動態分段技術在道路空間數據建模中的應用

秦 鳴，唐 甜

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

進入21世紀，南昌市在城市道路交通建設方面取得了顯著發展，初步形成了較為完善的道路交通系統，采用拓寬、渠化等方式新建改建了一批交叉口，大大提高了整體路網的通行能力。

但是，城市道路舊有的管理模式已經越來越不適應南昌市經濟與交通快速發展：①市政部門與交警部門各成體系，存在重復調查的工作，導致大量人力物力的浪費；②調查沒有統一的規范，使得市政與交警的調查數據格式不統一，相互不能直接使用；③傳統的圖、表、卡、冊或簡單的關系數據庫存在著效率低下、出錯率高、數據更新不及時等問題，已經不能適應現代化管理的要求；④由于我國各城市間道路線網結構、交通設施、交通管制模式和道路管理體制等諸多方面存在著較大差異，每個城市并不能簡單的復制其他城市已有的道路管理系統的成果。因此，建立基于GIS-T南昌市道路管理系統，具有十分積極重要的意義。

南昌市道路管理系統由道路數據庫和GIS應用系統兩部分構成，而道路數據庫設計和建立是GIS-T得以穩定運行的根本保證，同時也是系統開發過程中的時間、人力和財力投入最大的環節，約占整個系統的70%～80%，因此必須高度重視建立數據庫這一過程。道路數據庫的建立分為4個步驟：空間數據建模、線路系統的建立、屬性數據庫的建立、系統數據庫集成和實現。由于目前商業GIS應用系統都事先假定數據模型，并非按照應用系統的特征設計出有效的數據模型和確定模型中的要素在進行建立，這顯然阻礙了對交通應用系統中的功能進一步發展。為此，本文在空間數據建模應用動態分段技術的過程中，涉及到的數據結構、車道的幾何數據語義描述和車道之間拓撲數據語義描述3個關鍵點進行論述。

1 動態分段技術原理

1.1 線性參照系統

線性參照系統（linear referencing system，LRS）是指根據一維空間中的線性要素位置的相關性來存儲地理數據的一種形式和方法。

線性參照系統最早是由Baker和Blessing在1974年提出的，線性參照系統一般包括3個部分：①交通網絡模型；②線性參照方法；③參照基準與控制。常用的線性參考方法有里程參考、分段參考、地址參考和觀測點參考[1]。

線性參照形式的核心是線性量測，線性網絡實體是由交通道路網和參照點構成。線性屬性數據可以體現道路網絡承載事件的多重信息。線性參考系統的最為顯著的特點是：在線性網絡實體存在著空間位置特征，線性屬性數據體現為屬性信息，該屬性信息可借助線性分段技術在GIS中完成空間現對位移的展現，其前提條件是這些屬性信息必須滿足線性參照形式。

1.2 動態分段技術

動態分段（dynamic segmentation，DS）是美國研究學者維·夫萊特于20世紀80年代發表的研究成果。動態分段是一種新型線性具有多維度信息特點的空間分析技術，它提供了空間信息數據與固有屬性數據二者產生耦合的方法[4]。

動態分段技術的實質是將屬性數據與空間數據二者關系緊密結合，從而將道路數據庫對應的多個不同的屬性數據與路段中任意偏移量的部分產生關聯。

動態分段技術具有以下特點：①屬性數據在共有線性要素描述的前提上，屬性數據與空間線性要素的位移能夠相互獨立；②動態分段技術可對線性要素按需求進行動態空間查詢，而不必對分析的線性對象按傳統意義上的邏輯分段。③空間信息數據庫與固有屬性數據庫二者相對獨立，有利于數據的組織、分析和修改。

2 基于動態分段技術的數據模型建模

2.1 交通特征數據類型

美國空間數據交換標準（spatial data transfer stander，SDTS）將交通特征描述如下：交通特征是交通系統中具有的屬性，在客觀世界中可以被唯一標識的要素。通常正式公布的街道或道路名稱，構成了定義所涉及的特征集合最主要的標準[6]。

交通特征數據類型的分析是進行空間數據建模的先決條件。交通特征數據是在指定交通區域內的一類具有相同性質集合，其標識特征是整體性和確定性，交通區域標識聚合而成的統一集合，保證交通特征的唯一整體性。

交通特征分為點維（point），線維（line）和面維（polygon）。其中，點維特征集合和線維特征集合是道路交通網絡的基礎，面維特征集合在交通網絡中由點維表述或點維與面維共同聚合整體描述，也即面維特征集合是交通網絡的子集。經過上述分析，可得到交通特征數據類型組成：點維數據包括道路交叉口，交通基礎設施，橋梁隧道等；線維數據包括道路路段，限制車速路段，禁停路段，禁止U型回頭段等，面維數據包括交通產生吸引小區等。

2.2 基于動態分段技術的數據結構

道路是交通地理信息系統中最重要的組成元素，也是道路交通網絡抽象線路原型。交通網絡屬于圖論中的權值圖，目前一般采用平面弧段-節點（ARC-NODE）拓撲數據模型來表示，而平面拓撲弧段-節點數據模型（ARC-NODE MODEL）在實際的道路交叉口上都必須產生節點（NODE），人為地將完整的道路分割成若干弧段，致使道路數據庫中的弧段和節點數據量龐大，造成計算機存儲空間的浪費和占用更多的系統資源，同時還會破壞數據的完整性和一致性[7]。

為解決上述問題，應采用非割道路數據模型，該道路數據模型的構成形式為弧段和結點，相對平面弧段節點模型不同之處是邏輯表達和建模元素的存儲方式：在邏輯表達上，非割道路數據模型僅有起始點和目標點，避免產生道路的交叉口節點，維護了交通特征的完整性；在建模元素的存儲方式，非割道路數據模型是保存方式是將整條道路作為目標對象實體，有利于保持立體交叉路口數據全面性，能最大程度地還原實際交通道路網的信息。

在實際的交通網絡中，以完整的道路作為道路數據庫基本要素，對于描述道路一些特征是足夠的，但在交通應用中，交通特征的變化是與車道密切相關的，因此，在道路數據庫中把車道作為基本建模目標顯得更為合理。

在動態分段數據結構中，空間實體類型包括：節點、弧段、鏈、環，同時還包括點事件、線事件、段等。這樣，可在不改變原有空間數據結構的基礎上，很方便處理各種屬性關系。根據實際情況及描述問題的方便，本文采用動態分段數據結構如圖1所示。

圖1 動態分段數據結構Fig.1 Dynamic segmentation data structure

2.3 空間數據模型

空間數據模型是將電子地圖與空間數據庫分開，以車道作為最基本的建模實體，采用動態分段技術，將車道屬性以事件的形式建立在拓撲層上。空間數據模型為了能夠適用于南昌市道路管理系統，則必須完整地表達車道的起點，終點，行車道之間的連通性以及行駛限制等信息。

2.3.1 車道的幾何數據語義描述

針對一條完整的道路，利用動態分段技術建立起路徑（route），使動態段（section）與弧段（arc）建立對應關系。然后借助于動態段映射，連接所有的弧段，即可得到整體道路的長度，名稱等信息。而后，再次使用動態分段技術，同時生成相反的車道路徑（route），對于起始或終止的道路中間點的車道，只需將多余動態段刪除。車道數據采用關系映射的方式表達，同時保留車道起終點距參照道路的偏移量（offset），采用數據結構類型描述如下：

typdef struct｛

int Street-ID；

int Lane-ID；

float F-pos；

float T-pos；

int type；

｝Lane

通過評定車道路徑首尾弧段在街道中的偏移量則可得到映射關系。特別的，對于單向行駛車道，只需將反方向車道從關系表中移除即可。圖2是完整的南昌市陽明路，在屬性數據庫中的關系映射，如表1所示。關系映射表中，Lane-ID是表中的主關鍵字，而Street-ID作為一個外部關鍵字將車道表與道路信息聯接起來。關系映射表記錄著一條車道的最基本信息，在動態分段模型中每個車道都是一個獨立線路結構。

圖2 陽明路在屬性數據庫中的關系映射Fig.2 The relational mapping in attributing database of the Yangmin Road

表1 關系映射表Tab.1 Relation mapping table

2.3.2 車道之間拓撲數據語義描述

空間數據模型必須考慮到車道之間連通性。車道之間的拓撲關系就是各個車道之間在客觀存在的交叉點上的轉向關系，車道之間的拓撲關系的轉向節點文件結構如下：

typdef struct｛

int Lane-ID；

int From-Lane；

int To-Lane；

float offset；

float to-forward-offset；

float Impedance-Factor；

｝Lane-Turn

按照數據的組織方式，我們把路段分為2種情況：第一類是在路段中只有相反兩條單車道將車道作為建模的基本元素；第二類就是路段中同向車道不只一條，各個車道的屬性或交通限制不同，例如轉向、速度、換道等。

為了能提高路網分析和路徑查詢的效率，本文采取了對同向多車道進行邏輯聚合，即把第二類同向互通車道合并成一個方向車道。也就是說，所有同向的左車道邏輯抽象聚集成一個方向車道，右車道亦然。方向車道是一個邏輯概念，它包含了若干車道且其方向屬性必須一致。按上述對車道的邏輯抽象聚集處理方法，將南昌市勝利路與疊山路交叉口由復雜的T型多車道交叉口簡化如圖3所示，用以說明起始路段的每條車道到下一條路段車道的轉向表的建立。

圖3 勝利路與民德路交叉口簡化圖Fig.3 Simplified diagram of intersection of Shengli Road and Minde Road

首先按T型交叉口的車道特征結合動態分段技術方法建立路徑段表Section Table，弧屬性表AAT和節點關聯表Adl表，分別見表2，表3和表4。其中，字段Routelink#指向路徑屬性表中的路徑內部標識碼Interna-ID；ArcLink#是弧段；F-Meas和T-Meas是段的起點度量值和段的終點度量值，用路徑的度量系統計算；F-Pos和T-Pos表示段的起點和段的終點，通過段占有弧的百分比來計算，對應弧段的坐標，如果段的方向與弧的方向相反，則F-Pos與T-Pos的位置顛倒。在弧屬性AAT表里，其相關字段用以描述弧段及節點之間的聯系和弧段的屬性；節點關聯表Adl中，用關系表來說明節點（Node）的相對位置。

表2 路徑段表Tab.2 Path segment table

表3 弧屬性表Tab.3 Arc attribute table

表4 節點關聯表Tab.4 Node association table

在轉向表TRN主要是用于表述車道間的轉向連通性。在表5中可以看出，字段FromArc和ToArc是起始弧段與目的弧段；Angle為轉向弧段間的夾角，用正負區別左轉和右轉；Impedance Factor為阻抗因子，與延誤時間密切相關。

表6 轉向表Tab.6 Turning table

對照路徑段表Section Table，通過判斷弧段Arc1中車道L1對應字段T-pos的值，得到T-meas對應的節點；在弧屬性表中找到Arc1對應的到達節點1；通過節點關聯表，我們可知節點1的鄰接弧段是Arc1、Arc2、Arc3。Arc2包含著車道L1和L2，因節點1為Arc1到達節點，而Arc1和Arc2又是同向弧段，故L1和L2不存在連接關系。其它車道也同樣處理，最終得到了拓撲連接LTT表，見表6。

表6 拓撲連接表LTTTab.6 Topological connection table LTT

對于城市中諸如十字交叉口，環形交叉口，立交橋等節點，也可按上述方法建立的車道拓撲表。

3 結束語

動態分段技術是GIS網絡分析中的一種重要的技術手段，它可以有效地解決基于線性特征的動態分析問題。通過運用基于動態分段技術數據模型的建模方法，筆者在VB.NET和MapX環境中構建南昌市城市道路管理信息系統，如圖4。該系統結合交通管理的需要，將各種道路信息數字化，能夠支持城市道路交通規劃、建設和管理，提供分析和決策支持功能。

圖4 系統主窗體界面Fig.4 System main interface

[1]王肖曼，楊欽.城市交通信息平臺GIS2T數據庫設計[J].計算機工程與應用，2005（13）：229-232.

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[4]陳述彭.新經濟時代的地球信息科學[J].地球信息科學，2000，2（3）：1-4.

[5]胡昌華，李國華，周濤.基于MATLAB7.X的系統分析與設計——小波分析[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008：174-181.

[6]張兵.基于GIS的交通信息發布系統研究[D].長春：吉林大學交通學院，2007：13-17.

[7]劉學軍，徐鵬.交通地理信息系統[M].北京：科學出版社，2006：69-90.

[8]TANG AY，A DAM S T M ，U SERY E L.A spatial data model design for feature2based geographical information systems[J].International Journal of Geographical Information Systems，1996，10（5）：643-659.