基于GIS路面信息線性參考系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)*

周 毅，景海濤，黃 芳

(河南理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南焦作 454003)

道路是重要的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，它的暢通無阻是國(guó)民經(jīng)濟(jì)等得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)及進(jìn)一步發(fā)展的基本要求，路基陳舊、路面破損嚴(yán)重、路面狹窄等問題直接加劇運(yùn)輸壓力［1］。路面綜合信息管理是公路管理過程中的一項(xiàng)經(jīng)常性、前期性的工作，是對(duì)公路養(yǎng)護(hù)、公路工程建設(shè)等業(yè)務(wù)進(jìn)行計(jì)劃安排的基礎(chǔ)［2］。公路及其構(gòu)造物的空間特征具有多重屬性(一般稱為事件)，在其存儲(chǔ)、表達(dá)和分析等過程中需要廣泛用到線性參照系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)，亦即需要地理信息系統(tǒng)理論與技術(shù)［3］。公路具有明顯的線性分布特征，因此，可以認(rèn)為公路是在(x，y，z)三維參照控制下的復(fù)雜路段(路徑)，在公路管理中，數(shù)據(jù)庫(kù)所具備的分析、查詢、管理、顯示功能都是建立在道路網(wǎng)絡(luò)之上。由于空間分布特殊性，道路信息或與道路有關(guān)的信息(設(shè)施或事件)都存在或發(fā)生在道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的某一路段或某一點(diǎn)，也就是說這些現(xiàn)象可視為一維線性分布而不是常規(guī)的二維空間分布，且絕大多數(shù)公路空間數(shù)據(jù)、路普數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)道路數(shù)據(jù)具有一維線性分布的特點(diǎn)，這使得常規(guī)的坐標(biāo)參考系統(tǒng)(絕對(duì)定位系統(tǒng))，在道路綜合信息管理過程中遇到很多困難。

如圖1，一條道路用一條弧段表示，在該道路(Arc)上的不同部分(Section)路面質(zhì)量等信息(屬性)不完全相同。在GIS的網(wǎng)絡(luò)分析模型中，線性特征構(gòu)成了地理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)框架。現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)多數(shù)采用“弧段—結(jié)點(diǎn)”模型來描述線性特征，該模型由一組弧段組成，而弧段由構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)線的一組有序坐標(biāo)對(duì)組成，其中弧段的兩個(gè)端點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)［4］。在弧段—結(jié)點(diǎn)模型中，必須在屬性變化處打斷弧段，形成一系列新的小弧段，與每個(gè)變化的屬性相對(duì)應(yīng)。因此必然導(dǎo)致整個(gè)線性系統(tǒng)變得難以管理、更新困難，而且在屬性段有重疊的情況下，將會(huì)更加復(fù)雜。

圖1路面信息表達(dá)

本研究引入動(dòng)態(tài)線性參考/分段理論對(duì)道路的綜合信息建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過ArcGIS實(shí)現(xiàn)管理、標(biāo)注、編輯、分析、輸出等功能。為道路綜合信息管理提供基礎(chǔ)GIS數(shù)據(jù)，并為道路的日常管理提供有效、迅速的信息保障。

1 線性參考系統(tǒng)

1.1 線性參考(Linear Referencing)

線性參考(Linear Referencing，LR)，在公路、管網(wǎng)等行業(yè)的GIS應(yīng)用中時(shí)常提到，其實(shí)質(zhì)是一種利用沿著可測(cè)量的線要素的相對(duì)方位來存儲(chǔ)地理位置的方法。動(dòng)態(tài)線性參考是GIS網(wǎng)絡(luò)分析中的一種重要的技術(shù)手段，其最大優(yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)中的空間事物或事件(點(diǎn)或線段)不需要用幾何形式(即圖形化)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，而是以屬性形式存在。也就是說，不需要用地圖數(shù)字化的方式將所有空間信息輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，而只需輸入線性參考所需的數(shù)據(jù)項(xiàng)(如距離或者地址等)，然后采用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)來顯示這些事物或者事件的空間位置，減少了大量的地圖數(shù)字化的工作。同時(shí)，該方法具有查詢靈活的特點(diǎn)，可直接通過數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，也可通過空間疊加分析進(jìn)行查詢。

線性參考系統(tǒng)是路徑和弧段的集合，用來管理具有相似屬性的多個(gè)線性特征，如一個(gè)城市所有公共汽車的行車路線可以看成一個(gè)線性參考系統(tǒng)。常用的矢量數(shù)據(jù)的GIS根據(jù)(x，y)定位點(diǎn)、線、面，而線性參考系統(tǒng)是由路徑(Route)、度量(measure)、事件(event)構(gòu)成，該參考系統(tǒng)在控制點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，參數(shù)是基于線的度量(距離、時(shí)間)。

1.2 路徑(Route)

路徑是指一條或多條弧段的集合，可從弧段上任意一點(diǎn)開始，實(shí)質(zhì)是定義了屬性的線性要素，每個(gè)路徑都與一個(gè)量測(cè)系統(tǒng)相聯(lián)系。ESRI公司提供兩種路徑的數(shù)據(jù)模型，即基于Coverage模型和GeoData-Base模型。

基于Coverage模型是基于弧段幾何長(zhǎng)度的層次模型，存儲(chǔ)弧段號(hào)、量測(cè)起點(diǎn)，量測(cè)終點(diǎn)及度量值占弧段的比例;GeoDataBase模型是將路徑看成是線性要素類，存儲(chǔ)點(diǎn)名、(x，y)坐標(biāo)及線性度量值(如圖2所示)。ArcGIS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)必須包含有M(Measure)值的Shape字段及一個(gè)標(biāo)識(shí)線段ID的字段，除了上述兩個(gè)字段要求，根據(jù)具體工程需要設(shè)置其他屬性字段。

圖2 路徑數(shù)據(jù)Coverage模型和GeoDataBase模型

1.3 事件數(shù)據(jù)

事件數(shù)據(jù)在道路綜合信息管理過程中，起著記錄道路各種屬性的作用，可以分為兩種事件類型，即點(diǎn)事件和線事件。點(diǎn)事件僅用單一的觀測(cè)值記錄離散位置，如Ⅵ號(hào)公路上距離終點(diǎn)8.5 km處路面平整度;線事件多數(shù)是描述路徑某部分的屬性，需要由起始位置、目的位置及其他屬性記錄。如Ⅵ號(hào)公路上終點(diǎn)前10～15 km路段的路面材質(zhì)。

2 動(dòng)態(tài)分段技術(shù)與數(shù)據(jù)組織

動(dòng)態(tài)分段(Dynamic Segmentation)的思想是在1987年由美國(guó)威斯康星交通廳戴維·弗萊特先生首先提出的［5］。ESRI公司在ArcGIS系統(tǒng)中提出解決方案，解決了傳統(tǒng)的GIS在處理線性特征時(shí)所遇到的問題，是一種新的線性特征的動(dòng)態(tài)分析、顯示和繪圖技術(shù)，可以極大地增強(qiáng)線性特征的處理功能。動(dòng)態(tài)分段技術(shù)中引入了路徑、段、路徑系統(tǒng)、事件等概念來模擬線性系統(tǒng)中的不同特征。動(dòng)態(tài)分段的基本思想就是將路段(路徑)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分段，各部分的屬性變化存儲(chǔ)為獨(dú)立的屬性表(一維參照系)，與路段(路徑)的空間位置(x，y二維參照系)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，根據(jù)屬性表的信息(距離)對(duì)路徑進(jìn)行邏輯分段，而不必進(jìn)行二維參照系下的坐標(biāo)處理［6-8］。

動(dòng)態(tài)分段屬于LR采用的一種技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的相對(duì)位置信息，以及相應(yīng)的線性數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)計(jì)算出線性數(shù)據(jù)上相對(duì)位置所對(duì)應(yīng)的實(shí)際地理坐標(biāo)的過程。例如，需要詳細(xì)了解距離某控制點(diǎn)某處道路的綜合信息，或了解沿著道路的路面平整度變化(分段屬性)等，圖3a是線性要素類，根據(jù)事件信息表，點(diǎn)事件、線事件動(dòng)態(tài)分段結(jié)果如圖3b、圖3c所示。

圖3 某處道路的動(dòng)態(tài)分割結(jié)果

3 ArcGIS線性參考/動(dòng)態(tài)分割技術(shù)流程

針對(duì)ArcGIS的動(dòng)態(tài)線性參考/分割，數(shù)據(jù)組織相對(duì)簡(jiǎn)單，大多數(shù)非GIS專業(yè)技術(shù)人員，亦容易實(shí)現(xiàn)。多數(shù)情況下，只需創(chuàng)建路徑(道路)要素類，不需要建立更多圖層，其他屬性信息均以任何ArcGIS支持的存儲(chǔ)形式表現(xiàn)，如dBase、dbf文件等。技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 ArcGIS線性參考/動(dòng)態(tài)分割技術(shù)流程

4 ArcGIS實(shí)現(xiàn)某道路綜合信息管理

本研究選取1∶2000道路模擬數(shù)據(jù)，采用BJ-1954坐標(biāo)系統(tǒng)，不論單車道、多車道均以中心線表示線性屬性，多車道編碼采用層次模型，即多車道編碼、行車道的序號(hào)確定線性路線的唯一值。

在道路綜合信息管理過程中，首先建立基于線性參考系統(tǒng)及其參照系下的空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，無論是巷道線性要素類，還是事件屬性數(shù)據(jù)表，必須包含一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)字段，本研究建立的線要素空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 線要素空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)ArcGIS工作流程，針對(duì)某道路實(shí)現(xiàn)的綜合信息管理成果如圖6、圖7所示，圖中以(A、B、C、…)表示路面材質(zhì)，(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…)表示路面平整度等信息。

在空間數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)標(biāo)注、統(tǒng)計(jì)、查詢等基本功能以外，SQL查詢對(duì)路面綜合信息管理具有重要意義，圖8是某種路面材質(zhì)(如材質(zhì)A)和破損程度(如等級(jí)Ⅲ)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

5 結(jié)論

基于GIS及線性參考/動(dòng)態(tài)分段思想實(shí)現(xiàn)路面信息綜合管理，可以減少數(shù)據(jù)冗余和重復(fù)數(shù)字化工作，能有效實(shí)現(xiàn)多重屬性特征可視化數(shù)據(jù)管理、查詢及事件疊加分析等功能，且數(shù)據(jù)組織相對(duì)常規(guī)GIS模型較容易實(shí)現(xiàn)。通過研究動(dòng)態(tài)分段理論及其在ArcGIS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)流程，論文選擇模擬道路圖從數(shù)據(jù)組織、空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立等最環(huán)節(jié)入手，實(shí)現(xiàn)了道路相對(duì)位置綜合信息管理。

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