以道路空間網絡為中心的GIS-T數據模型研究

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 Basic Science & Technology

以道路空間網絡為中心的GIS-T數據模型研究

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(GIS)處理交通信息的關鍵問題。結合線性參照系統和動態分段方法，以道路空間網絡為中心，建立以道路空間網絡為中心的GIS-T數據模型(road spatial network-centered GIS-T data model， RSNCDM)，包括道路空間網絡、道路網基本要素、事件和線性基準等4類實體。基于此數據模型開發相應的Web應用平臺，能夠有效處理各種類型的交通信息。

路網空間信息；交通信息；地理信息系統；以道路空間網絡為中心的GIS-T數據模型

目前，GIS(geographic information system)已經廣泛用于路網路徑規劃、出行信息服務以及交通分配等交通活動。在利用GIS進行交通活動相關的信息分析和處理時，不僅涉及路網空間信息，還包含各種動靜態交通信息。由于交通信息涉及的對象多、來源廣，對路網連通性有很大的影響。利用GIS將交通信息和路網緊密結合起來，對于提升GIS在交通領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據，必須與路網空間信息緊密結合，在GIS中實現空間可視化的表達，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(geographic information system for transportation，GIS-T)數據模型[2]對交通網絡進行建模和表達，實現交通信息和路網空間信息的融合交互，GIS-T數據模型是一種在傳統GIS弧段-結點數據模型基礎之上進一步發展和擴展的數據模型。由于弧段-結點數據模型采用平面強化，在弧段相交的地方必須產生結點，使得其在處理和描述動態的多屬性交通信息時，需要打斷道路的幾何數據，從而產生實際中并不存在的結點，使得數據庫中的結點和弧段的數量增加，造成數據冗余[3]。為了避免弧段-結點數據模型的不足，以線性參照方法(linear referencing method，LRM)和動態分段(dynamic segmentation，DS)技術[4]為基礎的GIS-T數據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)數據模型，模型劃分為事件層(Event)、線性參照方法層(LRM)、網絡拓撲層(Network)、線性基準層(Datum)和制圖表達層(Source)5個等級，實現交通信息和路網的關聯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，利用LRM和DS構建大城市公共交通GIS-T數據模型。文獻[7]設計了一種包含公交車線路網、地鐵線路網和街道線路網的多模式、多尺度GIS-T數據模型。在交通信息中隨時間變化頻繁的動態交通信息占據多數，如交通流量信息、路況信息以及交通管制信息等，現有的數據模型很難全面支持動態交通信息的表達以及有效地應對和處理動態交通信息。因此，必須建立完善的數據模型，對交通信息和路網空間信息進行合理地組織。

1 線性參照系統和動態分段

1.1 線性參照系統

線性參照系統(linear referencing system，LRS)由線性參照方法(LRM)和道路拓撲網絡、線性基準組成。線性參照方法指在路網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生在路網中的事件，路徑則是由一系列有序的帶有方向的弧段構成。路網拓撲是對現實中的道路按弧段-結點形式數字化處理的結果，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點-弧段網絡，且不用平面強化，錨段與錨段相互交叉的地方可以不產生錨點。

線性參照系統可以方便地存儲和維護路網上的各種變化交通信息，同時也是路網中事件位置傳播的有效手段。采用傳統的坐標點描述事件，如果精度不準確就會出現偏離，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

1.2 動態分段

動態分段是為解決結點-弧段模型中屬性必須與結點、弧段一一對應，從而不能處理多重屬性問題的一種技術手段。其利用線性參照系統，在不改變要素位置(坐標)的前提下，通過線性參照系統與道路空間中的某個位置進行關聯，在道路屬性頻繁變化的情況下，不用像結點-弧段模型一樣反復地對弧段進行分割、合并操作，即不用對路網的幾何數據進行修改。動態分段在屬性變化的區段建立對應的屬性表，當道路屬性發生變化時，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據的分段修改來與之對應。因此，動態分段能夠動態地對路網中多重變化的屬性和事件進行描述，在路網幾何數據和屬性數據之間構建起雙向查詢的關聯通道，在靜態路網幾何數據和動態交通信息屬性數據進行融合與表達的過程中，發揮著至關重要的作用。

2 GIS-T數據模型

2.1 數據模型建立

路網中的交通信息來源多樣、種類繁多，必須將這些信息統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和動態分段技術，提出一個以道路空間網絡為中心的GIS-T數據模型(如圖2所示)。數據模型主要劃分為道路空間網絡、道路網基本要素、事件和線性基準等4類實體組。

圖2 RSNCDM數據模型

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

幾何網絡是道路幾何和空間分布特征的表現，主要由邊和結點兩種網絡要素構成，要素具有地理空間位置(地理位置坐標)。邊要素和結點要素主要用來描述道路按結點-弧段的形式進行數字化處理后的空間位置，弧段就是一條邊要素。邊要素和結點要素兩者沒有顯式的關聯關系，但是一般情況下，結點要素應該出現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，即相交處可以不產生結點要素。

拓撲網絡主要用來表示幾何網絡中邊要素和結點要素創建拓撲關系之后的連接關系，由邊和結點兩種元素構成。邊元素和結點元素的拓撲連接關系記錄在連通信息表中，對于道路幾何網絡中的每一個結點要素，連通信息表都給出了與其關聯的邊要素和該邊要素關聯的另一個結點要素。此外，連通信息表中也記錄了邊要素和結點要素的權重，權重通過要素的屬性字段來創建。拓撲網絡總是與一個幾何網絡聯系在一起的，但拓撲網絡是一種隱藏的數據結構，不能對其進行直接修改，主要隨幾何網絡特征的變化而變化。在實際運用中，一般按照一定的規則選取幾何網絡要素建立拓撲關系，如按照道路的等級分別建立不同等級道路的拓撲。因此，一個幾何網絡可以對應多個拓撲網絡。

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成，路徑段則由幾何網絡中的邊要素構成。

(2)道路網基本要素。路網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絡中的幾何網絡數據實現。對這些要素進行制圖表達處理后，以圖層的形式展現，也就是路網電子地圖中的可視對象。

(3)事件。事件主要用來對路網交通信息的變化進行描述。事件可以描述路網上一些屬性、突發事件、偶發現象和物理特征，即描述靜態和動態交通的信息。其中屬性包括道路等級、道路限速、道路路面質量等。突發事件和偶發現象包括交通事故、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和路徑將其轉換為路徑參考點進行表示。

(4)線性基準。錨點和錨段是構成線性基準的基本要素。線性基準是線性參照系統將路網交通信息與路網電子地圖進行連接的基礎和關鍵。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，通過動態分段可以將路徑參考點轉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據和交通信息數據進行組織，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)以道路空間網絡為模型的中心，線性基準的建立和道路網基本要素的空間表達，實質都是來源道路空間網絡中的幾何網絡。當道路特征發生變化時，只需要通過對道路空間網絡中的幾何網絡數據進行修改即可，有利于數據以及線性基準的維護與更新。可以針對不同要求，選擇合適的幾何網絡要素生成符合要求的拓撲網絡。可以對不同拓撲關系的網絡進行獨立分析，滿足不同需求，充分發揮GIS在空間數據處理和分析的能力。

(2)模型依靠線性參照系統，可以對各類路網交通信息在道路空間網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中交通信息的屬性特征和空間分布，確保準確地結合交通信息進行路網分析。

(3)當對路網交通信息進行查詢或分析時，在線性參照系統的基礎之上，對各類交通信息數據進行動態分段處理，降低了數據的冗余，使得對數據的操作分析更加直觀和簡便。

3 RSNCDM的應用

根據本文提出的數據模型在ArcGIS地理信息系統平臺的ArcMap10.2中對數據進行組織，在ArcMap10.2中使用ArcSDE 10.2和Oracle 11g創建空間數據庫和交通信息屬性數據庫。在ArcMap10.2中連接到創建完成的數據庫，對數據進行相關的處理，根據路網空間矢量數據組織創建幾何網絡、線性基準、拓撲網絡以及路徑、線性參照點和事件表，進行制圖表達和發布地圖服務(如圖3所示)。

圖3 ArcMap10.2中對路網空間矢量數據進行處理

基于B/S架構，利用Flex Builder4.6和ArcGIS Server10.2，根據RSNCDM數據模型開發相應的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聯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，事件信息的數據還是存儲在事件表中，避免了幾何數據的冗余。

圖4 事件線性參照定位和動態分段顯示

4 結 語

本文針對已有GIS-T數據模型在處理動態交通信息上的不足，建立以道路空間網絡為中心的GIS-T數據模型。該模型能有效地對路網空間信息和交通信息進行組織，比較方便地進行數據維護。通過該數據模型對相關的數據進行組織，并開發相應的Web應用平臺，提高了對各類動態交通信息數據的處理和分析能力。

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

[2] AGYEMANG E．A cost-effective geographic information systems for transportation (GIS-T) application for traffic congestion analyses in the Developing World[J]． Ghana Journal of Geography，2014，5(1)：51-72．

[3] GOODCHILD M F．GIS and transportation：status and challenges[J]． Geoinformatica，2000，4(2)： 127-139．

[4] BIGHAM J，KANG S．Building a highway linear referencing system from preexisting reference marker measurements for transportation data management[J]．URISA，2013，25(1)：29-36．

[5] SCARPONCINI P．Generalized model for linear referencing in transportation[J]．Geoinformatica，2002，6(1)：35-55．

[6] 羅智豐．大城市公共交通空間數據模型研究[D]．上海：同濟大學，2007：47-54．

[7] CHEN S，TAN J，CLARAMUNT C，et al．Multi-scale and multi-modal GIS-T data model[J]．Journal of Transport Geography，2011，19(1)：147-161．

(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