李一凡，楊 帆，余正紅

（武漢科技大學城市學院，湖北武漢 430083）

0 引言

城市中的交通出行問題是目前制約眾多城市發(fā)展的首要問題。解決交通問題的第一步是解決城市交通管理與調(diào)度問題，其實質(zhì)是對各種交通信息進行合理地管理、調(diào)度及處理。現(xiàn)有時空數(shù)據(jù)模型被應用于各個行業(yè)，可進行時空信息的管理與查詢。但相關(guān)數(shù)據(jù)信息通常是離散化的片段信息，存在信息孤島與豎井現(xiàn)象，無法滿足指揮人員對各行業(yè)環(huán)境中時空全息信息的快速查詢需求。因此，首先需要一種全新的能夠描述全息信息的時空數(shù)據(jù)模型，其次需要一套時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對交通環(huán)境中的全息數(shù)據(jù)進行存儲與管理。在此基礎上，還需要一系列全息時空數(shù)據(jù)的表示、整理、加工與融合方法，以支持交通環(huán)境中對象實時信息、連續(xù)歷史軌跡、對象態(tài)勢預測信息以及綜合態(tài)勢預測信息的多尺度快速查詢。

實際中收集的信息是離散、片段化的，而不同角色需要的信息又是多樣化的，目前亟需對信息進行處理加工，從而為不同角色提供不同層級、從離散到連續(xù)、從歷史到未來預測的各種信息。因此，本文提出一種全新的多層次交通環(huán)境信息融合數(shù)據(jù)模型。

1 相關(guān)工作

1.1 時空數(shù)據(jù)模型研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學者針對時空數(shù)據(jù)模型進行了長時間研究，但現(xiàn)有模型主要研究各種類型對象的離散時空信息表示，無法支持對象的連續(xù)時空信息表示。目前也暫未在此基礎上形成相應的時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對時空數(shù)據(jù)進行有效的存儲與管理［1］。

在時空數(shù)據(jù)模型的實際應用方面，從2000 年以來，該模型結(jié)構(gòu)的建立與改進更多地是用來滿足特殊行業(yè)和研究的需要。如David 等［2］提出基于圖論的時空數(shù)據(jù)模型，尹章才等［3］和黃照強等［4］又對該模型進行了更深入的擴展研究及延伸實驗；Rasinm?ki 等［5-6］針對自然林分設計了一種以嵌套地理實體類結(jié)構(gòu)為基礎的環(huán)境資源時空數(shù)據(jù)模型，之后又進一步探究并新增了時空數(shù)據(jù)處理、時空數(shù)據(jù)查詢和林分模擬分析等功能；薛存金等［7］面對連續(xù)漸變地理實體，提出面向過程的時空數(shù)據(jù)模型；Lyell 等［8］導入時空坐標概念，并提出基于Web 本體語言（OWL Web Ontolo?gy Language，OWL）的時空數(shù)據(jù)模型；Wang 等［9］提出在時間段內(nèi)檢索臨時基態(tài)與修正態(tài)的時空數(shù)據(jù)模型；Anh 等［10］提出一個新的四維時空數(shù)據(jù)模型（TUDM），該模型旨在簡化將語義對象融合到指定應用程序的過程；龔健雅等［11］根據(jù)實時GIS 中各種地理要素特點及存儲管理要求，提出一種面向動態(tài)地理對象與動態(tài)過程模擬的實時GIS 時空數(shù)據(jù)模型；張忠貴等［12］搭建網(wǎng)絡時空數(shù)據(jù)模型（NSTDM），并通過鄔群勇等［13］的時態(tài)地理燃氣管網(wǎng)進行實例驗證。

此外，章明［14］基于GIS 方法對綦江縣地質(zhì)災害時空分布特征進行分析，王家耀等［15］提出時空大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)與機遇，張艷梅等［16］基于時空地理信息數(shù)據(jù)分析區(qū)域規(guī)劃實施效果，分別從時空分布、時空機遇、具體實施等角度對如何充分發(fā)揮時空地理信息大數(shù)據(jù)在區(qū)域規(guī)劃方面的服務保障作用進行了研究。

1.2 本課題研究內(nèi)容

本文將城市中的大量交通環(huán)境信息收集起來，經(jīng)過加工、整理、融合，按照不同角色分發(fā)相應內(nèi)容，構(gòu)造交通環(huán)境時空數(shù)據(jù)多層次模型，建立點、線、面、數(shù)據(jù)4 層體系結(jié)構(gòu)，定義點、線、面、數(shù)據(jù)表達標準，提出一套時空域環(huán)境中的對象多尺度動態(tài)可視化方法，收集交通中不同粒度對象對應尺度位置、歷史運動軌跡以及預測的運行軌跡等，并實現(xiàn)結(jié)果的可視化展示。

第一步：對一系列全息時空數(shù)據(jù)進行收集=>加工=>整合=>融合，以支持對交通環(huán)境中對象實時信息、連續(xù)歷史軌跡、對象態(tài)勢預測信息及綜合態(tài)勢預測信息的多尺度快速查詢。同時進行信息的融合加工，為不同角色（如行人、指揮人員等）提供不同層級、從離散到連續(xù)、從歷史到未來預測的各種信息。

第二步：細化發(fā)布內(nèi)容，以此構(gòu)建交通環(huán)境時空數(shù)據(jù)多層次模型。

第三步：借助現(xiàn)有技術(shù)，通過PC 端ArcMap10.2 及移動端Baidu-Apache ECharts，對多層次模型進行實時的可視化展示。

1.3 本文創(chuàng)新點

（1）以往針對城市交通數(shù)據(jù)一般只是進行統(tǒng)計，而單純的數(shù)字數(shù)據(jù)無法將當時的交通狀況很好地展示出來，因此很難直觀獲取所需信息，而可視化的城市交通時空數(shù)據(jù)可提供更加直觀、清晰的圖像數(shù)據(jù)信息。

（2）目前廣泛使用的各種APP 往往缺乏數(shù)據(jù)清洗這一步。在完成地理數(shù)據(jù)信息采集后即直接利用數(shù)據(jù)進行制圖，通常會造成一些誤差。若數(shù)據(jù)的真實性、時效性、準確性不能得到保障，用戶獲得的地理信息很可能是滯后的，從而為數(shù)據(jù)將來的應用埋下一定隱患。因此，完成前期數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)清洗是必不可少的一個環(huán)節(jié)。

（3）本文使用華為云服務器代替公共的云服務，以此保障系統(tǒng)的安全性。此外，借助北斗的時空網(wǎng)格編目對數(shù)據(jù)進行整合處理，并進行自助式的時空建模，形成交通時空可視化數(shù)據(jù)模型，以初步構(gòu)建獨立于六大時空模型以外的獨屬于中國的數(shù)據(jù)模型——交通信息融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織模型，如圖1 所示。

Fig.1 Data organization model of traffic information fusion System圖1 交通信息融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織模型

2 理論基礎

城市交通時空數(shù)據(jù)可視化研究以已有的6 種時空數(shù)據(jù)模型為基礎，借助多渠道、多層次、多方位的大批量交通數(shù)據(jù)采集工作，首先清洗數(shù)據(jù)，篩選出所需的交通數(shù)據(jù)信息，然后通過兩種方式進行數(shù)據(jù)整合工作，最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，為實現(xiàn)城市交通時空數(shù)據(jù)可視化研究作前期的理論鋪墊。

2.1 時空數(shù)據(jù)模型

通過空間數(shù)據(jù)與衍生的數(shù)據(jù)源信息，借助與空間地理坐標沒有具體派生關(guān)系的屬性信息及時變信息，構(gòu)成時空數(shù)據(jù)模型。目前比較具有影響力的時空數(shù)據(jù)模型主要有以下6 種：時空復合模型、連續(xù)快照模型、基態(tài)修正模型、時空立方體模型、時空對象模型、面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型。此外，還有第一范式、非第一范式、基于事件與歷史圖的模型等時空數(shù)據(jù)模型，這些模型能夠在時空可視化方面提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.2 數(shù)據(jù)采集

為了實現(xiàn)城市交通時空數(shù)據(jù)的可視化，相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集是必不可少的一環(huán)。數(shù)據(jù)采集分為線上與線下采集兩種方式，不同方式獲取的數(shù)據(jù)有很大差異。雖然有時線上信息可能會很詳細，但線上數(shù)據(jù)的真實性往往得不到保障。有時即使數(shù)據(jù)是真實的，但部分數(shù)據(jù)的時效性較差，如地理數(shù)據(jù)等，需要實時進行更新處理。因此，數(shù)據(jù)的不定期、不定點采集是十分必要的。

此外，數(shù)據(jù)采集不能僅采集當下的交通數(shù)據(jù)信息，還需要拉長時間線，從時空角度進行分析與采集，才能滿足對多元化數(shù)據(jù)的采集需求。

2.3 數(shù)據(jù)清洗

完成數(shù)據(jù)采集后，往往會發(fā)現(xiàn)一些問題。數(shù)據(jù)清洗是指通過對數(shù)據(jù)重新進行審查、校驗，刪除重復數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)與殘缺數(shù)據(jù)等，并糾正存在的問題，以保障數(shù)據(jù)的一致性。首先分析數(shù)據(jù)、定義錯誤類型，并定義清洗轉(zhuǎn)換規(guī)則，然后搜索、識別錯誤記錄，最后修正相關(guān)具體錯誤。數(shù)據(jù)清洗完畢后，將干凈數(shù)據(jù)回流，用于替換原有數(shù)據(jù)，以提高原系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，還可避免將來再次抽取數(shù)據(jù)進行重復的清洗工作。有時需要將線上線下操作相結(jié)合，在線下分析、線上處理，這樣進行數(shù)據(jù)清洗效率最高。

3 道路信息收集

道路信息收集需要保障數(shù)據(jù)的真實性、準確性與時效性，才能將數(shù)據(jù)應用于實際。因此，在信息收集方面，首先需要分析武漢市交通現(xiàn)狀，然后根據(jù)現(xiàn)有資料及后期收集的數(shù)據(jù)信息作進一步分析處理，最后通過多渠道驗證獲得的資料、數(shù)據(jù)和信息，如：實地考察、申請查閱政府公開發(fā)布的地理信息等，對道路信息收集質(zhì)量進行判斷。

3.1 武漢市交通現(xiàn)狀

當前疫情期間的交通數(shù)據(jù)暫不納入研究對象，對近10年網(wǎng)上公開的交通數(shù)據(jù)（如公交、地鐵、私家車等樣本數(shù)據(jù)）進行抽樣調(diào)查，并對前期實地考察的結(jié)果進行分析。

截至2019 年年底，武漢市機動車保有量已超過330萬輛。10 年來，機動車增幅相比常住人口增幅達到了懸殊的15 倍，機動車數(shù)量較10 年前已翻了兩三倍，而公路里程的年增長率從2010 年的16.6% 下降到2019 年的8.1%。車輛的激增導致了道路擁堵，而公路里程增長放緩也加劇了道路擁堵情況。

近年來，道路擁堵問題進一步加重。三因素形成的四大矛盾凸顯出來：即人、車、路三因素下，人與車之間的矛盾、人與路之間的矛盾、人與人之間的矛盾，以及車與路之間的矛盾。自2018 年起，武漢開始推行潮汐車道，以緩解交通壓力。2019 年新增多條線路與隧道，同時動工的青山長江大橋、雙柳長江大橋打通了交通阻塞點，而漢江大道也進一步將漢陽至天河機場的交通路線全線貫通，從而有效緩解了武漢市的交通壓力，更好地滿足了市民出行需求。

3.2 道路信息收集渠道

為了采集到更全面的道路交通信息，采用多渠道、多方位的信息采集方式。由于信息存在實時性與滯后性問題，所以在城市線路信息搜集方面，需要不斷進行數(shù)據(jù)的實時更新。但由于地理信息數(shù)據(jù)與國家安全密切相關(guān)，必須獲得政府同意后才能進行。保障國家地理信息的安全性始終要放在第一位，以防信息泄露。

3.2.1 市政府發(fā)布的道路交通線路

借助市政府發(fā)布的道路交通線路，不用擔心其準確性與安全性，雖然相關(guān)信息可能有所滯后，但依然大大減小了信息采集工作量。直接利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息，將其作為實地道路考察的補充材料，并對照實地考察情況進行核對校驗，對與現(xiàn)實有出入的部分進行補充更新，同時也可將以往的道路信息材料作為參考進行對照。

當前武漢的“8+1”城市圈以武漢為核心，與周邊黃石等8 個城市共同構(gòu)建完備的城市圈交通運輸體系，這將推進城市的交通一體化，極大地緩解交通壓力。在2019 年初發(fā)布的武漢市城市總體規(guī)劃圖中，主城配合新城，加上三副城與三組團的布局，以“核，極，園，圈”4 個層次展開的新格局，將進一步推動武漢道路交通的發(fā)展。利用市政府發(fā)布的道路交通線路，可借助中觀動態(tài)交通仿真獲取模擬交通數(shù)據(jù)，通過比對，同時結(jié)合實地考察結(jié)果，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行匯總、校驗，得出線路實時狀況、當前潛在風險與調(diào)整措施。

3.2.2 國家地理信息公共服務平臺上的道路交通線路

借助國家地理信息公共服務平臺上的道路交通線路，可解決目前的信息孤島和數(shù)字鴻溝問題?？赏ㄟ^省級和地級市地理信息服務機構(gòu)獲取信息基地中的地理數(shù)據(jù)信息，并利用在數(shù)字城市中獲取的數(shù)據(jù)進一步構(gòu)建實時地理模型，最終完成可視化目標。但只有遵守地理實體數(shù)據(jù)規(guī)范、地名地址數(shù)據(jù)規(guī)范等具體規(guī)范要求，才能獲取相關(guān)服務。

目前該平臺已為全國提供了1∶5 萬的矢量電子地圖、精確到200m 的影像電子地圖以及1∶100 萬的全球高程數(shù)據(jù)等，可提供GIS 等各類符合規(guī)范的服務應用，同時能通過申請獲取精度更高的矢量地圖，以滿足人們的實際需求。此外，使用國家地理信息公共服務平臺，也可將自己實地考察的道路信息進行共享，以滿足相關(guān)數(shù)據(jù)的實時更新需求。

4 道路交通可視化研究

4.1 城市道路信息整合方法

目前主要采用兩種方式進行城市道路信息整合：

（1）采用美國環(huán)境系統(tǒng)研究所ESRI 開發(fā)的GIS 系統(tǒng)，借助ArcMap 搜索、展示、解析數(shù)據(jù)，形成圖表，并能以數(shù)據(jù)視圖和編輯視圖兩種不同方式展現(xiàn)。

（2）采用云技術(shù)，借助智能大數(shù)據(jù)的服務支持，完成城市道路信息的數(shù)據(jù)前期采集與融合處理。同時可借助智能云計算強大的運算處理能力，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的即時更新與整合。以北斗衛(wèi)星多種時空網(wǎng)格編目的方式進行整合處理，不僅能獲取詳實的地理數(shù)據(jù)信息，還可確保其安全性。

4.1.1 傳統(tǒng)ArcMap

在傳統(tǒng)的ArcMap 中，可從國家地理信息公共服務平臺獲取相關(guān)底圖數(shù)據(jù)的.shape 文件及相關(guān)參數(shù)信息的.dbf文件，也可自己手動創(chuàng)建文件。

首先需要在ArcGIS Online 中添加相關(guān)數(shù)據(jù)，然后在layers 中新建底圖圖層，接下來進行識別，在對話框中顯示相關(guān)屬性值，對當前位置進行修改，也可直接在地圖上選定區(qū)域，通過滾輪進行縮放。之后在查找中輸入China，進入中國的可見圖層，通過平移、識別、選擇，將其新建至圖層組。由于.shape 文件是從平臺上下載的數(shù)據(jù)文件，只有大概輪廓，因此具體道路需要自行鋪設。目前提供的底圖只有武漢市的區(qū)縣輪廓圖及主要江河支流，因此需要使用ArcMap 符號選擇器，如圖2 所示。

Fig.2 ArcMap symbol selector圖2 ArcMap 符號選擇器

在ESRI 中，選擇公路及公路匝道進行主干道鋪設，之后打開圖層屬性，輸入歷年人口密度情況，完成對人口稠密程度的設置，并補充數(shù)據(jù)表中相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)所選要素創(chuàng)建圖層。

在編輯器工具欄上點擊創(chuàng)建要素工具，如圖3 所示，選擇計劃路線Planned Road，雙擊端點創(chuàng)建道路要素，也可添加相應的圖例信息、比例尺等規(guī)范地圖，通過插入Scale Bar 以插入相應比例尺。在數(shù)據(jù)框選項中，可更換名稱為Wuhan，設置經(jīng)緯度范圍為東經(jīng)113°41′～115°05′、北緯29°58′～31°22′。由于武漢市的經(jīng)緯度是一個區(qū)間，所以選取中心值為確定值，即中心經(jīng)度、中心緯度分別取中心值114°和30°代入。進入XY 工具，可在參考比例中選取合適比例，如：1∶1 000 000，展示地圖并將其連接至Excel 表。右鍵點擊Wuhan，指向連接和關(guān)聯(lián)，在連接數(shù)據(jù)窗口中選擇首項設置。這里選擇Wuhan_state 作為連接所依據(jù)的字段，完成設置。在瀏覽按鈕中添加地圖至文件夾，雙擊Wu?han Data.xlsx，之后雙擊Sheet1$（第一個表單）作為要連接的表。

Fig.3 ArcMap edit route characteristics圖3 ArcMap 編輯路線特征

最后確認state，點擊連接數(shù)據(jù)窗口底部的驗證連接，查看是否通過驗證。驗證后關(guān)閉該窗口，單擊確定以連接表。接下來，打開Wuhan_state 的屬性表，在表中添加相關(guān)字段state 等后保存，選擇該表指向數(shù)據(jù)即可，至此初步完成了ArcMap 中城市道路信息的整合。之后創(chuàng)建一個Web系統(tǒng)，即可在頁面中實時查看相關(guān)數(shù)據(jù)，但這里考慮到國家道路信息數(shù)據(jù)可作為國家安全方面的數(shù)據(jù)信息，因此不采取共享形式。

4.1.2 云平臺

云平臺的管理與使用無疑會比傳統(tǒng)的ArcMap 便捷許多，雖然在安全性上遜于之前的斷網(wǎng)保護，但優(yōu)勢也很明顯，可借助云平臺實現(xiàn)移動設備的在線使用，同時降低了使用起步標準。目前最佳選擇是華為云，其采用“云—管—端”的戰(zhàn)略方針以及分層與縱深防御理念，聚焦I 層、使能P 層、聚合S 層，致力于提供安全、中立、可靠的IT 基礎設施云服務，但也存在偶爾不穩(wěn)定的問題。

首先，需要購買華為云主機，完成相應配置后，以root權(quán)限登錄，進入彈性云服務器；然后，對CentOS-Base.repo文件進行數(shù)據(jù)拷貝與存儲，利用curl 命令將對應版本的CentOS-Base.repo 文件存入目錄/etc/yum.repos.d/中，借由執(zhí)行yum makecache 命令產(chǎn)生相應緩存；進入鯤鵬架構(gòu)圖形化界面，執(zhí)行# apt-get update 對軟件庫進行更新；執(zhí)行語句# apt-get install ubuntu-desktop，安裝Ubuntu 圖形化桌面。

云服務器重啟后，遠程桌面可以正常連接，然而遠程連接依然只能使用guest 帳號，而不能選擇其他用戶。guest 用戶可以免密登錄，如果其他用戶需要登錄，則需修改root 用戶權(quán)限。執(zhí)行#vi/usr/share/lightdm/lightdm.conf.d/50-ubuntu.conf，修改50-ubuntu.conf 配置文件，將其修改為［Seat：*］user-session=ubuntu greeter-show-manual-login=true allow-guest=false，執(zhí)行#～/.profile：executed by Bournecompatible login shells.if［“$BASH”］；then if［-f～/.bashrc］；then.～/.bashrcfifitty-s&&mesgn||true，編輯root/.profile 文件。重新啟動后，即可通過root 賬號登錄。最后將ArcMap、ECharts 及.shp 文件部署至云，從而通過云平臺實現(xiàn)實時道路信息的查詢與更新。由于部署在云平臺上，有利于擴大受眾影響范圍，但也存在針對網(wǎng)絡襲擊的安全防護等問題。

4.2 可視化原理

針對交通環(huán)境時空數(shù)據(jù)的可視化，首先采用5W1H 模式進行數(shù)據(jù)采集與歸納。首先Why，為什么要對交通環(huán)境時空數(shù)據(jù)進行收集；Who，數(shù)據(jù)是由誰產(chǎn)生的；Where，數(shù)據(jù)來源于哪里；When，數(shù)據(jù)是在什么時間段采集的；What，數(shù)據(jù)是由什么產(chǎn)生的；How，通過什么途徑采集數(shù)據(jù)。

之后，需要對數(shù)據(jù)進行查漏補缺，通過數(shù)據(jù)清洗、去噪等處理方式明確數(shù)據(jù)指標，確定數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。常見的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系有7 種類型：地理型、關(guān)聯(lián)型、區(qū)間型、分布型、趨勢型、對比型和比例型。考慮到本文主要進行的是交通環(huán)境時空數(shù)據(jù)的可視化，因此研究側(cè)重點為地理型。

借助于地圖上的位置信息數(shù)據(jù)，以此顯示差異化的地理分布區(qū)域狀態(tài)，根據(jù)具體的空間維度差異，可分別通過二維地圖與三維立體地圖兩方面進行考慮?？梢暬€需要在最短時間內(nèi)使用戶直接、有效地獲得最核心的數(shù)據(jù)信息。

經(jīng)過可視化的布局設計以及數(shù)據(jù)的圖形化展現(xiàn)，以聚集、平衡、簡潔三大原則完成總體布局設計。在數(shù)據(jù)圖形化呈現(xiàn)方面，還需要考慮到兩個層面的問題：一是數(shù)據(jù)層面，如果在數(shù)據(jù)中存在極端值或較多分類項時，將在一定程度上影響可視化效果；二是非數(shù)據(jù)層面，在圖表及二維與三維地圖中，對于輔助性的次要元素，應進行處理后再部分顯示出來，以避免對用戶視覺造成干擾。

由于數(shù)據(jù)的可視化往往顯示的是一個二維空間，為了達到實際交通的三維可視化效果，還需要通過具體的圖形繪制對其不斷進行補充與更新。除數(shù)據(jù)信息采樣、數(shù)據(jù)屬性變換、對應數(shù)據(jù)的可視化與映射外，數(shù)據(jù)可視化處理與其它數(shù)據(jù)分析處理方法的最大差異在于與用戶的實際互動。某一時段、某一空間的數(shù)據(jù)是恒定的，然而用戶從可視化中獲得的體驗是存在差異的，并且不同用戶在其中獲得的信息往往也有一些不同之處，因此還需要將數(shù)據(jù)的線性與非線性聯(lián)系借助圖形圖像表達出來?？梢暬缑嬖趨f(xié)助用戶進行分析時，可以一目了然地看到具體參數(shù)或算法的變更，從而提高模型的實時評估效率。

4.3 城市道路信息可視化實現(xiàn)

通過上述方法對城市道路信息進行梳理與整合，為可視化模擬提供有力的數(shù)據(jù)支持，同時通過實地考察以及多方位、多渠道的數(shù)據(jù)收集，借助ArcMap 與ECharts 實現(xiàn)道路信息的可視化模擬。

本文使用ArcMap 完成城市道路信息的可視化模擬，通過在不同圖層建立初步地理信息，然后將道路交通線路分別以相同比例尺進行布設，通過不同顏色線條建立城市交通的主干道、支道等交通要道。同時，在進行二維交通線路地圖模擬時，還需要考慮現(xiàn)實中稠密的三維交通要道，如立交等。由于在二維平面中會發(fā)生重疊錯位的情況，因此在進行可視化模擬時，需要將二維平面當作三維空間進行道路交通線路的鋪設，一次鋪設一條完整的線路，才不易造成混淆或發(fā)生錯誤。此外，ArcMap 中也支持建立城市3D 模型，在此基礎上鋪設的道路交通線路即是三維的，但建模需要的時間也以幾何倍數(shù)增加。

完成ArcMap 建模后，在ECharts 中構(gòu)建立體交通線路，但在ECharts 中不用像ArcMap 中一樣需要手動建模，可以直接通過代碼進行構(gòu)建。此外，除北斗、市政府以及國家地理信息資源網(wǎng)上的地圖數(shù)據(jù)外，還可借助目前開源的API 接口擴充地圖資源數(shù)據(jù)，從而獲取多樣化的數(shù)據(jù)支持。

4.3.1 ArcMap 可視化

傳統(tǒng)ArcMap 可視化是借助ArcGIS 進行制圖，然后通過Web 系統(tǒng)將ArcMap 中的地圖線路進行可視化展現(xiàn)，也可使用GIS 旗下的ArcGIS 將地圖線路的空間構(gòu)圖展現(xiàn)出來。最后將完成的制圖聯(lián)網(wǎng)進行展示，從而實時更新道路交通線路。

此外，ArcMap 作為一款專業(yè)制圖軟件，相比其它軟件具有很多優(yōu)勢，比如精準的制圖細節(jié)，以及對地圖線路的準確顯示等。人們不僅可以直接使用其制作地圖，而且可借助ArcGIS 聯(lián)通網(wǎng)絡，將地圖信息上傳至網(wǎng)絡服務器，以提升地圖的實時性。另一方面，ArcMap 的制圖具有極其詳實的數(shù)據(jù)信息，可結(jié)合數(shù)據(jù)表選擇錨點進行數(shù)據(jù)補充。Ar?cMap 的可視化可將道路交通線路展現(xiàn)出來，同時將具體路況信息存入相關(guān)數(shù)據(jù)表中，成為道路數(shù)據(jù)的一部分，從而極大地豐富了相關(guān)數(shù)據(jù)，并為后期的道路情況預測提供有力支持。當然該軟件也存在不足之處，如體積較大，且不便使用。

獲取武漢市行政邊界點數(shù)據(jù)相關(guān)代碼如下：

具體操作步驟如下：

步驟一：創(chuàng)建武漢市行政邊界的線要素，添加線字段及排序字段。線字段表示該點屬于哪條線，排序字段表示點在線中的位置。接下來創(chuàng)建武漢市的行政邊界線，只需將點按順序連接形成閉合線即可。

在實際操作中，先添加線字段及排序字段，重新建立點圖層。打開ArcTollbox，在“數(shù)據(jù)管理工具”—“要素”—“點集轉(zhuǎn)線”中，選擇輸入要素為本文的點要素文件。設置好線字段和排序字段，點擊“閉合線”，確定即得到閉合線的.shp 文件（見圖4）。

Fig.4 Transformation of point set into lines圖4 點集轉(zhuǎn)線

步驟二：創(chuàng)建武漢市行政邊界的面要素。直接在上述線的基礎上生成面，打開ArcTollbox，在“數(shù)據(jù)管理工具”—“要素”—“要素轉(zhuǎn)面”中，選擇輸入要素為線圖層。設置好XY 容差，即可得到行政區(qū)的面.shp 文件（見圖5）。

Fig.5 Transformation of elements into surfaces圖5 要素轉(zhuǎn)面

步驟三：創(chuàng)建武漢市中心交通時空圈。在“數(shù)據(jù)管理工具”—“要素類”—“創(chuàng)建漁網(wǎng)”中，模板范圍選擇面圖層，設置行數(shù)和列數(shù)，幾何類型選擇“POLYGON”，創(chuàng)建完成漁網(wǎng)（見圖6）。

Fig.6 Fishing net creation圖6 漁網(wǎng)創(chuàng)建

步驟四：執(zhí)行圖層取交集命令。在“分析工具”—“提取分析”—“裁剪”中設置相關(guān)參數(shù)，選擇輸入要素為需要裁剪的要素，裁剪要素為裁剪的模板，裁剪完成（見圖7）。

Fig.7 Cropping elements圖7 裁剪

步驟五：在“打開屬性表”—“連接和關(guān)聯(lián)”—“連接”中，點擊相應的xlsx 文件，為每個網(wǎng)格附上相應屬性值（人口密度與市中心距離等），然后點擊圖層“屬性”—“符號系統(tǒng)”—“數(shù)量”—“分級色彩”，設置好“值”和“類”，即得到時空分布圖。

線路示意圖如圖8 所示。

Fig.8 Route diagram圖8 線路示意圖

根據(jù)高峰時段和平峰時段的交通時空圈，使用武漢500*500 格網(wǎng)數(shù)據(jù)中心經(jīng)緯度獲取各地到達市中心所需時間。源碼如下：

4.3.2 Baidu ECharts 可視化

相較于上述傳統(tǒng)的ArcMap，作為開源項目的ECharts具有更大的發(fā)展?jié)摿?。與北斗進行合作的ECharts 將擁有不遜色于ArcMap 的地理精度，此外，其可視化界面十分適應移動端。相較于ArcMap 龐大的體積，ECharts 甚至不需要下載任何軟件，獲取數(shù)據(jù)也更加便捷。對于開發(fā)者而言，開源意味著自由、創(chuàng)新，因此ECharts 的應用前景更加廣闊。ECharts 的可視化能力目前取決于目標代碼的詳細精度。

4.3.3 分布式交通環(huán)境時空信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

通過以上兩種方式實現(xiàn)的可視化，可支持分布式交通環(huán)境時空信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)建。系統(tǒng)統(tǒng)一融合地面、空中和地下范圍內(nèi)不同類型和粒度的交通環(huán)境信息，支持全市范圍內(nèi)多尺度交通環(huán)境信息的一體化組織、存儲與管理，支持時間維，同時具備多中心交通環(huán)境數(shù)據(jù)同步更新能力。系統(tǒng)體系架構(gòu)包括時空數(shù)據(jù)服務器、時空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、時空信息運行與維護系統(tǒng)以及時空信息智能處理系統(tǒng)，如圖9 所示。

Fig.9 Architecture of traffic information fusion system圖9 交通信息融合系統(tǒng)體系架構(gòu)

（1）時空數(shù)據(jù)服務器。時空數(shù)據(jù)服務器是一個用于4類交通環(huán)境時空信息一體化組織、存儲與管理的分布式、多中心、異構(gòu)的數(shù)據(jù)服務器，其具有全局外模式、全局概念模式、分片模式、分布模式等多種模式。

（2）時空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。具備數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)組織與管理、數(shù)據(jù)庫定義與創(chuàng)建等功能。

（3）時空信息運行與維護系統(tǒng)。具備數(shù)據(jù)庫運行控制與管理、數(shù)據(jù)庫建立與維護等功能。

（4）時空信息智能處理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要面向軍事領(lǐng)域，其中應用了多層次、多尺度、多粒度數(shù)據(jù)的分發(fā)技術(shù)及智能算法，以及時空數(shù)據(jù)預測、干預、推演智能算法。

4.3.4 原型系統(tǒng)

交通環(huán)境時空信息融合框架與數(shù)據(jù)模型如圖10 所示，主要包含基礎設施層、虛擬化服務層、服務平臺層與交通應用層。

5 結(jié)語

城市交通時空數(shù)據(jù)可視化研究是基于ArcMap 與ECharts 的大量數(shù)據(jù)進行的。當前武漢的道路交通線路可通過ArcMap 進行建模，也可通過ECharts 直接獲取模型數(shù)據(jù)，而跳過建模這一步，但相對而言該方式獲取到的數(shù)據(jù)不夠精確。一個作為PC 端的軟件，一個作為移動端的應用，二者從不同角度實現(xiàn)了武漢城市交通時空數(shù)據(jù)的可視化。通過前期對大量數(shù)據(jù)的采集、梳理，之后利用兩種方法進行數(shù)據(jù)清洗與整合，最后進行兩種途徑的可視化模擬，成功構(gòu)建了武漢城市內(nèi)交通模型。錄入往年數(shù)據(jù)之后，可大致評估得出今年可能達到的峰值數(shù)據(jù)，從而對未來可能出現(xiàn)的交通情況進行預判。

Fig.10 Traffic information fusion prototype system圖10 交通信息融合原型系統(tǒng)

通過城市交通時空數(shù)據(jù)的可視化研究，將武漢近10年來的交通數(shù)據(jù)進行梳理、整合，得到最接近目前交通情況的數(shù)據(jù)（新冠肺炎疫情發(fā)生之前的數(shù)據(jù)）。發(fā)現(xiàn)歷年來每個時期的數(shù)據(jù)出入不大，僅在有限范圍內(nèi)變動，說明城市交通數(shù)據(jù)在時空上具有穩(wěn)定性，不會因個體的突然變化而發(fā)生改變。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)城市交通具有時空重復性，會隨著時間進行周期性往復。從空間上看，城市交通具有輻射性，從市中心輻射至郊區(qū)，密度也逐步降低；從時間上看，早晚兩個高峰時段的交通最為繁忙，中間時段則趨于平緩，也從側(cè)面反映了武漢人真實的生活情況。

在研究中遇到的最大難題是地理數(shù)據(jù)信息的獲取，因為要保證獲取的地理數(shù)據(jù)是真實、準確、實時的，但無論是實地考察，還是市政府發(fā)布的信息都不完整。國家地理信息公共服務平臺上雖然有較為完整、詳實的數(shù)據(jù)信息，但是匿名只能獲取到比例尺為1∶100km 的地圖，實名后雖然能夠獲取到1∶100m 的地圖，數(shù)據(jù)信息卻往往存在缺失。因此，該研究需要進一步獲得企業(yè)或政府支持，才能更好地獲取相關(guān)平臺的數(shù)據(jù)支持，從而真正提高可視化精度。