主动交通安全地图数据组织的优化研究

刘 春，刘 程，李正宁，吴杭彬

(1.同济大学 测绘与地理信息学院，上海 200092；2.现代工程测量国家测绘与地理信息局重点实验室，上海 200092)

1 引言

在移动互联网时代，随着计算机技术、地理信息系统(geographic information system，GIS)技术以及智能手机、车载导航等各种智能终端的发展普及，基于移动位置的各项服务越来越深入地进入各个行业和个人生活中。由此，基于位置的移动服务(location-based service，LBS)成为发展热点。LBS的研究描绘了未来空间信息服务和移动定位服务的蓝图，即当用户与现实世界的一个模型交互时，在不同时间、不同地点，这个模型会动态地向不同用户提供不同的信息服务[1]。事实表明，把关键的信息适时传达给交通流和即将参与交通流的人群，对于改善交通大有裨益。在主动交通安全领域，尤其是在人、车、路的协调配合过程中，交通行为的参与者在整个交通行为过程，如路线计划、车辆导航与监控、紧急救援、信息服务等，都需要 LBS的支持。

随着城市工业化进程不断深入，机动车数量快速增长，由此产生的交通事故越来越多，这已然成为人类社会面临的一大威胁。而在城市道路中，纵横交错的交叉口是道路交通的瓶颈。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/3，在所有交通事故类型中居首位，如图1所示。引发各种交通事故的主要原因之一就是驾驶员无法在第一时间获得前方位置的道路交通及环境信息，从而造成驾驶员不能在事故发生前进行做出诸如减速、改道等交通事故规避行为。

解决上述问题的关键在于保证道路特征信息在数据粒度、数据精度及逻辑表达方面的完整性与准确性，即需要详细的路口、路段渠化的数据同基础路网结合作为其数据支撑。因此，本文考虑利用移动智能设备可以实时获取地理位置的特点，从电子地图数据的组织方法入手，结合主动交通安全的服务需求，提出一种将不同比例尺的城市道路网络数据集成与组织框架，并通过ArcGIS Server实现这一数据框架和发布优化策略，向Web端和移动终端发布相应的地图服务，最终应用于主动交通安全数据模型的预警。

2 基于LBS数据空间需求及技术架构

2.1 LBS对空间信息的需求

空间信息是指有关于一个地理区域的诸多信息，例如这个区域的建筑和道路有哪些、区域位置在何处以及这个区域内的服务有哪些等[3]。LBS是在移动计算环境、异构环境下，利用GIS技术、空间定位技术和网络通信技术，为移动(物理移动和逻辑移动)对象提供基于空间地理位置的信息服务[4]。LBS技术的核心目标就是使用户可以在任何时间、任何地点获得基于定位信息的地理信息服务。因此，海量丰富的地理空间信息是LBS的重要组成部分，为LBS的实现提供定位框架基础和实时动态信息载体，是LBS不可或缺的信息平台。

LBS应用于主动交通安全领域，一个重要的服务就是为用户提供导航相关的和感兴趣的地理信息，这需要具备相当规模的导航地理数据，包括空间数据和属性数据。由于LBS终端的存储能力和处理速度限制以及工作环境的要求，往往只对感兴趣数据进行详细描述，而对其他数据进行省略或作为底图简化显示。因此，在主动交通安全应用中对交通要素有着严格的需求，如道路的等级、宽度，是否单行、禁行，高速路口的出入口等信息都需要记录存储，而对于管线、航道、水系、居民地等要素则可以简化或者忽略。

2.2 LBS地图数据发布技术架构

地图数据模型的表达是在移动端通过切片技术的静态地图服务技术来实现，整体技术路线如图2所示。核心是提供人机交互的界面，包括地图的浏览显示和信息查询。其数据来源主要包括三个方面，一是移动端本地数据文件，包括地图数据和常用属性数据等，二是通过无线网络从服务器端获取的数据，三是移动端采集到的数据，通常为坐标位置数据。

首先，对原始矢量数据进行数据分析，设计地图制图方案，然后进行一系列的数据处理，包括投影坐标系转换、数据结构格式转换、空间纠正等。综合后的数据按照地图制图的原则及浏览需求进行符号化和优化显示处理，并进行多级矢量到多级栅格数据的转换。通过设定的比例尺对其切片处理，可得到多个尺度下的栅格图像，并将其按照一定的规则存储于服务器端的数据库或文件夹中。客户端只需指定数据源，服务器就能够根据当前客户端请求的地理坐标范围，计算出需要显示的地图切片，并对其进行拼接和索引处理，发送到客户端显示地图，从而实现服务器中地图数据在手机端的显示表达。

3 基于主动交通安全数据的地图表达

3.1 城市主动交通安全地图多尺度表达

主动交通安全数据指的是与交通安全管理、预警模型计算相关的一切静态及动态数据，是以道路网为基本骨架，并包括空间要素的几何信息、要素的基本属性、要素的增强属性、交通导航信息等的多元数据集合。其中，静态数据包括地图底图数据、渠化路口数据等，动态数据包括交通事件数据、违法违规数据、危险车辆及普通用户等数据，这些数据是带有位置信息的多元数据。

传统的GIS数据模型采用具有拓扑规则的线段来表示道路，这不能很好的描述与车道相关的各种属性信息。尤其是对于复杂道路，这种单一的道路表达方式不能很好的引导用户行为。实际上道路是具有一定宽度的面状实体，是由多个车道组成的复杂对象，它本身具有丰富的交通特征信息[5]。本文道路数据的创新之处在于在导航路网基础上，在复杂的道路交叉口或无信号指示灯的事故高发路段对道路增加了渠化描述表达。两种道路的空间信息表达是在统一的坐标基准下，通过设置相应的比例尺和图层分级来实现。图层分级参照《国家地理信息公共服务平台公共地理框架数据电子地图数据规范》(试行稿)，采用统一的金字塔分层规则，各层的显示比例(即瓦片的地面分辨率)固定，由此确定金字塔各层瓦片显示比例尺[6]。而对于其他相关要素内容的选取方法是根据相关规范，首先分类选取(重要地物优先选取)，然后分要素选取，并且随着比例尺的增大，要素内容应随之增加，而在较小比例尺层级上需要考虑图面美观，不宜放置过多要素[7]。电子地图要素内容的选择如表1所示。

3.2 城市交通安全路网数据组织与表达

为了适应城市主动交通安全的应用需求，路网数据模型表达的信息内容不但需要构成道路网本身的各类要素，如行车路线、道路交叉口、立交桥等，还需要以道路网为骨架集成表达与交通行为相关的各类空间要素，如车站、交通信号灯、各类单位及商业服务点等。

图3 城市主动交通安全道路网络逻辑关系

城市导航道路网络数据逻辑关系如图3，其中，Link是道路网络实体线信息表达的标识，Node是道路线之间连接的点信息表达标识，Kind等是与其他信息相关联的字段标识。路段、节点、交通限制节点、匝道连接点和高度层次信息点为城市道路网络的实体要素，其他信息则是与实体要素密切相关的道路导航限制关系信息。路段描述分为路段和路段类型两层。节点包括道路网的交叉路口点，道路连接点；交通限制节点记录了道路中存在线点线、点线、线点关系的交通类型信息；匝道连接点表示连接高速和其他不同等级道路之间的道路信息；高度层次信息点包含线与线之间的位置和相对高度值。交通限制类型与交通限制点、线信息共同描述所有道路的交通限制，通过节点ID与线号码进行道路关联。条件限制信息与条件限速信息通过限制号码关联，控制路段的速度与行驶规则。危险标牌信息通过进入线号码与节点ID相互关联，共同描述交通标志标牌信息。通过以上逻辑关系全面描述了城市复杂的导航道路网络。

3.3 主动交通安全道路交叉口数据分类与组织

用于主动交通安全预警的道路底图是指按照各项绘图标准要求描述包括道路路口以及路段的道路特征平面专题图，反映一定范围内有关道路标线、标志、地物等位置图形和属性信息，尤其是道路的标志标线信息，包括道路位置、交通岛、交通标志、标线等，这些信息构成了交叉路口的详细渠化图[8]，如图4。从其比例尺分类来看，道路底图属于城市大比例尺平面图范畴。道路渠化信息一方面可以减少交通事故与交通堵塞，另一方面也是主动交通安全模型中车辆定位所需的智能道路[2]信息基础数据。渠化交通的主要作用就是保证行车安全，是导流线、交通岛或其他的渠化措施的综合。对于不同的行驶方向和速度的交通流划分不同的行驶路径，使驾驶员很容易看清互相行驶的方向，避免车辆相互侵占车道和干扰行车路线，因而可以减少车辆相互碰撞的机会，提高其安全水平；可以利用交通岛的布置，限制车辆行驶方向，使斜交对冲的车流变为直角交叉或锐角交织，限制车道的宽度，控制车速，防止超车；可以在渠化交通岛或分隔带上设置各种交通标志和信号设备，并可作为行人过街时避让车辆的安全岛[9]。渠化表达方式尽可能简单明了，尽可能适合人们的习惯，减少使用者的认知负担。

图4 城市道路交叉口数据组织

4 移动地图在城市交通主动安全中的应用

4.1 城市交通基础空间数据

本实例是面向城市主动交通安全在上海市浦东新区的示范应用，具体范围包括：黄浦江以东、外环线以内，包括外环隧道、翔殷路隧道、大连路隧道、新建路隧道等以及杨浦大桥、卢浦大桥、南浦大桥等重点桥隧路段。因此，围绕城市主动交通安全对空间信息的需求，这一区域的空间数据主要基础路网、兴趣点、示范路口数据、事故高发道路交叉口数据和其他基本地物要素组成，如表3所示。整个地图数据不仅包括普通电子地图提供的用户出行基本信息，同时对于提供服务的路口路段进行详细渠化并包含有专业的交通要素，如交通指向牌、红绿灯[10]和标线等。

表3 城市交通数据要素

4.2 示范区域地图发布与优化

实例应用是以主动交通安全的城市车辆在线位置服务为需求依托，旨在向在途驾驶人提供前方道路交通环境信息。因此，用户可以提前预知，从而采取合适的驾驶行为，达到主动预防交通事故的目的。为此，服务器端采用ArcGIS Server来开发交通信息的服务发布，移动端服务调用实现是采用ArcGIS Runtime SDK for iSO开发的客户机/服务器(C/S)架构。

图5 上海市电子地图服务发布服务器部署方式

此系统服务器分三部分：Web服务器、数据库服务器、地图服务器。Web服务器使用Nginx，服务器下建立数据库服务器和地图服务器，搭建的Ruby on Rails框架进行开发。数据库采用Oracle，它通过ArcSDE与地图服务器相关联，可以将大量数据动态的接入到地图服务器中。地图服务器用来制作地图并完成服务发布的一系列GIS功能。服务器部署关系如图5所示。这样的部署方式可以很好的提高地图发布使用和管理的效率。

此外，在服务器端预先建立缓存也是优化地图发布的有效方式。对于服务器管理的海量地图数据，通过客户端请求，服务器响应，再计算生产用户需要的数据反馈给客户端显示，这一复杂的过程对海量数据处理，必然造成延迟，很难快速满足用户的需求。因此，为确保电子地图在移动端的显示速度、使用流畅性以及良好的可视效果，需要对电子地图进行预缓存，即预先建立金字塔瓦片。服务器上存储的不再是地图数据，而是制作好的有规则存储的金字塔瓦片，这样客户端在请求地图服务时，服务器几乎不用计算可直接将瓦片传递给终端，终端也不需要计算直接显示地图。相较于动态地图服务可极大地提高服务器和终端的效率和请求速度。为确保地图发布线状要素的平滑性，都要使用抗锯齿效果。另外，还可以预先配图，在显示效果上能够最大程度的优化。

4.3 交通安全地图iSO无缝表达实现

地图在移动端无缝表达的关键是通过位置判断将建立的缓存地图的不同层级进行无缝切换。其主要实现算法如图6所示。ArcGIS Server发布10个层级的缓存地图，前9层为普通导航道路显示层，第10层在服务区处为含有道路渠化信息的详细路口。设计以路口为中心，100 m为半径的区域为服务区域。当用户进入此区域时，即用户所持移动终端获取的位置落在此区域内，地图的最大显示层级为第9级；当用户不在此区域内时，地图服务最大显示层级为第8级，其显示层级的控制是通过获取终端地图比例尺实现的。最终iPhone手机显示的两种地图效果如图7所示。

图6 基于位置地图无缝切换实现算法

图7 iPhone显示的路网与路口效果

4.4 主动交通安全预警模型实现

本文对主动交通安全的多元数据同地理位置有效集成，使用安全模型进行分析，计算出预警结果并以合理的方式通知用户。在理论与技术方面，本文从数据处理、数字化成图、地图发布到移动端实现提出了一套比较完整的技术方案，且已在iOS手机终端测试实现。在数据可行性方面，为了测试地图数据的准确性，笔者在路网图中选取一系列控制点，然后用全球定位系统(global positioning system，GPS)接收机去实地测量，通过计算地图点位与实际点位的距离约2 m左右。

图8 成山路-锦绣路事故影响范围

对于主动交通安全预警模型的实现，模型研究采用上海市城市快速路监控中心收集的交通事件数据作为分析数据源。在监控中心庞大的数据系统中，有相关交通事件的较详细的记录，提取预警模型相关有效信息包括天气、星期、事故类型、拖挂车、车道总数、所在车道、影响车道、事故发生道路等级、事故影响道路等级以及涉及车辆数等离散型数据。将这些信息同基础路网数据模型对应，对事故处理时间、消散时间及排队长度进行预测，并将预测结果在地图上表达。以成山路锦绣路交叉口附近为例，此为上海浦东新区地面主干道，均为双向六车道。事故条件为晴天，周四，浦东新区成山路锦绣路交叉口中心，锦绣路北向车道处发生两车碰撞事故，事故发生前道路通行速度约为32-40 km/h。由预警模型得出事故处理时间8.94 min，消散时间2.70 min，排队长度458.52 m。事故影响范围如图8。事故前道路通行速度的降低直接导致了排队长度的增长。在十字路口发生的事故对四个方向的车道均有影响。由于事故发生在锦绣路北向车道，所以对成山路西向及锦绣路北向下游车道无影响。值得注意的是，在十字路口中间发生的交通事故对两条右转车道同样产生了影响。

图9 成山路-锦绣路测试轨迹图

对于渠化的路口使用武汉大学提供的高精度终端测试车辆在相应路口行进轨迹，如图9所示，测试轨迹以蓝色圆点表示，量取其与实际车辆位置的偏差，在路口中心区域内较小，在周围道路上的偏差最大约0.5 m。可以认为路口数据基本满足车道级别定位需求，且可以满足将来在路口交汇处实施的防碰撞预警算法模型。

5 结束语

本文以ESRI公司对iSO移动端提供的开发组件和ArcGIS Server为基础，通过调用表述性状态转移(representational state transfer，REST)服务，实现主动交通安全地图数据在移动端的无缝表达并应用于交通安全预警测试实现。由于REST结构支持缓存机制，其调用地址(uniform resource locator，URL)的使用，使移动地图开发更为便捷，在一定程度上提高了开发效率。服务器的分布式部署方案设计，使得大量的数据分类管理，可有效解决大量并发访问的网络“拥堵”问题，降低了访问时间，提升了总体运行效率。地图在服务器预缓存后，移动端不同比例尺地图之间切换过程也更平滑。由此，当用户位置发生变化时，地图可随用户需求改变其丰富程度，使得用户在视觉上也能有丰富的体验效果。

本文提供的道路数据优化与发布方法有效借助地理位置这一优势，为地图导航的实现提供了新的思路以及可行的技术方案，但对移动地图后续服务的实现并未深入阐述，这些问题还有待进一步研究实现。

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