動態交通信息建模中多維時空參照系統研究

宋 鶯

(湖北經濟學院 信息管理學院， 湖北 黃石 435002)

0 引言

若要實現動態導航交通信息服務，與空間和時間密切相關的動態交通信息建模是服務的基礎，也是導航數據模型重要的組成部分。由于動態交通信息數據具有很強的時間性和空間性，其時空特征體現在空間分布(線性分布、網絡分布、分段分布)、多維性、多尺度和動態性。交通設施，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。道路交通網絡是一個非平面多尺度多維網絡，其信息動態特征是由交通系統的特點所決定。而現有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，動態交通信息數據模型是GIS-T 模型的在交通領域一個重要應用分支，交通系統是一個隨著時間不斷變化的復雜系統，特別是導航服務對動態交通信息表達的需求，推動了動態交通數據模型中的多維時空問題研究。

1 空間參照系統

地理空間(Geographic Space)是指經過投影變換后，在笛卡爾坐標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空間和相對空間兩種形式。絕對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值組成；相對空間是具有空間屬性特征的實體的集合，它是由不同實體之間的空間相對關系構成。空間參照系統包含基準、參照對象與空間參考方法。幾何含義與量綱一般在空間參考方法中定義。

1.1 絕對空間參照系

地理實體的定位一般采用二維空間參照系(two dimensional spatial reference system)。每個地理實體要進行定位，必須嵌入到一個空間參照系中。導航電子地圖是以坐標系為基本框架的，用經緯度(X,Y)坐標定位描述的。幾何路網采用絕對空間參照系，真實反映交通系統的空間幾何位置關系。與導航有關的坐標系包括：地心坐標系、參心坐標系(見表1)和獨立坐標系。國家或地區坐標系統都是建立在參考橢球體基準上的，因此，車載導航電子地圖多采用參心坐標系[1]。地球是一個不規則的球體，為了能夠將其表面的內容顯示在平面的顯示器或紙面上，必須進行坐標變換。在電子地圖顯示時需要將平面參照坐標變換成平面直角坐標，進行坐標變換與投影變換。

表1 平面參照坐標系

1.2 線性參照系統

線性參照系統( 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換方法，由線性網絡、線性參照方法和基準三部分組成。線性參照方法(Linear Referencing Methods, LRM)是通過到已知點的偏移來確定線性特征上的任意未知點的位的方法。常用的線性參考方法有里程參考、分段參考、地址參考和觀測點參考。當前交通電子地圖數據中幾何網絡一般用二維空間參考模型，采用(X,Y)坐標來定位，而交通網絡中交通設施或事件(如運動車輛、事故、道路關閉等)位置的準確描述是在實現LBS/動態導航服務十分重要。交通事件在交通網絡上具有明顯的一維線性分布特征，采用相對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知習慣。例如，在交通系統中，我們可以定位一起交通事故發生在 “沿某條公路上距某路口4.5 km處”等。

動態分段(Dynamic Segmentation, DS)屬于LR采用的一種技術。使用動態分段主要有兩個原因：一是很多事件，是通過沿著道路的相對位置來記錄的；二要顯示同一條道路上的多個屬性集合時，由于各個屬性在道路上所對應的位置不同，同一數據源如果不做處理，很難達到要求。利用動態分段技術，可以很好表達道路特征一對多的關系。同一道路上可以根據不同屬性被分為若干屬性段，這樣避免的道路屬性的重復存儲，還可動態地描述道路各種屬性數據之間的關系。能實現道路幾何數據和對應的各種屬性數據間的雙向查詢[2]。用了動態分段技術后，可進行多個屬性集的動態顯示和分析，減少了數據冗余。

以公路方面的一個應用場景為例說明圖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，假設該公路長100km.其中線a表示：前40km為交警2大隊管轄，后60km為交警4大隊管轄；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。屬于同一數據源對應多個屬性(且屬沿線分布)的情況。使用了動態分段技術后，可進行多個屬性集的動態顯示和分析，減少了數據冗余。

圖1 道路的4種不同屬性動態分段表示

2 時間參照系統

在日常生活中，全球的活動同時采用公共的時間參考(格林威治時，Greenwich MeanTime)和公歷。格林威治時以協調世界時(UTC，Coordinate Universal Time)作為時參照基準；公歷用作日期基準。采用秒、分鐘、小時、天、月、年等量測單位的時間線軸使各項事物活動有序化。

2.1 時間的表示方法

王英杰等認為時間的表示方法有線性結構、循環結構、分枝結構和多維結構。線性結構認為時間是一條沒有端點，向過去和將來無限延伸的線軸。在單向線性時間模型中，一般都是指向將來的延伸[3]。循環結構反映了時間的周期性、穩定性，每周期都以某一時刻作為起點，周期內的任意時刻，以累積的時間來表達。分支時間用來解釋事件多種可能變化的現象，每一種變化都將擁有自己的歷史和未來。其中，多維結構包含：有效時間、數據庫時間(database time)、用戶定義時間(user-defined time)和決策與觀察顯示時間。時間的基本元素有四個：時間點、時間區間、時間跨度和時間集合[4]。

2.2 時間對象的描述

交通特征的時態描述需要時間對象。時間對象模型的描述如圖2所示。

圖2 時間對象邏輯模型

每種時間對象，采用時間點和區間兩種時間模型。時間可看成是無限的實數軸，時間點即是軸上的某個點，每兩個時間點形成一個時間段。軸上的刻度我們稱之為時間粒度或時間尺度。時間軸有多個不同層次的時間粒度單位，如年、月、日、小時、分、秒等。不同的時間粒度形成的集合稱為時間粒度體系。時間本身是連續的，為節省存儲空間，一般現有的時空模型在時間軸上都采用離散模型。例如，交通流的變化在工作日內呈周期性變化規律，而在每日內不同時刻交通流又呈單向線性變化。因此在導航服務中，需要考慮這兩種時間參考系統。直線單向性考慮表現為時間序列，周期性體現了時間的尺度特征，也表現為層次性[5]。

3 多維時空參照定位

動態交通信息數據模型應建立在多維時空參照系統中，即兩種位置參照系統綜合運用都不可缺少，還應該有主次之分，運用在不同的數據層次中，以二維空間參照系為基本基準，線性參照系是建立在二維空間參照系之上的應用，兩個參照系下的數據可以相互轉換，更有利于空間數據的共享與維護。另外從動態交通信息服務系統研發的角度看，在復雜的三維交通實體(如立交橋)處正確引導是十分關鍵的，而在大多數情況下，二維平面地圖能夠反映道路的結構，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景輔助導航，在復雜的交通環境中需要顯示三維場景。

時空定位參照方法定義了一種機制，這種機制通過參照已知點發現或聲明未知點的定位信息。定位參照方法所依據的參照對象必須是可重獲的，空間參照對象一般選一些固定的標志性地理實體或測量控制點，時間參照對象可以是鐘表、日歷[4]。交通數據時空對象的定位及各種交通事件的描述，都是以交通路網為核心的，路段是組成路網的基本單位，可以根據情況采用路段ID、時空坐標(如：經緯度加時間)、街道地址、線性參照等多維時空參照方法表達各類動態交通信息數據。

4 面向動態導航的多層多維導航數據概念框架

為有利的支持動態導航各項功能需求：1)導航電子地圖的多尺度表達；2)動態交通信息的表達；3)動態路徑計算的實時性需求；4)多維參照定位系統間的相互映射。基于交通特征的多層多維導航數據由空間對象、時態對象、專題對象和事件對象聚合構成。將動態導航數據在多維時空定位系統下建模分為三個層次(如圖3)：動態交通信息層、空間網絡層和基礎地理信息層[6]。

圖3 面向動態導航的多層多維導航數據概念框架

動態交通信息層中主要描述道路特征的動態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象，包括交通事件以及移動對象。事件在交通網絡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；空間網絡層主要描述道路網的幾何表達和拓撲表達及其靜態屬性如道路特征中的道路類型、道路名稱等屬性；空間網絡層和基礎地理信息層主要采用絕對空間參照系，即地圖投影坐標系或地理坐標系，真實反映交通系統的空間位置關系。而所有的交通對象或現象都隨時間不斷的變化，必須在時間參照系中描述它們的變化。導航數據的時態描述涉及到空間幾何位置的時態描述、空間拓撲關系的時態描述以及事件的時態描述，還有非空間屬性的時態描述。三個層次數據描述都需要在一定的時間參照系中。空間對象、時間對象、專題對象與事件對象可以通過對象標識直接鏈接或間接映射，實現路網與交通信息在幾何、語義、數據結構層次上的融合[7]。

動態交通信息隨著時間的改變而改變，不但具有空間位置特征，同時還具有時態特征。本文分析了絕對空間參照系統、線性參照系統和時間參照系統的特點。提出動態交通信息數據模型應建立在多維時空參照系統中，即兩種位置參照系統綜合運用都不可缺少，還應該有主次之分，運用在不同的數據層次中，以二維空間參照系為基本基準，線性參照系是建立在二維空間參照系之上的應用，兩個參照系下的數據可以相互轉換，更有利于空間數據的共享與維護。

參考文獻:

[1]向懷坤. 車載導航系統關鍵技術研究[D]. 北京: 北京工業大學博士學位論文, 2003.

[2]李清泉,左小清,謝智穎.GIS-T 線性數據模型研究現狀與趨勢[J]. 地理與地理信息科學, 2004, 20(3): 31～35.

[3]王英杰, 袁勘省, 李天文. 交通GIS及其在ITS中的應用[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2004.

[4]謝智穎. LBS系統中動態路徑選擇的理論和方法研究[D]. 武漢: 武漢大學碩士學位論文, 2003.

[5]鄭江華. 實時交通信息下車輛動態導航服務關鍵技術研究[D]. 北京: 北京大學博士學位論文, 2006.

[6]Song Ying, Li Hongyan. Transportation Feature Oriented Multi-Dimensional Navigation Data Model[C]. The 2nd International Conference on Information Science and Engineering. Hangzhou , 2010,9:7094～7097.

[7]Song Ying, Li Bijun. The Application of Real-Time Traffic Data Organization in Vehicle Navigation System[C]. Global Navigation Satellite: Technology Innovation and Application. Beijing, 2009:376～380.