动态分段技术在城市交通地理信息系统中的应用研究.pdf

第6期 2 0 1 4年 1 2月 矿 山 测 量 MI NE S URVEYI NG NO 6 De C 2 01 4 d o i：1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 013 5 8 X 2 0 1 4 0 6 0 6 动态分段技术在城 市交通地理信息 系统 中的应用研 究 牟春鹏 ，王德喜 ( 吉林 省地 理信 息 院 ，吉林 ，长春1 3 0 0 0 0 ) 摘 要 ：针对 动 态分段技 术在 城 市 交通 地理 信 息 系统 的 应 用存 在局 限性 的 问题 ，文 中在 分 析城 市 交 通信息特征的基础上 ，提 出了基 于城市道路 的孤段 一结点线性参考 系统；建立了基于孤段 一结点 模型扩展 的动态分段数据模型；研 究了基于该模型的动态分段 算法；并 以长春 市的局部路网为例 验 证 了其正 确性 和可行 性 。 关键词 ：动态分段 ；线性参考 系统；地理信息系统 中图分 类号 ： P 2 0 8 文 献标 识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 1 3 5 8 X( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 2 20 5 在传统 的地理信息 系统 中， 道路等线状特征是 以弧段为基本单位进行存储和管理 的， 在建立弧段 空间数据库的同时， 建立了描述这些弧段非空 间信 息的属性数据库， 弧段及其属性数据是一一对应的。 但由于道路交通信息具有 海量、 多属性、 时变等特 征 ， 传统 的弧段 一节点数据模型难以有效处理这类 交通信息的表达与分析 问题 ， 因此 出现 了动态分段 技术 。 动态分 段技 术在 不改 变空 间 几何 要 素 数量 与 构 成的前提下， 允许用户将多种属性信息与线性 地物 相联系。属性信息独立于空间数据 ， 在对其进 行分 析时 ， 不需要 按属性信息 的不 同类别对道路进 行实 际分段 ， 可根据需要对各种属性信息进行动态 分段 表达 ， 大大减少了数 据冗余 。动 态分段技术首 先是 针对公路的特点提出的 ， 以公路名称和里程作 为动 态 分段 的线 性 参 考 方 法 ， 已成 功 应 用 于 公路 交 通 地 理 信息 系统 中 。 由于城 市道路 具有 较 多的交 叉 口而无 明显 的 里 程标志 ， 与公路存在着诸多的不 同， 动态分段技术难 以直接应用于城市交通地理信息系统 中。本文在分 析城市交通信地理信息特征 的基础上 ， 提出了基 于 城市道路 的弧段 一结点线性参考系统， 建立了新的 动态分段数据模型， 并 以长春市的局部路 网为例验 证了其正确性和可行性。 1 城市 交通信 息 的特点 与公路系统相 比， 城市道路具有更复杂 的交通 环境 ， 主要表现为 ： ( 1 ) 城市道路系统的路段短、 交叉 口多 ， 且 没有 明显 的里程 标 志 ， 通 常 采 用相 对 交 叉 口 22 的距离或者用特定建筑物作为定位的参考 ， 如用 “ 距 离路 口5 0 in ” 或者“ 大楼前” 来表示交通事故的 位置等 ； ( 2 ) 城市道路 的交通信息量大 ， 而且更具多 样性和动态性 ， 如路 网内各路段 和交叉 口的交通拥 挤状况 、 交通事件及其影响等 。 从以上分析可 以看出 ， 城市交通信息具有动态 性 、 多属性、 海量性等特点 ， 这些信息可视化表达 的 效果取决于所采用的数据结构。传统的地理信息 系 统 采用 弧段 一结点 模型 ， 以交 叉 口为结 点 ， 两个 结 点 之间为一个弧段 ， 一个 弧段对应 的属性信息是 固定 的， 这对描述路段上空间分布不均匀 的交通信息存 在 着 明显 的 困难 。如 图 1 所 示 ， 交 通 拥 挤 仅 仅 发 生 在 弧段 的一部 分 ， 而 且排 队长 度 是 时变 的 ， 但采 用 传 统的弧段 一结点模 型进行信息表达时 ， 由于弧段 的 长度是固定的， 只能将 整个弧段都表达相 同的拥挤 程度 ， 如 图 2所示 ， 这 显 然 不符 合 实 际 的 交 通状 况 。 在采 用 弧段 一结 点模 型 的 条件 下 ， 如果 要 实 现 上 述 信 息的准 确表 达 ， 需要 对弧 段 进行 细 分 ， 用 若干 小 路 段的组合表示交通事件 的位置和长度 ， 这种方法势 必造成数据冗余 ， 显著增加 G I ST的计算量和存储 量 。 交 通 事 故 -， t g 排队长度 、 I 一 脚 气 奋 女 I 5 图 1 需要表达 的排 队长度和交通事故位置信息 第 6期 牟春鹏等 ： 动 态分段技 术在城 市交通地理信 息系统 中的应 用研 究 2 0 1 4年 1 2月 L 一 排队 K度 ， I i 薹 气 H 、 l 富 l l l 圈 2运 用 弧 段 一结 点模 型 对 排 队 长 度 的 表 达 结 果 将城市道路交通地理信息的属性从弧段 一结点 数据拓扑结构 中分离 出来 ， 通 过选择合适 的线性参 考系统和参考方法 ， 实现多重属性动态信息 的动态 表达和分析， 可 以提高 G I ST的灵活性 和运行效 率 。 2 线 性 参考 系统 的建立 与选 择 在 G I ST中， 通常采用两种方法描述交通信息 的位置信息， 一种方法是二维坐标 ( ， l ， ) 参考 系统 ， 另一 种方 法是 一维 线性 参考 系 统 。二 维 坐标 获 取方 法复杂 ， 即使采用二维坐标 ， 还存在地图匹配 困难问 题。由于交通 网络是一种线性 网络 ， 交通信 息都存 在或发生于交通 网络中某一路段或某一点上 ， 交通 信息的定位通常采用一维线性定位参考 系统 ， 即线 性参 考 系统 。 线性 参考 系 统是 指从 已知 点 ( 如 里 程 标 志 或 道 路交叉 口) 用距离测量来确定事件的位置， 线性参考 系统 由基础线性 网络、 线性分布事件和线性参考方 法组 成 。依据 参 考 点 的不 同 ， 常用 的有 四 种 线 性 参 考方法 ： 道路名与里程参考方法 ； 弧段 一结点参考方 法 ； 街 区地址 法 ； 固定点 ( 路 灯 ) 参 考 法 。下 面 以图 3 为例 ， 数字“ 1 4 ” 表示结点号 ， “ ” 表示交通事故 点 ， 下面分别 以四种参考方法描述道路 网空间数据 的建立和属性数据( 交通事故) 的组织 。 图 3 线性参照 系统 2 1 依据道路名与里程线性参考方法 ( 1 ) 参考要素： 道路名 ( 如 ： 同志街) 、 里程 ( 如 ： 1 点为起始 点里程 为 0 k m， 4点为终 点里程 为 2 1 0 k m) ； ( 2 ) 空间数据组织： 数字化图形线段 14 ， 中间 不分段 ， 建 立统 一 的里程 系统 ； ( 3 ) 属性数据组 织 ： 道路 名、 参 考点、 起 始点 里 程、 终点里程、 一般属性 ； ( 4 ) 交通事故点属性表： 如表 1 所示H 。 2 2孤段 一结点参考方法 ( 1 ) 参考要素 I 弧段名 ( 如 g L in k 1 ) ， 距离 ( 如 ： 距 1 点 2 0 0 m) ； ( 2 ) 空间数据组织 ： 以道路交叉 口为节点 ， 将 道 路划分为多个弧段 ， 分别数字化图形线段 1 2 、 2 3、 34； ( 3 ) 属性数 据组织 ： 路段名、 参考点、 起始点 距 离、 终点距离、 一般属性 ； ( 4 ) 交通事故点属性表 ： 如表 2所示 。 2 3 依据街 区地址线性参考方法 该方 法根 据城 市路 网中建 筑 物 的地 址 编码 进 行 线性参考定位 。 ( 1 ) 参 考 要 素 1 街 名 ， 门牌 号 ( 如 同 志 街 3 0 6 号 ) ； ( 2 ) 空间数据组织 ： 分别数字化图形线段 1 2 、 23、 3 4； ( 3 ) 属性数据组织 ： 街名 ， 街 区线段起点左边门 牌号 ， 街区线段起点右边门牌号 ， 街区线段终点左边 门牌号 ， 街区线段终点右边门牌号， 一般属性 ； ( 4 ) 交通 事故 点属 性表 ： 如表 3所示 2 4 固定点( 路灯 ) 参考法 城市路 网中有规律分 布着路灯 等固定 点， 可 以 把路灯的空间信息加到路 网中 ， 并对路灯进行编号 ， 以路灯 为参 考点进 行 线性定 位 。 ( 1 ) 参考 要素 ： 街 名 ， 路 灯编 号 ； ( 2 ) 空 间数据 组织 ： 分 别 数 字 化 图形线 段 14 ， 中间不分段 ， 同时数字化沿道路两侧 的路灯杆 ， 并对 其 进行 编号 ； ( 3 ) 属性 数 据组 织 ： 街 名 ， 街 区线 段 起 点 左 边 路 灯编号， 街区线段起点右边路灯编号， 街 区线段终点 左边路灯编号 ， 街 区线段终点右边路灯编号 ， 一般属 性 ； ( 4 ) 交通事故点属性表 ： 如表 4所示 。 2 3 第 6期 矿 山 测 量 2 0 1 4年 1 2月 表 l 道路名 与里程线性参 考属性表 表 2 弧段 一结点线性参考属性表 表 3街区地址线性参考属性表 3 基 于弧段 一结 点 模 型 扩 展 的 动 态 分 段 功 能 的 实 现 3 1 数 据 模 型 3 1 1 传 统弧 段 一结点 模型 动态分段实质是建立在弧段 一结点数据结构上 的一种抽象方法。空间数据的组织形式为弧段 一结 点 模型 ， 首先 对交 通道路 网络进 行 拓 扑分 析 ， 建 立 弧 段 一 结点空间数据结构 ， 结点一般为各类交叉点 ， 如 道路交叉点 ， 结点之间的线段称为弧段 ， 弧段 内部具 有同样的属性。如 图 4所示 ， 图 4即为一道路 网经 拓扑分析后建立的弧段 一结点模型， 图中： 数字代表 结点 ， 字母代 表 弧 段 ， 由此 建 立 弧 段 一结 点 关 系 表 ， 如表 5所示 。 通过 以上分析 ， 由于城市道路没有明显 的里程 标志， 第一种参考方法不适 于城市道路 ， 城市道路宜 采用其它三种参考方法 ， 但 由于我 国城市地址编码 不够 成熟 ， 而且 定位 精度 较低 ； 路 灯 等 固定 点 参考 方 法虽 然 简洁方 便 ， 但 数字 化路 灯 的 工作 量 较大 ； 而城 市地理信息的基础空 间数据采 用弧段 一结点模型 ， 选择 弧段 一 结 点参考 方 法 ， 不 用 增 加工 作 量 ， 简单 易 懂 ， 故 本文采用弧段 一结点参考方法作为动态分段 的线性参考方法 ， 依照该参 考方法建立空 间数据库 和组 织属 性数 据是 实现 动态分 段 的基础 。 - 7 D F A - 1 1 2 3 E G I R 图 4弧段 一 节 点模 型 ，) D A L 2 B 1 E 表 5 图 4所示路网弧段节点关系表 4 C 4 l O( = 2 图 5扩展 的弧段 一节点模型 3 1 2 基于弧段 一 结点扩展的动态分段模型 为 了描述 动态分 段模 型 ， 如 图 5所 示 ， 发 生 交通 事故的地点用“” 表示 ， 要求在不改变弧段 一结点 拓扑结构、 不增加结点的条件下 ， 表达分析交通事故 信息， 这是传统的弧段 一结点模型不能实现的， 需要 采用动态分段技术 。为此在弧段 一结点模型的基础 上 ， 考虑支持动态分段的功能 ， 在不改变路 网空间结 构的前提下 ， 对该模型做必要的扩展。在弧段 一结 点 模 型 的 基 础 上 引 入 一 个 新 的 数 据 类 型 链 2 4 ( 1 in k ) ， 对应线性系统中的动态段。 在这个 结构 中 ， 链 只用 来 描 述 某 一 条 弧 段 的 一 个部 分 ， 对 于跨越 多个 弧段 的动态 段 ， 用 一 个有 序 的 链列 表表示 。链 只记 录 了动态 段 在这 个 部 分 的起 止 位置 ， 而不记录弧段所经由的各个点的坐标 ， 如果要 提取段的几何数据 ， 可以通过它所引用 的弧段和起 止位置联合计算获得 。链采用索引和相对定位 的方 法记 录 ， 不需要 对底 层 的几 何 线要 素 做 任 何修 改 ， 可 以很 好 的维 护 原 有 的 图层 内容 。 同 时 ， 道 路 网络 仍 第 6期 牟春鹏等 ： 动态分段技 术在城 市交通地 理信 息 系统 中的应用研究 2 0 1 4年 1 2月 然是采 用有 向 图来 表 示 ， 因 此原 有 的基 于有 向 图 和 弧段 一结点结构的数据模型和分析操作模型仍然适 用 ， 无需改动。图 5采用基于扩展的弧段 一结点 的 动态分段模型描述， 如表 6 所示_ 5 。 表 6图 5所示路 网链 一动态节点关 系表 弧 段 A B B C C D E F G 链 A B 1 B 2 C 1 C 2 D E F G 起始结点 1 2 9 3 1 0 5 2 7 3 终 止 结 点 2 9 3 1 0 4 2 6 3 8 纯动态结点 9 、 1 0的坐标 由线性参照关系计算 得 出， 弧段 曰分裂为 B 1和 曰 2， 弧段 C分裂为 C 1和 c 2 ， 这种分 裂 只是对 弧段 表 的分裂 ， 只需更 新 相应 弧 段 表 和结 点表 ， 生成 链表 和 动态 结 点表 ， 并 没 有对 所 对应的几何 数据产生分裂 ， 最后可以更新链 的属性 数据 。 3 2动 态分段 的 实现 动态分段技术的实现依赖于线性参考 系统的建 立 和 以线性 参考 为指 导建立 的弧段 一结 点空 间数 据 库 ， 以及基于同一个参照系的线性属性数据 的采集 。 基 于扩 展 的弧段 一结 点 的动态 分段 技 术 的 实现 的具 体 步骤 如下 ： ( 1 ) 建立 以弧段 一结点为模型的道路空 间数据 库 。即将每条城市道路按 精确参 照点进 行分段， 将 每段作为一条弧段数字化 ， “ 精确参照点” 是指道路 底 图上道路 交叉 口或者 重要 建筑 标 识 点 。空 间数 据 库建 立完 毕后 ， 要进 行拓 扑检查 ， 进 行必要 的修 改 。 ( 2 ) 通过拓扑关系建立上述空间数据库一般意 义下的属性表 ， 它与空间数据之间的关 系是一一对 应 的关 系 。此 属 性 表 称 为 弧 段 一结 点 属 性 表 ， 这 个 属性 表可 以包 括路 宽 、 材料 等道 路 属性 字 段 ， 还 得 添 加下列字段 ： 路线编码、 起点编号、 止点编号 ， 其 中路 线编码表示一条道路的编码 ， 起点编号和止点编号 分别为对应弧段的起止点编号 。起止点坐标数据存 于 结点 表 中 ， 需要 时依 编号 调用 ， 具体格 式 如表 7 、 表 8所示 。 表 7道 路 空 间 数 据 库 表 8 结点数据库 ( 3 ) 基 于线 性 参 考 系 统 的 组 织 属性 数 据 。在 动 态分段技术 中， 把基 于线性参照 系统 的属性数据又 称为事件 ， 事件有两类 ， 即点事件和线 事件， 发生在 道路网上的一起交通事故 即为一个点事件 ， 某一路 段严重拥挤即为一个线事件。事件表字段为路线编 码 、 参 照点 编号 、 偏移 距离 1 、 偏移 距离 2及 其它 属性 字段。其中， 偏移距离 1表示事件发生地点距 离参 照点 的距