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(xiàng)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(jì)了這兩項(xiàng)技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用的方法,同時(shí)也闡述了一些相關(guān)智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一個(gè)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(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)。對于交通地理信息系統(tǒng)(GIS T,GeographicInformationSystemforTransportation),一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目的便是實(shí)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(gè)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(biāo)系統(tǒng)的交通地理信息系統(tǒng)在空間利用率和運(yùn)行效率上無法達(dá)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(xiàng)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(gè)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(yùn)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(jì)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(shí)也闡述了一些相關(guān)智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一個(gè)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(shí)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(gè)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(biāo)系統(tǒng)中的x、y坐標(biāo)。
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(hù)。
(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(jìn)行查詢,也可與數(shù)字地圖疊加后進(jìn)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(shí)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(gè)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(jìn)行以某種量測標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(biāo)系中點(diǎn)的確定方法,即對于沿線性目標(biāo)分布的未知點(diǎn),如果知道該點(diǎn)離某一定點(diǎn)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(gè)或多個(gè)具有唯一序號的線路集合,而這個(gè)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(jì)　　
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(jì)的URGIS上運(yùn)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(diǎn)。
城市軌道交通線路是由各軌道站點(diǎn)以及連接各站點(diǎn)的軌道線路所構(gòu)成的一個(gè)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(diǎn)上根據(jù)其不同的功用,又可細(xì)分為普通站點(diǎn)、終點(diǎn)站點(diǎn)、中轉(zhuǎn)站點(diǎn)和復(fù)合站點(diǎn)(即同時(shí)為終點(diǎn)站和中轉(zhuǎn)站的站點(diǎn))。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(jì)的URGIS的線路地圖數(shù)據(jù)庫中,記錄是以軌道站點(diǎn)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(yùn)用動態(tài)分段技術(shù)分兩步來完成對現(xiàn)實(shí)屬性的還原。首先,根據(jù)軌道站點(diǎn)所提供的信息把軌道線段連接成多個(gè)具有唯一確定線序的線路集合:通過站點(diǎn)順序號依次掃描每個(gè)站點(diǎn)記錄,由于同一線路的站點(diǎn)連續(xù)排列,所以可以將每個(gè)站點(diǎn)(終點(diǎn)站除外)兩端的線路連接起來,直至掃描完所有站點(diǎn)。然后,要以設(shè)施或事件與線路的起始點(diǎn)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(diǎn)或某一段聯(lián)系起來。在詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)。
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(diǎn)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(diǎn)或發(fā)生事故的現(xiàn)場則為點(diǎn)事件。對于段事件的描述,以往的方法是通過x、y坐標(biāo)確定段的起點(diǎn),一定的里程表示段事件的長度。但x、y坐標(biāo)的引入會因?yàn)榫鹊膯栴}而導(dǎo)致誤差,因此,在URGIS中,我們利用原來的站點(diǎn)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(gè)段事件。而對點(diǎn)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(diǎn)(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(diǎn)事件的存儲,只需要記錄下事故現(xiàn)場與起始節(jié)點(diǎn)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(shí)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(dāng)然,實(shí)際應(yīng)用中的事件記錄不僅包括上面例子中幾個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的站點(diǎn)屬性的變更。譬如,暫時(shí)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(diǎn)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(xué)圖論為URGIS設(shè)計(jì)了能夠動態(tài)監(jiān)測線路網(wǎng)絡(luò)變化,并自動更新站點(diǎn)屬性的智能技術(shù)。
因?yàn)槊織l線路的兩個(gè)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(diǎn)集,E是線路中聯(lián)結(jié)相鄰兩站點(diǎn)的線段的集合,f:E→{{vi,vj}|vi,vj,∈v}是線路對站點(diǎn)集的映射。由于軌道線路是線性的網(wǎng)絡(luò),且站點(diǎn)的編號有一定次序,故線路可以綁定在站點(diǎn)上,所以在實(shí)際處理中,f并不作為考慮重點(diǎn)。對于圖中的站點(diǎn)V,設(shè)其度數(shù)為deg(V)。在生成線路網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候,通過對每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所關(guān)聯(lián)的邊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來求得站點(diǎn)對應(yīng)的deg(V)。針對圖中存在的四種站點(diǎn),有如下計(jì)算規(guī)則:
1)一條線路上的普通站點(diǎn)只有兩條相關(guān)聯(lián)的線路,故deg(V)=2;
2)終點(diǎn)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(diǎn)的線路數(shù));
4)復(fù)合站至少是一條線路的終點(diǎn)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(diǎn)站個(gè)數(shù),n為位于該復(fù)合站的中轉(zhuǎn)站個(gè)數(shù))。
按照上述計(jì)算方法,可以求出軌道線路網(wǎng)中每個(gè)站點(diǎn)的deg(V)。
在遇到改變線路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的操作時(shí),則根據(jù)操作的內(nèi)容對原有線路的狀態(tài)進(jìn)行分析和更新。以部分路段的停運(yùn)操作為例,被停運(yùn)線路中普通站點(diǎn)對其他線路沒有影響,而中轉(zhuǎn)站的停運(yùn)使得該站點(diǎn)的deg(V)減少2。復(fù)合站的停運(yùn)對自身deg(V)的影響取決于該站點(diǎn)在被停運(yùn)線路中的作用,如果是該線路的終點(diǎn)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(diǎn)deg(V)的變化后,則根據(jù)新的節(jié)點(diǎn)信息更新無向圖G,確保現(xiàn)有線路網(wǎng)絡(luò)的正確性。當(dāng)上海地鐵二號線暫停營運(yùn)進(jìn)行維護(hù)時(shí),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(gè)站點(diǎn)的屬性有了明顯的變化(圖中無字母的圓點(diǎn)為普通站點(diǎn))。
此外,在計(jì)算出途中各站點(diǎn)deg(V)的基礎(chǔ)上,URGIS還可根據(jù)圖論的部分定理智能驗(yàn)證線路圖的正確性。如根據(jù)

來判斷線路中站點(diǎn)的屬性是否有錯(cuò)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(hù)數(shù)據(jù)量較小、事件定位準(zhǔn)確、自動化程度高等特點(diǎn),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(jì)的發(fā)展,大城市日趨繁榮,發(fā)展大運(yùn)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(jìn)行了歸納。但目前我國對這類線性系統(tǒng)的研究和實(shí)踐工作仍處在起步階段,因此,如何建立一個(gè)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(jìn)一步研究。

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