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基于线性参考系统的交通标线设置研究 专业：交通信息工程及控制 硕士生：李红伟 指导老师：陈晓翔教授 黄敏讲师 摘要 交通标志、交通标线、信号灯路栏、值勤亭、路栏闸口等交通管理设施作 为硬件对交通组织发挥着举足轻重的作用。交通标线是其中十分重要的一种交 通管理设腌。它以规定的线条、箭头、文字、立面标记、突起路标或其他导向 装置，为交通参与者提供明晰直观的交通信息，来管制和引导交通。 本文的研究目的是根据路网对交通标线设置进行初步的探索。论文依据路 网拓扑数据以及前人的研究，引入路段导向状态和设计车速等数据，初步构建 了适合交通标线设置的路网数据模型；根据交通标线的特征及其与路段的关 系，构建了基于线性参考的交通标线数据模型。接着根据国家交通标线设计设 置标准、规范以及专家经验知识建立了交通标线设置规则，用于交通标线设置 的智能化推理。然后论文研究了基于线性参考的交通标线设置方法及步骤：根 据路网数据和交通标线设置规则经过推理判断，得出交通标线事件数据，并采 用线性参考系统中动态分段技术自动生成交通标线。最后，论文介绍了道路交 通标线系统的设计和开发技术，并介绍了具体的应用示例。示例表明，论文建 立的交通标线数据模型及设置方法适用于交通标线自动设置，交通标线自动、 智能化设置是有效的、可行的。 关键词：交通标线线性参考系统路网拓扑 r e s e a r c ho fr o a dm a r k i n g ss e t t i n gb a s e do nl i n e a r r e f e r e n c i n gs y s t e m t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r o l n a m e ：h o n g w e il i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i a o x i a n gc h e r t l e c t u r e rm i nh u a n g a b s t r a c t t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e me s t a b l i s h m e n t ss u c ha sr o a ds i g n s ，r o a dm a r k i n g s ， s i g n a ll a m p 。b o o t hf o rt h el i n eo fd u t y , s h u t t e ro fr o a db a l u s t e ra n ds oo n , e x e r t g r e a tu s ei nm a n a g i n gt r a n s p o r t a t i o n r o a dm a r k i n g s ，a so n ev e r yi m p o r t a n tk i n do f t h e m ，p r o v i d e s i n t u i t i o n i s t i ci n f o r m a t i o nf o rp a r t i c i p a n tt oc o n t r o la n di n d u c t t r a n s p o r t a t i o n , t h r o u g hp r e s c r i p t i v el i n e ，a r r o w , l e t t e r , m a r k ，p r o t i l b e 瑚tr o a ds i g n o ro t h e ri n d u c t i v es e t t i n g t h ei n t e r e s to ft h i sp a p e ri st om a k eap r i m a r ye x p l o r a t i o ni nh o wt os e tr o a d m a r k i n g si n t e l l i g e n t l y f i r s t ，b a s e do nt h er o a d - t o p 0 1 0 9 ya n df o r m e rr e s e a r c h , a d d e d t h es t a t eo fr o a dd i r e c t i o na n dp l a n n i n gs p e e d ，e t c ，t r a f f i cn e t w o r ki se s t a b l i s h e d p r i m a r i l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fr o a dm a r k i n g sa n dt h er e l a t i o nw i t hr o a d ， i t sd a t am o d e li sb u i l tw i t ht h er e s u l to fi i n e a rr e f e r e n c es y s t e m s e c o n d ， r e g u l a t i o n si ss e tf o ri n t e l l i g e n tr e a s o n i n ga c c o r d i n gt or e l a t e ds t a n d a r d s ，r u l e sa n d e x p e r t se x p e r i e n t i a lk n o w l e d g e t h i r d ，t h ep a p e rp r o v i d e sam e t h o do fb u i l d i n g m o d e lf o rr o a dm a r k i n g s a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo fd e s i g n i n g a n dd e v e l o p i n gr o a d - t o p o l o g ya n dac o n c r e t ea p p l i c a n te x a m p l ei si n d i c a t e d ，w h i c h p r o v e st h ed a t am o d e la n dm e t h o df o rr o a dm a r k i n g si se f f e c t i v ea n df e a s i b l e k e yw o r d ：r o a dm a r k i n g s ，l i n e a rr e f e r e n c es y s t e m ，r o a d t o p o l o g y 1 1 引言 第1 章绪论 道路交通管理设施( 包括：交通标志、交通标线、交通信号灯) 是公安机 关根据道路条件、交通条件和交通法规的有关条文的规定而设置在道路上的设 施，是对道路交通实现科学管理的重要手段。它是交通控制中静态交通控制的 一种，在保障交通安全、提高交通流量、维护秩序、缓解交通堵塞等方面起着 极其重要的作用：同时道路交通管理设施也是民警处理交通事故的一种法律依 据】。 随着国民经济的快速发展，各大城市的交通基础设施和交通需求快速增 长，特别是一些现代化的国际大都市，道路交通设施已经成为城市建设的重要 组成部分，并逐步成为重要的城市景观：道路设施的好坏，不仅影响人们的生 产、生活，同时还影响城市的形象。因此。必须建立一套完整的科学管理体系。 我们需要改革管理体制、提高道路交通设施管理水平，提高我们的宏观综合交 通管理水平，辅助交通管理决策。必须管理好道路上数量庞大的交通设施信息， 改变因对设施分布情况掌握不清而造成设置交通设施的随意性、盲目性。 道路交通标线是十分重要的一种道路交通管理设施，它是以规定的线条、 箭头、文字、立面标记、突起路标或其他导向装置，为交通参与者提供明晰直 观的交通信息，来管制和引导交通【2 l 【3 1 。标线是道路的语言，是无声的交警， 为交通参与者提供明晰直观的交通信息，在高速公路上、城市道路和其他道路 的交通运营管理中发挥着举足轻重的作用。驾驶员在道路上安全高速的行驶， 有赖于道路线的轮廓分明，在路面标线和视线诱导设施的指引下，建立了行进 方向的参照系，司机对其视野范围更远的道路走向树立了信心。因此，路面标 线是引导司机视线，管制司机驾车行为的重要手段，它可以确保车流分道行驶， 导流交通行驶方向，指引车辆在汇合或分流前进入合适的车道，加强车辆行驶 纪律和秩序，促使更好地组织交通。正确设置交通标线能合理的利用道路有效 面积，改善车流行驶条件，增加道路通行能力，减少交通事故。驾驶员通过路 面标线获得导向、停车位置和其他信息。只有所有的标线都是一致的，驾驶员 l 才不会混淆和弄不清标线的目的。 随着城市化、汽车化和城市规模的不断扩大，城市流量也目益加大，城市 道路供求关系变化的周期缩短交通基础设施的建设明显滞后于城市发腱的 速度，由于已有城市道路系统无法满足需求，城建部门不断新建、改建和扩建 道路系统，使得整个城市道路网络变得更加的庞大和复杂【4 1 。一方面新建的道 路或临时路线开通前，所有必要的路面标线必须就位。不再使用的路面标线应 该立即移开以避免对驾驶员可能造成的误导。由于没有经过严格的智能化判 断，设置的交通标线与实际情况相比较会显得不够合理。另一方面由于旧的道 路标线存在很多的不合理的地方，比如道路交通标线老化脱落、模糊不清，有 些在施工后没有重新划，交叉重叠。 目前交通标线等道路交通管理设施的设置常采用经验的办法，有峰设施设 置时虽然参照了国家的标准，但总体上还不够科学化、规范化和系统化。而且 在目前信息化弋速发展的时代，智能交通的发展也越来越快、应用越来越广泛， 交通标线等交通管理设施作为硬件对交通组织发挥着举足轻重的作用。交通管 理部门原有的管理方法相对于不断增加的道路标线已经显得不足，不能及时对 标线进行有效的管理，缺乏有效的智能化手段。这会导致即使是为了满足不断 增长的交通需求而新建的道路也无法有效地疏导交通，反而使得交通变得更加 的拥挤和阻塞。如何使新建道路和原有道路的交通标线变得更加的合理和美 观，能更好的引导交通流，确保交通畅通、便捷和安全；如何利用g i s 收集、 管理、更新与利用这螳动态信息分析交通资源，如何对交通标线进行智能化的 设置、管理和判断，成为日益关注和曛待解决的研究课题。 1 2 国内外交通标线的研究概况 国内外对整个交通管理设施方面一直在不断的研究中，研究的范围也比较 广泛，但其中针对交通标线的研究却相对较少。并且目前国内外对交通标线的 研究主要还是集中在标线的分类、设计、制造、设置、施工等通用规则与标准 方面【5 1 ，对于交通标线智能化设置方面的研究甚少。本节就介绍国内外的相关 应用研究状况。 交通标线作为基本的交通管理设施，已被大多数国家纳入国家标准中进行 2 规范管理。我国现行的国家标准g b 5 7 6 8 1 9 9 9 道路交通标志和标线【6 l 规定 了交通标志和标线的分类，给出了标志标线的设计、制造、设置、施工等要求， 它是交通标志标线的总体设置规则。另外城市道路交通标志标线设置指南 1 7 1 ，给出了标志标线具体的、详细的设置规定。美国联邦公路管理局( f h w a ) 和国家统一交通控制设备委员会颁布的统一交通控制设备手册( m u t c d ) 中 规定了包括交通标线在内的道路交通控制设施的安装和维护的标准。其它类似 的标准规范还有日本的道路标识手册，加拿大的交通控制设施手册等。 美国对标线设计不仅重视其使用寿命和外观，而且对标线的性能指标要求 很高，特别强调标线的逆反射性能、视认性、防粘污性和防滑性以及通过标线 时车辆的平顺性等。美国的联邦高速公路协会( f h w a ) 于2 0 0 0 年颁布新的标 线法规，用计算机辅助的道路标线能见度测定仪来评定标线的能见度，并明确 规定了标线的逆反射性能的最低要求。在美国有3 2 个州参与了对各种标线材 料和路面分类评定的研究。 除了交通标线的标准规范【8 】外，还有学者从多个角度对交通标线进行研 究。 不少学者关注于交通标线图像识别、采集、检测。章先阵和严新平等针对 交通标线图像自动识别、采集技术进行了相关研究，对交通标线图像进行分割， 进行标线破损自动探测研究1 9 1 。o t s u k a l l 0 1 和余天洪等的研究基于机器视觉， 对道路边界及交通标线等车道标识进行识别，以引导车辆自动驾驶。蒋刚毅和 郁梅1 1 2 1 等利用图像处理技术，针对公路上车道标线的图像特征，将图像平面的 车道标线分割为下标线和上标线，研究了它们的性质。在此基础上，提出了基 于车道标线分解的车道检测新方法。 一些学者研究交通标线对驾驶行为的影响。s t u a r tt g o d l e y 等从人的视觉 影响着手，研究了标线设置对行车速度，行车安全的影响【”1 。张殿业和张开冉 研究表明，车辆在有边缘线的道路上行驶比在仅有中心线或无标线的道路上 行驶时更居中，尤其是在晚间行车时。边缘线能促使驾驶员准确、稳定驾驶，提 高交通安全度1 2 1 。对驾驶员心率变异系数和稳定性测试表明，在有边缘线的道 路上行驶不易疲劳。 还有许多学者针对交通标线采用的涂料进行了广泛的研究，包括反光标 3 线、热熔标线等。杜玲玲在对比各种标线涂料成本后指出：要强调提高杯线的 视认性，防粘脏性，防滑性，通过的平顺性，雨天和夜晚的反光性等实际使用性 能【”】。并介绍国外的道路标线新标准以及新材料和新设备指出今后的标线 材料应是长效型、环保型、经济型和智能型的。付建伟等对当前道路交通标线 涂料应用的状况进行了分析，并对各种类型的性能和优缺点进行对比，对涂料的 合理选用提出了建议1 1 6 】。 另外，孙荣强等分析了交通标志杯线设置中存在的问题，从交通工程的角 度，提出了一蝗解决方法【1 7 l 。另有研究探讨了包括交通标志标线系统在内的道 路交通静态导向系统的组织功能、导向作用和服务水平，寻求满足道路交通发 展、以及i t s 发展要求的道路交通导向设计规则。 1 3 标线系统应用介绍 交通标线是道路的语言，是无声的交警，为交通参与者提供明晰直观的交 通信息，在高速公路上、城市道路和其他道路的交通运营管理中发挥着举足轻 重的作用。随着社会经济的快速发展，人们对交通运输的需求日益增加，促使 交通运输与民众的日常生活关系更加密切。因此，有关交通运输的公路工程在 不断兴建或扩建中。 由于交通标线在交通诱导中发挥着重要的作用，国内的很多城市在设置交 通标线的实践中，积累了不少的经验。上海市市政局、市交警总队修订了上 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。 目前单独针对交通标线的系统应用并不多，大多都是包括了交通标志、标 线的交通设旌管理系统应用。 1 3 1 国外应用介绍 以美国和日本为主的先进国家，相关研究起步较早，目前已有较成熟的研 究成果，相应的系统也已广泛的投入实际应用。 d y n a c a t m s 是由美国1 r a n s d ”公司开发的一套交通管理系统，该系统 包括交通控制、设施管理、交通流信息采集、视频监控，紧急事件处理等功能 模块。其中设施管理模块是系统核心模块之一，为其他模块提供基本设备信息。 4 韩国庆一大学研发的城市道路交通管理设施信息系统是一个标准设施管 理系统，它的地理信息数据库基于a r c g l s 平台，系统提供c a d 制图工具，用 户通过该工具将设施空间与属性信息录入系统中，系统除提供一般设施信息系 统所具有的数据管理与查询统计等功能外，还使用v r m l 技术提供3 d 场景显 示。 1 3 2 国内应用介绍 近年来，我国国内在智能交通研究与应用方面也有了很大的发展，部分系 统也进入实用阶段。 北京市公安局公安交通管理局设施处开发了北京市道路交通设施管理系 统，系统采用a u t o c a dm a p 管理空间数据，m i c r o s o f ts q ls e r v e r 关系数据库 管理属性数据。设施数据由设施处历时一年普查得到。该系统包括地形图管理、 交通设施数据库管理、道路区县管理、交通设施管理及其辅助工具。系统通过 计算机对各种道路设计图、交通设施设计图进行管理。并能进行交通设施的查 询、统计、更新，为管理部门提供辅助管理和决策分析功能。 西安市设施管理与交通诱导系统由西北大学开发，系统的地理信息平台采 用m a p l n f o 系统功能如下： 1 1 系统面向对象空间数据图层的分层管理； 2 ) 地图信息的空间查询，并将结果或生成统计报表，或在地图上动态表示； 3 ) 空间信息的编辑修改，实现动态的数据更新； 4 ) 路口信息的三维场景的模拟，对路口的信号灯、路口标线、路口场景以 及路口地f 管线进行模拟显示。 光声科技研发的交通设施管理系统通过对管理机构、人员信息、道路现状 信息、环境信息、交通安全管理等信息的综合管理，借助数据采集录入转换、 图形编辑、图库查询、专题图制作、空间分析、模拟演示、制图输出、图库维 护等基础支撑功能模块，提高了公路交通规划业务处理能力。 然而，耳前国内外的交通标线等交通设施系统，几乎都仅具有管理、显示 等功能，而缺少智能化设置及判断的功能。因此本文的研究将对交通标线的自 动设置进行研究，并根据研究以期对交通标线进行智能化的判断、检验。 5 1 4 研究内容及目标 如前1 3 节所述，目前对交通标线的研究主要集中在标线的通用设置规范， 标线图像识别、采集、检测，标线对驾驶行为的影响和设置标线采用的涂料标 线等方面，极少研究是关注于交通标线智能化设置、判断方面。然亓i 如何对道 路上的交通标线进行自动化、智能化设置是智能交通管理及诱导功能的蘑要体 现，因此，本文的研究将围绕这方面进行。 本文的研究目的是对交通标线设置进行初步的探索。论文初步构建适合交 通标线设置的路网数据模型：接着根据道路交通标线设置的相关规范规f l i 旧】 进行智能化推理，得出需设置的交通标线数据：然后根据得出的交通标线数据 参考道路网络自动生成交通标线。 论文依据路网拓扑数据，在交通指路标志模型研究的基础上，参照交叉 口特征【2 l 】，在数据模型中引入路段导向状态和设计车速等属性，初步建它了适 合交通标线设置的路网数据模型；根据国家交通标线设计设置标准、规范以及 专家经验知识建芷了交通标线设置规则，用于交通标线设置的智能化推理：接 着。根据交通标线的特征及其与路段的关系，参照线性参考系统，构建了交通 标线数据模型；最后根据上述研究结构，论文根据路网数据和交通标线设置规 则经过智能推理，得出交通标线数据，并采用线性参考系统中动态分段技术自 动生成交通标线，目前町以实现常见的几种交通标线的设置。 有关论文的研究工作有以下几点需要说明： 1 ) 论文对交通标线设置的研究是初步试探研究，目的在于探索方法，并 为进一步研究奠定基础。 2 ) 论文中假设路网是理想化的，即同一路段宽度足不变的，并且同一路 段的车道数量不变。 3 ) 针对实际情况，论文目前研究的是几种常见并且形状比较规螫的交通 标线。 在以后进一步研究中会根据路网的现实情况，做相应的研究工作，以使本 研究更加完善、更实用。 6 1 5 论文的结构大纲 本文由以下几个部分构成： 第一章：引言。阐述交通标线等道路交通设施的应用研究现状，并对交通 标线系统得应用进行了分析，指出了进行交通标智能化设置研究的重要性，并 介绍了论文的研究内容及目标。 第一二章：研究基础。首先介绍交通标线的基本情况及特点；另外介绍了标 线设置时所采用的技术一线性参考和动态分段技术方法。 第三章：面向交通标线设置的数据模型。首先结合本文需求介绍了路网理 论；接着借鉴已有路网拓扑数据模型，引入路段导向状态和设计车速等数据， 初步构建了适合交通标线设置的路网数据模型；根据交通标线的特征及其与路 段的关系，构建了基于线性参考的交通标线数据模型。这是本文的一个重点。 第四章：根据第三章的研究，以路网和交通标线的数据模型为基础，建立 了交通标线设置规则及相应的推理判断方法，给出了基于线性参考的交通标线 设置方法及流程。 第五章：本章在前面研究的基础上，探讨了基于g i s 平台的交通标线设置 系统的总体设计、开发采用的技术及系统的主要功能。 第六章：总结与展望。归纳了论文的主要研究工作，总结了论文的主要贡 献，并对将来的进一步研究前景及发展趋势做出补充。 7 第2 章基础知识及关键技术 2 i 交通标线简介 道路交通标线是交通安全设施的蘑要组成部分，由标划于路面上的各种线 条、箭头、文字、立面标记、突起路标和轮廓标等构成，是引导驾驶员实现、 管制驾驶员驾车行为的重要设施( 图2 一1 ) 5 1 。 图2 - i 交通杯线示意图 道路交通标线，起着管制和引导道路交通的作用，在道路交通管理中同样 有重要地位【2 】【3 1 。作为道路标线，其功能应为： 1 ) 分离不同的道路使用对象，如重型车、轿车、自行车与行人等； 2 ) 规定不同的交通走向，如分离车流、定义交叉路1 ：3 、指示道路的出入 口等： 3 ) 向道路使用者提供信息，如速度限制、道路标记、方向指示等： 4 1 强化道路规范以保障安全。 交通标线在交通控制中起着十分重要的作用吲。在一些情况下，用它们来 补充其他设施诸如交通标志或信号的规定或警示。在其他情况f ，单独用它们 8 表达从其他设施不能获得的特定的规定和警示。道路交通标线与道路交通标志 相互补充，两者可以配合使用，也可以单独使用。道路交通标线和道路交通标 志在内容、性质、作用上有许多共同点，但也有一定的区别。例如交通标志的 管理范围只能大致地指出，而交通标线本身就十分明确地划清了其适用范围和 界限。 2 1 1 交通标线的分类 交通标线有以下几种分类方式【5 】： 1 ) 按设置方式分 纵向标线。沿道路纵向敷设的各种标线，如双向车道中心线、车道分界线、 车道边缘线、车道宽度渐变段标线和接近路而障碍物标线等。 横向标线。沿与道路行进方向垂直的方向敷设的标线，如停止线、减速让 行线、人行横道线等。 其他标线。以上两类以外的敷设的标线，如导流线、停车位标线、港湾式 停靠站标线、出入口标线、左转弯导向线等。 2 ) 按功能分 警告标线。促使车辆驾驶人员及行人了解道路上的特殊情况，提高警觉， 准备防范应变措施的标线。 指示标线。指示车道、行车方向、路面边缘、人行道等设施的标线。 禁止标线。告示道路交通的遵行、禁止、限制等特殊规定，车辆驾驶入员 及行人需严格遵守的标线。 3 1 按型态分 线条。标划于路面、缘石或立面上的实线或虚线。 字符标记。标划于路面上的文字、数字及各种图形符号。 突起路标。安装于路面上用于标示车通分界、边缘、分合流、弯道、危险 路段、路宽变化、路面障碍物位置的反光或不反光体。 路边线轮廓标。安装于道路两侧，用以指示道路的方向、车道边界轮廓的 反光柱( 或片) 。 9 本文的研究是在路网的基础t - ，对交通标线进行设置，关注点是交通标线 与路网间的相瓦关系。因此本文选用按设置方式对交通标线进行分类，分为纵 向标线、横向标线和其他标线。 2 1 2 交通标线的标划区分 道路交通标线的标划区分如下口】： 1 ) 白色虚线：划于路段中时，用以分隔同向行驶的交通流或作为行车安 全距离识别线；划f 路口时，用以引导车辆行进。 2 ) 白色实线：划f 路段中，用以分隔同向行驶的机动车和非机动车，或 指示车道的边缘；设f 路口时，可用作导向车道线或停止线。 3 ) 黄色虚线：划于路段中时，用以分隔对向行驶的交通流。划f 路侧或 缘石上时，用于禁止车辆长时在路边停放。 4 ) 黄色实线：划于路段中时，用以分隔对向行驶的交通流；划于路侧或 缘石上时，用以禁止车辆长时或临时在路边停放。 5 ) 双白虚线：划于路口时，作为减速让行线；设于路段时，作为行车方 向随时间改变之可变车道线。 6 ) 双黄实线：划于路段中时，用以分隔对向行驶的交通流。 7 ) 黄色虚实线：划于路段中时，用以分隔对向行驶的交通流。黄色实线 - n 禁止车辆超车、跨越或回转，黄色虚线一侧在保证安全的情况下准许车辆 超车、跨越或回转。 8 ) 双白实线：划于路口时，作为停车让行线。 2 1 3 本文研究的交通标线 本文对交通标线的设置研究主要是为交通标线智能管理和检验判断提供 决策服务。本文对交通标线设置的研究是初步试探研究，目的在于探索方法， 因此在研究时选取了几种常见的、形状比较规整的交通标线进行相关研究。经 分析比较，选择了以下几种交通标线作为研究对象【5 】： 1 ) 双向车道中心线：用于分隔对向行驶的交通流。 双向两车道路面中心线( 图2 2 ) ，分隔对向行驶的交通流，在保证安 1 0 全的情况下允许车辆越线超车或左转弯。 图2 - 2 双向两车道路面中心线 中心黄色双实线( 图2 3 ) ，严禁车辆跨线或压线行驶。 图2 - 3 中心黄色双实线 中心黄色虚实线( 图2 - 4 ) ，实线一侧禁止车辆越线或左转弯，虚线 一侧准许车辆越线超车或左转弯。 图2 - 4 中心黄色虚实线 2 1 车道分界线( 图2 5 ) ：为白色虚线，用来分隔同向行驶的交通流，设 在同向行驶的行车道分界线上。在保证安全的情况下，允许车辆越线变换车道 行驶。 图2 - 5 车道分界线 3 ) 车道边缘线( 图2 6 ) ：白色实线，用来指示机动车道的边缘，或用来 划分机动车道与非机动车道的分界。 图2 - 6 车道边缘线 4 ) 人行横道线( 图2 7 ) ：为白色平行粗实线( 斑马线) ，表示准许行人横 1 1 穿车道的标线。 图2 - 7 人行横道线 5 ) 停止线( 图2 - 8 ) ：白色实线，表示车辆等候放行信号或停车让行的停 车位置。 图2 - 8 停止线 6 ) 导向箭头( 图2 - 9 ) ：表示车辆的行驶方向，颜色为白色。 黼铜 2 2 线性参考系统 图2 - 9 导向箭头 线性参考系统( l i n e a r r e f e r e n c i n g s y s t e m ，简称l r s ) 包括线性参考方法， 基础线性网络和线性分布事件( 包括设施) 1 2 3 1 。线性参照系统的两个核心技术 是线件参照基准的建茳和动态分段技术。所谓线性参考方法就是怎样确定线性 分布事件( e v e n t ) 在线性网络中的位置。常用的线性参考方法有里程参考、 分段参考、地址参考和观测点参考。线性参考方法的关键是线性量测方法，其 线性网络包括线性道路网和控制点集。线性分布事件则是沿线性网络分布的设 施或事件，如桥梁、交通事故等。线性参考系统的一个特点是：只有一个基础 1 2 线性网络具有几何特征( 即空间坐标) ，线性分布事件仅表达为属性，但这些 属性可以通过线性分段技术在地理信息系统中显示其空间位置( 既线性网络中 的点或线段) ，其条件是这些属性具备线性参考方法的基本要求。 从本质上说，l r s 是在离散的弧段一结点数据结构上建立了一个连续的一 维结构。它的引用不仅极大地方便了交通用户对g i s 的认识和利用，而且为不 同的交通管理的数据实现共享提供了简单可行的方法。此外，l r s 为动态分段 技术提供了强有力的支持。以下是线性参考系统的几个基本概念2 引。 路径；指任意的线性物体，如街道，高速公路，河流或管道等。有一个唯 一的识别码和一个测量系统。 路径位置：描述沿着一条路径的一个离散位置( 点) 或者一条路径的一个 部分( 线) 。一个点的路径位置用一个测量值( m 值) 来描述，如“路径i 一9 l 上3 2 里处”。一条线的路径位置用两个m 值“从一”和“至一”来描述，如“路 径i 一9 l 从2 里至4 里段”。 路径事件：当路径位置及其相关联的属性被存放在一张表上时，即被称为 路径事件或事件。一个路径事件表至少包含两个字段：一个路径识别及一个m 值。路径事件可分点事件和线事件。 点事件：点事件发生在一条路径上的一个精确位置点，如高速公路上的事 故点，铁路线上的信号点，公共汽车线路的公共汽车站台等。点事件用一个m 值来描述其位置。 线事件：线事件描述路径的一部分。用两个m 值来描述其位置。 动态分段：计算路径事件的地图位置或形状的过程就是动态分割。其结果 是把事件表转换为事件源。 2 2 1 线性参考系统的优点 1 ) 交通地理信息系统( 简称g i s t ) 需要一个统一的位置参考系统。任 何一个路网都有一个位置参考系统：x y 坐标参考系统或者是线性参考系统。 由于交通信息系统中的事物与事件通常沿交通线性网络分布，采用线性参考系 统使得g i s t 能够采用一个统一界面融合各类不同的交通信息数据，简化系统 的查询方式【2 4 1 。 1 3 2 ) l r s 减轻空间数据输入的工作量。线性参考系统的最大优点足：交通 嘲络中的宅日】事物或事件( 点或线段) 不需要用几何形式( 即图形化) 存储在 数据库中，而是以属性形式存在。也就是说，不需要用地图数字化的方式将所 有空间信息( 如桥梁，沿线旅馆，加油站等) 输入数据库，而只需输入线性参 考方法所需的数据项( 如距离或者地址等) ，然后采用动态分段技术来显示这 螳事物或者事件的宅间位置，这样就减少了大量的地图数字化的工作。 3 1l r s 的查询比较灵活，即可直接通过数据库查询，也町通过窄间奢加 分析进行查询；一般基于l r s 查询过程是这样：如果输入一个x y 坐标查询5 公里范围内的旅馆，只作一次叠加分析，即叠加x y 坐标为中心的圆周与交通 网络，然后查询位于网络中的旅馆，再通过动态分段方法显示在交通网络中。 2 2 2 线性参照系 基fl r s 的建库方法依线性参照系而定，所有线性参照系的理论基础部 是：沿线性目标分布的未知点，如果知道离一定点的距离和方向，则可以确定 它的位置。常用的有两种线性参照系：1 ) 道路名与公路里程参照系；2 ) 链一 节点线性参照系。 以图2 1 0 所示地图为例。 图2 1 0 线性路段 1 1 依据道路名与公路里程参照系 ( 1 ) l r s k e y s ：道路名( 如：中山大道) ，公路早程( 如：a 点为起始点0 公黾，b 点为终点1 5 ，5 公里) ： ( 2 ) 数字化图形线段：a b ( 中间不分段) ； ( 3 ) 线段属性：道路名，起始点里程、终点里程： ( 4 ) 属性表( 沿线( 表2 1 ) ) ； 1 4 表2 - 1 道路名与公路里程参照系属性表 i dr o a d n a m ed i s t a n c e b l 中山大道 6 5 公里 b 2 中山大道2 2 公里 s 1 中山大道1 2 8 公里 h l 中山大道8 0 公里 2 ) 链一节点线性参照系( l i n e n o d e m e t h o d ) ( 1 ) l r sk e y s ：l i n k l d ，d i s t a n c e ； ( 2 ) 数字化图形线段：a - c ，c d ，d - b ； ( 3 ) 线段属性：道路名，起始点距离( 如a ：o o ) 、终点距离( 如c ：2 5 ) ； ( 4 ) 属性表( 沿线( 表2 2 ) ) ； 表2 2 链一节点线性参照系属性表 i dl i n k l dd i s t a n c e b ll0 6 公里 b 22 1 0 公里 s l 30 8 公里 h l2 0 5 公里 道路作为一系列空间实体集，通过道路里程建立线性要素与属性信息间的 相互关系可以避免属性信息的相互重叠，便于各种数据的存储、管理和分析。 链( 线性) 和结点参照系利用结点( 交叉口、道路终点等) 和连线，试图模拟道 路网的拓扑关系。链一节点线性参照系提供对坐标几何和实际道路网拓扑结构 的访问。与前一种参照系相比，基于链和结点的参照系更为灵活。所以在本文 的路网设计中采用这种参照系作为动态分段技术的参照系。 2 2 3 动态分段 动态分段( d y n a m i cs e g m e n t a t i o n ) 是在传统的g i s 数据模型的基础上利 用线性参照系统和相应算法，在需要分析、显示、查询及输出时，在不改变要 素位置( 坐标) 的前提下，建立线性要素上任意路段与多重属性信息之间关联 1 5 的技术【2 5 】。动态分段实质上是建立在弧段一节点数据结构七的一种抽象方法， 通过一定影射关系，将动态段对应回原有的g i s 数据库中。在动态分段数据结 构中，空间实体类型包括：节点( n o d e ) 、弧段( a r e ) 、链( l i n k ) 、环及多变 性，此外还引入了点状事件( p o i n te v e n t ) 、线状事件( l i n e a re v e n t ) 、段( s e c t i o n ) 等概念。这样，可在不改变原有空间数据结构的条件下，方便地处理与表达多 重属性关系。 动态分段是将表形式存储的线性参考数据( 通常称为事件( e v e n t s ) ) 转 换为要素的过程。例如，交通管理部门可以根据道路交通情况将道路动态地分 段。相应的描述其交通状况的属性能够在不破坏道路网络的情况下加以维护。 动态分段过程对f 数据有两个要求：事件表中的每一个事件都必须有唯一标识 符炳沿着线性要素分布；每一个线性要素必须有唯标识符和量测系统。 2 2 4 动态分段的特点 动态分段具有如f 特点： 1 1 无需重复数字化就町进行多个属性集的动态显示和分析，减少了数据 冗余。 2 ) 不需要按属性集对线性要索进行真正的分段，只是在需要分析、查询 时，动态地完成各种属性数据集的分段显示。这样可保证交通标线数据的完 整性。 3 ) 所有属性数据集都建立在同一线性要素位置描述的基础上，即属性数 据组织独立于线状要素位置描述，因此易于数据更新和维护。 4 1 町进行多个属性数据集的综合查询和分析。因为动态分段技术必须建 立专题属性数据和线性空间实体的线性参照系； 下面以道路l 的交通状况情况进行示例说明。由于道路l 尾段处于施工中， 在道路中部造成了堵塞，而道路起始段交通仍然比较顺畅，见图2 1 l 所示。 1 6 奠r 图2 - 1 1 道路交通状况图 如果采用结点弧段方法表示道路l 的交通状况，就需要把道路l 打断成 为三段分别进行存储，一条完整的道路被分为了三个路段。这样就增加了道路 的复杂度和存储量，造成数据的冗余，并且也无法保证道路的完整性。而采用 线性参考系统，在路网中只用存储一条几何形式完整的道路，而把不同交通状 况的路段作为它的线性事件，作为属性存在事件表中。在对道路进行显示、查 询、分析等操作，可以根据事件属性表进行。该道路l 的交通状况表示方式见 表2 3 。 表2 - 3 交通状况事件表 事件i d 参考路径起始参考位置 终止参考位置交通状况 ll3 56 0堵塞 2l6 01 0 0施工 并且采用线性参考系统时，对任何一个要素的变化不会影响其他要素，更 加容易添加和删除要素。因为在交通管理中，道路上的情况在不停的变化。如 若采用常规的表示方法，就需要对道路网络进行不断更改，会造成道路网络越 来越复杂，对管理和分析都十分不便。 例如，在上面的示例中，当道路l 施工状态的路段施工完成后，恢复了正 常交通，如图2 - 1 2 。 1 7 图2 1 2 道路交通状况图 在结点期i 段表示方式中，需要在道路网络中把表示施工路段的弧段实体 删除，并改变路网的拓扑关系。而在线性参考系统中，只需在交通状况事件表 中把表示施工路段的事件记录删除或改变其交通状况字段数据即r ，不需改变 路网实体和拓扑关系，见表2 4 。 表2 - 4 交通状况事件表 i 事件i d参考路径起始参考位置终止参考位置交通状况 t l3 56 0 堵塞 由f 动态分段能够保持良好的数据结构，支持路线上的各种事件，因而得 到了广泛的应用，尤其在交通地理信息系统研究领域。 1 8 第3 章面向交通标线设置的数据模型 本章对道路网络进行了介绍，解决了路网数据如何组织和存储的问题，并 根据研究需要加入了路段的导向关系和设计车速等数据，建立了面向交通标线 设置的路网数据模型。在此基础上根据交通标线的特点及与路段的关系，结合 线性参考及动态分段方法，构建了基于线性参考系统的交通标线数据模型。 3 1 路网 路网，即道路网络，它是进行众多交通网络分析的基础，也是对交通标线 设置研究的基础。 3 1 1 图论的基本概念 路网可以方便地用图论中的图来表示其概念模型。图论研究了集合中各元 素的关系，特别是连通关系。图是顶点与边的非空集合，g 毫( hd 。其中g 表 示图，v 是一个项点的集合，e 是以v 中的顶点为端点的边的集合，描述点集 的逻辑关系或物理连接关系。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。 根据边集中的边是否有向，可以把图分为无向图和有向图两种。无向图中， 顶点的关系是双向的，而有向图每条边都有起点终点，顶点间的关系是单向的。 3 1 2 路网的图论描述 s h e f f i 结合图论的理论，用结点和弧段来描述交通网络，也就是传统的结 点一弧段表示法，也被称为结点一弧段数据模型。这种交通网络的图论表示法 包含着道路之间的连通关系，且不存在数摆冗余问题。因此本文采用传统的结 点弧段表示法来描述交通路网【2 6 1 。 道路网络是建立指路标志模型的基础。文中用道路中心线表示现实世界中 的道路，如图3 一i 所示。这里先引入有向图的概念。 g = ( v ，e ) 是有向图，r = ni f = 1 ，甩 是g 的结点集， 1 9 e = 把= ( v i ，叶) l f _ 1 ，聊；屹，v f 是g 的弧段集，e l = ( u ，一) 表示q 是从 v 。到u 的有向弧段。称心为t 的起点，h 为q 的终点，起点和终点都成为瑞点。 论文用有向图g 来表示路网【2 l 】。g 中的结点表示路网中的具有一定特征 的位置点，如交叉口、高架路、桥梁和隧道的出入口等；g 中的有向弧段表示 两个结点间的路段。除特别说明外，下面所说的路段都是有向路段。本文采用 传统的结点一弧段表示法去描述交通路网。 一一一? 一一一f 一一1 一 ti + 套辫 。 一一，j - 二- - - o 一二一 !u ：一： p i ：= = 二= 二= e 2 图3 - 1 路网不意图 这里引入本文的一个莺要假设： 本文假设每对起点终点间只有一条有向弧段，即两个交叉口之间相同流向 的路段只有一条。 需要明确的是，用道路中心线描述的路网是无向的。如图3 1 ( a ) 所示。 但现实世界中的道路都是有方向的。通过指定无向路段的起点和终点，就町获 取对应的有向路段。如图3 一l ( a ) 中，结点叱和结点v 组成了一个无向路段， 当指定起点、终点对时就可以扩展成图3 1 ( b ) 所示的两条有向弧段q ，岛， 其中e i = ( 叶，咋) ，乞= ( 唯，v f ) 。因此，尽管在下文某些讨论( 如路网几何特征、 立交网络的描述等) 的示意图中，仍然使用无向的道路中心线作示例，但是路 网数据模型的建立、交通标线数据模型构建以及在标线的设置都是基于育向路 网的。 3 2 面向交通标线设置的路网数据模型 交通标线与交通标志等交通设施都是为道路使用者提供道路方向、地点、 距离等的路网信息，用以管制和引导交通，最大限度地实现其诱导功能。 交叉口是路网结点的主要表现，而且交叉口也是交通标线的集中之处。 因此丰富的交叉口信息是交通标线设置所需的重要信息。 3 2 。1 结点弧段拓扑关系表 交叉口是由路段相交而得的，连接于交叉口的路段是描述交叉口的基本要 素。 结点弧段拓扑关系表描述了与某结点在物理上直接相连的结点，也就是 相交在这个结点的弧段，表中数据记录了两者之间的联系2 引。如下图所示，图 3 - 2 是拓扑结构图，表3 - 1 是结点一弧段关系表，它依顺时针顺序记录了所有 与结点连接的结点和弧段，由此确定弧段的邻接关系。并且在表中每个结点记 录里又存储了与结点相连的弧段及相邻弧段之间的夹角。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【2 ”。 c b a 图3 - 2 拓扑数据结构 2 l 表3 - 1 结点一弧段拓扑关系 结点j d相连结点相关弧弧段间夹角x 坐杯y 世杯 i d段i d( 度) ao l0 1 1 2 3 62 32 5 oa c b1 3 21 3 5 1 3 5 9 01 1 2 3 62 3 2 6 3 2 2 转向连通状态 在对交通网络系统建模时，交通网络不仅要表达出道路的物理特征，而且 还要表达出网络的服务规则，比如道路的转弯限制，也就是网络的连通性等i 】 题。常见的情况包括在交通组织中使用护栏分割，使某流向的交通流不能通过 路口；或者在交叉口上直接加载如禁止左转的强制性规定等。这些交叉口的通 行信息决定了道路通达性，直接影响了交通标线设置的内容，必须在系统建模 时考虑。 转向限制主要表现为交通流通过交叉口时的行动限制，本文利用交叉口的 邻近节点对来表示转向限制【2 2 】。对某一特定的结点来说，从一弧段转到另一弧 段叮用一个有序结点对来表示。如对结点v 而言，从弧段( ，v ) 转到( v ， ) 可以记录为”v j 。因此，连接同一结点的弧段连通状态可以用有序结点对 的连通状态来表示。 c n h ，l 、，一 、，? ；i 。、 、j 、 一，7 d 心 ，? ，一- 3 j 厂酞 d 图3 - 3 交叉口示意图 如以0 表示禁止通行，以l 表示允许通行。对于结点v 来说，图3 3 中各 弧段的转向规则可用有序阶段对的转向规则表示。归纳如表3 2 所示。 表3 2交叉口转向状态表 连通终止节点 状态 v 0”v 2， w o l 11 起 始v l loll 结 点 v 2 llo1 ” lll0 由上例可知，一个十字交叉口共有四个邻近节点，可用一个4 * 4 的矩阵来 表示弧段的转向限制问题。