基于線性參考系統的城市軌道交通地理信息系統

摘　要　　線性參考系統和動態分段作為近年來交通地理信息系統中擁有眾多優勢的兩項新技術,在交通系統的信息化建設中受到越來越多的重視。本文設計了這兩項技術在城市軌道交通中應用的方法,同時也闡述了一些相關智能技術的實現,并在此基礎上開發了一個城市軌道交通信息系統。
關鍵詞　　線性參考系統　動態分段　城市軌道交通　地理信息系統

1引　言
地理信息系統集成了數據庫技術和計算機圖形處理技術。對于交通地理信息系統(GIS T,GeographicInformationSystemforTransportation),一個重要的設計目的便是實現靈活、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、可靠的地圖數據庫以及一套智能處理技術。由于交通系統中所涉及的對象在空間分布上的特殊性,使得基于傳統二維平面空間坐標系統的交通地理信息系統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中采用了兩項新技術———線性參考系統(LRS,LinearReferenceSystem)和動態分段技術(DS,DynamicSegmentation)[2]。另外,交通地理信息系統中所涉及的交通信息經常是海量的數據,并且其中各個對象的屬性之間有著千絲萬縷的聯系,如果沒有智能技術的幫助,則交通網絡系統中某一部分信息的修改將導致大量數據的不匹配,而這種修改也是經常發生的,因此,人工更正這些數據的工作量是不可想象的。所以,智能技術對城市軌道交通地理信息系統(URGIS,UrbanRailGIS)的正常運行起著至關重要的作用。
本文分析了城市軌道交通結構和設施上的特殊性,設計了線性參考系統和動態分段技術在城市軌道交通中應用的方法,同時也闡述了一些相關智能技術的實現,并在此基礎上開發了一個城市軌道交通的信息系統。
2GIS T中的線性參考系統和動態分段技術
基于線性參考系統的數據模型是現實世界線性特征及其相關屬性的抽象表現,是由基礎線性網絡、線性參考方法以及屬性表構成的[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,而不是傳統平面坐標系統中的x、y坐標。
在GIS T中選擇線性參考系統的主要優勢在于:
(1)所需的空間數據量小,有利于數據的錄入及維護。
(2)依靠統一的參考模型避免數據換算造成的誤差。
(3)查詢和檢索操作方便靈活,既可以不依賴地圖數據庫進行查詢,也可與數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的線性元素,但與這些線性元素相關的分布式屬性卻隨著時間和空間的變化而動態改變。為了便于對這些屬性的保存和在地圖上的重建,線性參考系統中引入了動態分段技術。動態分段技術是一個建立在線性網絡之上的數據模型,是對線性特征進行以某種量測標準為依據的相對位置劃分的技術[2]。該技術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,通過動態分段,可以將現實世界中的空間屬性與線性元素聯系起來。
2.1　基于線性參考系統的地圖數據庫的建庫原理
基于LRS的地圖數據庫建立方法有多種,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　基于動態分段技術的線性網絡的生成方法
動態分段技術的首要任務,就是將原有的數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絡[4]。為了構造這樣的線性網絡,要根據線路地圖數據庫中提供的線段與線段間的連接關系,生成對線段統一管理的對象———線路,并根據線路的線序最終生成以全部線路為其成員的對象———線路網絡。
3基于線性參考系統和動態分段技術的URGIS的設計　　
由于城市軌道交通結構和設施的特殊性,本文所設計的URGIS上運用的線性參考系統和動態分段技術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成的一個復雜的交通網絡,不僅在線路上有輕軌與地鐵的區別,而且在站點上根據其不同的功用,又可細分為普通站點、終點站點、中轉站點和復合站點(即同時為終點站和中轉站的站點)。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的線路地圖數據庫的構造和普通線性參考系統中的有所不同。
在本文所設計的URGIS的線路地圖數據庫中,記錄是以軌道站點為單位的。為了構造正確的線路網絡,每條記錄中的字段由表1示:

根據這樣的線路地圖數據,URGIS就可以運用動態分段技術分兩步來完成對現實屬性的還原。首先,根據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絡的某一點或某一段聯系起來。在詳細介紹這一步驟之前,先簡要介紹一下相關知識。
動態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。
事件是與路徑系統相關聯的屬性集,存儲在數據庫的事件表中,而不是地圖數據中。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生事故的現場則為點事件。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,再加入起始里程數和中止里程數來唯一確定一個段事件。而對點事件的描述則只需里程數即可。以圖1為例,軌道線路各段的狀況在數據庫中的存儲方式如表2所示,在確定了對應的線路號(Railway字段)和起始節點(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場與起始節點的偏移就可以了(見圖2和表3)。

這樣,根據以上的技術路線,就可以完成在數字軌道線路中對信息的定位了。圖3顯示了存儲在數據庫中的事件如何通過路徑和路段在數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字段找到對應的路徑,再根據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還是右側。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
在URGIS中,經常會遇到由線路網絡拓撲結構變化而導致的站點屬性的變更。譬如,暫時阻斷軌道交通線路網絡中一條線路與網絡的連接,會使得其他線路上與這條線路相交的中轉站點的中轉屬性失效。為了防止這種情況的出現,我們通過離散數學圖論為URGIS設計了能夠動態監測線路網絡變化,并自動更新站點屬性的智能技術。
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絡視為無向圖G(V,E,f)。其中V是圖中的站點集,E是線路中聯結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絡,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,設其度數為deg(V)。在生成線路網絡的時候,通過對每個節點的所關聯的邊進行統計來求得站點對應的deg(V)。針對圖中存在的四種站點,有如下計算規則:
1)一條線路上的普通站點只有兩條相關聯的線路,故deg(V)=2;
2)終點站只有一條相關聯的線路,故deg(V)=1;
3)中轉站至少有兩條或兩條以上的線路經過,故deg(V)=4,6,…,2n(n為經過該站點的線路數);
4)復合站至少是一條線路的終點站和另一條線路的中轉站,故deg(V)=m+2n(m為位于該復合站的終點站個數,n為位于該復合站的中轉站個數)。
按照上述計算方法,可以求出軌道線路網中每個站點的deg(V)。
在遇到改變線路網絡拓撲結構的操作時,則根據操作的內容對原有線路的狀態進行分析和更新。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,而中轉站的停運使得該站點的deg(V)減少2。復合站的停運對自身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;如為中轉站,則按中轉站的方法處理。系統分析完各節點deg(V)的變化后,則根據新的節點信息更新無向圖G,確保現有線路網絡的正確性。當上海地鐵二號線暫停營運進行維護時,系統對線路網絡作自我更新的情況。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)的基礎上,URGIS還可根據圖論的部分定理智能驗證線路圖的正確性。如根據

來判斷線路中站點的屬性是否有錯誤。
5結束語
根據本文論述的技術開發的城市軌道交通信息系統,具有維護數據量較小、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用前景。
隨著我國經濟的發展,大城市日趨繁榮,發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鍵。線性參考系統、動態分段技術以及相應智能技術非常適用于以城市軌道交通為代表的線性網絡交通系統。本文著眼于探討這些新技術在城市軌道交通方面GIS系統上的應用,并從數據結構和控制方法上對URGIS的開發進行了歸納。但目前我國對這類線性系統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的、通用和高效的城市軌道交通信息系統的應用,對我國城市交通信息化建設具有重大的意義,有待作進一步研究。

參考文獻
[1]RobertChapleau,EcolePolytechnique,MontrealVisualisationoftheUr banTransportationReality:SomeKeyViews.10thInternationalConfer enceonTravelBehaviourResearchLucerne,10～15.August2003.
[2]ValNoronha,MichaelGoodchild,VehicleIntelligence&TransportationAnalysisLaboratory,
UniversityofCalifornia.TheLRMSLinearReferen cingProfile-TechnicalEvaluation.2000.
[3]MaxM.Wyman,Gis basedlinearreferencingusingdynamiclocation.2000.
[4DavidFletcher,JohnExpinoza,R.D.Mackoy,StephenGordon,BruceSpearand
AlanVonderohe,TheCaseforaUnifiedLinearReferenceSystem[J].URISAJournal,1998,10(1).
[5]VonderoheA.,AMethodologyforDesignofaLinear
ReferencingSystemforSurfaceTransportation.SandiaNationalLaboratories.1996.