王 鵬，鄭貴省，王 元,車亞輝，李月明

(1.軍事交通學院 學員旅， 天津 300161； 2.軍事交通學院 基礎部，天津 300161；3.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

● 基礎科學與技術(shù) Basic Science & Technology

以道路空間網(wǎng)絡為中心的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.軍事交通學院 學員旅， 天津 300161； 2.軍事交通學院 基礎部，天津 300161；3.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

對路網(wǎng)空間信息和交通信息進行有效地組織，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)和動態(tài)分段方法，以道路空間網(wǎng)絡為中心，建立以道路空間網(wǎng)絡為中心的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、道路網(wǎng)基本要素、事件和線性基準等4類實體?；诖藬?shù)據(jù)模型開發(fā)相應的Web應用平臺，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、出行信息服務以及交通分配等交通活動。在利用GIS進行交通活動相關(guān)的信息分析和處理時，不僅涉及路網(wǎng)空間信息，還包含各種動靜態(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中實現(xiàn)空間可視化的表達，才能用于交通活動中的分析和應用。

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)絡進行建模和表達，實現(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)點數(shù)據(jù)模型基礎之上進一步發(fā)展和擴展的數(shù)據(jù)模型。由于弧段-結(jié)點數(shù)據(jù)模型采用平面強化，在弧段相交的地方必須產(chǎn)生結(jié)點，使得其在處理和描述動態(tài)的多屬性交通信息時，需要打斷道路的幾何數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生實際中并不存在的結(jié)點，使得數(shù)據(jù)庫中的結(jié)點和弧段的數(shù)量增加，造成數(shù)據(jù)冗余[3]。為了避免弧段-結(jié)點數(shù)據(jù)模型的不足，以線性參照方法(linear referencing method，LRM)和動態(tài)分段(dynamic segmentation，DS)技術(shù)[4]為基礎的GIS-T數(shù)據(jù)模型逐步成為研究與應用的重點。文獻[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)絡拓撲層(Network)、線性基準層(Datum)和制圖表達層(Source)5個等級，實現(xiàn)交通信息和路網(wǎng)的關(guān)聯(lián)以及空間可視化表達。文獻[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[7]設計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。在交通信息中隨時間變化頻繁的動態(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態(tài)交通信息的表達以及有效地應對和處理動態(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)空間信息進行合理地組織。

1 線性參照系統(tǒng)和動態(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)和道路拓撲網(wǎng)絡、線性基準組成。線性參照方法指在路網(wǎng)中通過已知點的距離和方向來確定任意一點位置的方法，包含已知點、到已知點的距離和方向等3個要素。通過線性參照方法，用路徑上的參考點表示發(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)拓撲是對現(xiàn)實中的道路按弧段-結(jié)點形式數(shù)字化處理的結(jié)果，弧段具有長度屬性。線性參照基準由錨點和錨段組成，錨點表示路網(wǎng)中具有明確位置的地物點，錨點之間的連線表示具有距離屬性的錨段。線性基準不需要表示完整的結(jié)點-弧段網(wǎng)絡，且不用平面強化，錨段與錨段相互交叉的地方可以不產(chǎn)生錨點。

線性參照系統(tǒng)可以方便地存儲和維護路網(wǎng)上的各種變化交通信息，同時也是路網(wǎng)中事件位置傳播的有效手段。采用傳統(tǒng)的坐標點描述事件，如果精度不準確就會出現(xiàn)偏離，導致與道路匹配不上，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 動態(tài)分段

動態(tài)分段是為解決結(jié)點-弧段模型中屬性必須與結(jié)點、弧段一一對應，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)的前提下，通過線性參照系統(tǒng)與道路空間中的某個位置進行關(guān)聯(lián)，在道路屬性頻繁變化的情況下，不用像結(jié)點-弧段模型一樣反復地對弧段進行分割、合并操作，即不用對路網(wǎng)的幾何數(shù)據(jù)進行修改。動態(tài)分段在屬性變化的區(qū)段建立對應的屬性表，當?shù)缆穼傩园l(fā)生變化時，直接在屬性表中修改對道路進行邏輯分段的距離值，而不必對道路弧段進行基于空間坐標數(shù)據(jù)的分段修改來與之對應。因此，動態(tài)分段能夠動態(tài)地對路網(wǎng)中多重變化的屬性和事件進行描述，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)和動態(tài)交通信息屬性數(shù)據(jù)進行融合與表達的過程中，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)一到同一個基準和框架之中，以便于信息的處理和分析。因此，本文利用線性參照系統(tǒng)和動態(tài)分段技術(shù)，提出一個以道路空間網(wǎng)絡為中心的GIS-T數(shù)據(jù)模型(如圖2所示)。數(shù)據(jù)模型主要劃分為道路空間網(wǎng)絡、道路網(wǎng)基本要素、事件和線性基準等4類實體組。

圖2 RSNCDM數(shù)據(jù)模型

(1)道路空間網(wǎng)絡。道路空間網(wǎng)絡是整個模型的中心，也是路網(wǎng)空間信息組織和表達的關(guān)鍵，其包含幾何信息、屬性信息和拓撲信息。在GIS中使用幾何網(wǎng)絡和拓撲網(wǎng)絡實現(xiàn)幾何信息與拓撲信息的分離。

幾何網(wǎng)絡是道路幾何和空間分布特征的表現(xiàn)，主要由邊和結(jié)點兩種網(wǎng)絡要素構(gòu)成，要素具有地理空間位置(地理位置坐標)。邊要素和結(jié)點要素主要用來描述道路按結(jié)點-弧段的形式進行數(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)點要素應該出現(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化的，即相交處可以不產(chǎn)生結(jié)點要素。

拓撲網(wǎng)絡主要用來表示幾何網(wǎng)絡中邊要素和結(jié)點要素創(chuàng)建拓撲關(guān)系之后的連接關(guān)系，由邊和結(jié)點兩種元素構(gòu)成。邊元素和結(jié)點元素的拓撲連接關(guān)系記錄在連通信息表中，對于道路幾何網(wǎng)絡中的每一個結(jié)點要素，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)的另一個結(jié)點要素。此外，連通信息表中也記錄了邊要素和結(jié)點要素的權(quán)重，權(quán)重通過要素的屬性字段來創(chuàng)建。拓撲網(wǎng)絡總是與一個幾何網(wǎng)絡聯(lián)系在一起的，但拓撲網(wǎng)絡是一種隱藏的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不能對其進行直接修改，主要隨幾何網(wǎng)絡特征的變化而變化。在實際運用中，一般按照一定的規(guī)則選取幾何網(wǎng)絡要素建立拓撲關(guān)系，如按照道路的等級分別建立不同等級道路的拓撲。因此，一個幾何網(wǎng)絡可以對應多個拓撲網(wǎng)絡。

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中的空間表達主要通過引用道路空間網(wǎng)絡中的幾何網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實現(xiàn)。對這些要素進行制圖表達處理后，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)實有形的實體。

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

(4)線性基準。錨點和錨段是構(gòu)成線性基準的基本要素。線性基準是線性參照系統(tǒng)將路網(wǎng)交通信息與路網(wǎng)電子地圖進行連接的基礎和關(guān)鍵。以道路之間的交叉口作為錨點，具有準確的定位信息，錨點對應一個或多個錨段的起點和終點，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，通過動態(tài)分段可以將路徑參考點轉(zhuǎn)換為制圖表達的圖元，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

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

(1)以道路空間網(wǎng)絡為模型的中心，線性基準的建立和道路網(wǎng)基本要素的空間表達，實質(zhì)都是來源道路空間網(wǎng)絡中的幾何網(wǎng)絡。當?shù)缆诽卣靼l(fā)生變化時，只需要通過對道路空間網(wǎng)絡中的幾何網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行修改即可，有利于數(shù)據(jù)以及線性基準的維護與更新?？梢葬槍Σ煌?，選擇合適的幾何網(wǎng)絡要素生成符合要求的拓撲網(wǎng)絡?？梢詫Σ煌負潢P(guān)系的網(wǎng)絡進行獨立分析，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)絡中的空間位置進行確定，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，確保準確地結(jié)合交通信息進行路網(wǎng)分析。

(3)當對路網(wǎng)交通信息進行查詢或分析時，在線性參照系統(tǒng)的基礎之上，對各類交通信息數(shù)據(jù)進行動態(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、線性基準、拓撲網(wǎng)絡以及路徑、線性參照點和事件表，進行制圖表達和發(fā)布地圖服務(如圖3所示)。

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

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)相應的Web應用平臺(如圖4所示)，對交通事件信息進行定位顯示，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，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態(tài)分段顯示事件的位置。在不需要進行顯示和操作時，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)模型在處理動態(tài)交通信息上的不足，建立以道路空間網(wǎng)絡為中心的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行組織，比較方便地進行數(shù)據(jù)維護。通過該數(shù)據(jù)模型對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行組織，并開發(fā)相應的Web應用平臺，提高了對各類動態(tài)交通信息數(shù)據(jù)的處理和分析能力。

[1] MILLER H J，SHAW S L．Geographic information systems for transportation in the 21st Century[J]．Geography Compass，2015，9(4)：180-189．

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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