（地图学与地理信息系统专业论文）基于gis和路网拓扑的指路标志系统研究.pdf

基于g i s 和路网拓扑的指路标志系统研究 地图学与地理信息系统 硕士生：邹时容 指导老师：张青年副教授 摘要 本文阐述了指路标志的概念及其在现代交通发展中的重要性，指出了指路标 志系统在交通运输体系中的作用及其与智能交通系统、地理信息系统和出行者信 息系统的关系，对国内步卜的相关研究进展、应用情况、系统建设的算法基础等进 行了较为详细的介绍。 根据道路交通标志的分类体系，提出了连接性、状态性和方向性三类指路标 志，本文侧重研究连接性指路标志的数据模型和自动生成系统的初步实现。按连 接性指路标志数据结构的特点进行了系统应用平台设计、总体结构设计和数据表 关系结构设计、研制了路网拓扑数据模型、确立了判断道路相对方向数学模型、 基于结点弧段的指路标志生成算法、路标布设位置确定和显示方法以及路标 的自动更新方法。这些模型和算法是本文指路标志系统的重要研究内容，也可为 其它类型的道路交通标志的自动生成提供借鉴。 指路标志数据的处理也是本文的重点之一，对数据表结构及数据处理流程做 了详细阐述。利用面向对象编程技术、g i s 二次开发组件和关系数据库实现了各 种路标相关算法，并试验性开发了指路标志管理信息系统，实现了对连接性指路 标志数据的显示、查询、编辑、更新等功能。指路标志系统的初步研究为后续更 广范围和更深层次的研究奠定了基础，也为其它类型的出行者信息系统的研究提 供了参考。 关键词：指路标志g i s 路网拓扑结点一弧段夹角拓扑 p i l o tr e s e a r c ho fg u i d es i g n ss y s t e mb a s e do ng i sa n d r o a d - t o p o l o g y g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：s h i r o n gz o u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f q i n g n i a nz h a n g a b s t r a i ：t f i r s t l y , t h i sp a p e rs h o w st h ed e f i n i t i o no fg u i d es i g ns y s t e ma n di t s r e s e a r c h c o n t e n t sa n di m p o r t a n c ei nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt r a f f i c s e c o n d l y , i tp o i n t so u t i t sf u n c t i o n si nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n di t sr e l a t i o n s h i pt oi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n d t r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m - t h i sp a p e r a l s oi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so ft h er e l e v a n tr e s e a r c hb o t ha t h o m ea n da b r o a d ，a n di n t r o d u c e st h ea l g o r i t h mf o u n d a t i o n so ft h es y s t e mc o n s t r u c t i o n i nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ec a t e g o r ys y s t e mo ft h er o a ds i g n ，i th a sp r o p o s e dt h r e ek i n d so f g u i d es i g n s ：c o n n e c t i v es i g n ，s t a t es i g na n dd i r e c t i o n a ls i g n , t h ep a p e rl a y sp a r t i c u l a r e m p h a s i s o n s t u d y j n g t h em a t h e m m i cm o d e l sa n dt e n t a t i v e l yr e a l i z i n gt h e a u t o g e n e r a t es y s t e mo fc o n n e c t i v es i g n t h et e c h n i c a lp l a t f o r m ，t h es y s t e mf r a m e a n dt h el o 舀e a lr e l a t i o no ft h ed a t aa r ed e s i g n e db a s e do nt h ep r o p e r t i e so fc o n n e c t i v e s i g n b e s i d e s ，t h i sp a p e rf o c u s o nt h en o d e s - a r c s a n g l e st o p o l o g i c a lm o d e l ， e s t a b l i s h e st h er e l a t i v ed i r e c t i o nj u d g i n gm o d e lo fr o a d sb a s e do nq ia l g o r i t h m ，t h e m e t h o d st og e n e r a t eg n i d es i g n sa c c o r d i n gt ot h en o d e s a r c st o p o l o g y , t h ew a yt o c o n f i r mt h el a yp o s i t i o no fs i g n p o s t ，a n dt h em e t h o df o ru p d a t i n gt h eg u i d es i g n s a u t o m a t i c a l l y a l lo ft h i sm o d e l sa n da l g o r i t h m sh a v em a n ys i m i l a r i t i e st oo t h e rk i n d s o ft r a f f i cs i g n s ，s ot h e ya r ev e r yv a l u a b l er e f e r e n c et ot h el a t t e rr e s e a r c h e s 。 t h ed i s p o s a lo ft h eg u i d es i g n sd a t ai so n eo ft h ef o c a lp o i n t so ft h i sp a p e r w e i l l u s t r a t et h et a b l es t r u c t u r e sa n dt h ef l o wo fd a t ad i s p o s i n gi nd e t a i l m a k i n gu s eo f h t h eo b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g y , t h eg i sc o m p o n e n to b j e c tm o d et e c h n o l o g ya n dt h e r d b m s ，w ea c t u a l i z et h ea l g o r i t h m sa n dt h eg u i d es i g nm a n a g e rs y s t e mt e n t a t i v e l y w i t hm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sd i s p l a y i n g ，q u e r y i n g ，e d i t i n g ，u p d a t i n g ，a n ds oo n t o s l i mu p ，t h ep i l o tr e s e a r c ho fg u i d es i g n ss y s t e ms u p p l i e sr e f e r e n c e st ot h er e s e a r c h o fo t h e rk i n d so ft r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n de s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nf o rt h e d e e p e ra n dw i d e rr e s e a r c ho fg u i d es i g ns y s t e m k e yw o r d s ：g u i d es i g n ，g i s ，r o a d t o p o l o g y , n o d e - a r c a n g l et o p o l o g y i l l 1 1 提出问题 第1 章引言 指路标志是指传递道路方向、地点、距离信息的标志 1 。它是城市道路交 通的重要组成部分，其建设的好坏直接影响到交通的顺畅度。随着经济增长和城 市规模的迅速扩大，城市路网复杂度增加，指路标志的设置和维护难度越来越大。 就广州而言，随着广州城市建设的快速发展，道路指路标志的更新建设还有 待改进。据广州市旅游局资源开发处已经开始着手解决市民游客认路难的问题， 例如着手进行“广州市旅游交通标识系统规划”，这一规划包括三方面，一是将 在高架路、主干道按驳处设立交通指示牌系统，满足自驾车游客的认路需求，二 是在各主要口岸、广场、交通站点设立便于游客查询的周边导游图，方便来广州 的外地游客；三是制定一个关于旅游交通指示的标准景点景区只要达到有关标 准就需在道路交通路网中按规定标准做出路牌标识，一劳永逸地解决旅游“指 路”问题。来自北京交管部门的统计显示，近十年来，北京交通设施飞跃发展， 交通标志、标线、信号灯等主要交通设施在数量上增长了2 3 倍，道路标志数 量的增加会引起传统管理方式上的不便，极易造成标志的错误和混乱。由此可见， 现代城市路网的发展直接导致道路交通标志产生和更新的一系列问题，如果这些 工作都由手工去完成，那工作量和成本都将是惊人的。于是，利用计算机手段结 合路网的拓扑结构自动的产生道路指路标志，并对这些标志进行及时的更新维护 就变得非常有意义。 本文的内容正是以中华人民共和国国家标准( g b 5 7 6 8 1 9 9 9 ) 道路交通标志 和标线为标准，研究指路标志的生成算法，根据路网拓扑关系自动地、系统地 生成符合国家标准的部分指路标志，并探索性建立起指路标志系统结构平台，对 指路标志进行简单的显示和管理。 1 2 论文结构 本文由以下几个部分构成： 第一章：引言，即本章。阐述指路标志的概念及其系统建设的重要性和必要 性，并指出本文的研究内容。 第二章：指路标志系统综述。首先介绍了指路标志系统、智能运输系统、地 理信息系统、出行者信息系统等的概念及相互之间的关系，对指路标志系统的作 用、研究内容、相关模型和算法、国内外相关研究情况等进行了详细阐述。 第三章：指路标志系统的系统结构、数据结构与主要算法。对系统数据需求 进行了详细分析：对指路标志类型体系进行了划分并做了系统总体结构、应用技 术平台、数据表关系结构等设计；对系统涉及到的各种数学模型和算法进行了改 进和介绍，本章和第四章是本文的核心，也是工作的重点。 第四章：指路标志生成系统的试验研究，内容包括系统平台选择、数据库建 立与数据处理流程、界面主要功能设计与实现、若干案例的试验与结果等。 第五章：结论与建议，指出系统研究所得到的结论和不足之处，对将来可能 的进一步改进及发展趋势做出补充。 2 第2 章指路标志系统综述 2 1 几个相关概念 2 1 1 指路标志系统 指路标志系统是结合路网的拓扑结构和设置规则，对道路网络中的道路、桥 梁、隧道、标志点等地物特征生成导向指路标志并自动更新和管理，用以辅助道 路中指路标志标牌的布设、制作、维护、更新的管理信息系统。 目前国内外对指路标志系统的研究主要有以下几个方面： ( 1 ) 指路标志通用标准研究。这包括标志的图形语言表达，分类标准， 设计制造工艺，设置规则等统一规范的研究。 ( 2 )指路标志的空间属性数据模型研究。将指路标志借助于计算机自动 生成、管理并显示出来，就需要对其各种属性信息进行数学抽象，用数学模型和 计算机语言加以描述。 ( 3 )指路标志设置最佳优化模型研究。道路上怎样设置指路标志才能达 到最大的交通疏导效果，怎样才能带给出行者最大的便捷，怎样才能用最低的成 本获得最大的经济效益等等，都是最优设置模型研究的主要目的。 ( 4 )指路标志评价体系研究。指路标志设计的效果如何需要用一系列的 指标进行评估，这就需要一套科学的评价体系。评价体系还可以针对现行道路网 中标志系统的不足提出优化方案。 本文侧重于第二个内容( 空闻属性数据模型) 的研究，结合路网拓扑，建立 城市指路标志系统，针对给定城市的路网数据，能自动地产生整个或部分道路的 指路标志。 3 2 1 2 智能运输系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) i t s 是目前国际上公认的全面有效解决交通运输领域问题的根本途径。它利 用现代科学技术在道路、车辆和出行者之间建立起智能的联系，充分利用现有道 路资源，实现人、车、路的和谐统一。智能运输系统在极大的提高运输效率的同 时，充分保障交通安全、改善环境质量和提高能源利用率、减轻出行者负担，从 而获得巨大的社会经济效益。 智能运输系统包括诸多方面的内容，它不但可以解决交通的拥挤，而且对交 通安全、交通事故的处理和救援、客货运输管理、公路收费系统等方面都会产生 巨大的影响。i t s 的研究领域一般包括一下几个方面 2 ： ( 1 ) 先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，a t i s ) ( 2 ) 先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，a t m s ) ( 3 ) 先进的公共交通运营系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ， a p t s ) ( 4 ) 先进的乡村运输系统( a d v a n c e dr u r a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，a r t s ) ( 5 ) 商用车辆运营系统( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o ns y s t e m ，c v o s ) ( 6 ) 先进的车辆控制和安全系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o l s a f e t ys y s t e m ， a v c s s ) ( 7 ) 自动公路系统( a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m a h s ) i t s 是未来交通发展的必然趋势，但它的发展离不开地理信息系统、全球定 位系统等技术的支持。 2 1 3 出行者信息系统( t r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m , t i s ) 出行者信息系统是为出行者提供相关信息的系统 2 。出行者信息系统的目 标是为出行者提供准确实时的公共交通的服务信息，其核心是通过电子出行指南 ( e g u i d e ) 来收集各种公共交通设施的静态和动态的服务信息，并且通过各种通 信终端面向出行者发布，不同的出行者可以通过不同的途径来获取这些信息，从 而计划他们的出行路线和方式并且减少出行时间。系统结构框架如图2 一l ： 4 图2 一l 出行者信息系统的结构框架 2 1 a 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) g i s 是一种在地理学和计算机科学的基础上发展起来的，融计算机图形技术 和数据库技术于一体用于管理和分析空间数据的技术。其主要组成部分有：硬件 系统、系统软件、空间数据、入以及应用模型，以地理空间数据库为基础，在计 算机软件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示， 适时地提供动态信息。因此，它是支持智能运输系统发展的一种关键技术。与简 单的数据管理系统不同的是，地理信息系统对其所包含的图形、属性信息具有综 合、分析等功能，还可以进行图形查询，并且数字地图中的图形要素之间具有拓 扑关系，这是i t s 、t i s 、指路标志系统中实现路标生成、地图匹配、路径查询、 路径引导等功能模块的基础。 2 1 5 指路标志系统在交通运输体系中的作用 指路标志系统作为i t s 中出行者信息系统的一个不可或缺的组成部分，在为 出行者提供准确的道路导向服务、提高道路通行能力、降低交通拥堵带来的负面 影响、减少事故、发展智能运输系统等方面都起着重要作用。指路标志主要作用 可概括为以下三个大的方面 3 ： ( 1 ) 信息传递作用。城市道路网复杂度不仅与整个城市建设的规模大小成正 比。而且，城市建设规模变化直接影响城市道路网中的交通流向、流量。指路标志 能在路网发生变化时问内，随时能以流向可视性为参与者传递信息，指路标志的 信息传递，总是伴随着城市建设的规模和路网的变化而变，准确及时地为交通参 与者传递路网信息。 ( 2 ) 均衡车流的作用。在城市道路管理中，在交通管制措施实施的路段和范围 的起点入口和终点，利用指路标志的语言和信息，作为实施管理措施的工具并达 到更完善管理的要求。因为它能根据所需的流向引导车流、人流，并按管理者设 计的路网流动，使饱和的路段流量递减，闲置的道路得到充分利用，交通路网中流 量得到有效均衡。 ( 3 ) 0 d ( o r i g i nd e s t i n a t i o n ) 特性作用。在城市道路网络中，指路标志在为交 通参与者提供最直接准确的导向服务，引导o d 的最佳行路路线，减少在路网中路 程的时间消耗，使速度与里程的比达到设计的最佳需求时间。因而，指路标志的服 务综合功能，在现今社会内胜于任何城市道路网络导向的工具。例如：城市道路地 图直观服务性较强，但它总是落后于城市道路的变化：电子导向设施的先进，但其 普及性也只是现代理论研究的期望。因此，指路标志在城市道路网络中，为参与者 提供及时、准确的道路信息，并随时应变于城市道路网络的变化，在城市道路网络 o d 引导中，所发挥的特殊作用是最为显著的。 基于g i s 和i t s 开发出合理的指路标志系统可以与交通控制与管理系统相结 合，为市民提供交通信息，以利出行；与车载定位系统相结合，确保道路交通的 畅通；检验路网系统中现行道路标识准确性；动态路标的构建，便于交通管制等 等。 2 2 相关模型和算法基础 2 2 i 道路网络的概念模型 道路网络可以方便地用图论中的图来表示其概念模型。图是顶点与边的非空 集合，g = ( k ) 。其中g 表示图，v 是一个顶点的集合，e 是以v 中的顶点为端 点的边的集合。在道路网络中，通常将道路表示为图的边，道路的起止点和交叉 口表示为图的顶点。道路、道路交叉口是道路网络的基本成分。 6 ( 1 ) 道路 在道路标志系统中，路段连接关系、转向限制、障碍等连通性信息非常重要。 路网的信息不但要包含路段的物理连接关系，而且还要表达出网络的服务规则。 车辆在路网中的行为包括在路段上的行驶和通过交叉口这两个部分，车辆在通过 交叉口时，可能会踱到车辆的转弯限制，这直接关系到道路的指路标志内容。因 此，要求把这一禁止车辆通行的信息，即道路的连通性信息，在道路网络的结构 中明确地表达出来。这将有利于利用道路网络的信息进行目的地或路径的选择。 在路网的完全拓扑中，只能得到路网路段的物理连接关系。为此，我们要引入新 的变量来描述路网的连通性问题。 引入记号c o i l ( e i ，e ，) ( 这里e l 的终点为e ，的起点) 表示边之间的连通性。 c o i l ，e ，) = 1 时表示q 与e ，之间是直接连通的，即经由e l 的终点可进入口，； c o i l 心，e ，) ；0 时表示岛与8 j 之间不是直接连通的。 道路的属性在道路标志系统中也起着重要的作用。通常指路标志的设置受其 所在道路的等级和所指道路等级的影响，如方向性指路标志设置的规则可能规定 某一等级的道路路标只对同等级或更高等级的道路进行标识。因此，在路标系统 的存储结构里应包含诸如道路等级、类型等的属性信息。 ( 2 ) 交叉口 交叉口有多种类型，不同类型交叉口处的道路连接情况不同，对应的指路标 志也被设计为不同图案，因此交叉1 3 类型的划分对于道路标志系统的构建有重要 意义。例如，在十字型交叉口中，其判断道路转向的规则与y 型交叉口就有区 别。常见的单一交叉口有：十字型交叉口、t 型交叉口、y 型交叉口、斜交叉1 3 、 一度断头路口、二度断头路口等等。如果考虑到平面道路和非平面道路( 立交、 隧道等) ，那么交叉口又可在前面的基础上划分为平面与平面、平面与非平面、 非平面与非平面等类型。 2 2 2 网络拓扑与q i 算法 ( 1 ) 道路网络拓扑模型 道路网络的拓扑关系是建立指路标志系统的基础。先建立路网的连通性拓 7 扑。路网的连通性拓扑主要建立结点、弧段信息的数据表，以及它们之间的关系 表。特别地，结点数据表中，结点所连接的弧段是要以顺时针顺序存储。由于构 建路标系统的需要，还需建立道路基本信息数据表和交通管制信息数据表，后者 用于存储道路禁行、道路之间的连通性等信息( 如在某些路口禁止左转等) 。 ( 2 ) q i 算法 在道路交通的指路标志系统、车载导航系统等多个交通应用领域中，常常要 确定连接于同一交叉口道路间的拓扑关系。现时也已有不少的方法可以建立结点 一弧段、弧段一结点、结点上弧段一弧段等的拓扑关系。如常用的q i 算法 4 ， 可以用于确定连接于同结点各弧段间的邻接关系。将其应用于道路网络中，则 可以确定连接于同一交叉口道路间的邻接关系。 以下图2 - 2 为例，设( x o ，y 。) 为路网中的结点，与v 。所连接的弧段为 v o v l ，v o v 2 ，v o v h 。 图2 2o i 算法示例圈 v ，v ：，叱 的坐 标为 瓴，y 1 ) ，o ：，y ：) ，瓴，n ) ， 令 一。_ 一扎，a y 。= y t y o ，我们可以利用o i 算法中的分段函数口j ，y ) 来计算 弧段的邻接关系： 8 q ( x ，_ ) ，) = 一缈，( a y ， 0 ) a ( a x i o ) a ( 每， 砗) 2 一a y ，h x i ，( a y f o ) a ( 峨 o ) n ( z 1 y fs 觇) 2 6 y ，t ，( 6 y fs 0 ) a ( 坼o ) a ( a x , 一y f ) 4 + 缸i 妙i ，( y f 0 ) a ( a x , 5 一a y f ) 4 + 缸；a y ，( 缈f 0 ) a ( a x f 0 ) a ( a x , s0 ) a ( z i y i 一a 鼍) 然后按q i ( x ，y ) 函数值的从小到大的顺序对弧段进行排列并存储，则弧段 实现了顺时针顺序的存储。 2 3 国内外发展与研究状况 目前国内外对指路标志的研究主要还是集中在标志的分类，设计、制造、设 置、施工等通用规则与标准方面，基于g i s 的指路标志自动生成系统和管理系统 方面的研究甚少。 2 3 1 国内发展状况 1 9 9 9 年我国颁布并实施的国家标准g b 5 7 6 8 1 9 9 9 道路交通标志和标线。 国标规定了交通标志标线的分类，设计、制造、设置、施工的要求。它是交通标 志和标线的总体设置规则。总的说来国标还不尽完善，国标中道路交通标志的设 计没有结合道路网拓扑数据结构、交通管制等方面的因素，且其重点是放在高速 公路的路标设置。 就国内应用而言，许多城市例如北京、上海、天津、广州等，都已意识到道 路标志的重要性，出台了相关政策来更新和完善现有的指路标志系统。 北京正在建设城市道路指路标志系统、环路三级预告系统、放射线指路预告 系统，争取在2 0 0 8 年之前按照国际化大都市的要求，加强交通管理设施系统化、 规范化、人性化建设，规范道路交通标志、交通标线、交通信号的设置，提升交 通管理设施的系统化管理水平：上海出台了上海市高速公路、城市快速路及城 市高架路交通标志标线技术总则并在逐步实施；天津也正努力建成以3 条环 9 路、1 6 条射线为主的中心区交通指路标志指向系统；广州市旅游局已着手建立 和更新旅游交通标识系统，以方便游客出游发达城市也相继对干线道路实 行编号管理：0 4 年上半年，由香港运输署所策划的新干线编号系统与出口编号 系统已投入运作；0 4 年1 0 月，深圳交通局向社会公示深圳市干线路网编号方 案，并征询意见 由此可见，国内指路标志系统的建设正逐步走向规范化、系统化的道路。 2 3 2 国外发展状况 国外对指路标志系统的研究主要集中在标志对交通运行的影响方面，指路标 志系统地理数据模型方面的研究比较少。 国际标准化组织( i s o ) 2 0 0 4 年颁布了“智能交通系统一一地理数据文件 ( g d f ) 一一全面数据规范”，其前身为c e n 欧洲标准草案。1 9 9 6 年c e n t c2 7 8 全体会议通过将g d fv 3 o 作为欧洲的试用标准( e n v ) ，1 9 9 6 年i s o 决定将 c e n 文件作为主要基础，制定全球g d f 标准。此国际标准为智能交通系统的应用 规定了地理数据库的概念和逻辑数据模型以及数据交换格式。g d f 标准既是数据 生产的参考手册，也是交换标准。作为参考手册，它说明了公路地图数据库中真 实世界建模( 表示) 规则，用于特定范围的应用。作为交换标准，它在不同用户、 不同应用、不同系统和不同地方之间共享与公路网有关的地理信息，即实现互操 作。它包括对这些数据( 要素、属性和关系) 的可能内容的规定、怎样表述这些 内容的规定以及数据库本身相关信息的规定( 元数据) 等内容。同时它也提供公 共框架，以便生产用于车载导航系统和其它用途的数字公路图数据库。 总的说来此国际标准的重点集中在i t s 的应用上，并着重强调道路和道路相 关信息。然而，i t s 应用也要求道路和道路相关信息以外的其他信息。 此外，国外最常见的道路编号系统的应用研究成果以及各种导航系统的研 究，例如日本的导航系统k i w i 等，也可以作为指路标志系统建设的参考。它与 城市指路标志系统所需的基础数据有相似之处，例如，对路网数据存储结构的研 究，拓扑数据结构生成方法、道路索引方法等都有相同之处。 1 0 第3 章指路标志系统设计 本章对系统的技术平台体系、总体结构、交通标志分类体系进行了介绍，对 数据表关系结构进行了分析。主要对系统涉及到的各种数学模型和算法进行了介 绍和改进，为数据的处理和系统的实现提供了模型基础。 3 1 系统总体设计 3 1 1 系统设计原则 根据指路标志系统的规模及实际需要，在系统构架的设计上应充分考虑到标 志系统的长远发展需求，统一规划、统一布局、统一设计。在系统的应用和实施 上，则应根据实际需要及投资金额，分期配置，分期实施，逐步扩展，以保证系 统的完整性和用户的投资。因此它必须遵循以下原则： ( 1 ) 适应性和可扩展性原则 系统的详细设计应能支持主要的标准、规范和协议，能支持c o m 组件技术开 发的各种应用软件的系统体系结构，充分考虑系统功能、系统数据和业务的扩展 性，坚持开放式系统结构设计，在机构人员调整及用户需要时，能方便地进行功 能扩展，并保证系统的完整性不受影响。 ( 2 ) 界面友好性原则 好的系统界面将是整齐简洁、层次清晰、一目了然。总之，就是要达到易用、 好用的目的。在系统的易用性方面，主要应作以下考虑：界面整齐简洁、数据集 中处理、功能选项说明与实际工作一致、操作步骤简洁、操作步骤说明详细等。 ( 3 ) 先进性原则 1 1 这里所讲的先进性并不是要把系统建立在实验室的技术条件下，而是为了能 够运用当今国内、国际上最先进成熟的计算机软硬件技术，使新建立的系统和采 用的技术达到当今国际先进水平。 ( 4 ) 经济性原则 充分利用现有技术，使系统方便、实用，既能减少使用系统的使用人员的工 作量，又能使系统适应由于各种原因导致的需求变更。 3 1 2 应用平台技术体系 本系统是较为简单的试验研究系统，采用了组件式g i s 开发技术和面向对象 编程手段，并结合关系数据进行开发。系统是基于目前较为成熟的m a p l n f o 公司 的g i s 平台来建设，以下是系统应用技术平台体系结构图( 图3 1 ) 。 图3 - 1 应用平台技术体系图 m a p l n f o 是美国m a p l n f o 公司1 9 8 6 年推出的桌面地图信息系统，至今已从 最初的m a p l n f o f o rd o s1 0 发展到了m a p i n f op r o f e s s i o n a l7 5 。m a p l n f o 提供了 自己的二次开发平台m a p x 地理信息系统组件，用户可以利用m a p x 和通用 编程技术开发各自的o i s 应用，实现大部分的g i s 系统功能。 目前市场主流数据库大多采用关系数据库模型，数据模型是数据库系统的核 心和基础，通常由数据结构、数据操作和完整性约束3 部分组成。关系数据模型 是以集合论中的关系概念为基础发展起来的，关系模型中无论是实体还是实体问 的联系均由单一的结构类型- - 关系来表示。在实际的关系数据库中的关系也称 表，一个关系数据库就是由若于个表组成。o r a c l e 公司发布的关系对象数据库系 统o r a c l e 9 i 使用了一个对象关系模型，在完全支持传统关系模型的基础上，为对象 机制提供了有限的支持。它在数据共享支持、管理工具、安全性能、j a v a 支持、 i n t e r n e t 支持等方面都有突出的表现。总之，o r a c l e 9 i 对o r a c l e 数据服务器的几 乎所有方面给予了增强，全面改进了质量、可用性、性能、可管理性、多媒体数 据类型支持和复制功能，是中、大型数据库系统开发的较好选择。 3 1 3 交通标志模块构成 现行道路系统中各种标志种类繁多，必须按照一定的标准对其进行分类。下 面按照国标将道路交通标志划分不同类型，包括指路标志、道路安全标志、旅游 区标志、警告、禁令标志等，其模块构成如下图所示( 图3 - 2 ) ： 图3 - 2 交通标志模块构成图 本文对其中的指路标志模块的部分内容进行研究。 3 1 4 指路标志分类体系 指路标志分为三个大类：连接性标识、状态性标识和方向性标识。连接性标 识是指在道路网络中，指路标志所指示的道路内容并非其本身所处的道路，而是 与该指路标志所在的道路交叉点直接相连的道路，则称该标志为连接性标志。状 态性标识是指路标志所指的道路即为其所处的道路，即标志就设置在其所指的道 路中，则称该标志为状态性标志。方向性标识是指路标志所指示的道路并非其所 处的道路也不是与其所在结点直接相连的道路，而是通过其它道路间接相连的道 路或地理特征，贼称该标志为方向性标志。 就指路标志，而言，其所指示的信息为周边道路的信息。指路标志一般设在 路网的某个结点前。为表达简洁，我们把在道路r 的弧段a 的结点v 前的指路标 1 4 志表述为：指路标志，在道路矗弧段a 的结点v 上。引入下面的符号： 如( ，) ：标志，所标示的道路。 l c r ( i ) ：标志i 所在的道路。当i 表示弧段时，贝d j l c r ( i ) 为所在弧段，所在 的道路。 l c v ( 1 1 ：标志j 所在的结点。 l c a ( i ) ：标志，所在的弧段。 如，若l c r ( 1 ) 一r o ，l c v ( o = ，l c a ( o t a 。且加( ，) ；蜀，则表示标志，设 置在道路风弧段a 。的结点v 上，其指示的内容即为道路r 。 根据上述标识规则，我们可将三类标志分别表述为： 连接性标识，若l c r f f ) 一血u ) ，但满足l c v ( 1 ) e i n ( 1 ) 。 状态性标识，若l c r ( i ) = l n ( i ) 方向性标识，若l c r ( z ) _ 血( ，) ，且三c 矿( ，) 譬如( ，) 3 1 5 指路标志系统结构设计 本文针对连接性指路标志的自动生成和管理要求进行了系统结构设计，系统 的基本结构如图3 - 3 所示。总体上分为后端数据库和前端界面两部分，通过前端 的系统界面实现对数据库数据的操作、显示、更新等功能。该系统结构也可作为 状态性标志和方向性标志系统研究的基础。 3 1 6 数据关系设计 图3 - 3 指路标志系统结构 围绕需要生成的路标内容对数据进行组织，指路标志中显示的信息包括转向 和路名、地名等信息。标志上转向关系的确定需要获取相邻道路弧段的连通信息、 夹角信息等；标志上路名、地名等信息需要获取道路弧段所在道路名、能够通向 的道路名和地名等。道路指路标志的生成有其自身特定的数据要求，所以要根据 需要制定数据存储结构。与道路指路标志相关的数据表包括：路网基本拓扑信息 表( 道路中心线t p l i n e ) 、节点信息表( n o d e ) 、弧段信息表( a r c ) 、弧段连通 性表( a r c c o n n ) 、路标信息表( r o a d s i g n ) 。其相互之间的关系结构如图3 4 所 示。 1 6 3 2 系统主要算法 图3 - 4 数据表之间的关系结构图 针对道路标志数据自身的特点，需要研究出特定的路网数据模型和算法。对 连接性指路标志而言，道路相对方向的表达是模型设计和算法研究的重点，该方 向表达模型也可作为其它类型指路标志的基础加以利用。 3 2 1 路网拓扑数据模型 ( 1 ) 结点一弧段一夹角拓扑关系 连接性指路标志要对某交叉口相连道路的转向关系进行描述，同一交叉口处 路与路之间的夹角是表示道路转向关系的前提，反映到拓扑数据结构中就需要建 立起结点一弧段夹角的拓扑关系。 常用的道路网络拓扑数据表中，都会建立结点一弧段关系表和弧段一结点关 系表，表中数据记录了两者之问的联系f 7 】。由于道路的相对方向是由道路间的 夹角决定，但夹角不是道路自身的特征，而是交叉口的特征，故应从结点一弧段 拓扑关系表着手。如下图所示，图3 5 嘞是拓扑结构图3 5 ( a ) 的结点一弧段关系 表，它依顺时针顺序记录了所有与结点连接的弧段，由此表只能确定弧段的邻接 关系。而在图3 5 ( c ) 中，每个结点记录里存储了与结点相连的弧段及相邻弧段之 间的夹角，称之为结点一弧段一夹角拓扑关系表。这样的存储结构有助于弧段间 相对方位的确定，从而可以方便地计算道路间的相对转向。1 3 6 结点i d相关弧段1 d a 1 o 1 , 2 ，3 结点i d相关弧段m弧段间夹角 ( 度) a 1 o o 1 ，2 , 39 0 ，1 3 5 ，1 3 5 ( a ) 拓扑结构圈( b ) 结点一弧段拓扑关系( c ) 结点一弧段一夹角拓扑关系 图3 - 5 拓扑数据结构 ( 2 ) 道路相对方向的判定 1 7 国标g b 5 7 6 8 1 9 9 9 1 s 规定了交通标志和标线的设计、制造、设置、施工的要 求，它是交通标志标线的总体设置规则。国标规定，在设置指示、指路标志时， 需给出道路间的转向关系。在g d f 的道路设施属性模型里，交通标志也需要确 定道路间的相对转向关系。模型中表达禁止、限制拐弯或标明正确路线的箭头方 向有8 个值：前、右前、右、右后、后、左后、左、左前。这些参考方向都是相 对于驾驶员所处的行驶方向而定的。图3 6 给出了这8 个方向的示例。f 3 6 1 l 驾驶方向 囤3 - 6 八个驾驶方向的确定 以上述的结点一弧段一夹角拓扑关系表为基础，借鉴q i 算法的原理建立确 定道路相对方向的数学模型。 首先，根据由路网的地理数据计算出每对相邻弧段的夹角并依次存储。可先 由q i 算法确定弧段的邻接关系，再计算相邻弧段问的夹角；也可计算某弧段 和其它各弧段间的夹角，再根据夹角的大小来确定弧段问的邻接关系，同时得出 相邻弧段间的夹角。一般来说，采用后者更为简便。最后，以顺时针顺序存储各 弧段及它们的夹角。具体的数学模型如下： 设a 04 一，口。为以顺时针顺序连接于结点o 的n 条弧段，定义 只，i = 0 , 1 ，l 一1 为从口，到口，的夹角，其中，；( i 一1 ) m o d n 。 对于弧段龟，其余各弧段口。，p = o i ，珲一2 ，p ，k 与& 的相对方向关系由下 面步骤确定： 1 ) 根据下式计算以吼为起始弧段，以为终止弧段的顺时针夹角钟： 卵= ) 。+ + 2 ) 。+ + 0 p ) m o d 3 6 0 式中，当七；p - 1 ) r o o d 开时，表明弧段吼和相邻，此时有钟一b 。 2 ) 根据卵所属范围，由下式可确定弧段d ，相对于弧段以的方向： 向后( 调头) ：卵 o ，2 2 5 ) u 3 3 7 5 ，3 6 0 ) 左后：o f e 2 2 5 ，6 7 5 1 向左：卵 6 7 5 , 1 1 2 5 ) 左前：钟【1 1 2 5 , 1 5 7 5 ) 向前( 直行) ：0 1 1 5 7 5 ，2 0 2 5 ) 右前；卵6 ； 2 0 2 5 ，2 4 7 5 ) 向右：0 2 4 7 5 ，2 9 2 5 ) 右后：卵6 2 9 2 5 , 3 3 7 5 ) 上述的模型是针对道路的八个相对方向而设计的，事实上，只要对角度取值 范围进行调整就可计算不同的方向。另外，在实际工程中，计算道路问夹角的时 候还要考虑以下问题：般不直接利用整条道路去计算夹角，而是选取离交叉1 ：3 较近的路段作为计算的依据；在地圉数据中，若该路段是以直线段存储的，则计 算直线间的夹角，若该路段以圆弧存储，则应该计算圆弧的切线夹角。 下面以图3 7 的结构为例，说明结点一弧段的存储形式和弧段问转向关系 的计算过程。 囝3 - 7 弧段转向确定的示例 在图3 7 中，弧段爿、b 、c 为结点o 所连接的三条弧段( 实线表示) ，弧段爿 1 9 和b 、b 和c 、c 和a 的夹角分别为1 3 5 ，1 3 5 ，9 0 。设结点0 在结点一弧段关系表 的存储记录为： a oz a ，a j b ，a 2 = c ，0 口一9 0 ，0 j ；1 3 5 ，0 2 = 1 3 5 弧段问相对走向的确定。 a - b ：0 ，- 1 3 5 2 5 ，1 5 7 j ) ，故弧段a 到弧段b 为左前转向 a - c ：0 1 + 0 2 1 3 5 + 1 3 5 = 2 7 0 e 2 4 7 5 ，2 9 2 5 ) ，故弧段a 到弧段c 为右转。 b 一 a ：0 2 + 0 。= 1 3 5 + 9 0 = 2 2 5 2 0 2 5 ，2 4 7 5 ) ，故弧段b 到弧段a 为右前转 向。 b - c ：0 2 = 1 3 5 1 1 2 5 ，1 5 7 5 ) ，故弧段b 到弧段c 为左前转向。 c - a ：0 。；9 0 6 7 5 , 1 1 2 5 ) ，故弧段c 到弧段a 为左转。 c - b ：o o + 0 1 = 9 0 + 1 3 5 ；2 2 5 e 2 0 2 5 ，2 4 2 5 ) ，故弧段c 到弧段b 为右前转 向。 对于其余两种存储方式，也可计算得同样的结果。 3 2 2 平面与非平面道路的弧段一一节点拓扑关系生成方法 目前较为成熟的g i s 软件都提供了对平面道路两拓扑的较好解决方案，但对 空间路网拓扑的自动建立需要部分的商程数据。由于非平面道路高度渐变表达的 不便，加上获取的难度较大，所以基于平面路网拓扑关系生成方法，去寻求一种 生成空间路网拓扑关系的方法就显得更为实用。 设l y r a 为平面道路图层的中心线，按照单一图层的拓扑生成规则，在道路中 心线与中心线的交叉点都打断生成拓扑结点集t p a ；l y r b 为某非平面层道路图层 的中心线，同样在道路与道路的交叉点可以打断生成拓扑点集t p b , 另外可以得 到非平面道路层的端点集c ，该点集是平面道路与非平面道路