周 毅，景海濤，黃 芳

(河南理工大學測繪學院，河南焦作 454003)

道路是重要的國家基礎設施，它的暢通無阻是國民經濟等得以正常運轉及進一步發(fā)展的基本要求，路基陳舊、路面破損嚴重、路面狹窄等問題直接加劇運輸壓力［1］。路面綜合信息管理是公路管理過程中的一項經常性、前期性的工作，是對公路養(yǎng)護、公路工程建設等業(yè)務進行計劃安排的基礎［2］。公路及其構造物的空間特征具有多重屬性(一般稱為事件)，在其存儲、表達和分析等過程中需要廣泛用到線性參照系統和動態(tài)分段技術，亦即需要地理信息系統理論與技術［3］。公路具有明顯的線性分布特征，因此，可以認為公路是在(x，y，z)三維參照控制下的復雜路段(路徑)，在公路管理中，數據庫所具備的分析、查詢、管理、顯示功能都是建立在道路網絡之上。由于空間分布特殊性，道路信息或與道路有關的信息(設施或事件)都存在或發(fā)生在道路網絡系統中的某一路段或某一點，也就是說這些現象可視為一維線性分布而不是常規(guī)的二維空間分布，且絕大多數公路空間數據、路普數據、業(yè)務數據等基礎道路數據具有一維線性分布的特點，這使得常規(guī)的坐標參考系統(絕對定位系統)，在道路綜合信息管理過程中遇到很多困難。

如圖1，一條道路用一條弧段表示，在該道路(Arc)上的不同部分(Section)路面質量等信息(屬性)不完全相同。在GIS的網絡分析模型中，線性特征構成了地理網絡的基礎框架?，F有的GIS系統多數采用“弧段—結點”模型來描述線性特征，該模型由一組弧段組成，而弧段由構成網絡線的一組有序坐標對組成，其中弧段的兩個端點稱為結點［4］。在弧段—結點模型中，必須在屬性變化處打斷弧段，形成一系列新的小弧段，與每個變化的屬性相對應。因此必然導致整個線性系統變得難以管理、更新困難，而且在屬性段有重疊的情況下，將會更加復雜。

圖1路面信息表達

本研究引入動態(tài)線性參考/分段理論對道路的綜合信息建立空間數據庫，并通過ArcGIS實現管理、標注、編輯、分析、輸出等功能。為道路綜合信息管理提供基礎GIS數據，并為道路的日常管理提供有效、迅速的信息保障。

1 線性參考系統

1.1 線性參考(Linear Referencing)

線性參考(Linear Referencing，LR)，在公路、管網等行業(yè)的GIS應用中時常提到，其實質是一種利用沿著可測量的線要素的相對方位來存儲地理位置的方法。動態(tài)線性參考是GIS網絡分析中的一種重要的技術手段，其最大優(yōu)點是：網絡中的空間事物或事件(點或線段)不需要用幾何形式(即圖形化)存儲在數據庫中，而是以屬性形式存在。也就是說，不需要用地圖數字化的方式將所有空間信息輸入數據庫，而只需輸入線性參考所需的數據項(如距離或者地址等)，然后采用動態(tài)分段技術來顯示這些事物或者事件的空間位置，減少了大量的地圖數字化的工作。同時，該方法具有查詢靈活的特點，可直接通過數據庫查詢，也可通過空間疊加分析進行查詢。

線性參考系統是路徑和弧段的集合，用來管理具有相似屬性的多個線性特征，如一個城市所有公共汽車的行車路線可以看成一個線性參考系統。常用的矢量數據的GIS根據(x，y)定位點、線、面，而線性參考系統是由路徑(Route)、度量(measure)、事件(event)構成，該參考系統在控制點坐標系統基礎上，參數是基于線的度量(距離、時間)。

1.2 路徑(Route)

路徑是指一條或多條弧段的集合，可從弧段上任意一點開始，實質是定義了屬性的線性要素，每個路徑都與一個量測系統相聯系。ESRI公司提供兩種路徑的數據模型，即基于Coverage模型和GeoData-Base模型。

基于Coverage模型是基于弧段幾何長度的層次模型，存儲弧段號、量測起點，量測終點及度量值占弧段的比例;GeoDataBase模型是將路徑看成是線性要素類，存儲點名、(x，y)坐標及線性度量值(如圖2所示)。ArcGIS系統中數據存儲必須包含有M(Measure)值的Shape字段及一個標識線段ID的字段，除了上述兩個字段要求，根據具體工程需要設置其他屬性字段。

圖2 路徑數據Coverage模型和GeoDataBase模型

1.3 事件數據

事件數據在道路綜合信息管理過程中，起著記錄道路各種屬性的作用，可以分為兩種事件類型，即點事件和線事件。點事件僅用單一的觀測值記錄離散位置，如Ⅵ號公路上距離終點8.5 km處路面平整度;線事件多數是描述路徑某部分的屬性，需要由起始位置、目的位置及其他屬性記錄。如Ⅵ號公路上終點前10～15 km路段的路面材質。

2 動態(tài)分段技術與數據組織

動態(tài)分段(Dynamic Segmentation)的思想是在1987年由美國威斯康星交通廳戴維·弗萊特先生首先提出的［5］。ESRI公司在ArcGIS系統中提出解決方案，解決了傳統的GIS在處理線性特征時所遇到的問題，是一種新的線性特征的動態(tài)分析、顯示和繪圖技術，可以極大地增強線性特征的處理功能。動態(tài)分段技術中引入了路徑、段、路徑系統、事件等概念來模擬線性系統中的不同特征。動態(tài)分段的基本思想就是將路段(路徑)進行動態(tài)分段，各部分的屬性變化存儲為獨立的屬性表(一維參照系)，與路段(路徑)的空間位置(x，y二維參照系)進行關聯，根據屬性表的信息(距離)對路徑進行邏輯分段，而不必進行二維參照系下的坐標處理［6-8］。

動態(tài)分段屬于LR采用的一種技術，根據數據庫中存儲的相對位置信息，以及相應的線性數據，動態(tài)計算出線性數據上相對位置所對應的實際地理坐標的過程。例如，需要詳細了解距離某控制點某處道路的綜合信息，或了解沿著道路的路面平整度變化(分段屬性)等，圖3a是線性要素類，根據事件信息表，點事件、線事件動態(tài)分段結果如圖3b、圖3c所示。

圖3 某處道路的動態(tài)分割結果

3 ArcGIS線性參考/動態(tài)分割技術流程

針對ArcGIS的動態(tài)線性參考/分割，數據組織相對簡單，大多數非GIS專業(yè)技術人員，亦容易實現。多數情況下，只需創(chuàng)建路徑(道路)要素類，不需要建立更多圖層，其他屬性信息均以任何ArcGIS支持的存儲形式表現，如dBase、dbf文件等。技術流程如圖4所示。

圖4 ArcGIS線性參考/動態(tài)分割技術流程

4 ArcGIS實現某道路綜合信息管理

本研究選取1∶2000道路模擬數據，采用BJ-1954坐標系統，不論單車道、多車道均以中心線表示線性屬性，多車道編碼采用層次模型，即多車道編碼、行車道的序號確定線性路線的唯一值。

在道路綜合信息管理過程中，首先建立基于線性參考系統及其參照系下的空間數據庫、屬性數據庫，無論是巷道線性要素類，還是事件屬性數據表，必須包含一個唯一的標識字段，本研究建立的線要素空間數據庫結構如圖5所示。

圖5 線要素空間數據庫結構

根據ArcGIS工作流程，針對某道路實現的綜合信息管理成果如圖6、圖7所示，圖中以(A、B、C、…)表示路面材質，(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…)表示路面平整度等信息。

在空間數據庫基礎上，實現標注、統計、查詢等基本功能以外，SQL查詢對路面綜合信息管理具有重要意義，圖8是某種路面材質(如材質A)和破損程度(如等級Ⅲ)的統計結果。

5 結論

基于GIS及線性參考/動態(tài)分段思想實現路面信息綜合管理，可以減少數據冗余和重復數字化工作，能有效實現多重屬性特征可視化數據管理、查詢及事件疊加分析等功能，且數據組織相對常規(guī)GIS模型較容易實現。通過研究動態(tài)分段理論及其在ArcGIS系統中的實現流程，論文選擇模擬道路圖從數據組織、空間數據庫建立等最環(huán)節(jié)入手，實現了道路相對位置綜合信息管理。

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［10］ESRI公司.LinearReference System and Dynamic Segmentation in ArcGIS［R］.ESRI White Paper.