城市道路GIS時空數據概念模型研究

魯斌，張夢霞

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司）

1 引言

隨著智慧城市建設的興起，構建城市精細化管理系統逐漸成為支撐智慧城市發展的重要部分，其中，城市道路是精細化管理內容中不可或缺的對象之一。作為與居民日常生活直接相關的市政設施，城市道路的規劃、建設和養護等環節均處于持續動態變化中，過程中產生的設施數據規模龐大。目前的城市道路管理模式以現場記錄、人工處理和經驗決策等為主[1]，其科學性、及時性和準確性等指標，均難以滿足智慧城市精細化管理的需求。

地理信息系統（GIS）可構建以城市道路的時間、空間為對象的時空數據模型，實現城市道路的精細化、智慧化管理。但目前的模型仍存在不足，以部分城市道路內容為例，在城市道路的GIS時空數據概念模型中，道路的空間特征一般簡化為單線或雙線要素，交叉口則為簡單點要素，并且簡化后主要用于描述對象之間的交通情況。但在實際城市道路管理中，道路路段中包含車行道、人行道、分隔帶、標識標志和綜合桿等具體附屬設施，這些設施的時空信息和設施本身的屬性，在目前的時空數據概念模型中均難以體現。

基于城市道路精細化管理的提升需求，參考城市道路設計管理規范，對城市道路對象進行細分，轉換為GIS可識別和表達的對象，并且梳理對象之間的時空關系，從而構建時空數據概念模型，以期指導后續城市道路網絡邏輯的模型化、數據儲存與調用，提升基于GIS的城市道路精細化管理水平。

2 國內外研究現狀

在城市市政設施運營、城市交通管理等方面，國內外已有學者對基于GIS的時空數據模型進行了一定的研究：

張忠貴[2]研究了市政公用基礎設施的時空數據模型、增量時空信息表達模型和時空信息集成技術。研究認為，目前市政領域模型存在“偏空間、偏現狀”的問題，構建時空數據模型，可有序組織、整合設施運營時態數據和空間數據，體現設施的歷史與現狀，并從設施要素、工程、維護、運行監測等多個方面進行管理。

唐衛文[3]提出了關于市政道路的空間MRGISDM數據模型。研究認為當前市政道路的人工管理工作效率低下，因此需構建GIS數據模型，采用GIS對市政道路的數據進行組織和儲存。數據模型主要包括概念模型、邏輯模型和物理模型三個方面，經研究，數據模型選擇了Geodatabase數據模式進行儲存，并采用了UML語言對其進行描述。

肖樂斌[4]等綜述了常見GIS模型的主要特點，并對各模型優缺點進行了分析，提出了面向對象的整體數據模型構建要點。研究認為，拓撲關系數據模型強調幾何要素之間的關系，較難表現復雜的地理實體。而面向實體的數據模型缺乏拓撲關系的表達，因此提出構建面向對象的整體數據模型，其要點在于重視對象的幾何關系、拓撲關系和對象間的語義關系，即時間、空間及屬性三個特征。

Q. K. Harpham[5]研究了一種普適性的時空數據集成分類技術。研究認為目前環境建模的輔助技術較多，且部分較為重復，因此提出了一種普適性的結構化理論框架，對時空數據進行了模擬分類，用于描述環境數據的時空結構，支撐實體對象數據在GIS中進行有效的集成。

以上研究均探究了城市設施實體在GIS中進行的模型映射問題，且均認為空間數據、時態數據和屬性等是實體語義的重要組成部分。筆者在現有研究的基礎上，以城市道路為對象，對其時空數據概念模型進行研究。在實際運營管理中，城市道路屬性較為復雜，道路路段及路段上的附屬設施均在政府部門的管理范圍內，因此，首先應在GIS中構建詳細的時空數據概念模型，在數據模型中體現其完整的空間信息、時態信息與特征屬性，進而支撐后續實際管理工作的高效化、智慧化發展。

3 基本定義

城市道路在概念上不僅包含道路本身，其管理的對象也更加廣泛。根據最新的城市道路管理條例[6]，城市道路的定義為城市供車輛、行人通行的，具備一定技術條件的道路、橋梁及其附屬設施。在建設管理主體方面，城市道路建設主體可以為政府、單位、國內外企業、其他組織和個人，而在城市道路的范圍內，根據附屬設施的類別不同，管理部門則進一步細分。例如，附屬設施內的分隔帶、綠島、道路綠化帶等綠化設施，一般由園林綠化管理局負責。井蓋則依據“誰所有，誰負責”的原則，根據管線的種類，由相應的管養單位進行養護管理，如供電公司負責電力電纜專用工井，電信、移動、聯通通信部門分別管理其電信專用井等。

3.1 城市道路時空信息

城市道路的時空信息包括其空間信息與時間信息兩部分：

1）城市道路空間信息數量、種類繁多，需對個體進行識別

城市道路的設施可分為通信、路燈、排水、園林、環境衛生等多個種類，由相應的部門負責管理，部門數量眾多且權屬劃分獨立，因此，需將附屬設施細化為個體來管理其信息。而在空間分布上，個體間關系多元，如附屬設施與道路空間就有包含、平行等多種空間關系。

2）城市道路的時間信息是城市道路高效運營的基礎

在城市道路數字化運營的背景下，城市道路空間信息隨著時間發生改變，運營管理業務具有明顯的時間特征。如隨著城市道路規模的擴張，其空間布局、空間位置和屬性信息均隨時間改變。在城市道路建設到運營的過程中，施工、竣工等工程進度隨著時間變化。城市道路維修、巡檢過程中，事件發生有明確的時間等，均體現了城市道路時間信息的重要性。

3.2 城市道路時空數據概念模型

城市道路的時空數據概念模型是現實時空信息在GIS中的表達。城市道路中的道路、橋梁及其附屬設施等時空信息作為現實世界信息，需要經過理解、研究，再通過抽象、組織，將時空信息映射為GIS可識別處理的數據形式，用以明確城市道路中需要管理的時空實體對象，及對象間的網絡相互關系，以此構建模型，從而為后續邏輯、物理模型的建立提供基礎。

4 時空數據概念模型對象及網絡

4.1 時空對象

城市道路時空對象可抽象為要素與要素類。在GIS表達中，實體對象被抽象為要素，且相同要素構成要素類；非實體對象如時間，則抽象成對象與對象類。城市道路包含道路、路段、橋梁、隧道和道路附屬設施等多種要素，一定規模的某種要素，如多個路段可組成路段類，城市道路時空數據概念模型描述要素、類以及類之間的關系，如泛化、實現、關聯、聚合等關系。

4.1.1 空間對象

城市道路的空間對象包含實體、類型兩個層次，對應要素與要素類。在實體中，根據系統包含的關系，也可將要素分為三個等級，道路為一級要素，往下為二級要素路段，再往下由橋梁、隧道和附屬設施等組成三級要素，其中包含道路綠化帶、占道燈箱、供電箱式變、路名牌、廣告牌、公交站臺和綜合桿等，均為路段內部的實體設施。在類型中，每個實體形成一種類型，如道路類、路段類、橋梁類和隧道類等（見圖1）。

空間對象中應包含各實體的屬性信息。本研究的目的之一是在GIS系統中細分城市道路管理對象，便于市政管理對道路設施數據的記錄與讀取，因此需對每個類型增加其屬性字段。以道路為例，在市政管理中，道路作為面要素，其屬性如下：

1）道路等級

根據規范，城市道路可分為快速路、主干路、次干路和支路四級。

2）道路長度

道路由一定規模的路段組成，道路長度為其包含的路段總長。

3）道路寬度

文章研究的道路包含人行道、道路綠化帶等，因此寬度應為道路兩側地塊紅線間的水平距離。

4）路面材質

車行道與人行道的路面材質不同。車行道材質包括水泥混凝土路面、瀝青路面及其他材料路面；人行道材質包括彩色預制鋪磚路面、現澆混凝土路面、天然石材路面等。

4.1.2 時間對象

圖1 城市道路實體層級

表1 城市道路時間拓撲關系

城市道路的時間對象包含結構、維度、密度和粒度等。在時間結構上，城市道路管理往往經歷施工、竣工、運營、維修和報廢等一系列按時間遞進的事件，宜采用線性結構。城市道路主要考慮現實事件發生的時間，維度上采用有效時間。城市道路養護的特征為某一穩定狀態下發生突發事件，因此可采用離散型時間數據描述其密度。由于城市道路離散型的狀態較為穩定，可采用單位“日”作為其時間粒度，即最小的時間單位。

4.2 時空對象關系

4.2.1 空間關系

根據空間上的所屬關系，城市道路在空間關系上主要有一對一、一對多兩類。一對一表示元素在空間上互不包含，一對多表示一個元素包含多個另一元素。例如，道路由多個路段組成，則道路與路段為一對多關系；一個路段由多條車行道、人行道、隧道和多個附屬設施組成，因此路段與其包含的元素均為一對多關系。而人行道與道路綠化帶則互相分離、平行，為一對一關系。從實體的三個等級來看，一級要素與二級要素、二級要素與三級要素均為一對多關系，三級要素間均為一對一關系。在GIS中，空間關系用于對應其中要素間的拓撲關系，一對多可對應“包含”“點在區域內”的關系，一對一則對應“相鄰”等關系。

4.2.2 時間關系

時間關系表達了實體在時間上的分布。城市道路的時間對象可分為時刻、時段，同時可分為時間方向、時間距離及時間拓撲關系三種類型。時間方向描述事件發生的順序，如城市道路先開工，然后才是竣工、運營等事件。時間距離則描述事件之間的時間間隔，如城市道路從開工到竣工間隔1年。時間拓撲關系則描述時刻、時段之間的關系，時間點代表時刻，時間邊代表時段，其拓撲關系如表1所示。

5 時空數據概念模型構建

以前述內容為基礎，采用UML語言構建城市道路的時空數據概念模型，首先構建空間數據概念模型。城市道路的空間對象較為復雜，模型中包含其空間特征、拓撲關系及屬性信息。其中，道路的幾何特征可抽象為“線要素”，表示道路中心線，具體內容由路段表達。而路段及其中的橋梁、隧道、車行道、人行道、廣場、分隔帶綠島、道路綠化帶及盲道，均需要在管理中體現其寬度、長度等屬性，因此其幾何特征表現均為“面要素”。城市道路上的點狀附屬設施，如占道燈箱、供電箱式變、路名牌、廣告牌、公交站臺和綜合桿等，占地面積較小，且管理中側重于坐標、產權單位等信息，因此可作為“點要素”。多個對象形成對象類，其幾何關系均在模型中表達，如圖2所示。

城市道路的時空數據概念模型由空間與時態數據共同組成。時空模型包括空間數據模型中的全部對象及對象類。以路段為例，路段的時空對象為特定時間內，路段的狀態及操作信息，包括路段的施工、維修等，路段的時空對象類則為多個路段的集合，其余城市道路對象的時空數據概念模型均以此邏輯構建。路段的時空數據概念模型如圖3所示。

圖2 城市道路空間數據概念模型

圖3 路段時空數據概念模型

6 結語

本文研究構建了城市道路的時空數據概念模型，為城市精細化管理提供信息化基礎。城市道路的時空信息數量龐大，不僅包含路段、橋梁、隧道和附屬設施等空間信息，也包括不斷變化的運營過程的時間信息，通過將時空信息抽象成模型，可被GIS系統識別并進行管理。在模型中，城市道路的實體空間對象可分為要素、要素類，同時包含實體需管理的屬性，如等級、長度和寬度等。城市道路中按時間發展的一系列施工、維修等事件，則采用線性、離散的時間對象，并以“日”為單位描述。在時空關系上，城市道路內部對象在空間上有一對一、一對多的關系，在時間上主要描述時間點、時間段之間的拓撲關系。依據以上信息，本文構建了城市道路的時空數據概念模型，為后續邏輯、物理模型的構建提供基礎依據。