城市道路GIS时空数据概念模型研究

鲁斌，张梦霞

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司）

1 引言

随着智慧城市建设的兴起，构建城市精细化管理系统逐渐成为支撑智慧城市发展的重要部分，其中，城市道路是精细化管理内容中不可或缺的对象之一。作为与居民日常生活直接相关的市政设施，城市道路的规划、建设和养护等环节均处于持续动态变化中，过程中产生的设施数据规模庞大。目前的城市道路管理模式以现场记录、人工处理和经验决策等为主[1]，其科学性、及时性和准确性等指标，均难以满足智慧城市精细化管理的需求。

地理信息系统（GIS）可构建以城市道路的时间、空间为对象的时空数据模型，实现城市道路的精细化、智慧化管理。但目前的模型仍存在不足，以部分城市道路内容为例，在城市道路的GIS时空数据概念模型中，道路的空间特征一般简化为单线或双线要素，交叉口则为简单点要素，并且简化后主要用于描述对象之间的交通情况。但在实际城市道路管理中，道路路段中包含车行道、人行道、分隔带、标识标志和综合杆等具体附属设施，这些设施的时空信息和设施本身的属性，在目前的时空数据概念模型中均难以体现。

基于城市道路精细化管理的提升需求，参考城市道路设计管理规范，对城市道路对象进行细分，转换为GIS可识别和表达的对象，并且梳理对象之间的时空关系，从而构建时空数据概念模型，以期指导后续城市道路网络逻辑的模型化、数据储存与调用，提升基于GIS的城市道路精细化管理水平。

2 国内外研究现状

在城市市政设施运营、城市交通管理等方面，国内外已有学者对基于GIS的时空数据模型进行了一定的研究：

张忠贵[2]研究了市政公用基础设施的时空数据模型、增量时空信息表达模型和时空信息集成技术。研究认为，目前市政领域模型存在“偏空间、偏现状”的问题，构建时空数据模型，可有序组织、整合设施运营时态数据和空间数据，体现设施的历史与现状，并从设施要素、工程、维护、运行监测等多个方面进行管理。

唐卫文[3]提出了关于市政道路的空间MRGISDM数据模型。研究认为当前市政道路的人工管理工作效率低下，因此需构建GIS数据模型，采用GIS对市政道路的数据进行组织和储存。数据模型主要包括概念模型、逻辑模型和物理模型三个方面，经研究，数据模型选择了Geodatabase数据模式进行储存，并采用了UML语言对其进行描述。

肖乐斌[4]等综述了常见GIS模型的主要特点，并对各模型优缺点进行了分析，提出了面向对象的整体数据模型构建要点。研究认为，拓扑关系数据模型强调几何要素之间的关系，较难表现复杂的地理实体。而面向实体的数据模型缺乏拓扑关系的表达，因此提出构建面向对象的整体数据模型，其要点在于重视对象的几何关系、拓扑关系和对象间的语义关系，即时间、空间及属性三个特征。

Q. K. Harpham[5]研究了一种普适性的时空数据集成分类技术。研究认为目前环境建模的辅助技术较多，且部分较为重复，因此提出了一种普适性的结构化理论框架，对时空数据进行了模拟分类，用于描述环境数据的时空结构，支撑实体对象数据在GIS中进行有效的集成。

以上研究均探究了城市设施实体在GIS中进行的模型映射问题，且均认为空间数据、时态数据和属性等是实体语义的重要组成部分。笔者在现有研究的基础上，以城市道路为对象，对其时空数据概念模型进行研究。在实际运营管理中，城市道路属性较为复杂，道路路段及路段上的附属设施均在政府部门的管理范围内，因此，首先应在GIS中构建详细的时空数据概念模型，在数据模型中体现其完整的空间信息、时态信息与特征属性，进而支撑后续实际管理工作的高效化、智慧化发展。

3 基本定义

城市道路在概念上不仅包含道路本身，其管理的对象也更加广泛。根据最新的城市道路管理条例[6]，城市道路的定义为城市供车辆、行人通行的，具备一定技术条件的道路、桥梁及其附属设施。在建设管理主体方面，城市道路建设主体可以为政府、单位、国内外企业、其他组织和个人，而在城市道路的范围内，根据附属设施的类别不同，管理部门则进一步细分。例如，附属设施内的分隔带、绿岛、道路绿化带等绿化设施，一般由园林绿化管理局负责。井盖则依据“谁所有，谁负责”的原则，根据管线的种类，由相应的管养单位进行养护管理，如供电公司负责电力电缆专用工井，电信、移动、联通通信部门分别管理其电信专用井等。

3.1 城市道路时空信息

城市道路的时空信息包括其空间信息与时间信息两部分：

1）城市道路空间信息数量、种类繁多，需对个体进行识别

城市道路的设施可分为通信、路灯、排水、园林、环境卫生等多个种类，由相应的部门负责管理，部门数量众多且权属划分独立，因此，需将附属设施细化为个体来管理其信息。而在空间分布上，个体间关系多元，如附属设施与道路空间就有包含、平行等多种空间关系。

2）城市道路的时间信息是城市道路高效运营的基础

在城市道路数字化运营的背景下，城市道路空间信息随着时间发生改变，运营管理业务具有明显的时间特征。如随着城市道路规模的扩张，其空间布局、空间位置和属性信息均随时间改变。在城市道路建设到运营的过程中，施工、竣工等工程进度随着时间变化。城市道路维修、巡检过程中，事件发生有明确的时间等，均体现了城市道路时间信息的重要性。

3.2 城市道路时空数据概念模型

城市道路的时空数据概念模型是现实时空信息在GIS中的表达。城市道路中的道路、桥梁及其附属设施等时空信息作为现实世界信息，需要经过理解、研究，再通过抽象、组织，将时空信息映射为GIS可识别处理的数据形式，用以明确城市道路中需要管理的时空实体对象，及对象间的网络相互关系，以此构建模型，从而为后续逻辑、物理模型的建立提供基础。

4 时空数据概念模型对象及网络

4.1 时空对象

城市道路时空对象可抽象为要素与要素类。在GIS表达中，实体对象被抽象为要素，且相同要素构成要素类；非实体对象如时间，则抽象成对象与对象类。城市道路包含道路、路段、桥梁、隧道和道路附属设施等多种要素，一定规模的某种要素，如多个路段可组成路段类，城市道路时空数据概念模型描述要素、类以及类之间的关系，如泛化、实现、关联、聚合等关系。

4.1.1 空间对象

城市道路的空间对象包含实体、类型两个层次，对应要素与要素类。在实体中，根据系统包含的关系，也可将要素分为三个等级，道路为一级要素，往下为二级要素路段，再往下由桥梁、隧道和附属设施等组成三级要素，其中包含道路绿化带、占道灯箱、供电箱式变、路名牌、广告牌、公交站台和综合杆等，均为路段内部的实体设施。在类型中，每个实体形成一种类型，如道路类、路段类、桥梁类和隧道类等（见图1）。

空间对象中应包含各实体的属性信息。本研究的目的之一是在GIS系统中细分城市道路管理对象，便于市政管理对道路设施数据的记录与读取，因此需对每个类型增加其属性字段。以道路为例，在市政管理中，道路作为面要素，其属性如下：

1）道路等级

根据规范，城市道路可分为快速路、主干路、次干路和支路四级。

2）道路长度

道路由一定规模的路段组成，道路长度为其包含的路段总长。

3）道路宽度

文章研究的道路包含人行道、道路绿化带等，因此宽度应为道路两侧地块红线间的水平距离。

4）路面材质

车行道与人行道的路面材质不同。车行道材质包括水泥混凝土路面、沥青路面及其他材料路面；人行道材质包括彩色预制铺砖路面、现浇混凝土路面、天然石材路面等。

4.1.2 时间对象

图1 城市道路实体层级

表1 城市道路时间拓扑关系

城市道路的时间对象包含结构、维度、密度和粒度等。在时间结构上，城市道路管理往往经历施工、竣工、运营、维修和报废等一系列按时间递进的事件，宜采用线性结构。城市道路主要考虑现实事件发生的时间，维度上采用有效时间。城市道路养护的特征为某一稳定状态下发生突发事件，因此可采用离散型时间数据描述其密度。由于城市道路离散型的状态较为稳定，可采用单位“日”作为其时间粒度，即最小的时间单位。

4.2 时空对象关系

4.2.1 空间关系

根据空间上的所属关系，城市道路在空间关系上主要有一对一、一对多两类。一对一表示元素在空间上互不包含，一对多表示一个元素包含多个另一元素。例如，道路由多个路段组成，则道路与路段为一对多关系；一个路段由多条车行道、人行道、隧道和多个附属设施组成，因此路段与其包含的元素均为一对多关系。而人行道与道路绿化带则互相分离、平行，为一对一关系。从实体的三个等级来看，一级要素与二级要素、二级要素与三级要素均为一对多关系，三级要素间均为一对一关系。在GIS中，空间关系用于对应其中要素间的拓扑关系，一对多可对应“包含”“点在区域内”的关系，一对一则对应“相邻”等关系。

4.2.2 时间关系

时间关系表达了实体在时间上的分布。城市道路的时间对象可分为时刻、时段，同时可分为时间方向、时间距离及时间拓扑关系三种类型。时间方向描述事件发生的顺序，如城市道路先开工，然后才是竣工、运营等事件。时间距离则描述事件之间的时间间隔，如城市道路从开工到竣工间隔1年。时间拓扑关系则描述时刻、时段之间的关系，时间点代表时刻，时间边代表时段，其拓扑关系如表1所示。

5 时空数据概念模型构建

以前述内容为基础，采用UML语言构建城市道路的时空数据概念模型，首先构建空间数据概念模型。城市道路的空间对象较为复杂，模型中包含其空间特征、拓扑关系及属性信息。其中，道路的几何特征可抽象为“线要素”，表示道路中心线，具体内容由路段表达。而路段及其中的桥梁、隧道、车行道、人行道、广场、分隔带绿岛、道路绿化带及盲道，均需要在管理中体现其宽度、长度等属性，因此其几何特征表现均为“面要素”。城市道路上的点状附属设施，如占道灯箱、供电箱式变、路名牌、广告牌、公交站台和综合杆等，占地面积较小，且管理中侧重于坐标、产权单位等信息，因此可作为“点要素”。多个对象形成对象类，其几何关系均在模型中表达，如图2所示。

城市道路的时空数据概念模型由空间与时态数据共同组成。时空模型包括空间数据模型中的全部对象及对象类。以路段为例，路段的时空对象为特定时间内，路段的状态及操作信息，包括路段的施工、维修等，路段的时空对象类则为多个路段的集合，其余城市道路对象的时空数据概念模型均以此逻辑构建。路段的时空数据概念模型如图3所示。

图2 城市道路空间数据概念模型

图3 路段时空数据概念模型

6 结语

本文研究构建了城市道路的时空数据概念模型，为城市精细化管理提供信息化基础。城市道路的时空信息数量庞大，不仅包含路段、桥梁、隧道和附属设施等空间信息，也包括不断变化的运营过程的时间信息，通过将时空信息抽象成模型，可被GIS系统识别并进行管理。在模型中，城市道路的实体空间对象可分为要素、要素类，同时包含实体需管理的属性，如等级、长度和宽度等。城市道路中按时间发展的一系列施工、维修等事件，则采用线性、离散的时间对象，并以“日”为单位描述。在时空关系上，城市道路内部对象在空间上有一对一、一对多的关系，在时间上主要描述时间点、时间段之间的拓扑关系。依据以上信息，本文构建了城市道路的时空数据概念模型，为后续逻辑、物理模型的构建提供基础依据。