基于GIS的道路几何网络数据模型及其应用

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1、基于 GIS 的道路几何网络数据模型及其应用蔡先华 , 王炜 , 戚浩平(东南大学 交通学院 ,江苏 南京 210096)GIS2ba sed Roa d Geometric Net Data Model an d Its Appl icat ionCA I Xian2hua , WAN G wei , Q I Hao2ping摘要 :道路网络是道路网络分析的空间地理对象 ,在进行道路网络分析前需要花费大量的时间进行空间网络拓扑关系的建提高数据处理效率 、节约存储空间的角度出发 ,提出基于 GIS 的道路几何网络矢量数据模型 。利用几何网络拓扑关系 ,提道路网络的自动生成的算法 ,并把该数据结

2、构模型及算法应用于道路网络分析软件中 。关键词 :道路网络 ;几何网络 ; GIS 技术一 、引言道路网络分析是交通规划 、建设与管理的基础 。进行道路网络分析前 ,必须花费大量的时间进行 间网络基础数据的建库工作 。运用地理信息系统GIS) 技术 , 不但可以方便道路网络基础数据的管3612、道路网络数据模型的建立和网络分析 ,提高数据理效率 ,还可以更加方便地进行道路网络基础信、规划 成 果 和 管 理 信 息 的 可 视 化 。结 合 GIS 技,提出一种面向道路网络数据管理与分析的道路 何网络矢量数据结构模型 ,给出模型拓扑关系自建立算法 ,并把这一模型应用于道路网络分析软 系统 。4

3、578图 1 图及邻接矩阵除用邻接矩阵表示网络模型外 ,邻接二 、传统道路网络模型型是近年来提出的一种 ,由于邻接表中没何数据 , 只 能 描 述 拓 扑 关 系 ( 节 点 、弧 段道路网络通常被抽象为图 , 并利用图的节点邻矩阵记录节点间的关联信息 。图 1 是具有 5 个顶 的有向图 G , 节点分别为 v 1 , v 2 , v 3 , v 4 , v 5 。各 点之间的关联关系通过带 权 邻 接 矩 阵 D 表 示 。 矩阵 D 中 , D i , j 表 示 弧 v i , v j 上 的 权 值 。 弧 v i , v j 不存在 , 则 D i , j 为 , 可以看出这 表达

4、图的数据结构简单明了 。为了表示 N 个点 互之间的邻接关系 , 需 定 义 大 小 为 N N 的 矩。因此 , 当图的节点较多时 , 就需占用较大的存储 间 , 对算法的实现有一定的难度 。另外 , 矩阵每个 置上只能存储 1 个数据 , 而不能存储 1 个数据集 。 道路网络图中 , 当两个节点间的有向弧段超过两, 或者出现带有环路 , 图中的弧段 、节点具有多重 性时 , 用矩阵不容易表达 。系) ,不能描述空间几何位置 ,故不能很好实道路网络 。GIS 为了表达地图的拓扑了弧结构和节点结构 ,通过对这一结构的较好地描述道路网络 ,解决传统道路网络的局限性 。三 、道路几何网络矢量数据

5、模型GIS 通常是用几何位置和空间对象之关系来描述空间对象的 。几何位置主要涉象的地理位置 ,常用解析几何的方法来描系则通常采用拓扑几何的方法描述 。几何数据模型是一种可以描述网络拓扑关系及位置的数据模型 。本文提出用几何网络矢收稿日期 : 2005204215作者简介 : 蔡先华 ( 19632) ,男 ,江苏泰州人 ,副教授 ,主要从事交通地理信息系统和计算机地图制图 。型描述道路网络 。1 . 道路几何网络拓扑结构网络分析系统中 ,一个真实网络可以抽象为“节 点集”和“弧段集”的并集 。图的拓扑关系仅涉及部 分邻接拓扑关系 ,实际上是节点 、弧段之间的关联拓扑关系 。这种拓扑关系可用点2

6、弧拓扑数据结构表 达 ,表达方式有两种 :全显式表达和半隐含表达 。在全显式表达方式中 ,组成网络的节点 ,弧段相 互之间的所有关联拓扑关系 ,都采用关系表显式地 表达出来 ,通常用节点2弧段拓扑关系表 ,以及弧段2节点拓扑关系表表达 。在半隐含表达中 ,仅用节点2 弧段拓扑关系表表达 ,或仅用弧段2节点拓扑关系表 表达 。在节点2弧段拓扑结构中 , 每个节点包括 : 点的 标识号 、地理位置 、关联弧段数 、关联弧段标识号 、其他属性数据 ;每条弧段包括 : 弧段标识号 、起始节点 标识号 、终止节点标识号 、其他属性数据 。面向对象 的程序设计中 ,节点类和弧段类的主要部分可定义 如下 :

7、拓扑关系) 。2 . 节点2弧段拓扑结构存在一定数据冗余 , 但 冗余度非常小 。因为节点2弧段数据结构采用全显 式表达 ,在节点类中存有弧段信息 ,而在弧段类中存 有节点的信息 。有弧段信息 ,可通过运算派生弧段 的节点信息 ;同样 ,有节点信息 ,可以通过运算派生 弧段信息 。因此 ,该结构具有一定冗余数据 ,但因为 是标识号方面的冗余 ,其冗余数据量非常小 。3 . 节点2弧段数据结构可以描述道路网络实体 空间对象 。它不仅存储有道路网络的空间关系 ( 拓扑) , 而 且 还 可 存 储 道 路 网 络 空 间 位 置 ( point , point s) ,因此可以描述一个真实的道路网

8、络对象 ,为 网络对象的可视化提供了可能 。4 . 可以描述有相同起始 、终止节点的弧段 。当 节点的关联弧段数大于等于 2 ( 即 2 个节点间有多条弧段的情形) 时 ,如果只用起始 、终止节点标识 ,那 么将会出现几条难以区分的弧段 。但在节点2弧段 数据结构中 ,节点类可以描述这种情况 ,关联弧段的 标识根据关联弧段数据量按顺序给出 ; 而对于每条 弧段 ,通过弧段标识可以惟一地确定 。5 . 可以描述节点 、弧段的多重属性 。在道路网 络中 ,不仅弧段有多重属性 ( 类别 、等级 、长度 、交通 量等) ,节点也有多种属性 ,因为节点一般是道路的 交叉口 ,具有类别 、交通量等属性 。

9、6 . 利用节点2弧段结构实现最短路径分析比较实用 。采用适当的搜索方法 ,采用节点2弧段结构进 行最优路径选取 ,比较实用 ,避免使用大规模数组 , 降低了存储数据的冗余度 。四 、几何网络点2弧矢量数据模型在 道路网络分析软件中的应用几何网络点2弧矢量数据模型可以用来描述道 路网络拓扑关系及其空间几何位置 。在道路网络分 析软件中 ,主要应用于道路网络建立和道路网络分 析 。笔者在道路网络分析软件系统中 ,采用点2弧矢 量数据模型 ,自动生成空间拓扑关系 ,并可对生成的 拓扑网络数据模型进行拓扑编辑 。1 . 基于几何网络点2弧矢量数据模型的网络 空间对象的节点 、弧段数据结构在道路网络分

10、析系统软件中 ,用于交通分析的class No de p rivate :lo ng ID ;p ublic :/ / 节点对象point 3 p Point ;lo ng iNearArcN um ;lo ngArray NearArc ID ;st ring st r Type ;st ring st rAt t ribute - Value1 ; ;class Arc / / 弧段对象p rivate :lo ng ID ;p ublic :point s p Point s ;lo ng l Fro mNo de ID ;lo ng l To No de ID ;do uble dL

11、engt h ;st ring st rAt t ribute - Value1 ; ;2 . 道路几何网络点2弧拓扑结构的特点1 . 节点2弧段拓扑结构一般用全显式表达 。在网络主要有节点 、弧段的拓扑数据和相关属性数据 。在软件设计中 ,道路网络采用如表 1 、表 2 的数据结构 。空间对象的空间拓扑关系的生成字段序数及名称类型道路网络空间拓扑关系的生成是根据1 . Node ID2 . 类型3 . 相邻弧段数4 . 相邻弧段5 . 名称6 . 机动车通行能力7 . 非机动车通行能力8 . 公交车交通量9 . 小客车交通量10 . 出租车交通量11 . 货车交通量12 . 摩托车交通量13

12、 . 非机动车交通量14 . 机动车交通负荷15 . 非机动车交通负荷16 . 机动车平均排队延误17 . 机动车平均排队车辆数lo ngint intst ring拓扑 数 据的线段的空间几何数据 ( 主要是线段的起坐标) 自动生成节点 ,通过节点与弧段端点找节点与弧段的邻接关系 ,建立弧段与节st ringlo ng lo ng lo ng lo ng lo ng lo ng lo ng lo ng float float intint拓扑 (弧段的起讫节点标识) 。一般情况下以线数据作为原始数据条线进行自动剪截 、线端点匹配等处理方据整理 ,获得符合一定要求的初始数据 。生成具有节点2弧

13、段矢量数据结构的几何属性 数 据网络不仅具有抽象图的逻辑特性 ,而且具何位置 。其基本处理流程及数据流如图 2表 2 弧段数据字段序数及名称类型1 . Arc ID2 . 起始节点3 . 终止节点lo nglo ng lo ng拓扑数据4 . 名称5 . 长度6 . 道路等级7 . 机动车道宽8 . 非机动车道宽9 . 是否机非分隔10 . 道路类型管理11 . 道路交通管理12 . 区域禁止通行13 . 区域限号通行14 . 机动车通行能力 (双向)15 . 非机动车通行能力 (双向)16 . 公交车交通量 (双向)17 . 小客车交通量 (双向)18 . 出租车交通量 (双向)19 . 货

14、车交通量 (双向)20 . 摩托车交通量 (双向)21 . 非机动车交通量 (双向)22 . 机动车交通负荷 (双向)23 . 非机动车交通负荷 (双向)24 . 机动车平均车速 (双向)st ringfloat int float float bool int intst ringst ring图 2 自动生成网络过程及产生的数基础 属 性 数 据3 . 基于几何网络点2弧矢量数据模型空间对象空间拓扑关系自动生成由于道路网络是一种空间数据对象据 、拓扑数据和属性数据组成 。几何数据始数据中转换获得 ,一部分属性数据可通性数据获得 ,其余部分通过编辑处理输入扑数据可以自动生成 。lo nglo

15、 ng lo ng lo ng lo ng lo ng lo ng lo ng float floatfloat自动生成网络对象的初始数据是经过的线对象数据 ,它是在对原始数据进行自点自动匹配后的数据 。分析 属 性 数 据自动生成网络拓扑数据算法的基本思1 . 从无拓扑关系的线数据中获取当换为弧段 。2 . 判断当前弧的起始点是否与已生配 (两者空间坐标相同) 。如果匹配到 1匹配点的标识号 ( No de ID) 赋给当前弧段 配节点邻接弧段数增加 1 ,增加 1 个邻接 25 . 机动车平均行程时间 (双向) float 成新的节点 , 并把新节点 No de ID 赋给当起点 ,新节点

16、邻接弧段数为 1 ,把当前弧段的标识号(Arc ID) 赋给新生成节点的邻接弧段 。络分析处理的对象 ,是可以用 GIS 进行分析处理的地理空间对象 ,在进行道路网络分析前必须花费大 量的时间进行空间网络信息数字化 。本文提出应用 道路几何网络点2弧矢量数据模型表示道路网络 ,利 用网络拓扑自动生成算法 ,实现道路网络自动生成 ,并把该数据结构模型及算法应用于道路网络分析软 件空间数据库的建立与应用中 ,提高了数据处理效 率 、节约了存储网络空间数据的空间 。同时 ,也为进 行道路网络相关分析 、道路网络信息可视化准备了 一种高效数据结构 。3 .4 .5 .4 .同 2 处理当前弧的终止点

17、。返回 1 。 直到所有线数据处理结束 。基于网络拓扑矢量数据模型的网络空间 对象可视化编辑自动生成的网络除了进行可视化属性数据编辑处理外 ,还将进行网络图形可视化编辑修改 。网络 图形编辑是一种拓扑编辑过程 ,它是道路网络分析软件系统中网络管理的主要功能之一 。通过对空间 网络增加弧段 、删除弧段 、合并弧段等操作对网络图 形进行调整 。在增加弧段的同时 ,网络拓扑关系发 生变化 ,可能增加节点 ,也可能现有节点的邻接关系 改变 。因此 ,增加弧段的过程实质上是在网络中对增加弧段 、修改节点邻接关系 、修改弧段邻接关系的 过程 。同样 ,删除弧段 、合并弧段也是删除弧段 、增 加弧段 、修改

18、节点邻接关系 、修改弧段邻接关系的过 程 。参考文献 :王杰臣 , 毛海城 , 杨得志. 图的节点2弧段联合结构表1示法及其在 GIS 最优路径选取中的应用 J .报 ,2000 ,29 (1) :47251 .测绘学2任 刚 ,王 炜. 交通规划中的动态路网及其模型研究 J . 公路交通科技 ,2002 ,19 (6) :1082111 .陈大伟 ,李旭宏 ,周传明 . 基于 GIS 条件下交通规划中3的道 路 网 络 处 理 技 术 J .(5) :64267 .公 路 交 通 科 技 , 2001 , 184王M .陆炜 ,徐吉谦 ,杨 涛 . 城市交通规划理论及其应用南京 :东南大学出

19、版社 ,1998 .锋 ,周成虎 ,万 庆 . 基于特征的城市道路网络非五 、结束语GIS 是处理空间对象的计算机信息系统 ,具有 很强的地理空间信息处理能力 。道路网络是道路网5平面数据模型 J . 测绘学报 ,2000 ,29 (4) :3342340 .“大幅面打印天地”使用有心得 ,征文得大礼惠普大幅面打印机俱乐部 3 期注册抽奖结果公布 ,新一期征文活动热烈展开 本刊讯 自 2005 年 3 月惠普大幅面打印机俱乐部成立以来 ,已经成功举办了 3 次“HP 有您更精彩答谢大幅面打印机老用户注册抽奖活动”。广大行业用户给予了该活动热切的关注和积极的参与 。越来越多的行业用户成为惠普大幅

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