動(dòng)態(tài)交通信息建模中多維時(shí)空參照系統(tǒng)研究

宋 鶯

(湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息管理學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

0 引言

若要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航交通信息服務(wù)，與空間和時(shí)間密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)交通信息建模是服務(wù)的基礎(chǔ)，也是導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型重要的組成部分。由于動(dòng)態(tài)交通信息數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的時(shí)間性和空間性，其時(shí)空特征體現(xiàn)在空間分布(線性分布、網(wǎng)絡(luò)分布、分段分布)、多維性、多尺度和動(dòng)態(tài)性。交通設(shè)施，交通事件等一般沿道路呈線性空間分布。分段分布特征是指某一道路可根據(jù)其不同特性分成許多路段，每一路段具有相同特性。道路交通網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非平面多尺度多維網(wǎng)絡(luò)，其信息動(dòng)態(tài)特征是由交通系統(tǒng)的特點(diǎn)所決定。而現(xiàn)有GIS-T模型一般采用兩種空間位置參照系——二維空間參照系、一維線性位置參照系。同時(shí)，動(dòng)態(tài)交通信息數(shù)據(jù)模型是GIS-T 模型的在交通領(lǐng)域一個(gè)重要應(yīng)用分支，交通系統(tǒng)是一個(gè)隨著時(shí)間不斷變化的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是導(dǎo)航服務(wù)對(duì)動(dòng)態(tài)交通信息表達(dá)的需求，推動(dòng)了動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)模型中的多維時(shí)空問題研究。

1 空間參照系統(tǒng)

地理空間(Geographic Space)是指經(jīng)過投影變換后，在笛卡爾坐標(biāo)系中的地球表層特征空間。一般來說，地理空間被定義為絕對(duì)空間和相對(duì)空間兩種形式。絕對(duì)空間是具有屬性描述的空間位置的集合，它由一系列不同位置坐標(biāo)值組成；相對(duì)空間是具有空間屬性特征的實(shí)體的集合，它是由不同實(shí)體之間的空間相對(duì)關(guān)系構(gòu)成?？臻g參照系統(tǒng)包含基準(zhǔn)、參照對(duì)象與空間參考方法。幾何含義與量綱一般在空間參考方法中定義。

1.1 絕對(duì)空間參照系

地理實(shí)體的定位一般采用二維空間參照系(two dimensional spatial reference system)。每個(gè)地理實(shí)體要進(jìn)行定位，必須嵌入到一個(gè)空間參照系中。導(dǎo)航電子地圖是以坐標(biāo)系為基本框架的，用經(jīng)緯度(X,Y)坐標(biāo)定位描述的。幾何路網(wǎng)采用絕對(duì)空間參照系，真實(shí)反映交通系統(tǒng)的空間幾何位置關(guān)系。與導(dǎo)航有關(guān)的坐標(biāo)系包括：地心坐標(biāo)系、參心坐標(biāo)系(見表1)和獨(dú)立坐標(biāo)系。國(guó)家或地區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)都是建立在參考橢球體基準(zhǔn)上的，因此，車載導(dǎo)航電子地圖多采用參心坐標(biāo)系[1]。地球是一個(gè)不規(guī)則的球體，為了能夠?qū)⑵浔砻娴膬?nèi)容顯示在平面的顯示器或紙面上，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。在電子地圖顯示時(shí)需要將平面參照坐標(biāo)變換成平面直角坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)變換與投影變換。

表1 平面參照坐標(biāo)系

1.2 線性參照系統(tǒng)

線性參照系統(tǒng)( Linear Referencing System , LRS) 可以定義為一系列處理過程與方法的集合，包括線性參照方法及不同線性參照法之間的轉(zhuǎn)換方法，由線性網(wǎng)絡(luò)、線性參照方法和基準(zhǔn)三部分組成。線性參照方法(Linear Referencing Methods, LRM)是通過到已知點(diǎn)的偏移來確定線性特征上的任意未知點(diǎn)的位的方法。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。當(dāng)前交通電子地圖數(shù)據(jù)中幾何網(wǎng)絡(luò)一般用二維空間參考模型，采用(X,Y)坐標(biāo)來定位，而交通網(wǎng)絡(luò)中交通設(shè)施或事件(如運(yùn)動(dòng)車輛、事故、道路關(guān)閉等)位置的準(zhǔn)確描述是在實(shí)現(xiàn)LBS/動(dòng)態(tài)導(dǎo)航服務(wù)十分重要。交通事件在交通網(wǎng)絡(luò)上具有明顯的一維線性分布特征，采用相對(duì)的線性位置參照方法，以固定位置+偏移量的方式來定位事件，這種方式更符合人類認(rèn)知習(xí)慣。例如，在交通系統(tǒng)中，我們可以定位一起交通事故發(fā)生在 “沿某條公路上距某路口4.5 km處”等。

動(dòng)態(tài)分段(Dynamic Segmentation, DS)屬于LR采用的一種技術(shù)。使用動(dòng)態(tài)分段主要有兩個(gè)原因：一是很多事件，是通過沿著道路的相對(duì)位置來記錄的；二要顯示同一條道路上的多個(gè)屬性集合時(shí)，由于各個(gè)屬性在道路上所對(duì)應(yīng)的位置不同，同一數(shù)據(jù)源如果不做處理，很難達(dá)到要求。利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)，可以很好表達(dá)道路特征一對(duì)多的關(guān)系。同一道路上可以根據(jù)不同屬性被分為若干屬性段，這樣避免的道路屬性的重復(fù)存儲(chǔ)，還可動(dòng)態(tài)地描述道路各種屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。能實(shí)現(xiàn)道路幾何數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的各種屬性數(shù)據(jù)間的雙向查詢[2]。用了動(dòng)態(tài)分段技術(shù)后，可進(jìn)行多個(gè)屬性集的動(dòng)態(tài)顯示和分析，減少了數(shù)據(jù)冗余。

以公路方面的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景為例說明圖1.我們要顯示一條公路的4種不同屬性：道路管轄情況、路面材料、路段限速情況和路況，假設(shè)該公路長(zhǎng)100km.其中線a表示：前40km為交警2大隊(duì)管轄，后60km為交警4大隊(duì)管轄；線b表示：30～70km為水泥路面，其余為瀝青路面；線c表示：0～20km的路段限速45km/h，20～40km的路段限速35km/h，40～70km路段限速45km/h，70～100km路段限速55km/h；線d表示： 0～20km路況一般，20～40km路況很好，40～60km路況很差，60～100km路況很好。屬于同一數(shù)據(jù)源對(duì)應(yīng)多個(gè)屬性(且屬沿線分布)的情況。使用了動(dòng)態(tài)分段技術(shù)后，可進(jìn)行多個(gè)屬性集的動(dòng)態(tài)顯示和分析，減少了數(shù)據(jù)冗余。

圖1 道路的4種不同屬性動(dòng)態(tài)分段表示

2 時(shí)間參照系統(tǒng)

在日常生活中，全球的活動(dòng)同時(shí)采用公共的時(shí)間參考(格林威治時(shí)，Greenwich MeanTime)和公歷。格林威治時(shí)以協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC，Coordinate Universal Time)作為時(shí)參照基準(zhǔn)；公歷用作日期基準(zhǔn)。采用秒、分鐘、小時(shí)、天、月、年等量測(cè)單位的時(shí)間線軸使各項(xiàng)事物活動(dòng)有序化。

2.1 時(shí)間的表示方法

王英杰等認(rèn)為時(shí)間的表示方法有線性結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、分枝結(jié)構(gòu)和多維結(jié)構(gòu)。線性結(jié)構(gòu)認(rèn)為時(shí)間是一條沒有端點(diǎn)，向過去和將來無限延伸的線軸。在單向線性時(shí)間模型中，一般都是指向?qū)淼难由靃3]。循環(huán)結(jié)構(gòu)反映了時(shí)間的周期性、穩(wěn)定性，每周期都以某一時(shí)刻作為起點(diǎn)，周期內(nèi)的任意時(shí)刻，以累積的時(shí)間來表達(dá)。分支時(shí)間用來解釋事件多種可能變化的現(xiàn)象，每一種變化都將擁有自己的歷史和未來。其中，多維結(jié)構(gòu)包含：有效時(shí)間、數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)間(database time)、用戶定義時(shí)間(user-defined time)和決策與觀察顯示時(shí)間。時(shí)間的基本元素有四個(gè)：時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間區(qū)間、時(shí)間跨度和時(shí)間集合[4]。

2.2 時(shí)間對(duì)象的描述

交通特征的時(shí)態(tài)描述需要時(shí)間對(duì)象。時(shí)間對(duì)象模型的描述如圖2所示。

圖2 時(shí)間對(duì)象邏輯模型

每種時(shí)間對(duì)象，采用時(shí)間點(diǎn)和區(qū)間兩種時(shí)間模型。時(shí)間可看成是無限的實(shí)數(shù)軸，時(shí)間點(diǎn)即是軸上的某個(gè)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)時(shí)間點(diǎn)形成一個(gè)時(shí)間段。軸上的刻度我們稱之為時(shí)間粒度或時(shí)間尺度。時(shí)間軸有多個(gè)不同層次的時(shí)間粒度單位，如年、月、日、小時(shí)、分、秒等。不同的時(shí)間粒度形成的集合稱為時(shí)間粒度體系。時(shí)間本身是連續(xù)的，為節(jié)省存儲(chǔ)空間，一般現(xiàn)有的時(shí)空模型在時(shí)間軸上都采用離散模型。例如，交通流的變化在工作日內(nèi)呈周期性變化規(guī)律，而在每日內(nèi)不同時(shí)刻交通流又呈單向線性變化。因此在導(dǎo)航服務(wù)中，需要考慮這兩種時(shí)間參考系統(tǒng)。直線單向性考慮表現(xiàn)為時(shí)間序列，周期性體現(xiàn)了時(shí)間的尺度特征，也表現(xiàn)為層次性[5]。

3 多維時(shí)空參照定位

動(dòng)態(tài)交通信息數(shù)據(jù)模型應(yīng)建立在多維時(shí)空參照系統(tǒng)中，即兩種位置參照系統(tǒng)綜合運(yùn)用都不可缺少，還應(yīng)該有主次之分，運(yùn)用在不同的數(shù)據(jù)層次中，以二維空間參照系為基本基準(zhǔn)，線性參照系是建立在二維空間參照系之上的應(yīng)用，兩個(gè)參照系下的數(shù)據(jù)可以相互轉(zhuǎn)換，更有利于空間數(shù)據(jù)的共享與維護(hù)。另外從動(dòng)態(tài)交通信息服務(wù)系統(tǒng)研發(fā)的角度看，在復(fù)雜的三維交通實(shí)體(如立交橋)處正確引導(dǎo)是十分關(guān)鍵的，而在大多數(shù)情況下，二維平面地圖能夠反映道路的結(jié)構(gòu)，無法正確表示存在高度差的兩條道路，這樣就必須采用三維場(chǎng)景輔助導(dǎo)航，在復(fù)雜的交通環(huán)境中需要顯示三維場(chǎng)景。

時(shí)空定位參照方法定義了一種機(jī)制，這種機(jī)制通過參照已知點(diǎn)發(fā)現(xiàn)或聲明未知點(diǎn)的定位信息。定位參照方法所依據(jù)的參照對(duì)象必須是可重獲的，空間參照對(duì)象一般選一些固定的標(biāo)志性地理實(shí)體或測(cè)量控制點(diǎn)，時(shí)間參照對(duì)象可以是鐘表、日歷[4]。交通數(shù)據(jù)時(shí)空對(duì)象的定位及各種交通事件的描述，都是以交通路網(wǎng)為核心的，路段是組成路網(wǎng)的基本單位，可以根據(jù)情況采用路段ID、時(shí)空坐標(biāo)(如：經(jīng)緯度加時(shí)間)、街道地址、線性參照等多維時(shí)空參照方法表達(dá)各類動(dòng)態(tài)交通信息數(shù)據(jù)。

4 面向動(dòng)態(tài)導(dǎo)航的多層多維導(dǎo)航數(shù)據(jù)概念框架

為有利的支持動(dòng)態(tài)導(dǎo)航各項(xiàng)功能需求：1)導(dǎo)航電子地圖的多尺度表達(dá)；2)動(dòng)態(tài)交通信息的表達(dá)；3)動(dòng)態(tài)路徑計(jì)算的實(shí)時(shí)性需求；4)多維參照定位系統(tǒng)間的相互映射?；诮煌ㄌ卣鞯亩鄬佣嗑S導(dǎo)航數(shù)據(jù)由空間對(duì)象、時(shí)態(tài)對(duì)象、專題對(duì)象和事件對(duì)象聚合構(gòu)成。將動(dòng)態(tài)導(dǎo)航數(shù)據(jù)在多維時(shí)空定位系統(tǒng)下建模分為三個(gè)層次(如圖3)：動(dòng)態(tài)交通信息層、空間網(wǎng)絡(luò)層和基礎(chǔ)地理信息層[6]。

圖3 面向動(dòng)態(tài)導(dǎo)航的多層多維導(dǎo)航數(shù)據(jù)概念框架

動(dòng)態(tài)交通信息層中主要描述道路特征的動(dòng)態(tài)屬性信息如交通流信息，和影響道路特征的特殊屬性事件對(duì)象，包括交通事件以及移動(dòng)對(duì)象。事件在交通網(wǎng)絡(luò)上具有明顯的一維線性分布特征，事件位置的描述主要采用線性位置參照系；空間網(wǎng)絡(luò)層主要描述道路網(wǎng)的幾何表達(dá)和拓?fù)浔磉_(dá)及其靜態(tài)屬性如道路特征中的道路類型、道路名稱等屬性；空間網(wǎng)絡(luò)層和基礎(chǔ)地理信息層主要采用絕對(duì)空間參照系，即地圖投影坐標(biāo)系或地理坐標(biāo)系，真實(shí)反映交通系統(tǒng)的空間位置關(guān)系。而所有的交通對(duì)象或現(xiàn)象都隨時(shí)間不斷的變化，必須在時(shí)間參照系中描述它們的變化。導(dǎo)航數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)描述涉及到空間幾何位置的時(shí)態(tài)描述、空間拓?fù)潢P(guān)系的時(shí)態(tài)描述以及事件的時(shí)態(tài)描述，還有非空間屬性的時(shí)態(tài)描述。三個(gè)層次數(shù)據(jù)描述都需要在一定的時(shí)間參照系中?？臻g對(duì)象、時(shí)間對(duì)象、專題對(duì)象與事件對(duì)象可以通過對(duì)象標(biāo)識(shí)直接鏈接或間接映射，實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)與交通信息在幾何、語義、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次上的融合[7]。

動(dòng)態(tài)交通信息隨著時(shí)間的改變而改變，不但具有空間位置特征，同時(shí)還具有時(shí)態(tài)特征。本文分析了絕對(duì)空間參照系統(tǒng)、線性參照系統(tǒng)和時(shí)間參照系統(tǒng)的特點(diǎn)。提出動(dòng)態(tài)交通信息數(shù)據(jù)模型應(yīng)建立在多維時(shí)空參照系統(tǒng)中，即兩種位置參照系統(tǒng)綜合運(yùn)用都不可缺少，還應(yīng)該有主次之分，運(yùn)用在不同的數(shù)據(jù)層次中，以二維空間參照系為基本基準(zhǔn)，線性參照系是建立在二維空間參照系之上的應(yīng)用，兩個(gè)參照系下的數(shù)據(jù)可以相互轉(zhuǎn)換，更有利于空間數(shù)據(jù)的共享與維護(hù)。

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