城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)可視化研究

李一凡，楊 帆，余正紅

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院，湖北武漢 430083）

0 引言

城市中的交通出行問(wèn)題是目前制約眾多城市發(fā)展的首要問(wèn)題。解決交通問(wèn)題的第一步是解決城市交通管理與調(diào)度問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是對(duì)各種交通信息進(jìn)行合理地管理、調(diào)度及處理?，F(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，可進(jìn)行時(shí)空信息的管理與查詢(xún)。但相關(guān)數(shù)據(jù)信息通常是離散化的片段信息，存在信息孤島與豎井現(xiàn)象，無(wú)法滿足指揮人員對(duì)各行業(yè)環(huán)境中時(shí)空全息信息的快速查詢(xún)需求。因此，首先需要一種全新的能夠描述全息信息的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，其次需要一套時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)交通環(huán)境中的全息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。在此基礎(chǔ)上，還需要一系列全息時(shí)空數(shù)據(jù)的表示、整理、加工與融合方法，以支持交通環(huán)境中對(duì)象實(shí)時(shí)信息、連續(xù)歷史軌跡、對(duì)象態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)信息以及綜合態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)信息的多尺度快速查詢(xún)。

實(shí)際中收集的信息是離散、片段化的，而不同角色需要的信息又是多樣化的，目前亟需對(duì)信息進(jìn)行處理加工，從而為不同角色提供不同層級(jí)、從離散到連續(xù)、從歷史到未來(lái)預(yù)測(cè)的各種信息。因此，本文提出一種全新的多層次交通環(huán)境信息融合數(shù)據(jù)模型。

1 相關(guān)工作

1.1 時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間研究，但現(xiàn)有模型主要研究各種類(lèi)型對(duì)象的離散時(shí)空信息表示，無(wú)法支持對(duì)象的連續(xù)時(shí)空信息表示。目前也暫未在此基礎(chǔ)上形成相應(yīng)的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)與管理［1］。

在時(shí)空數(shù)據(jù)模型的實(shí)際應(yīng)用方面，從2000 年以來(lái)，該模型結(jié)構(gòu)的建立與改進(jìn)更多地是用來(lái)滿足特殊行業(yè)和研究的需要。如David 等［2］提出基于圖論的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，尹章才等［3］和黃照強(qiáng)等［4］又對(duì)該模型進(jìn)行了更深入的擴(kuò)展研究及延伸實(shí)驗(yàn)；Rasinm?ki 等［5-6］針對(duì)自然林分設(shè)計(jì)了一種以嵌套地理實(shí)體類(lèi)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的環(huán)境資源時(shí)空數(shù)據(jù)模型，之后又進(jìn)一步探究并新增了時(shí)空數(shù)據(jù)處理、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢(xún)和林分模擬分析等功能；薛存金等［7］面對(duì)連續(xù)漸變地理實(shí)體，提出面向過(guò)程的時(shí)空數(shù)據(jù)模型；Lyell 等［8］導(dǎo)入時(shí)空坐標(biāo)概念，并提出基于Web 本體語(yǔ)言（OWL Web Ontolo?gy Language，OWL）的時(shí)空數(shù)據(jù)模型；Wang 等［9］提出在時(shí)間段內(nèi)檢索臨時(shí)基態(tài)與修正態(tài)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型；Anh 等［10］提出一個(gè)新的四維時(shí)空數(shù)據(jù)模型（TUDM），該模型旨在簡(jiǎn)化將語(yǔ)義對(duì)象融合到指定應(yīng)用程序的過(guò)程；龔健雅等［11］根據(jù)實(shí)時(shí)GIS 中各種地理要素特點(diǎn)及存儲(chǔ)管理要求，提出一種面向動(dòng)態(tài)地理對(duì)象與動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬的實(shí)時(shí)GIS 時(shí)空數(shù)據(jù)模型；張忠貴等［12］搭建網(wǎng)絡(luò)時(shí)空數(shù)據(jù)模型（NSTDM），并通過(guò)鄔群勇等［13］的時(shí)態(tài)地理燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

此外，章明［14］基于GIS 方法對(duì)綦江縣地質(zhì)災(zāi)害時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，王家耀等［15］提出時(shí)空大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，張艷梅等［16］基于時(shí)空地理信息數(shù)據(jù)分析區(qū)域規(guī)劃實(shí)施效果，分別從時(shí)空分布、時(shí)空機(jī)遇、具體實(shí)施等角度對(duì)如何充分發(fā)揮時(shí)空地理信息大數(shù)據(jù)在區(qū)域規(guī)劃方面的服務(wù)保障作用進(jìn)行了研究。

1.2 本課題研究?jī)?nèi)容

本文將城市中的大量交通環(huán)境信息收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)加工、整理、融合，按照不同角色分發(fā)相應(yīng)內(nèi)容，構(gòu)造交通環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)多層次模型，建立點(diǎn)、線、面、數(shù)據(jù)4 層體系結(jié)構(gòu)，定義點(diǎn)、線、面、數(shù)據(jù)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，提出一套時(shí)空域環(huán)境中的對(duì)象多尺度動(dòng)態(tài)可視化方法，收集交通中不同粒度對(duì)象對(duì)應(yīng)尺度位置、歷史運(yùn)動(dòng)軌跡以及預(yù)測(cè)的運(yùn)行軌跡等，并實(shí)現(xiàn)結(jié)果的可視化展示。

第一步：對(duì)一系列全息時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行收集=>加工=>整合=>融合，以支持對(duì)交通環(huán)境中對(duì)象實(shí)時(shí)信息、連續(xù)歷史軌跡、對(duì)象態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)信息及綜合態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)信息的多尺度快速查詢(xún)。同時(shí)進(jìn)行信息的融合加工，為不同角色（如行人、指揮人員等）提供不同層級(jí)、從離散到連續(xù)、從歷史到未來(lái)預(yù)測(cè)的各種信息。

第二步：細(xì)化發(fā)布內(nèi)容，以此構(gòu)建交通環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)多層次模型。

第三步：借助現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)PC 端ArcMap10.2 及移動(dòng)端Baidu-Apache ECharts，對(duì)多層次模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化展示。

1.3 本文創(chuàng)新點(diǎn)

（1）以往針對(duì)城市交通數(shù)據(jù)一般只是進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而單純的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)法將當(dāng)時(shí)的交通狀況很好地展示出來(lái)，因此很難直觀獲取所需信息，而可視化的城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)可提供更加直觀、清晰的圖像數(shù)據(jù)信息。

（2）目前廣泛使用的各種APP 往往缺乏數(shù)據(jù)清洗這一步。在完成地理數(shù)據(jù)信息采集后即直接利用數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖，通常會(huì)造成一些誤差。若數(shù)據(jù)的真實(shí)性、時(shí)效性、準(zhǔn)確性不能得到保障，用戶(hù)獲得的地理信息很可能是滯后的，從而為數(shù)據(jù)將來(lái)的應(yīng)用埋下一定隱患。因此，完成前期數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)清洗是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

（3）本文使用華為云服務(wù)器代替公共的云服務(wù)，以此保障系統(tǒng)的安全性。此外，借助北斗的時(shí)空網(wǎng)格編目對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，并進(jìn)行自助式的時(shí)空建模，形成交通時(shí)空可視化數(shù)據(jù)模型，以初步構(gòu)建獨(dú)立于六大時(shí)空模型以外的獨(dú)屬于中國(guó)的數(shù)據(jù)模型——交通信息融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織模型，如圖1 所示。

Fig.1 Data organization model of traffic information fusion System圖1 交通信息融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織模型

2 理論基礎(chǔ)

城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)可視化研究以已有的6 種時(shí)空數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，借助多渠道、多層次、多方位的大批量交通數(shù)據(jù)采集工作，首先清洗數(shù)據(jù)，篩選出所需的交通數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)整合工作，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，為實(shí)現(xiàn)城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)可視化研究作前期的理論鋪墊。

2.1 時(shí)空數(shù)據(jù)模型

通過(guò)空間數(shù)據(jù)與衍生的數(shù)據(jù)源信息，借助與空間地理坐標(biāo)沒(méi)有具體派生關(guān)系的屬性信息及時(shí)變信息，構(gòu)成時(shí)空數(shù)據(jù)模型。目前比較具有影響力的時(shí)空數(shù)據(jù)模型主要有以下6 種：時(shí)空復(fù)合模型、連續(xù)快照模型、基態(tài)修正模型、時(shí)空立方體模型、時(shí)空對(duì)象模型、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型。此外，還有第一范式、非第一范式、基于事件與歷史圖的模型等時(shí)空數(shù)據(jù)模型，這些模型能夠在時(shí)空可視化方面提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.2 數(shù)據(jù)采集

為了實(shí)現(xiàn)城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化，相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集是必不可少的一環(huán)。數(shù)據(jù)采集分為線上與線下采集兩種方式，不同方式獲取的數(shù)據(jù)有很大差異。雖然有時(shí)線上信息可能會(huì)很詳細(xì)，但線上數(shù)據(jù)的真實(shí)性往往得不到保障。有時(shí)即使數(shù)據(jù)是真實(shí)的，但部分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)效性較差，如地理數(shù)據(jù)等，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行更新處理。因此，數(shù)據(jù)的不定期、不定點(diǎn)采集是十分必要的。

此外，數(shù)據(jù)采集不能僅采集當(dāng)下的交通數(shù)據(jù)信息，還需要拉長(zhǎng)時(shí)間線，從時(shí)空角度進(jìn)行分析與采集，才能滿足對(duì)多元化數(shù)據(jù)的采集需求。

2.3 數(shù)據(jù)清洗

完成數(shù)據(jù)采集后，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。數(shù)據(jù)清洗是指通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行審查、校驗(yàn)，刪除重復(fù)數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)與殘缺數(shù)據(jù)等，并糾正存在的問(wèn)題，以保障數(shù)據(jù)的一致性。首先分析數(shù)據(jù)、定義錯(cuò)誤類(lèi)型，并定義清洗轉(zhuǎn)換規(guī)則，然后搜索、識(shí)別錯(cuò)誤記錄，最后修正相關(guān)具體錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)清洗完畢后，將干凈數(shù)據(jù)回流，用于替換原有數(shù)據(jù)，以提高原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，還可避免將來(lái)再次抽取數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)的清洗工作。有時(shí)需要將線上線下操作相結(jié)合，在線下分析、線上處理，這樣進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗效率最高。

3 道路信息收集

道路信息收集需要保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性與時(shí)效性，才能將數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際。因此，在信息收集方面，首先需要分析武漢市交通現(xiàn)狀，然后根據(jù)現(xiàn)有資料及后期收集的數(shù)據(jù)信息作進(jìn)一步分析處理，最后通過(guò)多渠道驗(yàn)證獲得的資料、數(shù)據(jù)和信息，如：實(shí)地考察、申請(qǐng)查閱政府公開(kāi)發(fā)布的地理信息等，對(duì)道路信息收集質(zhì)量進(jìn)行判斷。

3.1 武漢市交通現(xiàn)狀

當(dāng)前疫情期間的交通數(shù)據(jù)暫不納入研究對(duì)象，對(duì)近10年網(wǎng)上公開(kāi)的交通數(shù)據(jù)（如公交、地鐵、私家車(chē)等樣本數(shù)據(jù)）進(jìn)行抽樣調(diào)查，并對(duì)前期實(shí)地考察的結(jié)果進(jìn)行分析。

截至2019 年年底，武漢市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已超過(guò)330萬(wàn)輛。10 年來(lái)，機(jī)動(dòng)車(chē)增幅相比常住人口增幅達(dá)到了懸殊的15 倍，機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量較10 年前已翻了兩三倍，而公路里程的年增長(zhǎng)率從2010 年的16.6% 下降到2019 年的8.1%。車(chē)輛的激增導(dǎo)致了道路擁堵，而公路里程增長(zhǎng)放緩也加劇了道路擁堵情況。

近年來(lái)，道路擁堵問(wèn)題進(jìn)一步加重。三因素形成的四大矛盾凸顯出來(lái)：即人、車(chē)、路三因素下，人與車(chē)之間的矛盾、人與路之間的矛盾、人與人之間的矛盾，以及車(chē)與路之間的矛盾。自2018 年起，武漢開(kāi)始推行潮汐車(chē)道，以緩解交通壓力。2019 年新增多條線路與隧道，同時(shí)動(dòng)工的青山長(zhǎng)江大橋、雙柳長(zhǎng)江大橋打通了交通阻塞點(diǎn)，而漢江大道也進(jìn)一步將漢陽(yáng)至天河機(jī)場(chǎng)的交通路線全線貫通，從而有效緩解了武漢市的交通壓力，更好地滿足了市民出行需求。

3.2 道路信息收集渠道

為了采集到更全面的道路交通信息，采用多渠道、多方位的信息采集方式。由于信息存在實(shí)時(shí)性與滯后性問(wèn)題，所以在城市線路信息搜集方面，需要不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。但由于地理信息數(shù)據(jù)與國(guó)家安全密切相關(guān)，必須獲得政府同意后才能進(jìn)行。保障國(guó)家地理信息的安全性始終要放在第一位，以防信息泄露。

3.2.1 市政府發(fā)布的道路交通線路

借助市政府發(fā)布的道路交通線路，不用擔(dān)心其準(zhǔn)確性與安全性，雖然相關(guān)信息可能有所滯后，但依然大大減小了信息采集工作量。直接利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息，將其作為實(shí)地道路考察的補(bǔ)充材料，并對(duì)照實(shí)地考察情況進(jìn)行核對(duì)校驗(yàn)，對(duì)與現(xiàn)實(shí)有出入的部分進(jìn)行補(bǔ)充更新，同時(shí)也可將以往的道路信息材料作為參考進(jìn)行對(duì)照。

當(dāng)前武漢的“8+1”城市圈以武漢為核心，與周邊黃石等8 個(gè)城市共同構(gòu)建完備的城市圈交通運(yùn)輸體系，這將推進(jìn)城市的交通一體化，極大地緩解交通壓力。在2019 年初發(fā)布的武漢市城市總體規(guī)劃圖中，主城配合新城，加上三副城與三組團(tuán)的布局，以“核，極，園，圈”4 個(gè)層次展開(kāi)的新格局，將進(jìn)一步推動(dòng)武漢道路交通的發(fā)展。利用市政府發(fā)布的道路交通線路，可借助中觀動(dòng)態(tài)交通仿真獲取模擬交通數(shù)據(jù)，通過(guò)比對(duì)，同時(shí)結(jié)合實(shí)地考察結(jié)果，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、校驗(yàn)，得出線路實(shí)時(shí)狀況、當(dāng)前潛在風(fēng)險(xiǎn)與調(diào)整措施。

3.2.2 國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)上的道路交通線路

借助國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)上的道路交通線路，可解決目前的信息孤島和數(shù)字鴻溝問(wèn)題?？赏ㄟ^(guò)省級(jí)和地級(jí)市地理信息服務(wù)機(jī)構(gòu)獲取信息基地中的地理數(shù)據(jù)信息，并利用在數(shù)字城市中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)一步構(gòu)建實(shí)時(shí)地理模型，最終完成可視化目標(biāo)。但只有遵守地理實(shí)體數(shù)據(jù)規(guī)范、地名地址數(shù)據(jù)規(guī)范等具體規(guī)范要求，才能獲取相關(guān)服務(wù)。

目前該平臺(tái)已為全國(guó)提供了1∶5 萬(wàn)的矢量電子地圖、精確到200m 的影像電子地圖以及1∶100 萬(wàn)的全球高程數(shù)據(jù)等，可提供GIS 等各類(lèi)符合規(guī)范的服務(wù)應(yīng)用，同時(shí)能通過(guò)申請(qǐng)獲取精度更高的矢量地圖，以滿足人們的實(shí)際需求。此外，使用國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)，也可將自己實(shí)地考察的道路信息進(jìn)行共享，以滿足相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新需求。

4 道路交通可視化研究

4.1 城市道路信息整合方法

目前主要采用兩種方式進(jìn)行城市道路信息整合：

（1）采用美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所ESRI 開(kāi)發(fā)的GIS 系統(tǒng)，借助ArcMap 搜索、展示、解析數(shù)據(jù)，形成圖表，并能以數(shù)據(jù)視圖和編輯視圖兩種不同方式展現(xiàn)。

（2）采用云技術(shù)，借助智能大數(shù)據(jù)的服務(wù)支持，完成城市道路信息的數(shù)據(jù)前期采集與融合處理。同時(shí)可借助智能云計(jì)算強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的即時(shí)更新與整合。以北斗衛(wèi)星多種時(shí)空網(wǎng)格編目的方式進(jìn)行整合處理，不僅能獲取詳實(shí)的地理數(shù)據(jù)信息，還可確保其安全性。

4.1.1 傳統(tǒng)ArcMap

在傳統(tǒng)的ArcMap 中，可從國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)獲取相關(guān)底圖數(shù)據(jù)的.shape 文件及相關(guān)參數(shù)信息的.dbf文件，也可自己手動(dòng)創(chuàng)建文件。

首先需要在ArcGIS Online 中添加相關(guān)數(shù)據(jù)，然后在layers 中新建底圖圖層，接下來(lái)進(jìn)行識(shí)別，在對(duì)話框中顯示相關(guān)屬性值，對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行修改，也可直接在地圖上選定區(qū)域，通過(guò)滾輪進(jìn)行縮放。之后在查找中輸入China，進(jìn)入中國(guó)的可見(jiàn)圖層，通過(guò)平移、識(shí)別、選擇，將其新建至圖層組。由于.shape 文件是從平臺(tái)上下載的數(shù)據(jù)文件，只有大概輪廓，因此具體道路需要自行鋪設(shè)。目前提供的底圖只有武漢市的區(qū)縣輪廓圖及主要江河支流，因此需要使用ArcMap 符號(hào)選擇器，如圖2 所示。

Fig.2 ArcMap symbol selector圖2 ArcMap 符號(hào)選擇器

在ESRI 中，選擇公路及公路匝道進(jìn)行主干道鋪設(shè)，之后打開(kāi)圖層屬性，輸入歷年人口密度情況，完成對(duì)人口稠密程度的設(shè)置，并補(bǔ)充數(shù)據(jù)表中相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)所選要素創(chuàng)建圖層。

在編輯器工具欄上點(diǎn)擊創(chuàng)建要素工具，如圖3 所示，選擇計(jì)劃路線Planned Road，雙擊端點(diǎn)創(chuàng)建道路要素，也可添加相應(yīng)的圖例信息、比例尺等規(guī)范地圖，通過(guò)插入Scale Bar 以插入相應(yīng)比例尺。在數(shù)據(jù)框選項(xiàng)中，可更換名稱(chēng)為Wuhan，設(shè)置經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)113°41′～115°05′、北緯29°58′～31°22′。由于武漢市的經(jīng)緯度是一個(gè)區(qū)間，所以選取中心值為確定值，即中心經(jīng)度、中心緯度分別取中心值114°和30°代入。進(jìn)入XY 工具，可在參考比例中選取合適比例，如：1∶1 000 000，展示地圖并將其連接至Excel 表。右鍵點(diǎn)擊Wuhan，指向連接和關(guān)聯(lián)，在連接數(shù)據(jù)窗口中選擇首項(xiàng)設(shè)置。這里選擇Wuhan_state 作為連接所依據(jù)的字段，完成設(shè)置。在瀏覽按鈕中添加地圖至文件夾，雙擊Wu?han Data.xlsx，之后雙擊Sheet1$（第一個(gè)表單）作為要連接的表。

Fig.3 ArcMap edit route characteristics圖3 ArcMap 編輯路線特征

最后確認(rèn)state，點(diǎn)擊連接數(shù)據(jù)窗口底部的驗(yàn)證連接，查看是否通過(guò)驗(yàn)證。驗(yàn)證后關(guān)閉該窗口，單擊確定以連接表。接下來(lái)，打開(kāi)Wuhan_state 的屬性表，在表中添加相關(guān)字段state 等后保存，選擇該表指向數(shù)據(jù)即可，至此初步完成了ArcMap 中城市道路信息的整合。之后創(chuàng)建一個(gè)Web系統(tǒng)，即可在頁(yè)面中實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)，但這里考慮到國(guó)家道路信息數(shù)據(jù)可作為國(guó)家安全方面的數(shù)據(jù)信息，因此不采取共享形式。

4.1.2 云平臺(tái)

云平臺(tái)的管理與使用無(wú)疑會(huì)比傳統(tǒng)的ArcMap 便捷許多，雖然在安全性上遜于之前的斷網(wǎng)保護(hù)，但優(yōu)勢(shì)也很明顯，可借助云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的在線使用，同時(shí)降低了使用起步標(biāo)準(zhǔn)。目前最佳選擇是華為云，其采用“云—管—端”的戰(zhàn)略方針以及分層與縱深防御理念，聚焦I 層、使能P 層、聚合S 層，致力于提供安全、中立、可靠的IT 基礎(chǔ)設(shè)施云服務(wù)，但也存在偶爾不穩(wěn)定的問(wèn)題。

首先，需要購(gòu)買(mǎi)華為云主機(jī)，完成相應(yīng)配置后，以root權(quán)限登錄，進(jìn)入彈性云服務(wù)器；然后，對(duì)CentOS-Base.repo文件進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝與存儲(chǔ)，利用curl 命令將對(duì)應(yīng)版本的CentOS-Base.repo 文件存入目錄/etc/yum.repos.d/中，借由執(zhí)行yum makecache 命令產(chǎn)生相應(yīng)緩存；進(jìn)入鯤鵬架構(gòu)圖形化界面，執(zhí)行# apt-get update 對(duì)軟件庫(kù)進(jìn)行更新；執(zhí)行語(yǔ)句# apt-get install ubuntu-desktop，安裝Ubuntu 圖形化桌面。

云服務(wù)器重啟后，遠(yuǎn)程桌面可以正常連接，然而遠(yuǎn)程連接依然只能使用guest 帳號(hào)，而不能選擇其他用戶(hù)。guest 用戶(hù)可以免密登錄，如果其他用戶(hù)需要登錄，則需修改root 用戶(hù)權(quán)限。執(zhí)行#vi/usr/share/lightdm/lightdm.conf.d/50-ubuntu.conf，修改50-ubuntu.conf 配置文件，將其修改為［Seat：*］user-session=ubuntu greeter-show-manual-login=true allow-guest=false，執(zhí)行#～/.profile：executed by Bournecompatible login shells.if［“$BASH”］；then if［-f～/.bashrc］；then.～/.bashrcfifitty-s&&mesgn||true，編輯root/.profile 文件。重新啟動(dòng)后，即可通過(guò)root 賬號(hào)登錄。最后將ArcMap、ECharts 及.shp 文件部署至云，從而通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)道路信息的查詢(xún)與更新。由于部署在云平臺(tái)上，有利于擴(kuò)大受眾影響范圍，但也存在針對(duì)網(wǎng)絡(luò)襲擊的安全防護(hù)等問(wèn)題。

4.2 可視化原理

針對(duì)交通環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化，首先采用5W1H 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與歸納。首先Why，為什么要對(duì)交通環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行收集；Who，數(shù)據(jù)是由誰(shuí)產(chǎn)生的；Where，數(shù)據(jù)來(lái)源于哪里；When，數(shù)據(jù)是在什么時(shí)間段采集的；What，數(shù)據(jù)是由什么產(chǎn)生的；How，通過(guò)什么途徑采集數(shù)據(jù)。

之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、去噪等處理方式明確數(shù)據(jù)指標(biāo)，確定數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系有7 種類(lèi)型：地理型、關(guān)聯(lián)型、區(qū)間型、分布型、趨勢(shì)型、對(duì)比型和比例型?？紤]到本文主要進(jìn)行的是交通環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化，因此研究側(cè)重點(diǎn)為地理型。

借助于地圖上的位置信息數(shù)據(jù)，以此顯示差異化的地理分布區(qū)域狀態(tài)，根據(jù)具體的空間維度差異，可分別通過(guò)二維地圖與三維立體地圖兩方面進(jìn)行考慮?？梢暬€需要在最短時(shí)間內(nèi)使用戶(hù)直接、有效地獲得最核心的數(shù)據(jù)信息。

經(jīng)過(guò)可視化的布局設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的圖形化展現(xiàn)，以聚集、平衡、簡(jiǎn)潔三大原則完成總體布局設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)圖形化呈現(xiàn)方面，還需要考慮到兩個(gè)層面的問(wèn)題：一是數(shù)據(jù)層面，如果在數(shù)據(jù)中存在極端值或較多分類(lèi)項(xiàng)時(shí)，將在一定程度上影響可視化效果；二是非數(shù)據(jù)層面，在圖表及二維與三維地圖中，對(duì)于輔助性的次要元素，應(yīng)進(jìn)行處理后再部分顯示出來(lái)，以避免對(duì)用戶(hù)視覺(jué)造成干擾。

由于數(shù)據(jù)的可視化往往顯示的是一個(gè)二維空間，為了達(dá)到實(shí)際交通的三維可視化效果，還需要通過(guò)具體的圖形繪制對(duì)其不斷進(jìn)行補(bǔ)充與更新。除數(shù)據(jù)信息采樣、數(shù)據(jù)屬性變換、對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的可視化與映射外，數(shù)據(jù)可視化處理與其它數(shù)據(jù)分析處理方法的最大差異在于與用戶(hù)的實(shí)際互動(dòng)。某一時(shí)段、某一空間的數(shù)據(jù)是恒定的，然而用戶(hù)從可視化中獲得的體驗(yàn)是存在差異的，并且不同用戶(hù)在其中獲得的信息往往也有一些不同之處，因此還需要將數(shù)據(jù)的線性與非線性聯(lián)系借助圖形圖像表達(dá)出來(lái)?？梢暬缑嬖趨f(xié)助用戶(hù)進(jìn)行分析時(shí)，可以一目了然地看到具體參數(shù)或算法的變更，從而提高模型的實(shí)時(shí)評(píng)估效率。

4.3 城市道路信息可視化實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述方法對(duì)城市道路信息進(jìn)行梳理與整合，為可視化模擬提供有力的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)通過(guò)實(shí)地考察以及多方位、多渠道的數(shù)據(jù)收集，借助ArcMap 與ECharts 實(shí)現(xiàn)道路信息的可視化模擬。

本文使用ArcMap 完成城市道路信息的可視化模擬，通過(guò)在不同圖層建立初步地理信息，然后將道路交通線路分別以相同比例尺進(jìn)行布設(shè)，通過(guò)不同顏色線條建立城市交通的主干道、支道等交通要道。同時(shí)，在進(jìn)行二維交通線路地圖模擬時(shí)，還需要考慮現(xiàn)實(shí)中稠密的三維交通要道，如立交等。由于在二維平面中會(huì)發(fā)生重疊錯(cuò)位的情況，因此在進(jìn)行可視化模擬時(shí)，需要將二維平面當(dāng)作三維空間進(jìn)行道路交通線路的鋪設(shè)，一次鋪設(shè)一條完整的線路，才不易造成混淆或發(fā)生錯(cuò)誤。此外，ArcMap 中也支持建立城市3D 模型，在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)的道路交通線路即是三維的，但建模需要的時(shí)間也以幾何倍數(shù)增加。

完成ArcMap 建模后，在ECharts 中構(gòu)建立體交通線路，但在ECharts 中不用像ArcMap 中一樣需要手動(dòng)建模，可以直接通過(guò)代碼進(jìn)行構(gòu)建。此外，除北斗、市政府以及國(guó)家地理信息資源網(wǎng)上的地圖數(shù)據(jù)外，還可借助目前開(kāi)源的API 接口擴(kuò)充地圖資源數(shù)據(jù)，從而獲取多樣化的數(shù)據(jù)支持。

4.3.1 ArcMap 可視化

傳統(tǒng)ArcMap 可視化是借助ArcGIS 進(jìn)行制圖，然后通過(guò)Web 系統(tǒng)將ArcMap 中的地圖線路進(jìn)行可視化展現(xiàn)，也可使用GIS 旗下的ArcGIS 將地圖線路的空間構(gòu)圖展現(xiàn)出來(lái)。最后將完成的制圖聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行展示，從而實(shí)時(shí)更新道路交通線路。

此外，ArcMap 作為一款專(zhuān)業(yè)制圖軟件，相比其它軟件具有很多優(yōu)勢(shì)，比如精準(zhǔn)的制圖細(xì)節(jié)，以及對(duì)地圖線路的準(zhǔn)確顯示等。人們不僅可以直接使用其制作地圖，而且可借助ArcGIS 聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，將地圖信息上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，以提升地圖的實(shí)時(shí)性。另一方面，ArcMap 的制圖具有極其詳實(shí)的數(shù)據(jù)信息，可結(jié)合數(shù)據(jù)表選擇錨點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充。Ar?cMap 的可視化可將道路交通線路展現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)將具體路況信息存入相關(guān)數(shù)據(jù)表中，成為道路數(shù)據(jù)的一部分，從而極大地豐富了相關(guān)數(shù)據(jù)，并為后期的道路情況預(yù)測(cè)提供有力支持。當(dāng)然該軟件也存在不足之處，如體積較大，且不便使用。

獲取武漢市行政邊界點(diǎn)數(shù)據(jù)相關(guān)代碼如下：

具體操作步驟如下：

步驟一：創(chuàng)建武漢市行政邊界的線要素，添加線字段及排序字段。線字段表示該點(diǎn)屬于哪條線，排序字段表示點(diǎn)在線中的位置。接下來(lái)創(chuàng)建武漢市的行政邊界線，只需將點(diǎn)按順序連接形成閉合線即可。

在實(shí)際操作中，先添加線字段及排序字段，重新建立點(diǎn)圖層。打開(kāi)ArcTollbox，在“數(shù)據(jù)管理工具”—“要素”—“點(diǎn)集轉(zhuǎn)線”中，選擇輸入要素為本文的點(diǎn)要素文件。設(shè)置好線字段和排序字段，點(diǎn)擊“閉合線”，確定即得到閉合線的.shp 文件（見(jiàn)圖4）。

Fig.4 Transformation of point set into lines圖4 點(diǎn)集轉(zhuǎn)線

步驟二：創(chuàng)建武漢市行政邊界的面要素。直接在上述線的基礎(chǔ)上生成面，打開(kāi)ArcTollbox，在“數(shù)據(jù)管理工具”—“要素”—“要素轉(zhuǎn)面”中，選擇輸入要素為線圖層。設(shè)置好XY 容差，即可得到行政區(qū)的面.shp 文件（見(jiàn)圖5）。

Fig.5 Transformation of elements into surfaces圖5 要素轉(zhuǎn)面

步驟三：創(chuàng)建武漢市中心交通時(shí)空圈。在“數(shù)據(jù)管理工具”—“要素類(lèi)”—“創(chuàng)建漁網(wǎng)”中，模板范圍選擇面圖層，設(shè)置行數(shù)和列數(shù)，幾何類(lèi)型選擇“POLYGON”，創(chuàng)建完成漁網(wǎng)（見(jiàn)圖6）。

Fig.6 Fishing net creation圖6 漁網(wǎng)創(chuàng)建

步驟四：執(zhí)行圖層取交集命令。在“分析工具”—“提取分析”—“裁剪”中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，選擇輸入要素為需要裁剪的要素，裁剪要素為裁剪的模板，裁剪完成（見(jiàn)圖7）。

Fig.7 Cropping elements圖7 裁剪

步驟五：在“打開(kāi)屬性表”—“連接和關(guān)聯(lián)”—“連接”中，點(diǎn)擊相應(yīng)的xlsx 文件，為每個(gè)網(wǎng)格附上相應(yīng)屬性值（人口密度與市中心距離等），然后點(diǎn)擊圖層“屬性”—“符號(hào)系統(tǒng)”—“數(shù)量”—“分級(jí)色彩”，設(shè)置好“值”和“類(lèi)”，即得到時(shí)空分布圖。

線路示意圖如圖8 所示。

Fig.8 Route diagram圖8 線路示意圖

根據(jù)高峰時(shí)段和平峰時(shí)段的交通時(shí)空圈，使用武漢500*500 格網(wǎng)數(shù)據(jù)中心經(jīng)緯度獲取各地到達(dá)市中心所需時(shí)間。源碼如下：

4.3.2 Baidu ECharts 可視化

相較于上述傳統(tǒng)的ArcMap，作為開(kāi)源項(xiàng)目的ECharts具有更大的發(fā)展?jié)摿?。與北斗進(jìn)行合作的ECharts 將擁有不遜色于ArcMap 的地理精度，此外，其可視化界面十分適應(yīng)移動(dòng)端。相較于ArcMap 龐大的體積，ECharts 甚至不需要下載任何軟件，獲取數(shù)據(jù)也更加便捷。對(duì)于開(kāi)發(fā)者而言，開(kāi)源意味著自由、創(chuàng)新，因此ECharts 的應(yīng)用前景更加廣闊。ECharts 的可視化能力目前取決于目標(biāo)代碼的詳細(xì)精度。

4.3.3 分布式交通環(huán)境時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

通過(guò)以上兩種方式實(shí)現(xiàn)的可視化，可支持分布式交通環(huán)境時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)構(gòu)建。系統(tǒng)統(tǒng)一融合地面、空中和地下范圍內(nèi)不同類(lèi)型和粒度的交通環(huán)境信息，支持全市范圍內(nèi)多尺度交通環(huán)境信息的一體化組織、存儲(chǔ)與管理，支持時(shí)間維，同時(shí)具備多中心交通環(huán)境數(shù)據(jù)同步更新能力。系統(tǒng)體系架構(gòu)包括時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)器、時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、時(shí)空信息運(yùn)行與維護(hù)系統(tǒng)以及時(shí)空信息智能處理系統(tǒng)，如圖9 所示。

Fig.9 Architecture of traffic information fusion system圖9 交通信息融合系統(tǒng)體系架構(gòu)

（1）時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)器。時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)器是一個(gè)用于4類(lèi)交通環(huán)境時(shí)空信息一體化組織、存儲(chǔ)與管理的分布式、多中心、異構(gòu)的數(shù)據(jù)服務(wù)器，其具有全局外模式、全局概念模式、分片模式、分布模式等多種模式。

（2）時(shí)空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。具備數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)組織與管理、數(shù)據(jù)庫(kù)定義與創(chuàng)建等功能。

（3）時(shí)空信息運(yùn)行與維護(hù)系統(tǒng)。具備數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行控制與管理、數(shù)據(jù)庫(kù)建立與維護(hù)等功能。

（4）時(shí)空信息智能處理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要面向軍事領(lǐng)域，其中應(yīng)用了多層次、多尺度、多粒度數(shù)據(jù)的分發(fā)技術(shù)及智能算法，以及時(shí)空數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、干預(yù)、推演智能算法。

4.3.4 原型系統(tǒng)

交通環(huán)境時(shí)空信息融合框架與數(shù)據(jù)模型如圖10 所示，主要包含基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬化服務(wù)層、服務(wù)平臺(tái)層與交通應(yīng)用層。

5 結(jié)語(yǔ)

城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)可視化研究是基于ArcMap 與ECharts 的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行的。當(dāng)前武漢的道路交通線路可通過(guò)ArcMap 進(jìn)行建模，也可通過(guò)ECharts 直接獲取模型數(shù)據(jù)，而跳過(guò)建模這一步，但相對(duì)而言該方式獲取到的數(shù)據(jù)不夠精確。一個(gè)作為PC 端的軟件，一個(gè)作為移動(dòng)端的應(yīng)用，二者從不同角度實(shí)現(xiàn)了武漢城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化。通過(guò)前期對(duì)大量數(shù)據(jù)的采集、梳理，之后利用兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗與整合，最后進(jìn)行兩種途徑的可視化模擬，成功構(gòu)建了武漢城市內(nèi)交通模型。錄入往年數(shù)據(jù)之后，可大致評(píng)估得出今年可能達(dá)到的峰值數(shù)據(jù)，從而對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的交通情況進(jìn)行預(yù)判。

Fig.10 Traffic information fusion prototype system圖10 交通信息融合原型系統(tǒng)

通過(guò)城市交通時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化研究，將武漢近10年來(lái)的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、整合，得到最接近目前交通情況的數(shù)據(jù)（新冠肺炎疫情發(fā)生之前的數(shù)據(jù)）。發(fā)現(xiàn)歷年來(lái)每個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)出入不大，僅在有限范圍內(nèi)變動(dòng)，說(shuō)明城市交通數(shù)據(jù)在時(shí)空上具有穩(wěn)定性，不會(huì)因個(gè)體的突然變化而發(fā)生改變。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)城市交通具有時(shí)空重復(fù)性，會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)行周期性往復(fù)。從空間上看，城市交通具有輻射性，從市中心輻射至郊區(qū)，密度也逐步降低；從時(shí)間上看，早晚兩個(gè)高峰時(shí)段的交通最為繁忙，中間時(shí)段則趨于平緩，也從側(cè)面反映了武漢人真實(shí)的生活情況。

在研究中遇到的最大難題是地理數(shù)據(jù)信息的獲取，因?yàn)橐ＷC獲取的地理數(shù)據(jù)是真實(shí)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的，但無(wú)論是實(shí)地考察，還是市政府發(fā)布的信息都不完整。國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)上雖然有較為完整、詳實(shí)的數(shù)據(jù)信息，但是匿名只能獲取到比例尺為1∶100km 的地圖，實(shí)名后雖然能夠獲取到1∶100m 的地圖，數(shù)據(jù)信息卻往往存在缺失。因此，該研究需要進(jìn)一步獲得企業(yè)或政府支持，才能更好地獲取相關(guān)平臺(tái)的數(shù)據(jù)支持，從而真正提高可視化精度。