在線高速路網監測信息系統的設計與實現

引文格式： 高姍，崔志偉，閆紅雨,等. 在線高速路網監測信息系統的設計與實現[J].測繪通報，2015(2)：102-105.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0053

在線高速路網監測信息系統的設計與實現

高姍1，崔志偉2，閆紅雨1，曾興國3

(1. 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2. 中國人民解放軍61206部隊，

北京100042； 3. 中國科學院國家天文臺，北京100012)

Design and Implementation of Online Highway Monitoring Information System

GAO Shan，CUI Zhiwei，YAN Hongyu，ZENG Xingguo

摘要：城市化進程中高速路網擴展迅速，高速路網的信息化建設尤為迫切。基于在線環境，本文分析和探討了高速路網的監測信息系統架構、系統技術實現，重點研究了空間數據融合、空間索引、瓦片等關鍵技術，最后以湖北省地理國情監測項目中的高速路網監測信息系統為例進行了實例展示。

關鍵詞：地理國情監測；高速路網；信息系統

中圖分類號：P208文獻標識碼：B

收稿日期：2013-12-28

作者簡介：高姍(1988—)，女，碩士，主要從事地理信息科學理論與方法研究。E-mail:shannely@163.com

一、引言

高速公路的擴展是一個城市現代化水平的標志，高速路網的信息化建設是其有序建設和發展的保障，也是地理國情監測中交通領域的重要專題。交通理論的發展、規劃決策的應用及網絡技術的普及，都對高速路網的信息化進程起到推動作用。例如，實時監控技術改善了高速公路的秩序性，公路自動選址技術優化了公路的路線規劃。

目前，發達國家高速公路網的信息化進程遠遠先于我國，如日本在1996年就著手開發智能化交通運輸系統，并制訂了綜合的實施計劃，主要目的是快速應對交通事故，為人們出行提供智能化決策支持，解決道路交通擁堵、環境污染等社會問題。澳大利亞的高速公路信息化處于世界領先地位，該國的智能化交通運輸系統包括車輛監控系統、交通控制系統、道路信號系統和公共信息服務系統等部分，該系統不僅為交通管理部門提供了實時的路況和車輛信息，也為出行的人們提供了便利的信息化服務，是集管理和服務于一體的現代化智能系統。

二、系統設計

1. 系統體系結構設計

高速路網監測系統采用B/S模式開發。用戶利用客戶端瀏覽器即可登錄瀏覽，對高速公路發展的相關指標進行監測。系統體系結構包括表現層、邏輯事務層和數據層，如圖1所示。

圖1　系統結構圖

系統表現層是指本系統成果展示的瀏覽顯示層，支持Flex方式下的B/S架構，系統將用戶所需的信息或請求處理結果返回給用戶，表現形式主要為以Flex網頁形式組織起來的專題地圖、表格、圖表、圖片和文字等，以及JSP頁面顯示的專題圖表。

系統邏輯事務層主要用于響應客戶端的各種請求，并負責與后臺數據庫進行數據交換[1]。本系統的邏輯事務層由地理底圖服務、地圖整合服務、專題圖例服務、專題符號服務、FusionChart專題圖表服務這幾個封裝好的服務構成[2]。其中地理底圖服務是系統提供專題地理底圖數據的接口，它除了基礎的WMS接口外，還同時提供高速公路地理底圖的接口，根據不同的監測內容請求相應的地理底圖。通過客戶端界面調用地理底圖服務，用戶可以動態地瀏覽地理底圖。專題符號服務是系統提供專題符號圖層的接口，用戶可以通過請求服務獲得專題數據和相應的專題符號，并且在地理底圖上疊加顯示。專題圖例服務是系統提供專題圖例數據的接口，用戶在獲得專題符號服務的同時，使用相同參數請求專題圖例服務，得到適用于該幅專題圖的圖例。地圖整合服務是系統提供最終監測地圖和專題地圖輸出的接口，通過獲取地理底圖服務、專題符號服務、圖例服務(包括專題圖形圖例和符號圖例)，得到地圖數據，進行圖面大小設置、分辨率設置，得到最終用于打印輸出的地圖。FusionChart專題圖表服務是系統根據數據庫專題數據，實時生成專題圖表的服務，供客戶端請求的顯示，并提供統計數據的分析服務。

系統數據層主要包括基礎地理數據庫和專題數據庫。基礎地理數據庫包括高速公路、行政邊界、水系等要素的圖形數據及圖形的屬性數據。專題數據庫存儲管理高速公路的里程、密度、排名等各類專題數據。

2. 系統模塊設計

高速路網監測信息系統的系統角色包括:建設方系統管理員、承建方系統開發人員、系統用戶及系統維護人員。其中，建設方系統管理員的職責是系統維護和其他所有功能的操作；承建方系統開發人員的職責是系統開發、數據入庫及后期各項技術支持等；系統用戶通過系統進行各種監測操作；系統維護人員主要負責系統維護和數據的管理[3]。

湖北省高速路網監測系統包括兩個模塊：動態監測模塊和指標分析模塊,具體的系統模塊劃分如圖2所示。

圖2　系統模塊劃分

3. 原型系統的技術實現

以高速公路路網為監測試點，根據不同時期監測對象的變化，利用現有的測繪成果，提供多級別、多層次、多時態的地圖服務，動態地展示高速公路的發展情況。系統主要實現高速公路發展變化的CorelDRAW成果圖動態顯示，以及其分年監測地圖的整合輸出；高速公路排名、分區里程、分區密度等在線專題圖的動態生成、樣式修改、疊加顯示及其整合輸出；基于FusionChart的專題數據統計圖動態顯示[4]，提供豐富的樣式供用戶選擇，以及統計數據分析工具；高速公路出入口、高速公路服務區等矢量數據疊加顯示和屬性查詢。

系統在開發過程中，具體流程包括資料收集與處理、專題統計數據建庫、CorelDRAW底圖制圖加工、矢量數據處理與服務發布等數據處理過程，以及數據庫訪問、動態圖表渲染、實時渲染、專題符號、專題圖表等引擎的開發及相關功能的實現。資料收集與處理主要包括統計年鑒、相關矢量數據、相關文獻資料、地圖原材料、影像數據等的收集和處理。專題統計數據建庫包括統計數據的整理、指標數據的計算、建表入庫和相關視圖的創建。CorelDRAW底圖制作主要包括高速公路CorelDRAW底圖的制作、矢量數據的配準、轉換參數的計算，以及二進制數據的轉換。數據庫訪問引擎開發即基于WebLogic創建的Oracle數據庫連接池，開發相應的數據庫訪問引擎，方便其他模塊訪問數據庫。基于JFreeChart開發實現數據庫數據的實時動態讀取及專題符號的生成，供客戶端請求顯示。地理底圖動態獲取服務開發是基于對底層的開發，服務器端實現CorelDRAW底圖二進制數據的動態讀取、渲染、成圖的服務，供客戶端請求顯示。基于JFreeChart的專題圖例動態獲取服務開發，實現根據專題數據和專題符號信息動態生成專題圖例，供客戶端請求顯示。專題地圖整合服務開發實現將地理底圖、專題符號、專題圖例等進行整合，輸出完整專題地圖的功能。基于FusionChart的開發實現了系統專題地圖的動態顯示，提供豐富的圖表樣式供用戶選擇，并開發實現了統計數據分析功能。基于ArcGIS for Flex API開發實現了矢量要素服務的在線屬性查詢功能。

三、關鍵技術

1. 數據融合

數據融合技術是指對按照時間順序獲得的信息源，利用計算機在一定的規則下進行識別、篩選、整合、存儲等過程，完成多數據源的信息共享。數據融合技術主要是模式識別和狀態分析。為了實現多源空間數據的共享，主要表現在兩個方面：目標編碼體系的融合和形狀、幾何位置的統一。目標編碼是指在地理信息系統中對空間實體進行唯一的編碼。這個唯一的編碼用于標識該空間實體，理論上這個編碼是唯一的，但是不同的系統可能采用不同的編碼規范，因此導致同一空間實體可能對應不同的編碼。目標編碼的一般過程如圖3所示。

香港大學深圳醫院工程項目占地面積19.2萬 m2，總建筑面積36.7萬 m2，設總床位2 000張。醫院采用“診療中心+重點專科”模式，設置綜合門急診、20個診療中心、12個醫技中心以及特需診療中心，可容納日門急診量8 000～10 000人次，是設施一流、管理一流、服務一流，與國際現代化醫院相接軌的區域性現代醫療中心。

圖3　目標編碼的一般過程

數據融合的層次有檢測層、位置層、屬性層、符號層。檢測層的融合在未對原始信息分析綜合前，首先對原始信息的有效性進行確認，再進行數據融合。檢測層融合的算法是20世紀80年代初期由Tenney和Sabdekk提出的，而后主要是把N-P算法、貝葉斯、序貫貝葉斯和信息論用于分布檢測時，在各種檢測環境下，確定分布系統各節點的判決規則，比較各檢測層算法的性能，并對已存在的檢測方案進行新的創新、改進。位置層主要有分布式、集中式、多級式和混合式結構。屬性層融合是利用多個傳感器觀測目標的原始數據進行采集，然后進行數據處理和綜合分析。數量級融合是傳感器采集數據后進行數據聯合，將聯合數據直接融合并提取特征信息、判讀屬性信息以獲得觀測目標的類型。特征級融合是把觀測目標經過一系列的特征提取、數據聯合，進而達到特征提取和屬性判決的目的。特征提取得到特征矢量，數據聯合獲得目標分組[5]。符號層融合是最高層次的融合，它直接針對具體目標作出決策，在其他層的基礎上，融合的結果直接為決策提供依據。

2. 空間索引

空間索引用于快速空間數據檢索與分析。空間索引可以從格網大小與索引級別兩個角度去優化，根據具體的數據設計適應空間索引格網大小與索引級別[6]。

以湖北省的高速路網數據為例，首先根據湖北省行政區劃分區或根據其他的邏輯分區，創建空間數據的分幅索引圖，也可以采用地形圖標準分幅格網圖作為規則索引圖(grid)，索引圖采用ArcSDE連續的空間數據管理模型。空間數據引擎將使用這個連續的空間數據模型，不需要分割數據，只需創建相應的分區索引圖。為了支持存儲了上百萬空間記錄的數據庫，ArcSDE在一個層上為所有的特征建立索引，加快空間查詢和存取速度。ArcSDE將層從邏輯上分割為小塊，稱為“cell”，層中的特征則分解到各cell中加以描述，并將此描述信息寫入索引表，這樣便建立了一個空間索引。如果一個特征落入了一個以上的cell，則在每個cell都要列出該特征的描述信息，沒有數據的cell將不用包含在索引表中(如圖4所示)。在提供某一個空間目標的查詢檢索服務時，ArcSDE將通過該目標和不同的cell之間的空間管理來快速定位和查詢相應的空間目標，這樣就達到了快速空間查詢的目的。而對客戶來說，該索引圖是透明的，在查詢時，可能并不知道該索引圖的存在。

圖4　矢量數據空間索引的建立

對于空間數據的每一個比例尺級別和每一個專題層都將建立這種空間索引機制。這樣每個數據層可以有1～3個索引格網，關于查詢的速度問題，與數據在格網上分布的均勻程度成正比，分布越均勻，速度越快；分布越分散，查詢速度越慢。但是多級格網對于分布分散不均勻的數據比較有效。ArcSDE屬性查詢功能使用的是數據庫管理系統的屬性列索引[7]。

3. 瓦片技術

瓦片地圖服務技術一般在緩存或硬盤目錄中預先生成規則的多級瓦片地圖，從瓦片金字塔的頂層到底層，分辨率逐漸增大，但是所表示的地理范圍沒有發生變化，變化的只是詳細程度[8]。客戶端以流的形式訪問和讀取地圖數據。瓦片地圖服務技術可以在保證速度的情況下同時保持地圖的高精度顯示[9]。基于地圖瓦片的服務框架下，地圖由大量的規則方形圖片組成，每個方形圖片都有坐標值(X，Y)，共有18個縮放比例，縮放因子的范圍是0～17。通過魚骨圖的操作顯示不同縮放比例下的地圖，在由小比例向大比例轉變的過程中，圖片的數量發生變化，基于地圖瓦片服務技術的請求和響應效率顯著優于WebGIS的傳統模式，而且基于地圖瓦片服務的服務器負載也相對小很多[10]。基于地圖瓦片服務框架可以通過集聚現代先進的互聯網技術構建地圖瓦片庫，從而運用數據庫技術、搜索引擎、Ajax等脫離GIS平臺實現空間定位服務[11]，進而使地圖服務由專業化走向大眾化，提高其應用范圍。

四、系統展示

湖北省高速路網監測信息系統是湖北省地理國情監測項目中的一個分系統，在上述的系統體系、模塊設計和關鍵技術研究的基礎上，開發了本系統。 監測內容具體分為5方面：動態監測、指標監測、屬性查詢、地圖輸出和地圖打印。單擊功能按鈕，頁面左下方彈出相應的窗口。在動態監測窗口中，可以動態分時地顯示地理底圖上高速路網的變化情況，如圖5所示。

圖5　地理底圖上顯示監測情況

湖北省高速路網監測指標包括：湖北高速分市里程統計、湖北省高速分市密度統計、湖北省高速里程數排名，這些監測指標通過基于省高速里程數排名。這些監測指標通過基于JFreeChart圖表生成引擎根據用戶自定義的參數，如變更圖表的圖例、前景、背景、表名等對圖表進行個性化配置，通過重構組織，生成不同類型的統計圖表。圖6為用戶選擇不同的統計圖表所表達的武漢市高速公路里程監測圖表。同時系統還提供了關于高速公路屬性查詢的功能，如圖7所示。

圖6　武漢市高速公路監測圖表

圖7　查詢高速公路G42的屬性

五、結束語

本文著重論述了數據融合、空間索引、瓦片等技術，從系統的體系結構設計和模塊設計入手，經過一系列的開發流程完成了湖北省高速公路網監測信息系統原型。該系統為高速公路網的信息化建設提供了可行性方案，對數字城市建設及地理國情監測其他專題的項目也有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[2]SUN Z, YUE P, DI L. GeoPWTManager: a Task-oriented Web Geoprocessing System[J]. Computers & Geosciences, 2012, 47(11): 34-45.

[3]王躍峰. 淺析基于網絡的地理信息分發服務系統[J]. 測繪通報, 2002(4): 39-41.

[4]劉耿龍, 眭偉芳. C/S 模式下 FusionCharts 圖表設計與實現[J]. 電腦知識與技術，2010，6(02Z): 1138-1139.

[5]HEIPKE C, PAKZAD K, WILLRICH F, et al. Theme Issue: Integration of Geodata and Imagery for Automated Refinement and Update of Spatial Databases[J]. International Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2004, 58(3-4): 127-128.

[6]盧廷軍, 黃明. 海量柵格數據空間索引與存儲的研究[J]. 測繪通報, 2010(10):24-26.

[7]尚慶生, 馮敏.ArcSDE矢量數據訪問類的設計與實現[J]. 計算機應用研究, 2005, 22(7): 201-203.

[8]ALLENMM.CreatingtheVirtualMapDrawer:BridgingtheGapbetweenSpatialDataInfrastructuresandMapLibraries[J].OCLCSystems&Services, 2008, 24(3): 153-159.

[9]CRUZSAB,MONTEIROA,SANTOSR.AutomatedGeospatialWebServicesCompositionBasedonGeodataQualityRequirements[J].Computers&Geosciences, 2012, 47(11): 60-74.

[10]周沛. 智能交通系統中的瓦片地圖技術研究與應用[D]. 上海: 同濟大學, 2008.

[11]趙旗. 基于ArcGISServer及Ajax的空間Web服務研究與開發[D]. 長沙：中南大學，2008.