——以上海市公众出行地图服务系统为例

周景岳1    ，詹起林2

(1 上海市公路管理处信息科 200063    ；2上海杰狮信息技术有限公司 200233)

摘  要：结合公路管理信息过程中的空间数据库设计和建设过程中所使用的软件、硬件、网络环境、数据结构和图形算法，并根据公路电子地图和专业特点，提出了一个公路地图服务的建设方法，并应用设计上海市公路管理处网站推出的“上海公路公众出行地图服务系统”。

关键词：公路电子地图；GIS；空间数据库；路径分析

1.前言

当今公路交通作为国民经济的大动脉，越来越为高度重视。随着全球信息化的迅猛发展，尤其是发达国家都努力采用最新技术建立高效、智能化的路网管理体系，用以解决公路路网在管理、规划、设计、通讯、监控等领域的标准化、系统化、自动化的问题；提高管理决策的准确度和可靠性，为国民经济的发展创造最佳的支撑环境。引入GIS(Geographic Information System-地理系统系统)作为公路管理方式和管理技术手段，采用先进的科学管理和决策方法，提高公路的管理水平，充分发挥公路在国民经济发展中的作用，是当前公路管理工作的重要任务之一。

如果从应用的角度来说，GIS与其他IT系统的特别之处仅仅在于它引入了空间信息的概念和使用方法。又因为在我们的日常工作中，几乎有70%的数据信息都与空间位置有关，因此，使用GIS技术进行信息化建设的单位几乎都将GIS作为整个企业应用系统得底层基础支撑平台，GIS亦成为搭建信息综合平台的基础。

公路地理信息系统是在GIS软件平台基础上，根据公路行业的信息化应用需求开发的应用系统，涉及城市/国道公路养护管理，高速公路信息管理，应急指挥，道路交通规划等方面。由于公路地理信息系统的专业性强，因此需要GIS软件支撑平台基于交通道路、设施、信号等及其相关指标提供稳定强大的网络分析功能(需要定义行驶方向，路障因素等因子)，动态分段功能，能够建立交通空间数据模型，为交通指挥、交通规划、交通建设、交通疏导管理的组织与指挥等提供直观的准确的信息，为指挥者决策提供科学的依据。

上海是现代化的大都市，人口稠密、经济发达，在中国经济建设和社会发展中具有极其重要的战略地位，建立一个高效的公路地理信息系统是十分重要的。而其中作为信息系统的基础支撑——空间数据库，也自然成为重点中的重点。

2.空间数据库的设计

空间数据库的设计是建立公路地理信息系统和制作空间数据库之前的项准备和指导性工作。空间数据库设计的顺序可以分为6个主要工作环节：

1)了解用户和信息系统需求

2)调查研究和收集资料

3)总体设计

4)系统数据库配置和数据库建设

5)数据库应用

6)维护    

2.1.设计要求

1)静态道路信息。公路地理信息系统的专业性强，要求空间数据包括静态道路信息，如道路几何特征，包括道路名，道路编码，道路车道数，车道长度，车道的起讫点桩号和地名点，交叉路口特征，路面宽度、重要的交通特征和标线等信息。

2)实时道路信息。可变情报信息板（A、F、限速板）、摄像机、道路禁拐信息、道路、交通阻断信息、交通事故报警点等，动态监控的交通数据和多媒体数据。

3)附属道路信息。桥梁、隧道、加油站、维修站、休息区等数据作为特殊的道路信息也是空间数据的重要方面。

4)空间数据中各要素既能分层、分级显示，又能叠加显示和分析。

5)基础地理数据。基础地理数据作为GIS系统必不可少的背景数据。为了公路数据和电子地图的展示需要，图形数据中需要增加导航标志，道路面数据。

6)路网拓扑数据。

7)合作部门数据。道路的建设和管理通常会影响电力设施，通信设施，管线设施等。而如果高速公路关心气象报告，则加入气象预报数据是最好不过了。

2.2.设计环境

2.2.1.硬件和网络环境

对于公众开放的WEBGIS系统，用户通过http以Web browser的方式来访问。公众不能够对数据进行编辑，但是可以通过留言或者email的方式对信息进行纠错。

2.2.2.软件环境

遵循系统的易用性和可维护性原则，发布系统必须采用B/S结构，用户通过浏览器访问系统，客户端无需安装任何软件，完全的瘦客户端设计，大大的减轻了后期的维护代价。

    遵循系统的可重用性原则。发布系统将采用与平台无关J2EE标准，引入三层结构，通过ARCIMS服务器管理地图数据，通过JDO或者HIBERNATE实现关系数据库属性数据地维护，从而达到分离业务逻辑和数据的目的，提供可重用，模块化的实现，同时为了体现系统高效性原则，采用JAVABEAN POJO 代替 EJB。

遵循系统的安全性原则。系统通过严格的程序内部可控的权限管理，应用服务器自身的安全机制，和数据库的安全机制保证编辑用户的合法性，进而保证系统的安全性。同时系统数据库设计基于active/standby方式的服务器双机热备模式，当一台服务器出现故障时，可以由另一台服务器承担服务任务，从而在不需要人工干预的情况下，自动保证系统能持续提供服务。

2.2.3.总体设计

空间数据库设计的关键是总体设计。总体设计包括地图数据的整体设计，内容设计，符号设计，数据库结构设计，符号设计以及图形拓扑设计等。其中数据库整体设计和图形拓扑设计对公路地理信息系统的管理和分析是最重要的。

公路地理信息系统的整体设计的内容之一就是为确定系统中空间数据的组织，包括空间数据的格式，范围，地图比例尺，地图结构的分层，空间参考等等。此外还有就是数据的结构设计，结合软硬件和网络环境的数据库配置，数据流程设计都是数据整体设计的内容。

2.2.4.关键技术的设计

1)数据流程设计

    数据采集和数据处理一般都是在专业的电子地图数据处理和制作软件上进行的。根据数据来源的不同，数据要求的不同，其处理的方法也不尽相同。不过其一般流程如下图示：

    例如对于原始数据是1：2000的CAD地形图和高分辨率影像数据时，需要比对CAD图形和影像数据，在配准后，通过地图软件(ArcGIS)采集和处理，基于应用系统需求和设计的数据库结构，添加空间特性和相关的属性信息，最后形成可以入库的空间数据。

2)道路网络拓扑设计

为描绘真实世界的公路通行情况，公众出行WebGIS系统设计的道路网拓扑结构采用道路中心线几何网络模型，网络权重基于要素类属性。数据结构设计如下：

公众出行空间数据结构应该要能够反映道路通行情况，要素之间的空间关系。

    Turnlimit存储节点处所有的转向路线，包括起点路线编号和和目的路线编号，数据间通过分号区分，例如1234,2341;1234;3412…。

    也就是说，设计的道路网络拓扑是具有连通性和权重的逻辑网络模型。逻辑网络的作用是存储网络连通信息和高速存取此信息。逻辑网络具有极高的存储和获取几百万个要素的性能，而且几乎没有性能衰退。逻辑网络的核心是连通性表，它的目的是为了解决有哪些线连接到这个节点，并保证能快速的检索到它们。

    要使道路网络实用化，实现路径分析，只有简单的连通性是不够的。这个过程中重要的一个因子是连接两个节点之间的值，即权重。权重是一个抽象的影响通过道路的成本的要素的总和，具体的可以描述为道路技术等级，路面宽度，单行道，阻断点等等。例如结合系统应用在对道路网络权重可以简单的设计为：

    权重的应用在使得道路网络更贴近模拟现实活动。比如一个超重卡车通行的路径搜索应用，卡车司机在系统中填入卡车的重量，出发地和目的地，通过应用最短路径可以计算出一条合适的道路路径通过。简单的设计中必须把道路的最大负载作为线路权重值，交通的阻断信息作为线路的权重值，以此用来找到哪些具有比卡车的重量更大的负载值，并且要求道路没有受到交通管制。选定的权重值就是可以通过的，而没有被选定的就变成了障碍物。然后结合最短路径的算法在路网中搜索出发点到目的点道路距离之和值最小的道路集合，就是一条合适的通达路线。

3.空间数据库建设与应用

结合上海市公路管理处网站推出的“上海公路公众出行地图服务系统”空间数据库设计和建设为例。

3.1.数据内容组织与应用功能对照表

1)基础图层：以上海市测绘院提供的1:2000地形图为基础，处理的的“上海市公路空间数据库”。该数据库以矢量方式存储管理行政区划、水系、交通、居住地、地貌、地名等要素。

2)专题数据：主要是路网数据包括公路路网，每条线路的主要属性为线路编码、路线名称、网络拓扑结构、通行条件、起点桩号和迄点桩号。在公路路网中，每条线路除了包括坐标信息外，还存储有桩号信息，通过与公路数据库关联和动态分段技术，能得到所有公路信息。

3)交通服务信息：动态实时传送远程同步的气象信息，道路交通阻断信息，实时交通状况信息。

3.2.扩展应用

基于“上海公路公众出行地图服务系统”空间数据库数据，扩展的公众服务应用：

1)高速公路通行费查询：

2)公路规费征收：

3)高速公路立交桥交通查询：

4.总结

本文介绍的公路空间数据库的设计和建设方法，是在上海市公路处网站推出的“上海公路公众出行地图服务系统”的空间数据库数据采集，数据库设计和建设的过程中，根据实际的应用软、硬件环境总结和归纳出来的。实践证明应用该数据库的“上海公路公众出行地图服务系统”在服务项目的设计、信息查询的效率和美观方面都得到了良好的效果。

参考文献：

[1]    郭志达.地理信息系统基础与应用[M].北京：煤炭工业出版社，1997.

[2]    杨兆升.智能运输系统GIS设计的研究[J].中国公路学报，1998.

[3]    李子原.ArcGIS网络权重模型简析.第五届ArcGIS暨ERDAS中国用户大会论文集,2002.

[4]    ESRI,ModelOurWorld,2002

[5]    兰燕，刘珊红，娄长江.公路基础信息系统的分析与设计，四川测绘.2004

[6]    Donald Hearn.计算机图形学(第三版).Prentice Hall.2005下载本文