基于開源數據引擎的鐵路基礎設施地理空間數據管理方法的研究

程智博，魏小娟

（1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

基于開源數據引擎的鐵路基礎設施地理空間數據管理方法的研究

程智博1，魏小娟2

（1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

通過對目前鐵路基礎設施管理定位現狀的研究，針對大部分采用商業型數據引擎增加成本的問題，提出一種基于PostGIS的線性參考模型。對鐵路一維線路空間數據進行組織和存儲，實現鐵路線性資產空間位置信息的定位管理，為驗證該方法應用的可行性給出運行實例，利用鐵路地理信息平臺上傳應用服務，達到正確描述鐵路線性資產的地圖位置和降低成本的目的。

PostGIS；線性參考；定位管理

鐵路基礎設施是指構成鐵路路網的固定設施，主要包括軌道、線路、路基、橋涵、隧道等。這些基礎設施的空間數據多以線狀表達，具有海量、類型復雜等地理特征，需要使用空間數據庫將固定設施的空間位置進行管理。現有的鐵路基礎設施臺賬管理方法中，采用線路-里程的方式進行位置定位，借助于一維線性度量單位表達鐵路沿線設備的位置。通過WebGIS二維空間坐標展示鐵路線路信息時，并沒有考慮到鐵路設施數據的一維線性特征，如何正確地融合兩者成為管理和維護鐵路基礎設施地理信息數據的關鍵手段。因此，在鐵路空間數據庫中，組織和存儲鐵路一維的線路空間數據，并且能夠完善地管理、表達設施設備的空間位置信息，成為亟待解決的問題[1]。

隨著多種GIS軟件支持對PostgreSQL空間數據庫的訪問，利用PostgreSQL和PostGIS數據引擎管理鐵路線性空間數據，能夠增強空間數據庫的集成部署的靈活性、降低鐵路GIS項目的開發成本，相對于傳統的商業型數據引擎，具有強大的優勢。

1 線性參考和PostGIS

1.1 線性參考

線性參考（Linear Referencing）即利用已有線性要素的相對位置存儲地理數據的一種方法，無需顯示（X，Y）坐標而唯一地標識線路位置的過程[2]。主要特點是，僅用一個表達里程的參數來定位屬性和事件，動態地參考和創建線性結構的各個部分[3]。

線性參考主要使用具有唯一標識ID的路徑度量值（M）描述與沿線自定義起點的相對位置。M值存儲在事件表中，將線路從多段線（Polygon）類型變成帶有里程值的多段線（Polygon M）類型。例如通過帶有里程值的線路進行設備資產定位，描述列車的位置 “距京滬高速起點60 km處”比描述（116.72,39.49）的GPS坐標更有意義。圖1所示不同維度表達坐標點和里程值的關系。

圖1 一維和二維的不同線性表達方式

1.2 PostGIS

空間數據的存儲與管理是GIS的基本功能，如何對一維線性的鐵路資產在空間數據庫中進行管理也是研究熱點。目前，主流的商業型空間數據庫引擎有Oracle Spatial、ArcSDE、SQL Server Spatial等，然而高昂的購置成本有時讓人望而卻步。隨著開源數據庫的發展，并且遵循開放地理空間聯盟（OGC）制定的規范，PostgreSQL和MySQL等免費的空間數據庫越來越受到用戶的歡迎。作為較主流的兩款開源數據庫，其空間插件PostGIS和MySQL spatial extensions管理地理空間數據具有自身的特色，相比較而言，PostGIS能夠提供更多的空間索引類別、常用的投影坐標系、復雜的數據操作和分析功能，將屬性信息和空間信息存儲在一張表里對空間對象進行完整性表達[4]，這些優勢增加了空間數據的易用性和互操作性，本文選擇PostGIS數據引擎管理鐵路線性數據。

2 基于PostGIS的線性參考模型

采用開源數據庫平臺PostgreSQL 9.4 和 PostGIS 2.1，基于線性參考方法進行建模，以驗證一維線性鐵路設備資產在開源數據庫中的定位可行性。通過PostGIS提供的擴展程序封裝線性參考的算法，能夠解決一維線性數據和二維地理坐標數據的里程轉換。圖2是線性參考模型示意圖。

圖2 線性參考模型流程圖

2.1 數據處理層

數據處理層是基礎層，根據鐵路不同業務部門的設施設備臺賬和已有地圖數據建立線路的空間實體，盡量保證線路的連續性和完整性。可以根據自定義或者讀取其他字段的方式獲取路徑的度量值，相應地設置其他參數，得到具有M字段的路徑。通過與線路對應的點文件進行校準，進行線路糾正，得到與之匹配的線路要素類，此時線上的每一個點都具有M值。滿足式（1）：

其中：ObjectID是屬性表每行具有唯一標識的ID；Shape類型是（Polygon M），lineID是標識線路的ID。

2.2 數據存儲層

數據的存儲是數據入庫的過程，PostGIS是通過自身內建模板數據庫進行新建空間數據庫，其空間支持功能加載到postgis_template模板空間數據庫中，這樣通過SQL語句即可創建數據庫。選擇ogr2ogr命令導入shp、KML、XML等格式的文件，不同的文件格式采取相應的數據導入的方式，入庫的要素類支持路線空間數據庫和事件屬性數據庫的關聯。存儲的數據由PostGIS支持的文本表達方法（WKT）和二進制表達方法（WKB）描述幾何類型。

2.3 擴展開發層

編寫用戶定義函數（UDF）是PostgreSQL的強大功能之一。PL/pgSQL是一個功能強大的SQL腳本語言，存在于絕大多數的PostgreSQL安裝文件中，基本不需要對它進行重復設置。該層的主要功能是實現二維空間和一維線性位置參照系的轉換，其轉換方式有2種：（1）從一維線性的數據到二維坐標系的轉換；（2）從二維地圖坐標到一維線性數據的轉換。

2.3.1 第1種轉換方式

試圖求出在線路長度范圍內某里程值（M）所對應的點的二維空間坐標 （X，Y）。這種轉換需要插值和擬合即可。為了保證線路的光滑度，采用3次樣條插值方法，數學模型建立如下：

設y=f(xi)是區間[m1,mn]上的連續函數，f在[m1,mn]的各區間函數s(xi)，滿足：

s(x)在每個區間內都是三次多項式；

s(x)在每個節點內具有二階連續導數；

s(xi)=yi

得到每個小區間[mi–1,mi]的表達式：

該表達式所繪制的曲線能夠較好地逼近原始線路，通過擬合方式解析函數，將整個線路的圖上距離（Shape Length）進行歸一化，通過相對于整條線路的浮點數A∈[0,1]處的里程值得到相應的二維點坐標。同時，也可以通過自定義起始里程和終止里程，得到在此區間內的子線路。

使用PL/pgSQL語言編寫算法、封裝函數，通過傳入Float型的里程值和Integer型的線路標識，對指定線路具有（MulitiLineString） M類型的多段線進行賦值、插值等操作，最終返回可被解析為文本類型的點坐標PointM或LineString。

2.3.2 第2種轉換方式

根據已知的二維平面點坐標（X,Y），得到該點（在線路上）或者距離線路最近的點在線路上的里程值（M）。在鐵路線性要素數據的表達過程中，隨著線性要素屬性的變化，將線路在需求的位置處打斷以反映數據的變化。因此采用分段曲線擬合的方式對兩種位置的關系進行轉換[5]。

假設鐵路線路上有（n+1）個采樣點，分為L段，則有：

可以建立該點（X,Y）到線路的距離（1≥0）的n次多項式：

其中，k=1,2,…,L。

根據最小二乘法，進行分段插值，得到最小值的ak,0,ak,1,ak,2,…,ak,t，以及bk,0,bk,1,bk,2,…,bk,t。根據求出的每一段的，得到R(m)的表達式：

通過分段式的最小二乘法進行擬合插值，能夠保證相鄰分段之間的平滑性和連續性。通過傳入POINT型的（X,Y），判斷該點是在線路上還是線路外，若在線路上，直接返回距離線路起始點的里程值；若在線路外，根據其最短距離映射到線路上得到里程值。使用該方法可避免使用PostGIS內部函數在弧段、折角等處使用直線距離取代曲線距離而產生的誤差。

2.4 服務發布層

針對PostgreSQL是一個自由的關系型數據庫，可以采用Web Services技術，達到實現異構系統平臺之間的互操作性的目的[6]，將系統的數據顯示和需求作為一種服務，通過服務的請求調用獲得數據庫的數據共享和應用。基于Web Service的關系型數據動態發布服務系統主要包括數據庫管理模塊、構建服務模塊、解析信息模塊、服務發布模塊，最終生成服務數據庫，可供用戶調用服務進行查詢參數和結果，發布服務流程圖如圖3所示。

基礎數據庫采用PostgreSQL數據庫，存儲處理后的基礎線性數據，并可以對數據進行添加、刪除、修改和查看等基本操作。通過對數據庫添加所需的配置表和必須的字段信息進行構建服務模塊。在解析信息模塊中，通過調用PostGIS中寫入的函數，將約束條件映射到信息模塊中，使得數據庫能更好地識別SQL語句。在服務發布模塊中，采用REST（REpresentational State Transfer）的結構設計，將數據服務轉移向應用服務，利用其提供的服務接口，將查詢信息存儲到服務數據庫中，通過輸入查詢的關鍵字等信息，獲取查詢結果，實現系統間的數據服務應用。

圖3 發布服務流程圖

3 應用實例

采用B/S架構，應用和數據庫部署在同一臺服務器上，使用PostgreSQL數據庫及PostGIS插件、Tomcat 7.0中間件，運行于Windows Server 2008 R2操作系統，客戶端使用Windows 7 操作系統，IE 8/9/10/11瀏覽器，在鐵路地理信息平臺中注冊服務，在該平臺的線性參考模塊中查詢到上傳的服務，界面如圖4所示。

圖4 服務管理界面

根據發布的“坐標轉里程”和“里程轉坐標”兩種Web服務，選擇線路所在的空間數據庫，可以依據不同的線路類型進行查詢，如選擇鐵路正線、站線等，構造完成的查詢實例界面如圖5所示。

查詢經過服務引擎轉化成對應的UDF語句，在調用服務的過程中將輸入的數據轉化為參數與服務接口中的函數參數相匹配，轉到PostgreSQL數據庫中將查詢結果返回給Web界面。

圖5 里程轉坐標查詢界面

4 結束語

通過對PostGIS空間數據引擎的研究，根據鐵路線性要素的一維表達方式的實際情況，提出了基于PostGIS的線性參考模型，并通過PostgreSQL作為后臺數據庫進行發布Web服務。該應用實例證明了PostGIS開源數據庫引擎的實用性和可操作性，能融合于鐵路地理信息平臺中，完成鐵路一維線性資產的地理定位表達，為今后地理空間數據的引擎選擇提供了更廣闊的空間。

[1]史天運,王英杰,李 平.數字鐵路框架體系的研究[J].交通運輸系統工程與信息,2010，10（6）：29-33.

[2]ESRI 環境系統研究所公司（美國）.ArcGIS中的線性參考[Z].美國：ESRI環境系統研究所公司，2004.

[3]程 亮,龔健雅,朱明媛,等.線性參考系統技術在道路資產管理系統中的應用研究[J].測繪科學,2008，33（4）：206-208.

[4]侯 偉.開源空間數據庫的數據表達,管理與分析[J].測繪通報,2012（S1）：602-604.

[5]蔡先華,齊 征,戚潔平,等.基于線性LRS與基于SRS的空間數據轉換方法[J].公路交通科技,2005，（S2）：165-168.

[6]尹兆冰,王加陽.Web Service及其關鍵技術研究綜述[J].軟件導刊,2010，9（2）：121-123.

責任編輯 徐侃春

Methods of railway infrastructure geo-spatial data management based on Open Source Database Engine

CHENG Zhibo1,WEI Xiaojuan2
( 1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Institute of Computing Technologies,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This article researched on the location situation of railway infrastructure management,proposed a kind of line reference model based on PostGIS to solve the problem of increased cost caused by using commercial database engine.The one-dimensional railway line data were managed and stored to implement the location management of railway linear assets spatial position information.The operation instance was given to verify the feasibility of the model application.The railway geographic information platform was used to upload application service,achieve the purpose of describing the map position of railway linear assets correctly and reducing the cost.

PostGIS;linear referencing;location management

U2：TP39

A

1005-8451（2016）04-0006-04

2015-10-08

程智博，在讀博士研究生；魏小娟，助理研究員。