基于線性參考系統(tǒng)的城市軌道交通地理信息系統(tǒng)

摘　要　　線性參考系統(tǒng)和動態(tài)分段作為近年來交通地理信息系統(tǒng)中擁有眾多優(yōu)勢的兩項新技術(shù),在交通系統(tǒng)的信息化建設(shè)中受到越來越多的重視。本文設(shè)計了這兩項技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用的方法,同時也闡述了一些相關(guān)智能技術(shù)的實現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一個城市軌道交通信息系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞　　線性參考系統(tǒng)　動態(tài)分段　城市軌道交通　地理信息系統(tǒng)

1引　言
地理信息系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計算機圖形處理技術(shù)。對于交通地理信息系統(tǒng)(GIS T,GeographicInformationSystemforTransportation),一個重要的設(shè)計目的便是實現(xiàn)靈活、高效的收集、存儲、管理、綜合分析處理空間信息和交通信息等功能,而這就需要一個精簡、可靠的地圖數(shù)據(jù)庫以及一套智能處理技術(shù)。由于交通系統(tǒng)中所涉及的對象在空間分布上的特殊性,使得基于傳統(tǒng)二維平面空間坐標系統(tǒng)的交通地理信息系統(tǒng)在空間利用率和運行效率上無法達到令人滿意的效果[1]。因此,近年來在交通地理信息系統(tǒng)中采用了兩項新技術(shù)———線性參考系統(tǒng)(LRS,LinearReferenceSystem)和動態(tài)分段技術(shù)(DS,DynamicSegmentation)[2]。另外,交通地理信息系統(tǒng)中所涉及的交通信息經(jīng)常是海量的數(shù)據(jù),并且其中各個對象的屬性之間有著千絲萬縷的聯(lián)系,如果沒有智能技術(shù)的幫助,則交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中某一部分信息的修改將導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的不匹配,而這種修改也是經(jīng)常發(fā)生的,因此,人工更正這些數(shù)據(jù)的工作量是不可想象的。所以,智能技術(shù)對城市軌道交通地理信息系統(tǒng)(URGIS,UrbanRailGIS)的正常運行起著至關(guān)重要的作用。
本文分析了城市軌道交通結(jié)構(gòu)和設(shè)施上的特殊性,設(shè)計了線性參考系統(tǒng)和動態(tài)分段技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用的方法,同時也闡述了一些相關(guān)智能技術(shù)的實現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一個城市軌道交通的信息系統(tǒng)。
2GIS T中的線性參考系統(tǒng)和動態(tài)分段技術(shù)
基于線性參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實世界線性特征及其相關(guān)屬性的抽象表現(xiàn),是由基礎(chǔ)線性網(wǎng)絡(luò)、線性參考方法以及屬性表構(gòu)成的[3]。LRS定義一個地理位置的方法是通過與已知位置的距離或其他度量,而不是傳統(tǒng)平面坐標系統(tǒng)中的x、y坐標。
在GIS T中選擇線性參考系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于:
(1)所需的空間數(shù)據(jù)量小,有利于數(shù)據(jù)的錄入及維護。
(2)依靠統(tǒng)一的參考模型避免數(shù)據(jù)換算造成的誤差。
(3)查詢和檢索操作方便靈活,既可以不依賴地圖數(shù)據(jù)庫進行查詢,也可與數(shù)字地圖疊加后進行模糊查詢。
通常,GIS T所涉及的都是有特定幾何形態(tài)的線性元素,但與這些線性元素相關(guān)的分布式屬性卻隨著時間和空間的變化而動態(tài)改變。為了便于對這些屬性的保存和在地圖上的重建,線性參考系統(tǒng)中引入了動態(tài)分段技術(shù)。動態(tài)分段技術(shù)是一個建立在線性網(wǎng)絡(luò)之上的數(shù)據(jù)模型,是對線性特征進行以某種量測標準為依據(jù)的相對位置劃分的技術(shù)[2]。該技術(shù)一方面可以將原有的線性元素劃分為一系列的線性段落,并將段落重新連接成線性元素;另一方面,通過動態(tài)分段,可以將現(xiàn)實世界中的空間屬性與線性元素聯(lián)系起來。
2.1　基于線性參考系統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)庫的建庫原理
基于LRS的地圖數(shù)據(jù)庫建立方法有多種,但其基本原理都類似于極坐標系中點的確定方法,即對于沿線性目標分布的未知點,如果知道該點離某一定點的距離和方向,則可以確定它的位置[2]。所以各種建庫方法僅在于線性參考方法上的不同,即在采用何種度量方法上有所差異。
2.2　基于動態(tài)分段技術(shù)的線性網(wǎng)絡(luò)的生成方法
動態(tài)分段技術(shù)的首要任務(wù),就是將原有的數(shù)字化圖形線段連接成一個或多個具有唯一序號的線路集合,而這個集合就是所需的線性網(wǎng)絡(luò)[4]。為了構(gòu)造這樣的線性網(wǎng)絡(luò),要根據(jù)線路地圖數(shù)據(jù)庫中提供的線段與線段間的連接關(guān)系,生成對線段統(tǒng)一管理的對象———線路,并根據(jù)線路的線序最終生成以全部線路為其成員的對象———線路網(wǎng)絡(luò)。
3基于線性參考系統(tǒng)和動態(tài)分段技術(shù)的URGIS的設(shè)計　　
由于城市軌道交通結(jié)構(gòu)和設(shè)施的特殊性,本文所設(shè)計的URGIS上運用的線性參考系統(tǒng)和動態(tài)分段技術(shù)也有很多自身的特點。
城市軌道交通線路是由各軌道站點以及連接各站點的軌道線路所構(gòu)成的一個復(fù)雜的交通網(wǎng)絡(luò),不僅在線路上有輕軌與地鐵的區(qū)別,而且在站點上根據(jù)其不同的功用,又可細分為普通站點、終點站點、中轉(zhuǎn)站點和復(fù)合站點(即同時為終點站和中轉(zhuǎn)站的站點)。此外,不同的線路之間的連接方式也有多種情況。這就使得URGIS的線路地圖數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造和普通線性參考系統(tǒng)中的有所不同。
在本文所設(shè)計的URGIS的線路地圖數(shù)據(jù)庫中,記錄是以軌道站點為單位的。為了構(gòu)造正確的線路網(wǎng)絡(luò),每條記錄中的字段由表1示:

根據(jù)這樣的線路地圖數(shù)據(jù),URGIS就可以運用動態(tài)分段技術(shù)分兩步來完成對現(xiàn)實屬性的還原。首先,根據(jù)軌道站點所提供的信息把軌道線段連接成多個具有唯一確定線序的線路集合:通過站點順序號依次掃描每個站點記錄,由于同一線路的站點連續(xù)排列,所以可以將每個站點(終點站除外)兩端的線路連接起來,直至掃描完所有站點。然后,要以設(shè)施或事件與線路的起始點的位移為參考,將URGIS所了解到的信息與線路網(wǎng)絡(luò)的某一點或某一段聯(lián)系起來。在詳細介紹這一步驟之前,先簡要介紹一下相關(guān)知識。
動態(tài)分段中的元素為路徑、路段和事件[3]。其中,路徑是路段集合,也是線路的子集。路段則為路徑提供度量的標準。
事件是與路徑系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的屬性集,存儲在數(shù)據(jù)庫的事件表中,而不是地圖數(shù)據(jù)中。事件分為點事件和段事件。例如,某條線路中部分需要檢修的路段就是段事件,而需要檢修的站點或發(fā)生事故的現(xiàn)場則為點事件。對于段事件的描述,以往的方法是通過x、y坐標確定段的起點,一定的里程表示段事件的長度。但x、y坐標的引入會因為精度的問題而導(dǎo)致誤差,因此,在URGIS中,我們利用原來的站點記錄,再加入起始里程數(shù)和中止里程數(shù)來唯一確定一個段事件。而對點事件的描述則只需里程數(shù)即可。以圖1為例,軌道線路各段的狀況在數(shù)據(jù)庫中的存儲方式如表2所示,在確定了對應(yīng)的線路號(Railway字段)和起始節(jié)點(StartNode字段)后,通過路段的起始偏移(Offset1)和中止偏移(Offset2)來定義該段事件。而對于交通事故這類點事件的存儲,只需要記錄下事故現(xiàn)場與起始節(jié)點的偏移就可以了(見圖2和表3)。

這樣,根據(jù)以上的技術(shù)路線,就可以完成在數(shù)字軌道線路中對信息的定位了。圖3顯示了存儲在數(shù)據(jù)庫中的事件如何通過路徑和路段在數(shù)字軌道線路圖中定位,并最終形成真實世界中的定位。首先通過事件記錄的Railway字段找到對應(yīng)的路徑,再根據(jù)StartNode和Offset字段確定事件在路徑中所處的路段,并由最后以圖形方式顯式地反饋給用戶。

當然,實際應(yīng)用中的事件記錄不僅包括上面例子中幾個字段,還包括很多重要的信息。例如,相對于線路的方向,即事件在線路的左側(cè)還是右側(cè)。偏移也分為采用公里等絕對距離度量的DistanceOffset和采用相對距離度量(如線路總長的百分比)的NormalizedOffset。
4URGIS中的智能技術(shù)
在URGIS中,經(jīng)常會遇到由線路網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的站點屬性的變更。譬如,暫時阻斷軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)中一條線路與網(wǎng)絡(luò)的連接,會使得其他線路上與這條線路相交的中轉(zhuǎn)站點的中轉(zhuǎn)屬性失效。為了防止這種情況的出現(xiàn),我們通過離散數(shù)學圖論為URGIS設(shè)計了能夠動態(tài)監(jiān)測線路網(wǎng)絡(luò)變化,并自動更新站點屬性的智能技術(shù)。
因為每條線路的兩個方向上均有列車通過,所以可以將軌道交通網(wǎng)絡(luò)視為無向圖G(V,E,f)。其中V是圖中的站點集,E是線路中聯(lián)結(jié)相鄰兩站點的線段的集合,f:E→{{vi,vj}|vi,vj,∈v}是線路對站點集的映射。由于軌道線路是線性的網(wǎng)絡(luò),且站點的編號有一定次序,故線路可以綁定在站點上,所以在實際處理中,f并不作為考慮重點。對于圖中的站點V,設(shè)其度數(shù)為deg(V)。在生成線路網(wǎng)絡(luò)的時候,通過對每個節(jié)點的所關(guān)聯(lián)的邊進行統(tǒng)計來求得站點對應(yīng)的deg(V)。針對圖中存在的四種站點,有如下計算規(guī)則:
1)一條線路上的普通站點只有兩條相關(guān)聯(lián)的線路,故deg(V)=2;
2)終點站只有一條相關(guān)聯(lián)的線路,故deg(V)=1;
3)中轉(zhuǎn)站至少有兩條或兩條以上的線路經(jīng)過,故deg(V)=4,6,…,2n(n為經(jīng)過該站點的線路數(shù));
4)復(fù)合站至少是一條線路的終點站和另一條線路的中轉(zhuǎn)站,故deg(V)=m+2n(m為位于該復(fù)合站的終點站個數(shù),n為位于該復(fù)合站的中轉(zhuǎn)站個數(shù))。
按照上述計算方法,可以求出軌道線路網(wǎng)中每個站點的deg(V)。
在遇到改變線路網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的操作時,則根據(jù)操作的內(nèi)容對原有線路的狀態(tài)進行分析和更新。以部分路段的停運操作為例,被停運線路中普通站點對其他線路沒有影響,而中轉(zhuǎn)站的停運使得該站點的deg(V)減少2。復(fù)合站的停運對自身deg(V)的影響取決于該站點在被停運線路中的作用,如果是該線路的終點站,則deg(V)減少1;如為中轉(zhuǎn)站,則按中轉(zhuǎn)站的方法處理。系統(tǒng)分析完各節(jié)點deg(V)的變化后,則根據(jù)新的節(jié)點信息更新無向圖G,確保現(xiàn)有線路網(wǎng)絡(luò)的正確性。當上海地鐵二號線暫停營運進行維護時,系統(tǒng)對線路網(wǎng)絡(luò)作自我更新的情況。由圖可見,地鐵一號線和輕軌明珠線上兩個站點的屬性有了明顯的變化(圖中無字母的圓點為普通站點)。
此外,在計算出途中各站點deg(V)的基礎(chǔ)上,URGIS還可根據(jù)圖論的部分定理智能驗證線路圖的正確性。如根據(jù)

來判斷線路中站點的屬性是否有錯誤。
5結(jié)束語
根據(jù)本文論述的技術(shù)開發(fā)的城市軌道交通信息系統(tǒng),具有維護數(shù)據(jù)量較小、事件定位準確、自動化程度高等特點,在城市軌道交通的信息化管理方面有良好的應(yīng)用前景。
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,大城市日趨繁榮,發(fā)展大運量的城市軌道交通已成為解決大城市交通問題的關(guān)鍵。線性參考系統(tǒng)、動態(tài)分段技術(shù)以及相應(yīng)智能技術(shù)非常適用于以城市軌道交通為代表的線性網(wǎng)絡(luò)交通系統(tǒng)。本文著眼于探討這些新技術(shù)在城市軌道交通方面GIS系統(tǒng)上的應(yīng)用,并從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制方法上對URGIS的開發(fā)進行了歸納。但目前我國對這類線性系統(tǒng)的研究和實踐工作仍處在起步階段,因此,如何建立一個基于線性參考系統(tǒng)的、通用和高效的城市軌道交通信息系統(tǒng)的應(yīng)用,對我國城市交通信息化建設(shè)具有重大的意義,有待作進一步研究。

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