引文格式： 高姍，崔志偉，閆紅雨,等. 在線高速路網(wǎng)監(jiān)測信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2015(2)：102-105.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0053

在線高速路網(wǎng)監(jiān)測信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高姍1，崔志偉2，閆紅雨1，曾興國3

(1. 中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2. 中國人民解放軍61206部隊，

北京100042； 3. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京100012)

Design and Implementation of Online Highway Monitoring Information System

GAO Shan，CUI Zhiwei，YAN Hongyu，ZENG Xingguo

摘要：城市化進(jìn)程中高速路網(wǎng)擴(kuò)展迅速，高速路網(wǎng)的信息化建設(shè)尤為迫切?；谠诰€環(huán)境，本文分析和探討了高速路網(wǎng)的監(jiān)測信息系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)，重點(diǎn)研究了空間數(shù)據(jù)融合、空間索引、瓦片等關(guān)鍵技術(shù)，最后以湖北省地理國情監(jiān)測項目中的高速路網(wǎng)監(jiān)測信息系統(tǒng)為例進(jìn)行了實例展示。

關(guān)鍵詞：地理國情監(jiān)測；高速路網(wǎng)；信息系統(tǒng)

中圖分類號：P208文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

收稿日期：2013-12-28

作者簡介：高姍(1988—)，女，碩士，主要從事地理信息科學(xué)理論與方法研究。E-mail:shannely@163.com

一、引言

高速公路的擴(kuò)展是一個城市現(xiàn)代化水平的標(biāo)志，高速路網(wǎng)的信息化建設(shè)是其有序建設(shè)和發(fā)展的保障，也是地理國情監(jiān)測中交通領(lǐng)域的重要專題。交通理論的發(fā)展、規(guī)劃決策的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，都對高速路網(wǎng)的信息化進(jìn)程起到推動作用。例如，實時監(jiān)控技術(shù)改善了高速公路的秩序性，公路自動選址技術(shù)優(yōu)化了公路的路線規(guī)劃。

目前，發(fā)達(dá)國家高速公路網(wǎng)的信息化進(jìn)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)先于我國，如日本在1996年就著手開發(fā)智能化交通運(yùn)輸系統(tǒng)，并制訂了綜合的實施計劃，主要目的是快速應(yīng)對交通事故，為人們出行提供智能化決策支持，解決道路交通擁堵、環(huán)境污染等社會問題。澳大利亞的高速公路信息化處于世界領(lǐng)先地位，該國的智能化交通運(yùn)輸系統(tǒng)包括車輛監(jiān)控系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)、道路信號系統(tǒng)和公共信息服務(wù)系統(tǒng)等部分，該系統(tǒng)不僅為交通管理部門提供了實時的路況和車輛信息，也為出行的人們提供了便利的信息化服務(wù)，是集管理和服務(wù)于一體的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1. 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

高速路網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S模式開發(fā)。用戶利用客戶端瀏覽器即可登錄瀏覽，對高速公路發(fā)展的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括表現(xiàn)層、邏輯事務(wù)層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)表現(xiàn)層是指本系統(tǒng)成果展示的瀏覽顯示層，支持Flex方式下的B/S架構(gòu)，系統(tǒng)將用戶所需的信息或請求處理結(jié)果返回給用戶，表現(xiàn)形式主要為以Flex網(wǎng)頁形式組織起來的專題地圖、表格、圖表、圖片和文字等，以及JSP頁面顯示的專題圖表。

系統(tǒng)邏輯事務(wù)層主要用于響應(yīng)客戶端的各種請求，并負(fù)責(zé)與后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[1]。本系統(tǒng)的邏輯事務(wù)層由地理底圖服務(wù)、地圖整合服務(wù)、專題圖例服務(wù)、專題符號服務(wù)、FusionChart專題圖表服務(wù)這幾個封裝好的服務(wù)構(gòu)成[2]。其中地理底圖服務(wù)是系統(tǒng)提供專題地理底圖數(shù)據(jù)的接口，它除了基礎(chǔ)的WMS接口外，還同時提供高速公路地理底圖的接口，根據(jù)不同的監(jiān)測內(nèi)容請求相應(yīng)的地理底圖。通過客戶端界面調(diào)用地理底圖服務(wù)，用戶可以動態(tài)地瀏覽地理底圖。專題符號服務(wù)是系統(tǒng)提供專題符號圖層的接口，用戶可以通過請求服務(wù)獲得專題數(shù)據(jù)和相應(yīng)的專題符號，并且在地理底圖上疊加顯示。專題圖例服務(wù)是系統(tǒng)提供專題圖例數(shù)據(jù)的接口，用戶在獲得專題符號服務(wù)的同時，使用相同參數(shù)請求專題圖例服務(wù)，得到適用于該幅專題圖的圖例。地圖整合服務(wù)是系統(tǒng)提供最終監(jiān)測地圖和專題地圖輸出的接口，通過獲取地理底圖服務(wù)、專題符號服務(wù)、圖例服務(wù)(包括專題圖形圖例和符號圖例)，得到地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖面大小設(shè)置、分辨率設(shè)置，得到最終用于打印輸出的地圖。FusionChart專題圖表服務(wù)是系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫專題數(shù)據(jù)，實時生成專題圖表的服務(wù)，供客戶端請求的顯示，并提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析服務(wù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫包括高速公路、行政邊界、水系等要素的圖形數(shù)據(jù)及圖形的屬性數(shù)據(jù)。專題數(shù)據(jù)庫存儲管理高速公路的里程、密度、排名等各類專題數(shù)據(jù)。

2. 系統(tǒng)模塊設(shè)計

高速路網(wǎng)監(jiān)測信息系統(tǒng)的系統(tǒng)角色包括:建設(shè)方系統(tǒng)管理員、承建方系統(tǒng)開發(fā)人員、系統(tǒng)用戶及系統(tǒng)維護(hù)人員。其中，建設(shè)方系統(tǒng)管理員的職責(zé)是系統(tǒng)維護(hù)和其他所有功能的操作；承建方系統(tǒng)開發(fā)人員的職責(zé)是系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)入庫及后期各項技術(shù)支持等；系統(tǒng)用戶通過系統(tǒng)進(jìn)行各種監(jiān)測操作；系統(tǒng)維護(hù)人員主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)和數(shù)據(jù)的管理[3]。

湖北省高速路網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)包括兩個模塊：動態(tài)監(jiān)測模塊和指標(biāo)分析模塊,具體的系統(tǒng)模塊劃分如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)模塊劃分

3. 原型系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

以高速公路路網(wǎng)為監(jiān)測試點(diǎn)，根據(jù)不同時期監(jiān)測對象的變化，利用現(xiàn)有的測繪成果，提供多級別、多層次、多時態(tài)的地圖服務(wù)，動態(tài)地展示高速公路的發(fā)展情況。系統(tǒng)主要實現(xiàn)高速公路發(fā)展變化的CorelDRAW成果圖動態(tài)顯示，以及其分年監(jiān)測地圖的整合輸出；高速公路排名、分區(qū)里程、分區(qū)密度等在線專題圖的動態(tài)生成、樣式修改、疊加顯示及其整合輸出；基于FusionChart的專題數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖動態(tài)顯示[4]，提供豐富的樣式供用戶選擇，以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析工具；高速公路出入口、高速公路服務(wù)區(qū)等矢量數(shù)據(jù)疊加顯示和屬性查詢。

系統(tǒng)在開發(fā)過程中，具體流程包括資料收集與處理、專題統(tǒng)計數(shù)據(jù)建庫、CorelDRAW底圖制圖加工、矢量數(shù)據(jù)處理與服務(wù)發(fā)布等數(shù)據(jù)處理過程，以及數(shù)據(jù)庫訪問、動態(tài)圖表渲染、實時渲染、專題符號、專題圖表等引擎的開發(fā)及相關(guān)功能的實現(xiàn)。資料收集與處理主要包括統(tǒng)計年鑒、相關(guān)矢量數(shù)據(jù)、相關(guān)文獻(xiàn)資料、地圖原材料、影像數(shù)據(jù)等的收集和處理。專題統(tǒng)計數(shù)據(jù)建庫包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)的整理、指標(biāo)數(shù)據(jù)的計算、建表入庫和相關(guān)視圖的創(chuàng)建。CorelDRAW底圖制作主要包括高速公路CorelDRAW底圖的制作、矢量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算，以及二進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)庫訪問引擎開發(fā)即基于WebLogic創(chuàng)建的Oracle數(shù)據(jù)庫連接池，開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫訪問引擎，方便其他模塊訪問數(shù)據(jù)庫?；贘FreeChart開發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的實時動態(tài)讀取及專題符號的生成，供客戶端請求顯示。地理底圖動態(tài)獲取服務(wù)開發(fā)是基于對底層的開發(fā)，服務(wù)器端實現(xiàn)CorelDRAW底圖二進(jìn)制數(shù)據(jù)的動態(tài)讀取、渲染、成圖的服務(wù)，供客戶端請求顯示?；贘FreeChart的專題圖例動態(tài)獲取服務(wù)開發(fā)，實現(xiàn)根據(jù)專題數(shù)據(jù)和專題符號信息動態(tài)生成專題圖例，供客戶端請求顯示。專題地圖整合服務(wù)開發(fā)實現(xiàn)將地理底圖、專題符號、專題圖例等進(jìn)行整合，輸出完整專題地圖的功能?；贔usionChart的開發(fā)實現(xiàn)了系統(tǒng)專題地圖的動態(tài)顯示，提供豐富的圖表樣式供用戶選擇，并開發(fā)實現(xiàn)了統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析功能?；贏rcGIS for Flex API開發(fā)實現(xiàn)了矢量要素服務(wù)的在線屬性查詢功能。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1. 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指對按照時間順序獲得的信息源，利用計算機(jī)在一定的規(guī)則下進(jìn)行識別、篩選、整合、存儲等過程，完成多數(shù)據(jù)源的信息共享。數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要是模式識別和狀態(tài)分析。為了實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)的共享，主要表現(xiàn)在兩個方面：目標(biāo)編碼體系的融合和形狀、幾何位置的統(tǒng)一。目標(biāo)編碼是指在地理信息系統(tǒng)中對空間實體進(jìn)行唯一的編碼。這個唯一的編碼用于標(biāo)識該空間實體，理論上這個編碼是唯一的，但是不同的系統(tǒng)可能采用不同的編碼規(guī)范，因此導(dǎo)致同一空間實體可能對應(yīng)不同的編碼。目標(biāo)編碼的一般過程如圖3所示。

香港大學(xué)深圳醫(yī)院工程項目占地面積19.2萬 m2，總建筑面積36.7萬 m2，設(shè)總床位2 000張。醫(yī)院采用“診療中心+重點(diǎn)?？啤蹦Ｊ?，設(shè)置綜合門急診、20個診療中心、12個醫(yī)技中心以及特需診療中心，可容納日門急診量8 000～10 000人次，是設(shè)施一流、管理一流、服務(wù)一流，與國際現(xiàn)代化醫(yī)院相接軌的區(qū)域性現(xiàn)代醫(yī)療中心。

圖3　目標(biāo)編碼的一般過程

數(shù)據(jù)融合的層次有檢測層、位置層、屬性層、符號層。檢測層的融合在未對原始信息分析綜合前，首先對原始信息的有效性進(jìn)行確認(rèn)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。檢測層融合的算法是20世紀(jì)80年代初期由Tenney和Sabdekk提出的，而后主要是把N-P算法、貝葉斯、序貫貝葉斯和信息論用于分布檢測時，在各種檢測環(huán)境下，確定分布系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的判決規(guī)則，比較各檢測層算法的性能，并對已存在的檢測方案進(jìn)行新的創(chuàng)新、改進(jìn)。位置層主要有分布式、集中式、多級式和混合式結(jié)構(gòu)。屬性層融合是利用多個傳感器觀測目標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和綜合分析。數(shù)量級融合是傳感器采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)合，將聯(lián)合數(shù)據(jù)直接融合并提取特征信息、判讀屬性信息以獲得觀測目標(biāo)的類型。特征級融合是把觀測目標(biāo)經(jīng)過一系列的特征提取、數(shù)據(jù)聯(lián)合，進(jìn)而達(dá)到特征提取和屬性判決的目的。特征提取得到特征矢量，數(shù)據(jù)聯(lián)合獲得目標(biāo)分組[5]。符號層融合是最高層次的融合，它直接針對具體目標(biāo)作出決策，在其他層的基礎(chǔ)上，融合的結(jié)果直接為決策提供依據(jù)。

2. 空間索引

空間索引用于快速空間數(shù)據(jù)檢索與分析?？臻g索引可以從格網(wǎng)大小與索引級別兩個角度去優(yōu)化，根據(jù)具體的數(shù)據(jù)設(shè)計適應(yīng)空間索引格網(wǎng)大小與索引級別[6]。

以湖北省的高速路網(wǎng)數(shù)據(jù)為例，首先根據(jù)湖北省行政區(qū)劃分區(qū)或根據(jù)其他的邏輯分區(qū)，創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)的分幅索引圖，也可以采用地形圖標(biāo)準(zhǔn)分幅格網(wǎng)圖作為規(guī)則索引圖(grid)，索引圖采用ArcSDE連續(xù)的空間數(shù)據(jù)管理模型?？臻g數(shù)據(jù)引擎將使用這個連續(xù)的空間數(shù)據(jù)模型，不需要分割數(shù)據(jù)，只需創(chuàng)建相應(yīng)的分區(qū)索引圖。為了支持存儲了上百萬空間記錄的數(shù)據(jù)庫，ArcSDE在一個層上為所有的特征建立索引，加快空間查詢和存取速度。ArcSDE將層從邏輯上分割為小塊，稱為“cell”，層中的特征則分解到各cell中加以描述，并將此描述信息寫入索引表，這樣便建立了一個空間索引。如果一個特征落入了一個以上的cell，則在每個cell都要列出該特征的描述信息，沒有數(shù)據(jù)的cell將不用包含在索引表中(如圖4所示)。在提供某一個空間目標(biāo)的查詢檢索服務(wù)時，ArcSDE將通過該目標(biāo)和不同的cell之間的空間管理來快速定位和查詢相應(yīng)的空間目標(biāo)，這樣就達(dá)到了快速空間查詢的目的。而對客戶來說，該索引圖是透明的，在查詢時，可能并不知道該索引圖的存在。

圖4　矢量數(shù)據(jù)空間索引的建立

對于空間數(shù)據(jù)的每一個比例尺級別和每一個專題層都將建立這種空間索引機(jī)制。這樣每個數(shù)據(jù)層可以有1～3個索引格網(wǎng)，關(guān)于查詢的速度問題，與數(shù)據(jù)在格網(wǎng)上分布的均勻程度成正比，分布越均勻，速度越快；分布越分散，查詢速度越慢。但是多級格網(wǎng)對于分布分散不均勻的數(shù)據(jù)比較有效。ArcSDE屬性查詢功能使用的是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的屬性列索引[7]。

3. 瓦片技術(shù)

瓦片地圖服務(wù)技術(shù)一般在緩存或硬盤目錄中預(yù)先生成規(guī)則的多級瓦片地圖，從瓦片金字塔的頂層到底層，分辨率逐漸增大，但是所表示的地理范圍沒有發(fā)生變化，變化的只是詳細(xì)程度[8]?？蛻舳艘粤鞯男问皆L問和讀取地圖數(shù)據(jù)。瓦片地圖服務(wù)技術(shù)可以在保證速度的情況下同時保持地圖的高精度顯示[9]?；诘貓D瓦片的服務(wù)框架下，地圖由大量的規(guī)則方形圖片組成，每個方形圖片都有坐標(biāo)值(X，Y)，共有18個縮放比例，縮放因子的范圍是0～17。通過魚骨圖的操作顯示不同縮放比例下的地圖，在由小比例向大比例轉(zhuǎn)變的過程中，圖片的數(shù)量發(fā)生變化，基于地圖瓦片服務(wù)技術(shù)的請求和響應(yīng)效率顯著優(yōu)于WebGIS的傳統(tǒng)模式，而且基于地圖瓦片服務(wù)的服務(wù)器負(fù)載也相對小很多[10]。基于地圖瓦片服務(wù)框架可以通過集聚現(xiàn)代先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建地圖瓦片庫，從而運(yùn)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、搜索引擎、Ajax等脫離GIS平臺實現(xiàn)空間定位服務(wù)[11]，進(jìn)而使地圖服務(wù)由專業(yè)化走向大眾化，提高其應(yīng)用范圍。

四、系統(tǒng)展示

湖北省高速路網(wǎng)監(jiān)測信息系統(tǒng)是湖北省地理國情監(jiān)測項目中的一個分系統(tǒng)，在上述的系統(tǒng)體系、模塊設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了本系統(tǒng)。 監(jiān)測內(nèi)容具體分為5方面：動態(tài)監(jiān)測、指標(biāo)監(jiān)測、屬性查詢、地圖輸出和地圖打印。單擊功能按鈕，頁面左下方彈出相應(yīng)的窗口。在動態(tài)監(jiān)測窗口中，可以動態(tài)分時地顯示地理底圖上高速路網(wǎng)的變化情況，如圖5所示。

圖5　地理底圖上顯示監(jiān)測情況

湖北省高速路網(wǎng)監(jiān)測指標(biāo)包括：湖北高速分市里程統(tǒng)計、湖北省高速分市密度統(tǒng)計、湖北省高速里程數(shù)排名，這些監(jiān)測指標(biāo)通過基于省高速里程數(shù)排名。這些監(jiān)測指標(biāo)通過基于JFreeChart圖表生成引擎根據(jù)用戶自定義的參數(shù)，如變更圖表的圖例、前景、背景、表名等對圖表進(jìn)行個性化配置，通過重構(gòu)組織，生成不同類型的統(tǒng)計圖表。圖6為用戶選擇不同的統(tǒng)計圖表所表達(dá)的武漢市高速公路里程監(jiān)測圖表。同時系統(tǒng)還提供了關(guān)于高速公路屬性查詢的功能，如圖7所示。

圖6　武漢市高速公路監(jiān)測圖表

圖7　查詢高速公路G42的屬性

五、結(jié)束語

本文著重論述了數(shù)據(jù)融合、空間索引、瓦片等技術(shù)，從系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和模塊設(shè)計入手，經(jīng)過一系列的開發(fā)流程完成了湖北省高速公路網(wǎng)監(jiān)測信息系統(tǒng)原型。該系統(tǒng)為高速公路網(wǎng)的信息化建設(shè)提供了可行性方案，對數(shù)字城市建設(shè)及地理國情監(jiān)測其他專題的項目也有一定的借鑒作用。

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