以道路空間網(wǎng)絡(luò)為中心的GIS-T數(shù)據(jù)模型研究

王 鵬，鄭貴省，王 元,車亞輝，李月明

(1.軍事交通學(xué)院 學(xué)員旅， 天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161)

● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù) Basic Science & Technology

以道路空間網(wǎng)絡(luò)為中心的GIS-T數(shù)據(jù)模型研究

王 鵬1，鄭貴省2，王 元3,車亞輝3，李月明3

(1.軍事交通學(xué)院 學(xué)員旅， 天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161)

對路網(wǎng)空間信息和交通信息進(jìn)行有效地組織，是利用地理信息系統(tǒng)(GIS)處理交通信息的關(guān)鍵問題。結(jié)合線性參照系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段方法，以道路空間網(wǎng)絡(luò)為中心，建立以道路空間網(wǎng)絡(luò)為中心的GIS-T數(shù)據(jù)模型(road spatial network-centered GIS-T data model， RSNCDM)，包括道路空間網(wǎng)絡(luò)、道路網(wǎng)基本要素、事件和線性基準(zhǔn)等4類實(shí)體?；诖藬?shù)據(jù)模型開發(fā)相應(yīng)的Web應(yīng)用平臺，能夠有效處理各種類型的交通信息。

路網(wǎng)空間信息；交通信息；地理信息系統(tǒng)；以道路空間網(wǎng)絡(luò)為中心的GIS-T數(shù)據(jù)模型

目前，GIS(geographic information system)已經(jīng)廣泛用于路網(wǎng)路徑規(guī)劃、出行信息服務(wù)以及交通分配等交通活動(dòng)。在利用GIS進(jìn)行交通活動(dòng)相關(guān)的信息分析和處理時(shí)，不僅涉及路網(wǎng)空間信息，還包含各種動(dòng)靜態(tài)交通信息。由于交通信息涉及的對象多、來源廣，對路網(wǎng)連通性有很大的影響。利用GIS將交通信息和路網(wǎng)緊密結(jié)合起來，對于提升GIS在交通領(lǐng)域的深層次應(yīng)用具有重大的意義[1]。交通信息大都以文本或者屬性表的形式進(jìn)行存儲，不具備直接的地理分布空間數(shù)據(jù)，必須與路網(wǎng)空間信息緊密結(jié)合，在GIS中實(shí)現(xiàn)空間可視化的表達(dá)，才能用于交通活動(dòng)中的分析和應(yīng)用。

交通信息具有明顯的地域特征，主要利用交通地理信息系統(tǒng)(geographic information system for transportation，GIS-T)數(shù)據(jù)模型[2]對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和表達(dá)，實(shí)現(xiàn)交通信息和路網(wǎng)空間信息的融合交互，GIS-T數(shù)據(jù)模型是一種在傳統(tǒng)GIS弧段-結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)之上進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)展的數(shù)據(jù)模型。由于弧段-結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型采用平面強(qiáng)化，在弧段相交的地方必須產(chǎn)生結(jié)點(diǎn)，使得其在處理和描述動(dòng)態(tài)的多屬性交通信息時(shí)，需要打斷道路的幾何數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生實(shí)際中并不存在的結(jié)點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)庫中的結(jié)點(diǎn)和弧段的數(shù)量增加，造成數(shù)據(jù)冗余[3]。為了避免弧段-結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型的不足，以線性參照方法(linear referencing method，LRM)和動(dòng)態(tài)分段(dynamic segmentation，DS)技術(shù)[4]為基礎(chǔ)的GIS-T數(shù)據(jù)模型逐步成為研究與應(yīng)用的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]提出了一種NCHRP 20-27(2)數(shù)據(jù)模型，模型劃分為事件層(Event)、線性參照方法層(LRM)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?Network)、線性基準(zhǔn)層(Datum)和制圖表達(dá)層(Source)5個(gè)等級，實(shí)現(xiàn)交通信息和路網(wǎng)的關(guān)聯(lián)以及空間可視化表達(dá)。文獻(xiàn)[6]從大城市公共交通信息管理的角度出發(fā)，利用LRM和DS構(gòu)建大城市公共交通GIS-T數(shù)據(jù)模型。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種包含公交車線路網(wǎng)、地鐵線路網(wǎng)和街道線路網(wǎng)的多模式、多尺度GIS-T數(shù)據(jù)模型。在交通信息中隨時(shí)間變化頻繁的動(dòng)態(tài)交通信息占據(jù)多數(shù)，如交通流量信息、路況信息以及交通管制信息等，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模型很難全面支持動(dòng)態(tài)交通信息的表達(dá)以及有效地應(yīng)對和處理動(dòng)態(tài)交通信息。因此，必須建立完善的數(shù)據(jù)模型，對交通信息和路網(wǎng)空間信息進(jìn)行合理地組織。

1 線性參照系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段

1.1 線性參照系統(tǒng)

線性參照系統(tǒng)(linear referencing system，LRS)由線性參照方法(LRM)和道路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、線性基準(zhǔn)組成。線性參照方法指在路網(wǎng)中通過已知點(diǎn)的距離和方向來確定任意一點(diǎn)位置的方法，包含已知點(diǎn)、到已知點(diǎn)的距離和方向等3個(gè)要素。通過線性參照方法，用路徑上的參考點(diǎn)表示發(fā)生在路網(wǎng)中的事件，路徑則是由一系列有序的帶有方向的弧段構(gòu)成。路網(wǎng)拓?fù)涫菍ΜF(xiàn)實(shí)中的道路按弧段-結(jié)點(diǎn)形式數(shù)字化處理的結(jié)果，弧段具有長度屬性。線性參照基準(zhǔn)由錨點(diǎn)和錨段組成，錨點(diǎn)表示路網(wǎng)中具有明確位置的地物點(diǎn)，錨點(diǎn)之間的連線表示具有距離屬性的錨段。線性基準(zhǔn)不需要表示完整的結(jié)點(diǎn)-弧段網(wǎng)絡(luò)，且不用平面強(qiáng)化，錨段與錨段相互交叉的地方可以不產(chǎn)生錨點(diǎn)。

線性參照系統(tǒng)可以方便地存儲和維護(hù)路網(wǎng)上的各種變化交通信息，同時(shí)也是路網(wǎng)中事件位置傳播的有效手段。采用傳統(tǒng)的坐標(biāo)點(diǎn)描述事件，如果精度不準(zhǔn)確就會(huì)出現(xiàn)偏離，導(dǎo)致與道路匹配不上，而采用LRS能很好地避免這樣的問題(如圖1所示)。

圖1 線性參照系統(tǒng)

1.2 動(dòng)態(tài)分段

動(dòng)態(tài)分段是為解決結(jié)點(diǎn)-弧段模型中屬性必須與結(jié)點(diǎn)、弧段一一對應(yīng)，從而不能處理多重屬性問題的一種技術(shù)手段。其利用線性參照系統(tǒng)，在不改變要素位置(坐標(biāo))的前提下，通過線性參照系統(tǒng)與道路空間中的某個(gè)位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在道路屬性頻繁變化的情況下，不用像結(jié)點(diǎn)-弧段模型一樣反復(fù)地對弧段進(jìn)行分割、合并操作，即不用對路網(wǎng)的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。動(dòng)態(tài)分段在屬性變化的區(qū)段建立對應(yīng)的屬性表，當(dāng)?shù)缆穼傩园l(fā)生變化時(shí)，直接在屬性表中修改對道路進(jìn)行邏輯分段的距離值，而不必對道路弧段進(jìn)行基于空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的分段修改來與之對應(yīng)。因此，動(dòng)態(tài)分段能夠動(dòng)態(tài)地對路網(wǎng)中多重變化的屬性和事件進(jìn)行描述，在路網(wǎng)幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間構(gòu)建起雙向查詢的關(guān)聯(lián)通道，在靜態(tài)路網(wǎng)幾何數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)交通信息屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與表達(dá)的過程中，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

2 GIS-T數(shù)據(jù)模型

2.1 數(shù)據(jù)模型建立

路網(wǎng)中的交通信息來源多樣、種類繁多，必須將這些信息統(tǒng)一到同一個(gè)基準(zhǔn)和框架之中，以便于信息的處理和分析。因此，本文利用線性參照系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)，提出一個(gè)以道路空間網(wǎng)絡(luò)為中心的GIS-T數(shù)據(jù)模型(如圖2所示)。數(shù)據(jù)模型主要?jiǎng)澐譃榈缆房臻g網(wǎng)絡(luò)、道路網(wǎng)基本要素、事件和線性基準(zhǔn)等4類實(shí)體組。

圖2 RSNCDM數(shù)據(jù)模型

(1)道路空間網(wǎng)絡(luò)。道路空間網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)模型的中心，也是路網(wǎng)空間信息組織和表達(dá)的關(guān)鍵，其包含幾何信息、屬性信息和拓?fù)湫畔ⅰＴ贕IS中使用幾何網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)幾何信息與拓?fù)湫畔⒌姆蛛x。

幾何網(wǎng)絡(luò)是道路幾何和空間分布特征的表現(xiàn)，主要由邊和結(jié)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)要素構(gòu)成，要素具有地理空間位置(地理位置坐標(biāo))。邊要素和結(jié)點(diǎn)要素主要用來描述道路按結(jié)點(diǎn)-弧段的形式進(jìn)行數(shù)字化處理后的空間位置，弧段就是一條邊要素。邊要素和結(jié)點(diǎn)要素兩者沒有顯式的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但是一般情況下，結(jié)點(diǎn)要素應(yīng)該出現(xiàn)在邊要素的首尾位置。兩條邊要素的交叉可以是非平面強(qiáng)化的，即相交處可以不產(chǎn)生結(jié)點(diǎn)要素。

拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)主要用來表示幾何網(wǎng)絡(luò)中邊要素和結(jié)點(diǎn)要素創(chuàng)建拓?fù)潢P(guān)系之后的連接關(guān)系，由邊和結(jié)點(diǎn)兩種元素構(gòu)成。邊元素和結(jié)點(diǎn)元素的拓?fù)溥B接關(guān)系記錄在連通信息表中，對于道路幾何網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)要素，連通信息表都給出了與其關(guān)聯(lián)的邊要素和該邊要素關(guān)聯(lián)的另一個(gè)結(jié)點(diǎn)要素。此外，連通信息表中也記錄了邊要素和結(jié)點(diǎn)要素的權(quán)重，權(quán)重通過要素的屬性字段來創(chuàng)建。拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)總是與一個(gè)幾何網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起的，但拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是一種隱藏的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不能對其進(jìn)行直接修改，主要隨幾何網(wǎng)絡(luò)特征的變化而變化。在實(shí)際運(yùn)用中，一般按照一定的規(guī)則選取幾何網(wǎng)絡(luò)要素建立拓?fù)潢P(guān)系，如按照道路的等級分別建立不同等級道路的拓?fù)洹Ｒ虼?，一個(gè)幾何網(wǎng)絡(luò)可以對應(yīng)多個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

路徑是具有方向性線性要素的集合。一條完整的路徑由一條或者多條路徑段構(gòu)成，路徑段則由幾何網(wǎng)絡(luò)中的邊要素構(gòu)成。

(2)道路網(wǎng)基本要素。路網(wǎng)中的基本要素主要包含道路線路、交叉口等，在GIS中的空間表達(dá)主要通過引用道路空間網(wǎng)絡(luò)中的幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。對這些要素進(jìn)行制圖表達(dá)處理后，以圖層的形式展現(xiàn)，也就是路網(wǎng)電子地圖中的可視對象。

(3)事件。事件主要用來對路網(wǎng)交通信息的變化進(jìn)行描述。事件可以描述路網(wǎng)上一些屬性、突發(fā)事件、偶發(fā)現(xiàn)象和物理特征，即描述靜態(tài)和動(dòng)態(tài)交通的信息。其中屬性包括道路等級、道路限速、道路路面質(zhì)量等。突發(fā)事件和偶發(fā)現(xiàn)象包括交通事故、交通管制、道路搶修、敵人破壞封鎖道路、自然災(zāi)害破壞道路等。物理特征包括道路、橋梁、隧道、涵洞、道路交叉口等現(xiàn)實(shí)有形的實(shí)體。

事件類型主要有點(diǎn)事件、線事件以及面事件，面事件可以用線事件或點(diǎn)事件綜合表示。事件點(diǎn)是道路上事件的確切位置，通過LRM和路徑將其轉(zhuǎn)換為路徑參考點(diǎn)進(jìn)行表示。

(4)線性基準(zhǔn)。錨點(diǎn)和錨段是構(gòu)成線性基準(zhǔn)的基本要素。線性基準(zhǔn)是線性參照系統(tǒng)將路網(wǎng)交通信息與路網(wǎng)電子地圖進(jìn)行連接的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。以道路之間的交叉口作為錨點(diǎn)，具有準(zhǔn)確的定位信息，錨點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)錨段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，錨段可以跨越包含幾條道路路段，也可以只占用道路的一部分。依靠線性基準(zhǔn)，通過動(dòng)態(tài)分段可以將路徑參考點(diǎn)轉(zhuǎn)換為制圖表達(dá)的圖元，在GIS的電子地圖中以可視化的形式表示出來。

2.2 模型的特點(diǎn)

RSNCDM可以有效對道路空間數(shù)據(jù)和交通信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，比較容易維護(hù)線性基準(zhǔn)以及對道路基本要素進(jìn)行空間表達(dá)，其具備以下特點(diǎn)。

(1)以道路空間網(wǎng)絡(luò)為模型的中心，線性基準(zhǔn)的建立和道路網(wǎng)基本要素的空間表達(dá)，實(shí)質(zhì)都是來源道路空間網(wǎng)絡(luò)中的幾何網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)?shù)缆诽卣靼l(fā)生變化時(shí)，只需要通過對道路空間網(wǎng)絡(luò)中的幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改即可，有利于數(shù)據(jù)以及線性基準(zhǔn)的維護(hù)與更新?？梢葬槍Σ煌?，選擇合適的幾何網(wǎng)絡(luò)要素生成符合要求的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)?？梢詫Σ煌?fù)潢P(guān)系的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行獨(dú)立分析，滿足不同需求，充分發(fā)揮GIS在空間數(shù)據(jù)處理和分析的能力。

(2)模型依靠線性參照系統(tǒng)，可以對各類路網(wǎng)交通信息在道路空間網(wǎng)絡(luò)中的空間位置進(jìn)行確定，可以使各類交通信息要素視覺直觀化，借助GIS可以更加直觀地展示路網(wǎng)中交通信息的屬性特征和空間分布，確保準(zhǔn)確地結(jié)合交通信息進(jìn)行路網(wǎng)分析。

(3)當(dāng)對路網(wǎng)交通信息進(jìn)行查詢或分析時(shí)，在線性參照系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，對各類交通信息數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分段處理，降低了數(shù)據(jù)的冗余，使得對數(shù)據(jù)的操作分析更加直觀和簡便。

3 RSNCDM的應(yīng)用

根據(jù)本文提出的數(shù)據(jù)模型在ArcGIS地理信息系統(tǒng)平臺的ArcMap10.2中對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，在ArcMap10.2中使用ArcSDE 10.2和Oracle 11g創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫和交通信息屬性數(shù)據(jù)庫。在ArcMap10.2中連接到創(chuàng)建完成的數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，根據(jù)路網(wǎng)空間矢量數(shù)據(jù)組織創(chuàng)建幾何網(wǎng)絡(luò)、線性基準(zhǔn)、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)以及路徑、線性參照點(diǎn)和事件表，進(jìn)行制圖表達(dá)和發(fā)布地圖服務(wù)(如圖3所示)。

圖3 ArcMap10.2中對路網(wǎng)空間矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

基于B/S架構(gòu)，利用Flex Builder4.6和ArcGIS Server10.2，根據(jù)RSNCDM數(shù)據(jù)模型開發(fā)相應(yīng)的Web應(yīng)用平臺(如圖4所示)，對交通事件信息進(jìn)行定位顯示，輸入事件類型和事件所在的道路名稱，獲取與所在道路相關(guān)聯(lián)的交叉口作為已知參照點(diǎn)，輸入起始測量距離和終止測量距離，即可以在電子地圖上通過動(dòng)態(tài)分段顯示事件的位置。在不需要進(jìn)行顯示和操作時(shí)，圖元將消失，事件信息的數(shù)據(jù)還是存儲在事件表中，避免了幾何數(shù)據(jù)的冗余。

圖4 事件線性參照定位和動(dòng)態(tài)分段顯示

4 結(jié) 語

本文針對已有GIS-T數(shù)據(jù)模型在處理動(dòng)態(tài)交通信息上的不足，建立以道路空間網(wǎng)絡(luò)為中心的GIS-T數(shù)據(jù)模型。該模型能有效地對路網(wǎng)空間信息和交通信息進(jìn)行組織，比較方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)。通過該數(shù)據(jù)模型對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，并開發(fā)相應(yīng)的Web應(yīng)用平臺，提高了對各類動(dòng)態(tài)交通信息數(shù)據(jù)的處理和分析能力。

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(編輯：史海英)

Road Spatial Network-Centered GIS-T Data Model

WANG Peng1, ZHENG Guixing2, WANG Yuan3, CHE Yahui3, LI Yueming3

(1．Cadet Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；3.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Organizing road network spatial and traffic information effectively is the key point of using GIS (geographic information system) to deal with traffic information. With LRS (linear referencing system) and DS (dynamic segmentation) method, the paper establishes RSNCDM (road spatial network-centered GIS-T data model), which includes road spatial network, basic elements of road network, events and linear datum. The corresponding Web application platform based on this data model can handle all kinds of traffic information effectively.

road network spatial information; traffic information; GIS (geographic information system); RSNCDM (road spatial network-centered GIS-T data model)

2016-04-23；

2016-06-09．

王 鵬(1990—)，男，碩士．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.020

U491

A

1674-2192(2017)01- 0086- 05