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中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 城市交通网络的数据模型研究 专业：地图学与地理信息系统 硕士生：余志文 指导老师：陈晓翔 摘要 首先分析城市交通网络的建模要素，包括道路、道路中心线、道路边线、交 点、车道。然后，采用面向对象技术建立城市交通网络的数据模型，引入时间属 性，把各种实体作为对象，对于交通网络中的任何一种交通对象都包括i d 、菲空 间特征、空间特征、关系、事件五个部分。对于交通对象的这五个要素，文中都 作了详细的阐述。然后，本文把道路作为面状要素描述，从而建立以车道为基本 元素的城市交通网络概念模型。 乍为面状要素的道路对象直接继承原有道路的非 空问特征，通过道路中心线对象和交点对象来继承原有线状要素的道路特征，包 括网络关系，叠加关系等，通过车道段对象来增加作为面状要素的道路特征。使 该模型既能够处理时空数据，又能够对独立对象的复杂行为进行描述。接着，在 此基础上，建立可描述交通网络的数据结构，如：道路对象的属性表结构、空间 表结构、对象之间的关系表等。再接下来，就是通过计算机进行实现。对于各种 交通对象，主要是通过类来实现的。而对整个城市交通网络的存镶，考虑到其空 间数据量大，而且有大量的历史数据，因而采用基于基态修正的存储方式。基于 基态修正的存储方式有几种，本文对其进行了进一步的扩展，认为当基态间呈等 比数列时，其存储方式是最优的。最后，把城市交通网络中的各种对缘分成点、 线、面、体四类，并对其进行可视化，从而使城市交通网络数据模型得以在计算 机中应用。 关键词：交通网络数据模型面向对象车道数据结构 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 t h er e s e a r c ho fd a t am o d df o ru r b a nt r a 舾cn e t w o r k m a y o r ：c a r t o g r a p h y a n d g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：y uz h i w e n s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nx i a o x i a n g a b s t r a c t f i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ee l e m e n t si nd a t am o d e lf o ru r b a nt r a f f i cn e t w o r k w h i c hi n c l u d e sr o a d ，r o a d c e n t e r l i n e ，i n t e r s e c t i o n ，l a n et r a f f i co b j e c ti n c l u d e sf i v ep a r t s ： i d t ，n o n s p a t i a la t t r i b u t e ，s p a t i a la t t r i b u t e ，r e h t i o n ，e v e n t s e c o n d ，i ti n t r o d u c e do b j e c t o r i e n t e ds p a t i o - t e m p o r a ld a t am o d e ll o o k e do n a l lk i n d s o f t h i n g sa so b j e c t sa n dd e s c r i b e dr o a da sf a c es h a p ee l e m e n t r o a do b j e c ta sf a c es h a p e e l e m e n ti n h e r i t e dn o n s p a t i a lf e a t u r eo f r o a dd i r e c f l y ，i n h e r i t e dt h ef e a t u r eo fr o a dw h i c h l o o k e da sl i n e s h a p ee l e m e n tb yr o a d c e n t e r l m eo b j e c t s a n di n t e r s e c t i o n p o i n to b j e c t s ， a d d e dt h ef e a t u r eo fr o a dw h i c hl o o k e da sf a c es h a p ee l e m e n t t h i r d ，b a s e do nd a t am o d e l ，i te s t a b l i s h e dd a t as t r u c t u r ef o ru r b a nt r a f f i cn e t w o r k ， s u c ha sr o u t ea t t r i b u t et a b l e ，l a n ea t t r i b u t et a b l e ，s p a t i a lr e l a t i o nt a b l e ，a n ds oo ni ts t o r e da j o to fd a t a b ys p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e lb a s e do nb a s es t a t e i t ha m e n d m e n t s t h e s p a t i o t e m p o r a l d a t am o d e lb a s e do nb a s es t a t ew i t ha m e n d m e n t sc o u l dd e a lw i 山 r e l a t i o n s h i pw e l l ，e s p e c i a l l ys p a t i a lr e l a t i o n s h i p i ta l s oc o u l do p t i m i z e ds t o r a g es t r u c t u r e a n di n d e x f o u r ，t h ev i s u a l i z a t i o n o fm a pf o rt r a f f i cn e t w o r kd e m a n d sf r o ms t a t i c m a pt o d y n a m i cm a p ，f r o ms i n g l es c a l et om a n ys c a l e s ，f r o md i s c r e e tt i m et oc o n t i n u eu r n e ，f r o m p l a nt o3 d f r o mi n s i d et oo u t s i d e t h ev i s u a l i z a t i o no fn m es e q u e n c ei st h ek e yt os a t i s f y t h ed e m a n d t h et h e m a t i ca t t r i b u t e ，g r a p h i ca t t r i b u t ea n dp o s i t i o n a la t t r i b u t eo ft r a f f i c o b j e c t sw i l lb e d i f f e r e n ti nd i f f e r e n tt i m e t h ev i s u a l i z a t i o no f6 m es e q u e n c eo ft r a f f i c o b j e c ti si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：t r a f f i cn e t w o r k ，d a t a m o d e l ，o b j e c t o r i e n t e d ，l a n e ，d a t as t r u c t u r e i i 。u 人学硕1 ：论文：城市交通网络数据模型的研究 1 1 引言 第1 章研究综述 智能交通系统( i t s ) 作为公认的解决交通问题的最有效手段在世界上掀起了 交通领域的又场革命( | 1 1 i g u c b a ，2 0 0 2 ) 。而交通地理信息系统 g i s t ) 是智能 交通系统的一个重要组成部分，受到了许多学者的重视( 2 ，李英姿，2 0 0 0 ： 3 】， 3 h i l l ，2 0 0 2 ) 。城市交通网络是交通地理信息系统研究中的一个热点。城市交通网 络的数据具有多样性，包括各种与交通网络和交通设施有关的空 f j 数据和属性数 捌。交通网络还包括许多特殊的道路情况，如：斜坡( r a m p s ) 、立交桥c r o s s r o a d s ) 、 死胡同( c 山一d e s a c s ) 、不连续的道路( d i s c o n f i n u o u sr o u t s ) 等( 【4 ，s u e t o n ，1 9 9 5 ) 。更重要 的是在交通网络j 二的许多埘象都是动态的，有自身的行为，如：交通流、独立对 象行为等，要对以上种种情况进行描述，就必须建立合理的数据模型。 智能交通系统要求数据库系统能够是实时、完全地接受来自装在交通设施上 的传感器传来的数掘，或全球定位系统传来的数据。原有的点线拓扑结构、二维 地理参照系和线性参照系已经不能满足智能交通系统数据库的要求( 5 ，b r a n s c o m b 1 9 9 9 ) 。因此，需要建立能够提供道路信息，实现导航，实时控制交通灯的交通设 施、自e 够描述交通流等多功能的城市交通网络数据模型。 本论文的总体构架主要采用传统的建模三部曲：首先从具体的城市交通网络 中抽象出一个适当的数学模型，即建立概念模型。然后，设计一系列描述该概念 模型的数槲表、数掘关系、数据操作，即建立逻辑模型。接看，用计算机存储介 质和物理结构实现该模型，即建立物理模型。最后，还通过计算机语占对该数据 模型进行可视化。 本论义的具体实现崽路：首先分机城市交通网络的建模要素，包括道路、道 路中心线、道路边线、交点、车道段、车道。然后，采用面向对象技术建立城市 交通网络的数据模型，引入时间属性，把各种实体作为对象，对于交通网络中的 任何。种交通对象都包括i d 、非空问特征、空间特征、空间关系、事件五个部分。 中山人学硕十论文：城市交通网络数据模型的研究 对于交通对象的这六个要素，文中都作了详细的阐述。然后，本文把道路作为面 状要素描述，从而建立以车道为基本元素的城市交通网络概念模型。作为面状要 素的道路对象直接继承原有道路的非空间特征，通过道路中心线对象和交点对象 来继承原有线状要素的道路特征，包括网络关系，叠加关系等，通过车道段对象 柬增加作为面状要素的道路特征。使该模型既能够处理时空数据，又能够对独立 对象的复杂行为进行描述。接着，在此基础上，建立可描述交通网络的数据结构， 如：道路对象的属性表结构、空间表结构、对象之间的关系表等。再接下来，就 是通过计算机进行实现。对于各种交通对象，主要是通过类来实现的。而对整个 城市交通网络的存储，考虑到其空恻数据量大，而且有大量的历史数掘，因而采 用基于基态修正的存储方式。基于基态修正的存储方式有几种，本文对其进行了 进一步的扩展，认为当基态问呈等比数列时，其存储方式是最优的。最后，把城 市交通网络中的各种对象分成点、线、面、体四类，并对其进行可视化，从而使 城市交通网络数据模型得以在计算机中应用。 1 2 研究现状及存在的问题 l 2 ，1 国外研究现状及存在的问题 传统的交通网络是用点一弧段模型表示的( 1 6 1 ，h a r v e yi ，2 0 0 1 ) 。点表示交叉口、 交通流的起点和终点，而弧段则用来连接两个结点表示道路及其在道路上的交 通流。对有向图来说，弧段的方向表示道路和交通流的方向。而弧段的权值代表 交通流在交通网络中所受到的阻值。点一弧段模型结构简单，能够满足交通电子地 图的需要并且在计算机容易实现。但是，随着智能交通系统的出现，点弧段模 型的不足也逐渐暴露出来。第一，假设弧段内部的属性都是相同的。而实际上一 段道路的属性并不相同，可能道路的前端会宽些，而到了中间会窄些。第二，难 以支持一对多的关系( v i ，f l e t c h e r ，1 9 9 9 ) ，如：一条道路有可能既是省级公路，也是 圈道。第三、点一弧段模型需要平面强化，每条弧段都必须连着结点。这种结构 与现实中的一些情况不符，对立交桥、地下隧道等非平面的结构难以表现。第四、 点一弧段模型不支持时空数据。 2 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 针对第一点，提出了动态分段技术。动态分段技术有两种：固定长度动态分 段( f i x e d ，l e n g t hd y n a m i cs e g m e n t a n o n ) 是把一条弧段等分，等分后的亚弧段【s u b a 岣 是等长的；可变动态分段技术( v a r i a b l e i e n g t hd y n a m i cs e g m e n t a t m n ) 是非等分， 亚弧段不等长( 8 】，n y e r g e s ，2 0 0 0 ) 。对弧段进行动念分段后就能够描述弧段内部的属 性，例如：一段2 0 0 米的道路前1 0 0 米是4 车道，后1 d 。米是3 车道，则可把原弧 段在逻辑上分为两个亚弧段，并在亚弧段的属性表中表明不同的车道数量属性。 以动态分段方法为基础，许多交通部门都纷纷建立自身的线性参照系统 ( i j n e a rr e f e r e n c m gs y s t e m ) 。而学者们也纷纷提出福应的基于线性参照系统提出糨 应的数据模型。如：v o n d e r o h e 等的数据模型( 【9 】，v o n d e r o h e ，1 9 9 5 ) 、d u e k e r 和b u t l e r 的数据模型( 10 ，d u e k e r ，1 9 9 7 ) 。 针对第二点，即为了解决一对多等复杂的空间关系问题，学者们引入了面向 对象技术。通过面向对象技术中的继承、联合、聚集、分类等工具解决了对复杂 空间实体的表示。在面向对象技术中，除了能够描述普通的一对一、一对多、多 对一和多对多等关联关系外，还能描述部分与整体关系、概括关系等复杂的穿间 关系。这方面的数据模型主要有d u e k e r 和b u t l e r 的数据模型( 1 0 l ，d u e k e f ，1 9 9 7 ) ， j u a ne s p m o z a ( 1 9 9 7 ) 的数据模型( 1 1 ，j u a ne s p i n o z a ，1 9 9 7 ) 。 智能交通系统的出现对交通网络数据模型提出了更高的要求。导航是基本的 要求。而d u e k e r 和b u t l e r 的数据模型导航就必然涉及立交桥、上跨路、下跨路、 地下隧道和一些转向问题。动态分段方法和面向对象技术虽然解决了弧段内部属 性不同的问胚，并且能够支持一对多等复杂的空间关系，但是对非平面属性问题 无能为力。因此，城市交通网络的非平面属性问题成为急需解决的热点问题。它 的解决对能否成功导航具有很重要的影响。 针对第三点，即为了解决非平面属性问题，g o t t s e g e n ，g o o d e h i l d 和c h l 】r c h 首 先提出了基于车道的交通网络数据模型( 【1 2 】，g o t t s e g e n ，1 9 9 4 ) 。该模型是对点一孤 段模型以及动态分段方法的进一一步扩展，三者关系见图1 - 1 。 3 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 实体 二二 二口 二 e e 三刍 抽象lii_ i - j il 山 点一弧段模堑!等距动态分段可变动态分段基于车道的数据模型 图1 - 1 ；几种交通网络数据模型 车道的信息能够为i t s 提供许多功能：车道转向、殊车道的交通限制、车道 的交通流分析和建模等功能。基于车道的数据模型能够描述车道的出现和消失， 连接平行韵车道，实现车道的转向，避开交通阻塞，实行交通管制。该模型能够 很好地描述道路的车道变化，道路内部的属性变化，并能够解决车辆的变道问题。 f o h l 等人建立了基于车道的非平面导航数据模型( 1 3 ，f o h l ，2 0 0 0 ) 。车道是交通网 络的最基本结构，它包含了原有的弧段结构。每个车道在动态分段后的数据集都 是独立的道路结构。非平面导航数据模型包括车道属性表( 1 a n et a b l e ) ，点转向表 ( p o i n t 扎r nt a b l e ) , f f l 线性转向表( 1 i n e a rt t l i mt a b l e ) 。各种对象之间的关系主要是通过这 三个表表现出来的。车道的引入解决了车辆在交叉口的变道问题，但仍未解决立 交桥、斜坡等立体交通的描述问题。 b e s p a l k o 等人认为要解决立体交通的问题，就应该摒弃原有的2 d 结构，实现 2 d 向，d 的转换( t l q ，g e s p a l k o ，1 9 9 6 ) 。他们探讨了适合i t s 的面向对象3 d 数据模 型。浚模型用把车道看成是一个狭窄而清晰的平面，类似“丝带”( r i b b o n s ”) 。 道路由多条丝带组成，丝带能分能合。3 d 结构则用丝带与其它丝带之间的关系表 示。如果一条丝带从另一条丝带底下穿过，这条丝带为下跨路：反之，则为上跨 路。3 d 的面向对象数据模型能够解决立体交通的问题，是未来发展的个趋势。 但就目前而吉，3 d 的面向对象数据模型涉及的数据量很大，一条道路从原来的抽 象成一条弧段，到现在的抽象成几条丝带，数据量将成倍增加。 空间数据并不是i t s 数据需求的全部。随着i t s 的发展，时空数据的重要性 显得越柬越重要。如何在数据模型中解决时间问题，成为继3 d 问题以后的又 大热点，】a n g r a n l l ”和c h n s m a n 在 j 9 8 8 年首次提出h 寸间地理信息系统( t g i s ) 的 概念( 1 5 】，l a n g r a n ，1 9 8 8 ) 。国内外的学者纷纷提出各自的时空数据模型理论，以实 现时空数据的一体化存储。而针对i t s 的时空数据模型研究在近两年才开始出现， 但很快就发展起来， 4 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 针对第四点，t o m p i e s 和s c o t t l u e c k l l l 首先总结了i t s 中需要考虑到时间属性 的几个方面( 【16 ，t o mp i e s ，2 0 0 2 ) ：在时间t 物体的属性是什t 么；在一段时间内物 体属性发生了什么变化：在时间t 某个交通区域的! 次态；在一段时间内交通区域 发生了什么变化。文中详细阐述了交通设施和交通规划的生命周期以及时间属性 的一些应用。 n m h o h sk o n c z 在2 0 0 2 年的g i s ，t 会议上提出了基于交通的时空数据模犁 m d l r sd a t am o d e l ( 1 7 ，n i c h o l a s ，2 0 0 2 ) 。该数据模型分为四大部分：交通属性、时 f 日j 对象、空间对象和事件对象。各部分相辅相成，连接成为一个整体。文中详细 阐述了建立该数据模型所需的软件环境，并通过交通网络检验了数据模型的可行 性。基于交通的时空数据模型是i t s 的个重要发展方向。 1 2 2 国内研究现状及存在的问题 在国内，交通网络数据模型的研究也有很大的进展。 自玲等人采用面向对象的方法构建了地理网络的逻辑模型( 1 1 8 1 ，自玲，2 0 0 0 ) 。 文中引入了路径、段、路径系统、事件等概念。实际上，该逻辑模型与采用动态 分段方法的点弧段模型是相似的，在理论和计算机实现上没有动态分段方法的点 一弧段模型完善。 赵鸿铎等采用面向对象建模技术，建立了面向对象的g i s - t 空间数据模型( 1 9 1 赵鸿铎，2 0 0 1 ) 。该数据模型引入基线网。运输拓扑网等概念，使得数据模型独立于 原有的点一弧段拓扑结构。基线网是该数据模型的基础，所有的对象和交通网络部 构筑在基线网上。基线网上的锚固点和锚固段通过一些对应关系在原有地图的点 线拓扑结构上显示出来，它不随地图比例尺的变化而变化。但该数据模型没有采 用车道对象t 虽然提出了总体酌框架但类似转向、上跨路、下跨路等细节阎趣 不能解决，也缺乏对时间属性的支持。 陆锋等人提出了基于特征的城市交通网络非平面数据模型( 【2 0 1 ，陆锋，2 0 0 0 ) 。 该模型是基于车道的非平面导航数据模型的迸一步扩展。该数据模型；f 入了对象 的概念，把道路等作为有特征的对象；引入了车道的概念，以车道作为道路组成 的基本单位：引入高程z ，突破c o r b e t t 2 维平面单元理论( 【2 1 ，h e r o n 昏w 9 9 ) ，使对 道路的描述不在是平面韵。该模型相当于2 5 d 的数据模型，在一定程度上解凌了 5 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 立体交通的问题。陆锋等人通过面向对象的方法，动态分段技术和关系表指针操 作，结合实例描述了基于完整交通特征的菲平面数据库的实现方法( 2 2 j ，陆锋， 2 0 0 2 ) 。陆锋等人的基于特征的城市交通网络非平面数据模型是目前国内最成熟的 非平面数据模型解决方案，它从理论到实际应用都是相当完善的。但对如何使用 面向对象数据库和时间属性的研究以及对交通流的模拟仍然不是很深入，只是点 到即i l 二。 1 3 城市交通网络数据模型的发展方向 g o o d c h i l d 提出g i s t 的发展方向分为三个阶段：地图视图、导航视图、行为 视图( 2 3 ，g o o d d d ! d ，2 0 0 0 ) 。目前的g i s 软件大多处于地图视图阶段，而i t s 导航 所用使用的数据模型则处于导航视图阶段。地图视图使用的主要是传统的点一弧段 拓扑结构，而导航视图使用的主要是城市交通网络非平面数据模型，即2 5 d 或3 d 的数据模型。陆锋等人的数据模型是导航视图阶段比较完善的数据模型。随着 g i s t 的发展，城市交通网络的数据模型必然从导航视图阶段进入到行为视图阶 段。而行为视图主要是处理独立对象( 如：车辆、人、火车、船等) 在线性交通 网络卜的行为。 h a g e r s t r a n d 在1 9 7 0 年首次描述了独立对象的行为变化。他把时间作为第三维， 描述对象在三维空间内的运行轨迹。m a r k 和e g e n h o f e r 后来称之为“空间生命线” ( g e o s p a d a ll i f e l i n e s ) ( 2 4 1 ，m a r k ，1 9 9 8 ) 。随着g p s 的出现，对独立对象行为的描述 变得越来越简单。但是目前缺乏合适的数据模型和分析手段对这些独立对象的行 为进行分析。 行为视图阶段不但包括对简单的独立对象行为的研究，还包括对复杂行为模 型的研究，如：交通流、在一段时间内o d ( o r i g i n d e s t i n a t i o n ) 流描述( 2 5 】， f o t h e r i n g h a m ，1 9 8 9 ) 。行为视图阶段还需要一一系列相应的方法和数据模型，是未来 g i s t 的发展方向。 6 中山人学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 第2 章城市交通网络的概念数据模型 2 1 模型的基本概念( f 2 6 ，陈述彭，2 0 0 1 ) 模型是把一个域( 源域) 的组成部分表现在另一个域( 目标域) 中的一种结 构。源域中表现的部分可以是实体、关系、过程或其它让人感兴趣的现象。建模 的目的是把源域简单化和抽象化。源域的内容转到目标域后，在目标域中进行分 析和处理。而个模型是否有用，就要看它模拟源域的效果和它在两个域间转换 的难易程度。 空间信息模型是通过针对存在于空间实体之间的信息及其变化机制的模拟和 分析，来研究人类生存环境的发展规律。城市交通网络的信息属于空间信息的一 种，是道路、路口、交通灯等具有地理坐标定位的空间实体之间的联系及其相互 作用的表征。 这早，以传统的交叉路口数据模型分析来表示建模的过程。如图1 所示，左 侧代表建模的源域，假设源域是交通网络的一部分，希望对它进行一些网络分析， 如：判断道路之间是否可转。对该交叉路口进行分析的一个恰当的模型可能就是 数学中的一些判断函数，并由此得到目标域；建模函数则把源域中的要素和目标 域中的要素联系起来。可以在目标域中进行判断和分析，分析结果再回到源域( 交 叉路口) 中进行实际分析。 - - 卜d , 图2 - 1 建模的抽象过程 7 一 iil丫)1il 川o h 川 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 图2 - 1 表示了建模的抽象过程。建模函数t r i 作用在源域d 上，源域中的变量 t 转换到目标域后成了m ( t ) ；在目标域的转换结果则通过建模函数的反变换i n v 再回到d 中进行解释。如图2 - 2 。如果模型精确地反映了源域d 中的变量t 的转 换，那么这个建模过程就是有效的。这个建模过程可表示为如下的等式： m y ( m ) o m ( t ) 0 1 3 3 2 t 其中：o 表示函数组织，上式可进一步简化为： r e ( t ) 0 1 t i2 r noc 该结构关系是制图学的数学理论基础所涉及到的内容。 d m ( d ) 圈2 - 2 ：建模函数 对于g i s 来说，其模型从特殊的应用领域模型( 如交通、资源与环境等领域 的分析模型) 到地理信息系统中具体的基于计算机的物理信息模型，在不同的学 科领域都有着非常广泛的应用。如图2 - 3 ，应用域的各种现象就是域模型( d o m a m m o d e l ) 所要模拟表现的主题，应用域模型由领域专家来构造，在这里，各种现象 主要指城市交通网络及其与之相关联的各种交通对象。从简单到复杂的应用域模 型举例如下：一般的交叉路口( 简单) 立交路口( 复杂) 。 概念数据模型，此时实体一关系( e r ) 和对象的模型方法将起作用。例如： 道路被表示为具有一定属性和行为的对象类型，并且该对象类型和其它的对象类 型存在着一定的关系。概念模型通常由计算机科学和实际应用领域的专家合作建 立。 逻辑数据模型，不仅需要考虑对象，而且还要考虑特殊实例情况。如果关系 数据库用来存储交通网络的非空间数据，那么概念模型中的对象( 或实体) 将以 关系组合形式存储在关系表中。信息系统的设计者负责建立这样的模型。 8 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 物理数据模型由系统开发者构建，它使上述模型在特定的计算机系统和平台上得 到实现。 应用域应用域 模型 概念数 据模型 逻辑数 据模型 物理数 据模型 图2 - 3 ：建模的几个步骤 建模时，必须注意模型的质量。模型质量包括准确性( a c c u r a c v ) 和精确性 ( p r e c i s i o n ) 。准确性强调的是经过模型转换后源域和目标域的匹配：而精确性则 与分辨率有关，它强调的是在目标域中量测的精细程度。域的分辨率是在一个域 中所表现出来的能被量测的最小单位。任何模型都有准确性方面的误差，这种误 差来自于两个域的不匹配，它可能是定性的，也可能是定量的。 空间数据的定量准确性始终是个难题，因为这样的误差能迅速地传递而又不 可预测。定量误差可能来自两个域分辨率的不同。空间信息模型的误差问题包括： 位置误差、属性值误差、逻辑一致性、完整性。 2 2 基于对象的空间信息模型( 2 6 】，陈述彭，2 0 0 1 ) 空间信息模型主要分为两种：基于域( f i e i d - b a s e d ) 的模型和基于对象 ( o b j e c t - b a s e d ) 的模型。 基于域的模型把空间存在信息作为连续的空间分布信息的集合来处理，每个 这样的分布可表示为从一个空间结构( 如覆盖在理想的地球表面模型t 的规则格 网) 到属性域的数学函数。基于对象的模型把空间存在信息作为不连续的可被识 别的，具有地理参照的实体来处理。这里主要介绍基于对象的空间信息模型。 9 中山人学硕十论文：城市交通网络数据模型的研究 基于对缘的空间信息模型把信息空间分解为对象( o b j e c t ) 或实体( e n d 竹) 。一 个实体必须符合三个条件：可被识别：重要；可被描述。而有关实体的第三个条 件，则可以通过静态属性( 如道路名) 、行为特征( 如道路上运动的车辆) 和结 构特征( 某条道路在整个交通网络结构中的定位) 来描述实体。 基于对象的模型把信怠空间看作是许多对象( 道路、立交桥、交通灯等) 臼勺 集合，而这些对象又具有自己的属性( 如道路的长度、宽度等) 。 基于对象的模型中的实体可采用多种维度来定义属性，包括：空间维、时间 维、匿形维和文本数字维，如图4 。例如：一条道路可以用一条线表示它的实际 位置( 空削维) ，一个多边形、一条线或一个点代表它在不同概括水平下的制图 表示( 图形维) ，时间变量来表示它刚建成的时间( 时间维) ，还可用一些属性 值描述它的长度、宽度、建造单位( 文本数字维) 。在实际应用中，各种维度的 属性是混合在一起的，如一条道路在不同的时间可能有不同的所有者，因此，基 于对象的建模方法必须允许多维度的混合。 2 3 地理数据文件( g d f ) 的总体概念模型( 2 7 1 ，i s o d i s1 4 7 8 2 5 ( e ) ) 2 3 1g d f 的数据模型 地理数据文件的英文全称为g e o g r a p h i c d a t af i l e s ，简写为g d f 。在本节中， 地理数据文件都以g d f 代替。本节介绍的地理数据文件主要是智能交通系统数据 规范的一部分，主要内容是智能交通系统中涉及地理数据的部分。而城市交通网 络正是这早所讲的地理数据的一部分，因此地理数据文件中的数据模型适合应用 于城市交通网络的数据模型。更进一步说，城市交通网络的数据模型应该符合地 理数据文件中的建模规范。 g d f 的总数据模型参见图2 4 。 1 0 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 2 3 2g d f 的总体数据模型 2 3 2 1 要素模型 在图2 4 模型中处于中心的是要素。要素是真实世界地理实体在数据库中的 表示。真实世界地理实体的例子有道路、建筑物等。注意，在图中注明的要素有 要素实例的意思，例如：一个单独发生的地理要素，如巴黎的埃菲尔铁塔。 图2 4 表明每个要素必须属于一个要素分类和一个要素专题。图2 4 还表明要 素类型和要素专题是由名称和编码唯一引用的。 每一个要素都属于一定的要素分类。例如，一组同一分类的要素实例。每一 个要素所属的分类不会超过一个，杂种的要素是不允许的。这种限制通过“属于” 上面的箭头来标明。每一个要素必须属于一个要素分类。没有分类的要素是不允 许的。这种限制可以通过“属于”与要素相连的位置上的黑点来标明。 此外，图2 4 表明每个要素有零个、一个或更多个的属性，与一个或更多个 的要素相关联。 从图2 4 中也可以看出每个要素都有且只有一个要素类型。被定义的要素类型有 点、线、面和复合要素。在图2 4 罩，这些都是用单边箭头显示的，表明受一个 子类型的限制。 每一种作为子类型的点、线、面要素在数据模型中都出现两次。这与每种要 素类型g d f 都有两种表示方式( 拓扑和非拓扑) 是相关的。为了描述这些差别， 有必要知道被国际标准支持的不同类型的拓扑。首先需要注意的是信息存储在不 同的层次中。此外，图2 4 表明一些要素是由一个或多个要素所组成，这些要素 称为复合要素，例如：一条道路包含组成路段。 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 图2 ，4 总体数据模型 2 3 2 2g d f 中的层次 由不同要素组成的g d f 从概念上分为三个不同的层次。这些层次分别为层次 0 、层次1 、层次2 。耍素是否被分为层次1 或层次2 主要依赖于它们是单一( 层 次1 ) 或是复合( 层次2 ) 。在层次0 上，定义了基本图形元素。这些基本元素分 别为结点( 0 维) 、边( 1 维) 和面( 2 维) 或点、折线、多边形。点、折线和多 1 2 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 边形不能组成复合要素。单一和复合要素之间的差别是单一要素是由层次0 的基 本元素所组成，而复合要素是由单一或其它复合要素所组成。换句话说，复合要 素是由其它要素组合而成。 2 3 2 3 国际标准支持的图拓扑 当描述国际标准支持的不同类型的图拓扑时，指的是层次0 中定义的拓扑。 在要素层次上的拓扑只有在一定情况下才被清楚地定义： 在层次1 ：线要素中引用开始和结束点要素的可能情况。 在层次2 ：复合要素中引用丌始和结束复合要素的可能情况。 在要素的定义中并不支持其它在层次1 明确定义拓扑的情况。如果有必要扩 展，需要用到关系( 请看参见下面的关系模型) 。 在层次0 中，定义了下面的图形拓扑： 不明确的拓扑：要素之间无拓扑关系没有被明确定义。这就是说，拓扑关系 仅仅通过坐标的值来定义。 连通性拓扑：明确定义了0 和1 维要素之间的拓扑关系。没有明确定义这此 要素和2 维要素之间的拓扑关系。 完全拓扑：明确定义了0 维、1 维和2 维要素的所有拓扑关系。 不明确拓扑提供了定义和加工数据的可能性，这是因为空间关系不能通过有 效的途径下达到相关连，如：仅仅用于地图显示的数据。连通性拓扑提供了在有 效途径下执行网络操作的可能性。 国际标准明确地支持这三种拓扑。在完全拓扑中，0 维和1 维要素、结点、边 形成了平面图。面要素通过面这个2 维基本元素来定义。 在连通性拓扑中，0 维和1 维要素，结点和边形成了非平面图。这就是说，在 现实世界的两个要素在不同层次相交( 如：两条路通过桥相交) ，表示这些要素 的边在交叉的地方没有结点。这与完全拓扑下定义的2 维要素有本质的区别。在 完全拓扑f ，一个面要素被定义为由面组成的要素，而在连通性拓扑下，面要素 是通过它们的边界来定义的。边界被定义为由边组成。在图2 4 中有两个选择， 表明面要素可以用面来表示或被表示，也可以通过边的左右来限制或边的关系来 限制。 1 3 中山大学硕十论文：城市交通网络数据模型的研究 正如前面所说，在完全拓扑下，基本图形是平面的。可是现实却不是平面 的。以路为例，路能够与其它路在不同层次交叉。这种菲平面应该在层次1 的拓 扑中引入，还要引入不同等级相分离的交叉口。 在不明确拓扑下，0 维，1 维和2 维的要素，以及点、折线、多边形仅仅通过 坐标值相连。 在剩下的子条款中，完全拓扑方式和连通性拓扑方式都被称为拓扑方式，相 应的要素称为拓扑要素，而不明确拓扑方式被称为无拓扑方式，相应的要素称为 无拓扑要素。 在拓扑方式下，要素通过基本元素结点、边、面来定义。图2 4 中表明一个 拓扑点要素通常是通过一个结点来表示，一个拓扑边要素通过一条或多条边来表 示，一个拓扑面要素既可以通过一个或多个面来表示，也可以通过由一条或多条 边形成的一条或多条边界来表示。图2 - 4 的最底- f 部分表明基本元素，面、边、 点是相互关联的。这意味着这些基本元素的拓扑定义。 在不明确拓扑方式下，要素通过基本元素，点、折线和多边形来定义。图中 表明一个非拓扑点要素是通过一个点来表示的，一个非拓扑线要素是通过一个折 线来定义的，一个非拓扑面要素是通过一个多边形来定义的。正如所见到的，基 本元素之间没有任何关系被定义，这意味着它们的非拓扑特性。 因为假设非拓扑要素完全独立于其它要素，所以非拓扑要素不能形成复合要 素。非拓扑要素不应该和拓扑要素在同一个层里( 如图2 - 5 ) ，这一点很重要，值 得我们注意。另外，现实世界中的对象可能由拓扑要素来表示，不能用非拓扑要 素来表示。特别地，来自要素专题的要素，如：道路、航线、公共运输，不能由 非拓扑要素来表示。 1 4 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 图2 5 层中数据的组织 2 3 3g d f 拓扑要素的基本元素：结点、边和面 g d f 拓扑要素的基本元素分别为结点、边和面。他们包含了与要素相关的几 何和拓扑信息。现实世界的内涵并不包括在内，这将在要素层次中加上。 1 5 中山人学硕十论文：城市交通网络数据模型的研究 一个结点表示地球表面上一个0 维的位置。它由0 维的基本元素组成。 一条边表示地球表面一个1 维的位置。它由1 维的基本元素组成。一条边要 受到起点和终点的限制。 2 维的基本元素是面。它表示地球表面一个2 维的位置。正如前面提到的，面 要素的定义是通过面，国际标准也支持通过边界来定义面要素。而边界是由组成 它的边来定义的。 2 3 4g d f 非拓扑要素的基本元素：点、折线和多边形 g d f 非拓扑要素的基本元素分别为点、折线和多边形。它们包含与它们相关 的要素的几何信息。但不包含这些要素的拓扑信息，也不包含现实世界的内涵， 这些将在要素层次上添加。 一个点表示地球表面上一个0 维的位置。 一条折边表示地球表面一个1 维的位置。 一个多边形通过表示要素边界来表示地球表面一个2 维的位置。 为了明白地定义多边形，有必要把它定义为相关边界坐标的有序集合。多边 形总是位于坐标序列的右边。多边形由多条边界一起定义是允许的。在这种情况 下，内部区域和外围区域根据前面的规律也可以被定义。单独的边界必须明确开 始和结束的坐标。 2 3 5 属性模型 我们把独立于其它要素的要素特征作为属性来模型化。属性是通过名称和编 码来标识的一种属性类型。一个属性实例的值称为属性值，属性值可以是编码、 文本、i d 或值。国际标准指明属性必须与要素一起使用。 在很多情况下，g d f 都定义了属性值。当然，这也有例外的。例如，g d f 扩展的多媒体是通过外部的二进制文档来引用的。这些引用定义了属性值。 属性模型定义了一系列的属性类型，相应涉及的名称、编码可以参见图2 - 6 。 模型定义了与一个特殊属性类型连接的要素分类和关系类型。 图2 - 6 表明一个属性可能是其它属性的集合，我们把这一种属性称为复合属 性。复合属性由很多的子属性组成。语义上说，一个复合属性指定一个集合的值， 这个集合的值由很多其它值所组成，而这些值又由各个子属性的值指定。在大多 1 6 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 情况下，像正常属性的值、子属性的值是独立的。它们在复合属性中出现表明这 样一个事实：它们仅仅只有与其它子属性的值组合起来才显得重要。子属性值不 独立的情况就是一个属性( 单一或复合) 由一些由所谓受限制的子属性组合而成。 在这种情况下，属性的有效性被受限子属性的值所限制。受限子属性可能不会单 独地与一个要素相连。它们会与它们所限制的属性一起出现。受限制子属性之间 可能有关系。在这种情况下，它们限制关系的有效性。 2 3 6 关系模型 图2 - 6 属性的数据模型 语义的关系是两个或多个要素之间有含义的连接。这些要素不必属于不同类 型。此外，被语义关系连接的要素可以在同一层，也可以在不同层。 具有相同结构和相同含义的语义关系被归为同一个关系类型。一个特定关系类型 通过关系名称和关系编码来引用，如图2 7 。 在大多数情况下，关系是二元的，如，包括两个要素。可是也有三个或更多 要素被包括在关系中的例子。如：禁止调整的关系需要有一个路段、一个路口和 1 7 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 另一个道段。这些要素实例的发生顺序是重要的。这就是为什么图2 - 7 要表明 “p a r t n e rn o ”的原因。“p a r m e r n o ”指一个要素类型在关系中应该发生的顺序。 关系需要通过属性使自身更加符合要求。一组相连的属性可能是，也可能不是有 序的序列。事实上，对于一个特殊关系类型来说，一系列相连的属性是否是一个 有序的序列是已经明确指定的。 2 3 7 要素表示图解 图2 7 关系的数掘模型 要素模型、属性模型和关系模型在一个广泛范围内的应用都被认为是有效的。 在要素表示图解中，我们将进入一个更受限制的应用世界。这些应用都共享相同 的表示要求。例如，在要素表示图解中，我们应该认为道路元素是一个线要素。 而在其它的要素表示图解中，也许，我们应该认为道路元素是一个面要素。 要素表示图解的最重要作用是指定一个要素属于某一个要素类型或对一个特 殊的要素分类进行分类。需要区分七种不同的类型：拓扑点、线和面要素，复合 要素，非拓扑点、线和面要素。 图2 - 8 阐明了在一个特殊要素分类中有两种不同的可能性存在。 所有的实例都是一种或相同的类型。 一些实例是一分类型，另一些实例是另一分类型。 图2 - 8 要素表示的数据模型 1 8 中山大学硕士论文：城市交通网络数据模型的研究 2 3 8 数据管理 我们可以认为一张电子道路地图的内容是结构化的，并与要素内容一致。国 际标准确定了定义这种可能性的需要。这种定义可能性来自g d f 中各种不同独立 数据集。一个g d f 数据库在数据总集中存储数据。数据总集由n 个卷( 物理容积) 组成。数据的划分仅仅在物理层次上发生。这就是说，组成数据库的文档因一卷 的容量已满而在某个记录中断，又会在另一个卷中继续。 在数据库中的数据能够划分为一个或多个数据集，而一一个数据集又包含来自 数据库所覆盖的总区间中的一个数据子集间。在数据集内，可以根据要素内容来 进行划分。这将把一个数据集分为一层或多层。每一层都应该仅仅包括非拓扑要 素或拓扑要素，如图2 - 5