以道路空间网络为中心的GIS-T数据模型研究

王 鹏，郑贵省，王 元,车亚辉，李月明

(1.军事交通学院 学员旅， 天津 300161； 2.军事交通学院 基础部，天津 300161；3.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

● 基础科学与技术 Basic Science & Technology

以道路空间网络为中心的GIS-T数据模型研究

王 鹏1，郑贵省2，王 元3,车亚辉3，李月明3

(1.军事交通学院 学员旅， 天津 300161； 2.军事交通学院 基础部，天津 300161；3.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

对路网空间信息和交通信息进行有效地组织，是利用地理信息系统(GIS)处理交通信息的关键问题。结合线性参照系统和动态分段方法，以道路空间网络为中心，建立以道路空间网络为中心的GIS-T数据模型(road spatial network-centered GIS-T data model， RSNCDM)，包括道路空间网络、道路网基本要素、事件和线性基准等4类实体。基于此数据模型开发相应的Web应用平台，能够有效处理各种类型的交通信息。

路网空间信息；交通信息；地理信息系统；以道路空间网络为中心的GIS-T数据模型

目前，GIS(geographic information system)已经广泛用于路网路径规划、出行信息服务以及交通分配等交通活动。在利用GIS进行交通活动相关的信息分析和处理时，不仅涉及路网空间信息，还包含各种动静态交通信息。由于交通信息涉及的对象多、来源广，对路网连通性有很大的影响。利用GIS将交通信息和路网紧密结合起来，对于提升GIS在交通领域的深层次应用具有重大的意义[1]。交通信息大都以文本或者属性表的形式进行存储，不具备直接的地理分布空间数据，必须与路网空间信息紧密结合，在GIS中实现空间可视化的表达，才能用于交通活动中的分析和应用。

交通信息具有明显的地域特征，主要利用交通地理信息系统(geographic information system for transportation，GIS-T)数据模型[2]对交通网络进行建模和表达，实现交通信息和路网空间信息的融合交互，GIS-T数据模型是一种在传统GIS弧段-结点数据模型基础之上进一步发展和扩展的数据模型。由于弧段-结点数据模型采用平面强化，在弧段相交的地方必须产生结点，使得其在处理和描述动态的多属性交通信息时，需要打断道路的几何数据，从而产生实际中并不存在的结点，使得数据库中的结点和弧段的数量增加，造成数据冗余[3]。为了避免弧段-结点数据模型的不足，以线性参照方法(linear referencing method，LRM)和动态分段(dynamic segmentation，DS)技术[4]为基础的GIS-T数据模型逐步成为研究与应用的重点。文献[5]提出了一种NCHRP 20-27(2)数据模型，模型划分为事件层(Event)、线性参照方法层(LRM)、网络拓扑层(Network)、线性基准层(Datum)和制图表达层(Source)5个等级，实现交通信息和路网的关联以及空间可视化表达。文献[6]从大城市公共交通信息管理的角度出发，利用LRM和DS构建大城市公共交通GIS-T数据模型。文献[7]设计了一种包含公交车线路网、地铁线路网和街道线路网的多模式、多尺度GIS-T数据模型。在交通信息中随时间变化频繁的动态交通信息占据多数，如交通流量信息、路况信息以及交通管制信息等，现有的数据模型很难全面支持动态交通信息的表达以及有效地应对和处理动态交通信息。因此，必须建立完善的数据模型，对交通信息和路网空间信息进行合理地组织。

1 线性参照系统和动态分段

1.1 线性参照系统

线性参照系统(linear referencing system，LRS)由线性参照方法(LRM)和道路拓扑网络、线性基准组成。线性参照方法指在路网中通过已知点的距离和方向来确定任意一点位置的方法，包含已知点、到已知点的距离和方向等3个要素。通过线性参照方法，用路径上的参考点表示发生在路网中的事件，路径则是由一系列有序的带有方向的弧段构成。路网拓扑是对现实中的道路按弧段-结点形式数字化处理的结果，弧段具有长度属性。线性参照基准由锚点和锚段组成，锚点表示路网中具有明确位置的地物点，锚点之间的连线表示具有距离属性的锚段。线性基准不需要表示完整的结点-弧段网络，且不用平面强化，锚段与锚段相互交叉的地方可以不产生锚点。

线性参照系统可以方便地存储和维护路网上的各种变化交通信息，同时也是路网中事件位置传播的有效手段。采用传统的坐标点描述事件，如果精度不准确就会出现偏离，导致与道路匹配不上，而采用LRS能很好地避免这样的问题(如图1所示)。

图1 线性参照系统

1.2 动态分段

动态分段是为解决结点-弧段模型中属性必须与结点、弧段一一对应，从而不能处理多重属性问题的一种技术手段。其利用线性参照系统，在不改变要素位置(坐标)的前提下，通过线性参照系统与道路空间中的某个位置进行关联，在道路属性频繁变化的情况下，不用像结点-弧段模型一样反复地对弧段进行分割、合并操作，即不用对路网的几何数据进行修改。动态分段在属性变化的区段建立对应的属性表，当道路属性发生变化时，直接在属性表中修改对道路进行逻辑分段的距离值，而不必对道路弧段进行基于空间坐标数据的分段修改来与之对应。因此，动态分段能够动态地对路网中多重变化的属性和事件进行描述，在路网几何数据和属性数据之间构建起双向查询的关联通道，在静态路网几何数据和动态交通信息属性数据进行融合与表达的过程中，发挥着至关重要的作用。

2 GIS-T数据模型

2.1 数据模型建立

路网中的交通信息来源多样、种类繁多，必须将这些信息统一到同一个基准和框架之中，以便于信息的处理和分析。因此，本文利用线性参照系统和动态分段技术，提出一个以道路空间网络为中心的GIS-T数据模型(如图2所示)。数据模型主要划分为道路空间网络、道路网基本要素、事件和线性基准等4类实体组。

图2 RSNCDM数据模型

(1)道路空间网络。道路空间网络是整个模型的中心，也是路网空间信息组织和表达的关键，其包含几何信息、属性信息和拓扑信息。在GIS中使用几何网络和拓扑网络实现几何信息与拓扑信息的分离。

几何网络是道路几何和空间分布特征的表现，主要由边和结点两种网络要素构成，要素具有地理空间位置(地理位置坐标)。边要素和结点要素主要用来描述道路按结点-弧段的形式进行数字化处理后的空间位置，弧段就是一条边要素。边要素和结点要素两者没有显式的关联关系，但是一般情况下，结点要素应该出现在边要素的首尾位置。两条边要素的交叉可以是非平面强化的，即相交处可以不产生结点要素。

拓扑网络主要用来表示几何网络中边要素和结点要素创建拓扑关系之后的连接关系，由边和结点两种元素构成。边元素和结点元素的拓扑连接关系记录在连通信息表中，对于道路几何网络中的每一个结点要素，连通信息表都给出了与其关联的边要素和该边要素关联的另一个结点要素。此外，连通信息表中也记录了边要素和结点要素的权重，权重通过要素的属性字段来创建。拓扑网络总是与一个几何网络联系在一起的，但拓扑网络是一种隐藏的数据结构，不能对其进行直接修改，主要随几何网络特征的变化而变化。在实际运用中，一般按照一定的规则选取几何网络要素建立拓扑关系，如按照道路的等级分别建立不同等级道路的拓扑。因此，一个几何网络可以对应多个拓扑网络。

路径是具有方向性线性要素的集合。一条完整的路径由一条或者多条路径段构成，路径段则由几何网络中的边要素构成。

(2)道路网基本要素。路网中的基本要素主要包含道路线路、交叉口等，在GIS中的空间表达主要通过引用道路空间网络中的几何网络数据实现。对这些要素进行制图表达处理后，以图层的形式展现，也就是路网电子地图中的可视对象。

(3)事件。事件主要用来对路网交通信息的变化进行描述。事件可以描述路网上一些属性、突发事件、偶发现象和物理特征，即描述静态和动态交通的信息。其中属性包括道路等级、道路限速、道路路面质量等。突发事件和偶发现象包括交通事故、交通管制、道路抢修、敌人破坏封锁道路、自然灾害破坏道路等。物理特征包括道路、桥梁、隧道、涵洞、道路交叉口等现实有形的实体。

事件类型主要有点事件、线事件以及面事件，面事件可以用线事件或点事件综合表示。事件点是道路上事件的确切位置，通过LRM和路径将其转换为路径参考点进行表示。

(4)线性基准。锚点和锚段是构成线性基准的基本要素。线性基准是线性参照系统将路网交通信息与路网电子地图进行连接的基础和关键。以道路之间的交叉口作为锚点，具有准确的定位信息，锚点对应一个或多个锚段的起点和终点，锚段可以跨越包含几条道路路段，也可以只占用道路的一部分。依靠线性基准，通过动态分段可以将路径参考点转换为制图表达的图元，在GIS的电子地图中以可视化的形式表示出来。

2.2 模型的特点

RSNCDM可以有效对道路空间数据和交通信息数据进行组织，比较容易维护线性基准以及对道路基本要素进行空间表达，其具备以下特点。

(1)以道路空间网络为模型的中心，线性基准的建立和道路网基本要素的空间表达，实质都是来源道路空间网络中的几何网络。当道路特征发生变化时，只需要通过对道路空间网络中的几何网络数据进行修改即可，有利于数据以及线性基准的维护与更新。可以针对不同要求，选择合适的几何网络要素生成符合要求的拓扑网络。可以对不同拓扑关系的网络进行独立分析，满足不同需求，充分发挥GIS在空间数据处理和分析的能力。

(2)模型依靠线性参照系统，可以对各类路网交通信息在道路空间网络中的空间位置进行确定，可以使各类交通信息要素视觉直观化，借助GIS可以更加直观地展示路网中交通信息的属性特征和空间分布，确保准确地结合交通信息进行路网分析。

(3)当对路网交通信息进行查询或分析时，在线性参照系统的基础之上，对各类交通信息数据进行动态分段处理，降低了数据的冗余，使得对数据的操作分析更加直观和简便。

3 RSNCDM的应用

根据本文提出的数据模型在ArcGIS地理信息系统平台的ArcMap10.2中对数据进行组织，在ArcMap10.2中使用ArcSDE 10.2和Oracle 11g创建空间数据库和交通信息属性数据库。在ArcMap10.2中连接到创建完成的数据库，对数据进行相关的处理，根据路网空间矢量数据组织创建几何网络、线性基准、拓扑网络以及路径、线性参照点和事件表，进行制图表达和发布地图服务(如图3所示)。

图3 ArcMap10.2中对路网空间矢量数据进行处理

基于B/S架构，利用Flex Builder4.6和ArcGIS Server10.2，根据RSNCDM数据模型开发相应的Web应用平台(如图4所示)，对交通事件信息进行定位显示，输入事件类型和事件所在的道路名称，获取与所在道路相关联的交叉口作为已知参照点，输入起始测量距离和终止测量距离，即可以在电子地图上通过动态分段显示事件的位置。在不需要进行显示和操作时，图元将消失，事件信息的数据还是存储在事件表中，避免了几何数据的冗余。

图4 事件线性参照定位和动态分段显示

4 结 语

本文针对已有GIS-T数据模型在处理动态交通信息上的不足，建立以道路空间网络为中心的GIS-T数据模型。该模型能有效地对路网空间信息和交通信息进行组织，比较方便地进行数据维护。通过该数据模型对相关的数据进行组织，并开发相应的Web应用平台，提高了对各类动态交通信息数据的处理和分析能力。

[1] MILLER H J，SHAW S L．Geographic information systems for transportation in the 21st Century[J]．Geography Compass，2015，9(4)：180-189．

[2] AGYEMANG E．A cost-effective geographic information systems for transportation (GIS-T) application for traffic congestion analyses in the Developing World[J]． Ghana Journal of Geography，2014，5(1)：51-72．

[3] GOODCHILD M F．GIS and transportation：status and challenges[J]． Geoinformatica，2000，4(2)： 127-139．

[4] BIGHAM J，KANG S．Building a highway linear referencing system from preexisting reference marker measurements for transportation data management[J]．URISA，2013，25(1)：29-36．

[5] SCARPONCINI P．Generalized model for linear referencing in transportation[J]．Geoinformatica，2002，6(1)：35-55．

[6] 罗智丰．大城市公共交通空间数据模型研究[D]．上海：同济大学，2007：47-54．

[7] CHEN S，TAN J，CLARAMUNT C，et al．Multi-scale and multi-modal GIS-T data model[J]．Journal of Transport Geography，2011，19(1)：147-161．

(编辑：史海英)

Road Spatial Network-Centered GIS-T Data Model

WANG Peng1, ZHENG Guixing2, WANG Yuan3, CHE Yahui3, LI Yueming3

(1．Cadet Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；3.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Organizing road network spatial and traffic information effectively is the key point of using GIS (geographic information system) to deal with traffic information. With LRS (linear referencing system) and DS (dynamic segmentation) method, the paper establishes RSNCDM (road spatial network-centered GIS-T data model), which includes road spatial network, basic elements of road network, events and linear datum. The corresponding Web application platform based on this data model can handle all kinds of traffic information effectively.

road network spatial information; traffic information; GIS (geographic information system); RSNCDM (road spatial network-centered GIS-T data model)

2016-04-23；

2016-06-09．

王 鹏(1990—)，男，硕士．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.020

U491

A

1674-2192(2017)01- 0086- 05