基于GIS路面信息线性参考系统研究与实现*

2013-10-24景海涛

河南城建学院学报 2013年2期

周毅，景海涛，黄芳

(河南理工大学测绘学院，河南焦作 454003)

道路是重要的国家基础设施，它的畅通无阻是国民经济等得以正常运转及进一步发展的基本要求，路基陈旧、路面破损严重、路面狭窄等问题直接加剧运输压力［1］。路面综合信息管理是公路管理过程中的一项经常性、前期性的工作，是对公路养护、公路工程建设等业务进行计划安排的基础［2］。公路及其构造物的空间特征具有多重属性(一般称为事件)，在其存储、表达和分析等过程中需要广泛用到线性参照系统和动态分段技术，亦即需要地理信息系统理论与技术［3］。公路具有明显的线性分布特征，因此，可以认为公路是在(x，y，z)三维参照控制下的复杂路段(路径)，在公路管理中，数据库所具备的分析、查询、管理、显示功能都是建立在道路网络之上。由于空间分布特殊性，道路信息或与道路有关的信息(设施或事件)都存在或发生在道路网络系统中的某一路段或某一点，也就是说这些现象可视为一维线性分布而不是常规的二维空间分布，且绝大多数公路空间数据、路普数据、业务数据等基础道路数据具有一维线性分布的特点，这使得常规的坐标参考系统(绝对定位系统)，在道路综合信息管理过程中遇到很多困难。

如图1，一条道路用一条弧段表示，在该道路(Arc)上的不同部分(Section)路面质量等信息(属性)不完全相同。在GIS的网络分析模型中，线性特征构成了地理网络的基础框架。现有的GIS系统多数采用“弧段—结点”模型来描述线性特征，该模型由一组弧段组成，而弧段由构成网络线的一组有序坐标对组成，其中弧段的两个端点称为结点［4］。在弧段—结点模型中，必须在属性变化处打断弧段，形成一系列新的小弧段，与每个变化的属性相对应。因此必然导致整个线性系统变得难以管理、更新困难，而且在属性段有重叠的情况下，将会更加复杂。

图1路面信息表达

本研究引入动态线性参考/分段理论对道路的综合信息建立空间数据库，并通过ArcGIS实现管理、标注、编辑、分析、输出等功能。为道路综合信息管理提供基础GIS数据，并为道路的日常管理提供有效、迅速的信息保障。

1 线性参考系统

1.1 线性参考(Linear Referencing)

线性参考(Linear Referencing，LR)，在公路、管网等行业的GIS应用中时常提到，其实质是一种利用沿着可测量的线要素的相对方位来存储地理位置的方法。动态线性参考是GIS网络分析中的一种重要的技术手段，其最大优点是：网络中的空间事物或事件(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输入数据库，而只需输入线性参考所需的数据项(如距离或者地址等)，然后采用动态分段技术来显示这些事物或者事件的空间位置，减少了大量的地图数字化的工作。同时，该方法具有查询灵活的特点，可直接通过数据库查询，也可通过空间叠加分析进行查询。

线性参考系统是路径和弧段的集合，用来管理具有相似属性的多个线性特征，如一个城市所有公共汽车的行车路线可以看成一个线性参考系统。常用的矢量数据的GIS根据(x，y)定位点、线、面，而线性参考系统是由路径(Route)、度量(measure)、事件(event)构成，该参考系统在控制点坐标系统基础上，参数是基于线的度量(距离、时间)。

1.2 路径(Route)

路径是指一条或多条弧段的集合，可从弧段上任意一点开始，实质是定义了属性的线性要素，每个路径都与一个量测系统相联系。ESRI公司提供两种路径的数据模型，即基于Coverage模型和GeoData-Base模型。

基于Coverage模型是基于弧段几何长度的层次模型，存储弧段号、量测起点，量测终点及度量值占弧段的比例;GeoDataBase模型是将路径看成是线性要素类，存储点名、(x，y)坐标及线性度量值(如图2所示)。ArcGIS系统中数据存储必须包含有M(Measure)值的Shape字段及一个标识线段ID的字段，除了上述两个字段要求，根据具体工程需要设置其他属性字段。

图2 路径数据Coverage模型和GeoDataBase模型

1.3 事件数据

事件数据在道路综合信息管理过程中，起着记录道路各种属性的作用，可以分为两种事件类型，即点事件和线事件。点事件仅用单一的观测值记录离散位置，如Ⅵ号公路上距离终点8.5 km处路面平整度;线事件多数是描述路径某部分的属性，需要由起始位置、目的位置及其他属性记录。如Ⅵ号公路上终点前10～15 km路段的路面材质。

2 动态分段技术与数据组织

动态分段(Dynamic Segmentation)的思想是在1987年由美国威斯康星交通厅戴维·弗莱特先生首先提出的［5］。ESRI公司在ArcGIS系统中提出解决方案，解决了传统的GIS在处理线性特征时所遇到的问题，是一种新的线性特征的动态分析、显示和绘图技术，可以极大地增强线性特征的处理功能。动态分段技术中引入了路径、段、路径系统、事件等概念来模拟线性系统中的不同特征。动态分段的基本思想就是将路段(路径)进行动态分段，各部分的属性变化存储为独立的属性表(一维参照系)，与路段(路径)的空间位置(x，y二维参照系)进行关联，根据属性表的信息(距离)对路径进行逻辑分段，而不必进行二维参照系下的坐标处理［6-8］。

动态分段属于LR采用的一种技术，根据数据库中存储的相对位置信息，以及相应的线性数据，动态计算出线性数据上相对位置所对应的实际地理坐标的过程。例如，需要详细了解距离某控制点某处道路的综合信息，或了解沿着道路的路面平整度变化(分段属性)等，图3a是线性要素类，根据事件信息表，点事件、线事件动态分段结果如图3b、图3c所示。

图3 某处道路的动态分割结果

3 ArcGIS线性参考/动态分割技术流程

针对ArcGIS的动态线性参考/分割，数据组织相对简单，大多数非GIS专业技术人员，亦容易实现。多数情况下，只需创建路径(道路)要素类，不需要建立更多图层，其他属性信息均以任何ArcGIS支持的存储形式表现，如dBase、dbf文件等。技术流程如图4所示。

图4 ArcGIS线性参考/动态分割技术流程

4 ArcGIS实现某道路综合信息管理

本研究选取1∶2000道路模拟数据，采用BJ-1954坐标系统，不论单车道、多车道均以中心线表示线性属性，多车道编码采用层次模型，即多车道编码、行车道的序号确定线性路线的唯一值。

在道路综合信息管理过程中，首先建立基于线性参考系统及其参照系下的空间数据库、属性数据库，无论是巷道线性要素类，还是事件属性数据表，必须包含一个唯一的标识字段，本研究建立的线要素空间数据库结构如图5所示。

图5 线要素空间数据库结构

根据ArcGIS工作流程，针对某道路实现的综合信息管理成果如图6、图7所示，图中以(A、B、C、…)表示路面材质，(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…)表示路面平整度等信息。

在空间数据库基础上，实现标注、统计、查询等基本功能以外，SQL查询对路面综合信息管理具有重要意义，图8是某种路面材质(如材质A)和破损程度(如等级Ⅲ)的统计结果。

5 结论

基于GIS及线性参考/动态分段思想实现路面信息综合管理，可以减少数据冗余和重复数字化工作，能有效实现多重属性特征可视化数据管理、查询及事件叠加分析等功能，且数据组织相对常规GIS模型较容易实现。通过研究动态分段理论及其在ArcGIS系统中的实现流程，论文选择模拟道路图从数据组织、空间数据库建立等最环节入手，实现了道路相对位置综合信息管理。