基于线性参考系统的城市轨道交通地理信息系统
摘 要 线性参考系统和动态分段作为近年来交通地理信息系统中拥有众多优势的两项新技术,在交通系统的信息化建设中受到越来越多的重视。本文设计了这两项技术在城市轨道交通中应用的方法,同时也阐述了一些相关智能技术的实现,并在此基础上开发了一个城市轨道交通信息系统。
关键词 线性参考系统 动态分段 城市轨道交通 地理信息系统
1引 言
地理信息系统集成了数据库技术和计算机图形处理技术。对于交通地理信息系统(GIS T,GeographicInformationSystemforTransportation),一个重要的设计目的便是实现灵活、高效的收集、存储、管理、综合分析处理空间信息和交通信息等功能,而这就需要一个精简、可靠的地图数据库以及一套智能处理技术。由于交通系统中所涉及的对象在空间分布上的特殊性,使得基于传统二维平面空间坐标系统的交通地理信息系统在空间利用率和运行效率上无法达到令人满意的效果[1]。因此,近年来在交通地理信息系统中采用了两项新技术———线性参考系统(LRS,LinearReferenceSystem)和动态分段技术(DS,DynamicSegmentation)[2]。另外,交通地理信息系统中所涉及的交通信息经常是海量的数据,并且其中各个对象的属性之间有着千丝万缕的联系,如果没有智能技术的帮助,则交通网络系统中某一部分信息的修改将导致大量数据的不匹配,而这种修改也是经常发生的,因此,人工更正这些数据的工作量是不可想象的。所以,智能技术对城市轨道交通地理信息系统(URGIS,UrbanRailGIS)的正常运行起着至关重要的作用。
本文分析了城市轨道交通结构和设施上的特殊性,设计了线性参考系统和动态分段技术在城市轨道交通中应用的方法,同时也阐述了一些相关智能技术的实现,并在此基础上开发了一个城市轨道交通的信息系统。
2GIS T中的线性参考系统和动态分段技术
基于线性参考系统的数据模型是现实世界线性特征及其相关属性的抽象表现,是由基础线性网络、线性参考方法以及属性表构成的[3]。LRS定义一个地理位置的方法是通过与已知位置的距离或其他度量,而不是传统平面坐标系统中的x、y坐标。
在GIS T中选择线性参考系统的主要优势在于:
(1)所需的空间数据量小,有利于数据的录入及维护。
(2)依靠统一的参考模型避免数据换算造成的误差。
(3)查询和检索操作方便灵活,既可以不依赖地图数据库进行查询,也可与数字地图叠加后进行模糊查询。
通常,GIS T所涉及的都是有特定几何形态的线性元素,但与这些线性元素相关的分布式属性却随着时间和空间的变化而动态改变。为了便于对这些属性的保存和在地图上的重建,线性参考系统中引入了动态分段技术。动态分段技术是一个建立在线性网络之上的数据模型,是对线性特征进行以某种量测标准为依据的相对位置划分的技术[2]。该技术一方面可以将原有的线性元素划分为一系列的线性段落,并将段落重新连接成线性元素;另一方面,通过动态分段,可以将现实世界中的空间属性与线性元素联系起来。
2.1 基于线性参考系统的地图数据库的建库原理
基于LRS的地图数据库建立方法有多种,但其基本原理都类似于极坐标系中点的确定方法,即对于沿线性目标分布的未知点,如果知道该点离某一定点的距离和方向,则可以确定它的位置[2]。所以各种建库方法仅在于线性参考方法上的不同,即在采用何种度量方法上有所差异。
2.2 基于动态分段技术的线性网络的生成方法
动态分段技术的首要任务,就是将原有的数字化图形线段连接成一个或多个具有唯一序号的线路集合,而这个集合就是所需的线性网络[4]。为了构造这样的线性网络,要根据线路地图数据库中提供的线段与线段间的连接关系,生成对线段统一管理的对象———线路,并根据线路的线序最终生成以全部线路为其成员的对象———线路网络。
3基于线性参考系统和动态分段技术的URGIS的设计
由于城市轨道交通结构和设施的特殊性,本文所设计的URGIS上运用的线性参考系统和动态分段技术也有很多自身的特点。
城市轨道交通线路是由各轨道站点以及连接各站点的轨道线路所构成的一个复杂的交通网络,不仅在线路上有轻轨与地铁的区别,而且在站点上根据其不同的功用,又可细分为普通站点、终点站点、中转站点和复合站点(即同时为终点站和中转站的站点)。此外,不同的线路之间的连接方式也有多种情况。这就使得URGIS的线路地图数据库的构造和普通线性参考系统中的有所不同。
在本文所设计的URGIS的线路地图数据库中,记录是以轨道站点为单位的。为了构造正确的线路网络,每条记录中的字段由表1示:
根据这样的线路地图数据,URGIS就可以运用动态分段技术分两步来完成对现实属性的还原。首先,根据轨道站点所提供的信息把轨道线段连接成多个具有唯一确定线序的线路集合:通过站点顺序号依次扫描每个站点记录,由于同一线路的站点连续排列,所以可以将每个站点(终点站除外)两端的线路连接起来,直至扫描完所有站点。然后,要以设施或事件与线路的起始点的位移为参考,将URGIS所了解到的信息与线路网络的某一点或某一段联系起来。在详细介绍这一步骤之前,先简要介绍一下相关知识。
动态分段中的元素为路径、路段和事件[3]。其中,路径是路段集合,也是线路的子集。路段则为路径提供度量的标准。
事件是与路径系统相关联的属性集,存储在数据库的事件表中,而不是地图数据中。事件分为点事件和段事件。例如,某条线路中部分需要检修的路段就是段事件,而需要检修的站点或发生事故的现场则为点事件。对于段事件的描述,以往的方法是通过x、y坐标确定段的起点,一定的里程表示段事件的长度。但x、y坐标的引入会因为精度的问题而导致误差,因此,在URGIS中,我们利用原来的站点记录,再加入起始里程数和中止里程数来唯一确定一个段事件。而对点事件的描述则只需里程数即可。以图1为例,轨道线路各段的状况在数据库中的存储方式如表2所示,在确定了对应的线路号(Railway字段)和起始节点(StartNode字段)后,通过路段的起始偏移(Offset1)和中止偏移(Offset2)来定义该段事件。而对于交通事故这类点事件的存储,只需要记录下事故现场与起始节点的偏移就可以了(见图2和表3)。
这样,根据以上的技术路线,就可以完成在数字轨道线路中对信息的定位了。图3显示了存储在数据库中的事件如何通过路径和路段在数字轨道线路图中定位,并最终形成真实世界中的定位。首先通过事件记录的Railway字段找到对应的路径,再根据StartNode和Offset字段确定事件在路径中所处的路段,并由最后以图形方式显式地反馈给用户。
当然,实际应用中的事件记录不仅包括上面例子中几个字段,还包括很多重要的信息。例如,相对于线路的方向,即事件在线路的左侧还是右侧。偏移也分为采用公里等绝对距离度量的DistanceOffset和采用相对距离度量(如线路总长的百分比)的NormalizedOffset。
4URGIS中的智能技术
在URGIS中,经常会遇到由线路网络拓扑结构变化而导致的站点属性的变更。譬如,暂时阻断轨道交通线路网络中一条线路与网络的连接,会使得其他线路上与这条线路相交的中转站点的中转属性失效。为了防止这种情况的出现,我们通过离散数学图论为URGIS设计了能够动态监测线路网络变化,并自动更新站点属性的智能技术。
因为每条线路的两个方向上均有列车通过,所以可以将轨道交通网络视为无向图G(V,E,f)。其中V是图中的站点集,E是线路中联结相邻两站点的线段的集合,f:E→{{vi,vj}|vi,vj,∈v}是线路对站点集的映射。由于轨道线路是线性的网络,且站点的编号有一定次序,故线路可以绑定在站点上,所以在实际处理中,f并不作为考虑重点。对于图中的站点V,设其度数为deg(V)。在生成线路网络的时候,通过对每个节点的所关联的边进行统计来求得站点对应的deg(V)。针对图中存在的四种站点,有如下计算规则:
1)一条线路上的普通站点只有两条相关联的线路,故deg(V)=2;
2)终点站只有一条相关联的线路,故deg(V)=1;
3)中转站至少有两条或两条以上的线路经过,故deg(V)=4,6,…,2n(n为经过该站点的线路数);
4)复合站至少是一条线路的终点站和另一条线路的中转站,故deg(V)=m+2n(m为位于该复合站的终点站个数,n为位于该复合站的中转站个数)。
按照上述计算方法,可以求出轨道线路网中每个站点的deg(V)。
在遇到改变线路网络拓扑结构的操作时,则根据操作的内容对原有线路的状态进行分析和更新。以部分路段的停运操作为例,被停运线路中普通站点对其他线路没有影响,而中转站的停运使得该站点的deg(V)减少2。复合站的停运对自身deg(V)的影响取决于该站点在被停运线路中的作用,如果是该线路的终点站,则deg(V)减少1;如为中转站,则按中转站的方法处理。系统分析完各节点deg(V)的变化后,则根据新的节点信息更新无向图G,确保现有线路网络的正确性。当上海地铁二号线暂停营运进行维护时,系统对线路网络作自我更新的情况。由图可见,地铁一号线和轻轨明珠线上两个站点的属性有了明显的变化(图中无字母的圆点为普通站点)。
此外,在计算出途中各站点deg(V)的基础上,URGIS还可根据图论的部分定理智能验证线路图的正确性。如根据
来判断线路中站点的属性是否有错误。
5结束语
根据本文论述的技术开发的城市轨道交通信息系统,具有维护数据量较小、事件定位准确、自动化程度高等特点,在城市轨道交通的信息化管理方面有良好的应用前景。
随着我国经济的发展,大城市日趋繁荣,发展大运量的城市轨道交通已成为解决大城市交通问题的关键。线性参考系统、动态分段技术以及相应智能技术非常适用于以城市轨道交通为代表的线性网络交通系统。本文着眼于探讨这些新技术在城市轨道交通方面GIS系统上的应用,并从数据结构和控制方法上对URGIS的开发进行了归纳。但目前我国对这类线性系统的研究和实践工作仍处在起步阶段,因此,如何建立一个基于线性参考系统的、通用和高效的城市轨道交通信息系统的应用,对我国城市交通信息化建设具有重大的意义,有待作进一步研究。
参考文献
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[3]MaxM.Wyman,Gis basedlinearreferencingusingdynamiclocation.2000.
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