點(diǎn)的空間分析技術(shù)，它提供了空間信息數(shù)據(jù)與固有屬性數(shù)據(jù)二者產(chǎn)生耦合的方法[4]。

動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)二者關(guān)系緊密結(jié)合，從而將道路數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的多個(gè)不同的屬性數(shù)據(jù)與路段中任意偏移量的部分產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

動(dòng)態(tài)分段技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①屬性數(shù)據(jù)在共有線性要素描述的前提上，屬性數(shù)據(jù)與空間線性要素的位移能夠相互獨(dú)立；②動(dòng)態(tài)分段技術(shù)可對(duì)線性要素按需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)空間查詢，而不必對(duì)分析的線性對(duì)象按傳統(tǒng)意義上的邏輯分段。③空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)與固有屬性數(shù)據(jù)庫(kù)二者相對(duì)獨(dú)立，有利于數(shù)據(jù)的組織、分析和修改。

2 基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的數(shù)據(jù)模型建模

2.1 交通特征數(shù)據(jù)類型

美國(guó)空間數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（spatial data transfer stander，SDTS）將交通特征描述如下：交通特征是交通系統(tǒng)中具有的屬性，在客觀世界中可以被唯一標(biāo)識(shí)的要素。通常正式公布的街道或道路名稱，構(gòu)成了定義所涉及的特征集合最主要的標(biāo)準(zhǔn)[6]。

交通特征數(shù)據(jù)類型的分析是進(jìn)行空間數(shù)據(jù)建模的先決條件。交通特征數(shù)據(jù)是在指定交通區(qū)域內(nèi)的一類具有相同性質(zhì)集合，其標(biāo)識(shí)特征是整體性和確定性，交通區(qū)域標(biāo)識(shí)聚合而成的統(tǒng)一集合，保證交通特征的唯一整體性。

交通特征分為點(diǎn)維（point），線維（line）和面維（polygon）。其中，點(diǎn)維特征集合和線維特征集合是道路交通網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，面維特征集合在交通網(wǎng)絡(luò)中由點(diǎn)維表述或點(diǎn)維與面維共同聚合整體描述，也即面維特征集合是交通網(wǎng)絡(luò)的子集。經(jīng)過(guò)上述分析，可得到交通特征數(shù)據(jù)類型組成：點(diǎn)維數(shù)據(jù)包括道路交叉口，交通基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁隧道等；線維數(shù)據(jù)包括道路路段，限制車速路段，禁停路段，禁止U型回頭段等，面維數(shù)據(jù)包括交通產(chǎn)生吸引小區(qū)等。

2.2 基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

道路是交通地理信息系統(tǒng)中最重要的組成元素，也是道路交通網(wǎng)絡(luò)抽象線路原型。交通網(wǎng)絡(luò)屬于圖論中的權(quán)值圖，目前一般采用平面弧段-節(jié)點(diǎn)（ARC-NODE）拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型來(lái)表示，而平面拓?fù)浠《?節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型（ARC-NODE MODEL）在實(shí)際的道路交叉口上都必須產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)（NODE），人為地將完整的道路分割成若干弧段，致使道路數(shù)據(jù)庫(kù)中的弧段和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量龐大，造成計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)和占用更多的系統(tǒng)資源，同時(shí)還會(huì)破壞數(shù)據(jù)的完整性和一致性[7]。

為解決上述問(wèn)題，應(yīng)采用非割道路數(shù)據(jù)模型，該道路數(shù)據(jù)模型的構(gòu)成形式為弧段和結(jié)點(diǎn)，相對(duì)平面弧段節(jié)點(diǎn)模型不同之處是邏輯表達(dá)和建模元素的存儲(chǔ)方式：在邏輯表達(dá)上，非割道路數(shù)據(jù)模型僅有起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，避免產(chǎn)生道路的交叉口節(jié)點(diǎn)，維護(hù)了交通特征的完整性；在建模元素的存儲(chǔ)方式，非割道路數(shù)據(jù)模型是保存方式是將整條道路作為目標(biāo)對(duì)象實(shí)體，有利于保持立體交叉路口數(shù)據(jù)全面性，能最大程度地還原實(shí)際交通道路網(wǎng)的信息。

在實(shí)際的交通網(wǎng)絡(luò)中，以完整的道路作為道路數(shù)據(jù)庫(kù)基本要素，對(duì)于描述道路一些特征是足夠的，但在交通應(yīng)用中，交通特征的變化是與車道密切相關(guān)的，因此，在道路數(shù)據(jù)庫(kù)中把車道作為基本建模目標(biāo)顯得更為合理。

在動(dòng)態(tài)分段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間實(shí)體類型包括：節(jié)點(diǎn)、弧段、鏈、環(huán)，同時(shí)還包括點(diǎn)事件、線事件、段等。這樣，可在不改變?cè)锌臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，很方便處理各種屬性關(guān)系。根據(jù)實(shí)際情況及描述問(wèn)題的方便，本文采用動(dòng)態(tài)分段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)分段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.1 Dynamic segmentation data structure

2.3 空間數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)模型是將電子地圖與空間數(shù)據(jù)庫(kù)分開(kāi)，以車道作為最基本的建模實(shí)體，采用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)，將車道屬性以事件的形式建立在拓?fù)鋵由稀？臻g數(shù)據(jù)模型為了能夠適用于南昌市道路管理系統(tǒng)，則必須完整地表達(dá)車道的起點(diǎn)，終點(diǎn)，行車道之間的連通性以及行駛限制等信息。

2.3.1 車道的幾何數(shù)據(jù)語(yǔ)義描述

針對(duì)一條完整的道路，利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)建立起路徑（route），使動(dòng)態(tài)段（section）與弧段（arc）建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后借助于動(dòng)態(tài)段映射，連接所有的弧段，即可得到整體道路的長(zhǎng)度，名稱等信息。而后，再次使用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)，同時(shí)生成相反的車道路徑（route），對(duì)于起始或終止的道路中間點(diǎn)的車道，只需將多余動(dòng)態(tài)段刪除。車道數(shù)據(jù)采用關(guān)系映射的方式表達(dá)，同時(shí)保留車道起終點(diǎn)距參照道路的偏移量（offset），采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型描述如下：

typdef struct｛

int Street-ID；

int Lane-ID；

float F-pos；

float T-pos；

int type；

｝Lane

通過(guò)評(píng)定車道路徑首尾弧段在街道中的偏移量則可得到映射關(guān)系。特別的，對(duì)于單向行駛車道，只需將反方向車道從關(guān)系表中移除即可。圖2是完整的南昌市陽(yáng)明路，在屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系映射，如表1所示。關(guān)系映射表中，Lane-ID是表中的主關(guān)鍵字，而Street-ID作為一個(gè)外部關(guān)鍵字將車道表與道路信息聯(lián)接起來(lái)。關(guān)系映射表記錄著一條車道的最基本信息，在動(dòng)態(tài)分段模型中每個(gè)車道都是一個(gè)獨(dú)立線路結(jié)構(gòu)。

圖2 陽(yáng)明路在屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系映射Fig.2 The relational mapping in attributing database of the Yangmin Road

表1 關(guān)系映射表Tab.1 Relation mapping table

2.3.2 車道之間拓?fù)鋽?shù)據(jù)語(yǔ)義描述

空間數(shù)據(jù)模型必須考慮到車道之間連通性。車道之間的拓?fù)潢P(guān)系就是各個(gè)車道之間在客觀存在的交叉點(diǎn)上的轉(zhuǎn)向關(guān)系，車道之間的拓?fù)潢P(guān)系的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)文件結(jié)構(gòu)如下：

typdef struct｛

int Lane-ID；

int From-Lane；

int To-Lane；

float offset；

float to-forward-offset；

float Impedance-Factor；

｝Lane-Turn

按照數(shù)據(jù)的組織方式，我們把路段分為2種情況：第一類是在路段中只有相反兩條單車道將車道作為建模的基本元素；第二類就是路段中同向車道不只一條，各個(gè)車道的屬性或交通限制不同，例如轉(zhuǎn)向、速度、換道等。

為了能提高路網(wǎng)分析和路徑查詢的效率，本文采取了對(duì)同向多車道進(jìn)行邏輯聚合，即把第二類同向互通車道合并成一個(gè)方向車道。也就是說(shuō)，所有同向的左車道邏輯抽象聚集成一個(gè)方向車道，右車道亦然。方向車道是一個(gè)邏輯概念，它包含了若干車道且其方向?qū)傩员仨氁恢隆０瓷鲜鰧?duì)車道的邏輯抽象聚集處理方法，將南昌市勝利路與疊山路交叉口由復(fù)雜的T型多車道交叉口簡(jiǎn)化如圖3所示，用以說(shuō)明起始路段的每條車道到下一條路段車道的轉(zhuǎn)向表的建立。

圖3 勝利路與民德路交叉口簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplified diagram of intersection of Shengli Road and Minde Road

首先按T型交叉口的車道特征結(jié)合動(dòng)態(tài)分段技術(shù)方法建立路徑段表Section Table，弧屬性表AAT和節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表Adl表，分別見(jiàn)表2，表3和表4。其中，字段Routelink#指向路徑屬性表中的路徑內(nèi)部標(biāo)識(shí)碼Interna-ID；ArcLink#是弧段；F-Meas和T-Meas是段的起點(diǎn)度量值和段的終點(diǎn)度量值，用路徑的度量系統(tǒng)計(jì)算；F-Pos和T-Pos表示段的起點(diǎn)和段的終點(diǎn)，通過(guò)段占有弧的百分比來(lái)計(jì)算，對(duì)應(yīng)弧段的坐標(biāo)，如果段的方向與弧的方向相反，則F-Pos與T-Pos的位置顛倒。在弧屬性AAT表里，其相關(guān)字段用以描述弧段及節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系和弧段的屬性；節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表Adl中，用關(guān)系表來(lái)說(shuō)明節(jié)點(diǎn)（Node）的相對(duì)位置。

表2 路徑段表Tab.2 Path segment table

表3 弧屬性表Tab.3 Arc attribute table

表4 節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表Tab.4 Node association table

在轉(zhuǎn)向表TRN主要是用于表述車道間的轉(zhuǎn)向連通性。在表5中可以看出，字段FromArc和ToArc是起始弧段與目的弧段；Angle為轉(zhuǎn)向弧段間的夾角，用正負(fù)區(qū)別左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)；Impedance Factor為阻抗因子，與延誤時(shí)間密切相關(guān)。

表6 轉(zhuǎn)向表Tab.6 Turning table

對(duì)照路徑段表Section Table，通過(guò)判斷弧段Arc1中車道L1對(duì)應(yīng)字段T-pos的值，得到T-meas對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；在弧屬性表中找到Arc1對(duì)應(yīng)的到達(dá)節(jié)點(diǎn)1；通過(guò)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)表，我們可知節(jié)點(diǎn)1的鄰接弧段是Arc1、Arc2、Arc3。Arc2包含著車道L1和L2，因節(jié)點(diǎn)1為Arc1到達(dá)節(jié)點(diǎn)，而Arc1和Arc2又是同向弧段，故L1和L2不存在連接關(guān)系。其它車道也同樣處理，最終得到了拓?fù)溥B接LTT表，見(jiàn)表6。

表6 拓?fù)溥B接表LTTTab.6 Topological connection table LTT

對(duì)于城市中諸如十字交叉口，環(huán)形交叉口，立交橋等節(jié)點(diǎn)，也可按上述方法建立的車道拓?fù)浔怼?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)態(tài)分段技術(shù)是GIS網(wǎng)絡(luò)分析中的一種重要的技術(shù)手段，它可以有效地解決基于線性特征的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)數(shù)據(jù)模型的建模方法，筆者在VB.NET和MapX環(huán)境中構(gòu)建南昌市城市道路管理信息系統(tǒng)，如圖4。該系統(tǒng)結(jié)合交通管理的需要，將各種道路信息數(shù)字化，能夠支持城市道路交通規(guī)劃、建設(shè)和管理，提供分析和決策支持功能。

圖4 系統(tǒng)主窗體界面Fig.4 System main interface

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