动态交通信息建模中多维时空参照系统研究

宋 莺

(湖北经济学院 信息管理学院， 湖北 黄石 435002)

0 引言

若要实现动态导航交通信息服务，与空间和时间密切相关的动态交通信息建模是服务的基础，也是导航数据模型重要的组成部分。由于动态交通信息数据具有很强的时间性和空间性，其时空特征体现在空间分布(线性分布、网络分布、分段分布)、多维性、多尺度和动态性。交通设施，交通事件等一般沿道路呈线性空间分布。分段分布特征是指某一道路可根据其不同特性分成许多路段，每一路段具有相同特性。道路交通网络是一个非平面多尺度多维网络，其信息动态特征是由交通系统的特点所决定。而现有GIS-T模型一般采用两种空间位置参照系——二维空间参照系、一维线性位置参照系。同时，动态交通信息数据模型是GIS-T 模型的在交通领域一个重要应用分支，交通系统是一个随着时间不断变化的复杂系统，特别是导航服务对动态交通信息表达的需求，推动了动态交通数据模型中的多维时空问题研究。

1 空间参照系统

地理空间(Geographic Space)是指经过投影变换后，在笛卡尔坐标系中的地球表层特征空间。一般来说，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，它是由不同实体之间的空间相对关系构成。空间参照系统包含基准、参照对象与空间参考方法。几何含义与量纲一般在空间参考方法中定义。

1.1 绝对空间参照系

地理实体的定位一般采用二维空间参照系(two dimensional spatial reference system)。每个地理实体要进行定位，必须嵌入到一个空间参照系中。导航电子地图是以坐标系为基本框架的，用经纬度(X,Y)坐标定位描述的。几何路网采用绝对空间参照系，真实反映交通系统的空间几何位置关系。与导航有关的坐标系包括：地心坐标系、参心坐标系(见表1)和独立坐标系。国家或地区坐标系统都是建立在参考椭球体基准上的，因此，车载导航电子地图多采用参心坐标系[1]。地球是一个不规则的球体，为了能够将其表面的内容显示在平面的显示器或纸面上，必须进行坐标变换。在电子地图显示时需要将平面参照坐标变换成平面直角坐标，进行坐标变换与投影变换。

表1 平面参照坐标系

1.2 线性参照系统

线性参照系统( Linear Referencing System , LRS) 可以定义为一系列处理过程与方法的集合，包括线性参照方法及不同线性参照法之间的转换方法，由线性网络、线性参照方法和基准三部分组成。线性参照方法(Linear Referencing Methods, LRM)是通过到已知点的偏移来确定线性特征上的任意未知点的位的方法。常用的线性参考方法有里程参考、分段参考、地址参考和观测点参考。当前交通电子地图数据中几何网络一般用二维空间参考模型，采用(X,Y)坐标来定位，而交通网络中交通设施或事件(如运动车辆、事故、道路关闭等)位置的准确描述是在实现LBS/动态导航服务十分重要。交通事件在交通网络上具有明显的一维线性分布特征，采用相对的线性位置参照方法，以固定位置+偏移量的方式来定位事件，这种方式更符合人类认知习惯。例如，在交通系统中，我们可以定位一起交通事故发生在 “沿某条公路上距某路口4.5 km处”等。

动态分段(Dynamic Segmentation, DS)属于LR采用的一种技术。使用动态分段主要有两个原因：一是很多事件，是通过沿着道路的相对位置来记录的；二要显示同一条道路上的多个属性集合时，由于各个属性在道路上所对应的位置不同，同一数据源如果不做处理，很难达到要求。利用动态分段技术，可以很好表达道路特征一对多的关系。同一道路上可以根据不同属性被分为若干属性段，这样避免的道路属性的重复存储，还可动态地描述道路各种属性数据之间的关系。能实现道路几何数据和对应的各种属性数据间的双向查询[2]。用了动态分段技术后，可进行多个属性集的动态显示和分析，减少了数据冗余。

以公路方面的一个应用场景为例说明图1.我们要显示一条公路的4种不同属性：道路管辖情况、路面材料、路段限速情况和路况，假设该公路长100km.其中线a表示：前40km为交警2大队管辖，后60km为交警4大队管辖；线b表示：30～70km为水泥路面，其余为沥青路面；线c表示：0～20km的路段限速45km/h，20～40km的路段限速35km/h，40～70km路段限速45km/h，70～100km路段限速55km/h；线d表示： 0～20km路况一般，20～40km路况很好，40～60km路况很差，60～100km路况很好。属于同一数据源对应多个属性(且属沿线分布)的情况。使用了动态分段技术后，可进行多个属性集的动态显示和分析，减少了数据冗余。

图1 道路的4种不同属性动态分段表示

2 时间参照系统

在日常生活中，全球的活动同时采用公共的时间参考(格林威治时，Greenwich MeanTime)和公历。格林威治时以协调世界时(UTC，Coordinate Universal Time)作为时参照基准；公历用作日期基准。采用秒、分钟、小时、天、月、年等量测单位的时间线轴使各项事物活动有序化。

2.1 时间的表示方法

王英杰等认为时间的表示方法有线性结构、循环结构、分枝结构和多维结构。线性结构认为时间是一条没有端点，向过去和将来无限延伸的线轴。在单向线性时间模型中，一般都是指向将来的延伸[3]。循环结构反映了时间的周期性、稳定性，每周期都以某一时刻作为起点，周期内的任意时刻，以累积的时间来表达。分支时间用来解释事件多种可能变化的现象，每一种变化都将拥有自己的历史和未来。其中，多维结构包含：有效时间、数据库时间(database time)、用户定义时间(user-defined time)和决策与观察显示时间。时间的基本元素有四个：时间点、时间区间、时间跨度和时间集合[4]。

2.2 时间对象的描述

交通特征的时态描述需要时间对象。时间对象模型的描述如图2所示。

图2 时间对象逻辑模型

每种时间对象，采用时间点和区间两种时间模型。时间可看成是无限的实数轴，时间点即是轴上的某个点，每两个时间点形成一个时间段。轴上的刻度我们称之为时间粒度或时间尺度。时间轴有多个不同层次的时间粒度单位，如年、月、日、小时、分、秒等。不同的时间粒度形成的集合称为时间粒度体系。时间本身是连续的，为节省存储空间，一般现有的时空模型在时间轴上都采用离散模型。例如，交通流的变化在工作日内呈周期性变化规律，而在每日内不同时刻交通流又呈单向线性变化。因此在导航服务中，需要考虑这两种时间参考系统。直线单向性考虑表现为时间序列，周期性体现了时间的尺度特征，也表现为层次性[5]。

3 多维时空参照定位

动态交通信息数据模型应建立在多维时空参照系统中，即两种位置参照系统综合运用都不可缺少，还应该有主次之分，运用在不同的数据层次中，以二维空间参照系为基本基准，线性参照系是建立在二维空间参照系之上的应用，两个参照系下的数据可以相互转换，更有利于空间数据的共享与维护。另外从动态交通信息服务系统研发的角度看，在复杂的三维交通实体(如立交桥)处正确引导是十分关键的，而在大多数情况下，二维平面地图能够反映道路的结构，无法正确表示存在高度差的两条道路，这样就必须采用三维场景辅助导航，在复杂的交通环境中需要显示三维场景。

时空定位参照方法定义了一种机制，这种机制通过参照已知点发现或声明未知点的定位信息。定位参照方法所依据的参照对象必须是可重获的，空间参照对象一般选一些固定的标志性地理实体或测量控制点，时间参照对象可以是钟表、日历[4]。交通数据时空对象的定位及各种交通事件的描述，都是以交通路网为核心的，路段是组成路网的基本单位，可以根据情况采用路段ID、时空坐标(如：经纬度加时间)、街道地址、线性参照等多维时空参照方法表达各类动态交通信息数据。

4 面向动态导航的多层多维导航数据概念框架

为有利的支持动态导航各项功能需求：1)导航电子地图的多尺度表达；2)动态交通信息的表达；3)动态路径计算的实时性需求；4)多维参照定位系统间的相互映射。基于交通特征的多层多维导航数据由空间对象、时态对象、专题对象和事件对象聚合构成。将动态导航数据在多维时空定位系统下建模分为三个层次(如图3)：动态交通信息层、空间网络层和基础地理信息层[6]。

图3 面向动态导航的多层多维导航数据概念框架

动态交通信息层中主要描述道路特征的动态属性信息如交通流信息，和影响道路特征的特殊属性事件对象，包括交通事件以及移动对象。事件在交通网络上具有明显的一维线性分布特征，事件位置的描述主要采用线性位置参照系；空间网络层主要描述道路网的几何表达和拓扑表达及其静态属性如道路特征中的道路类型、道路名称等属性；空间网络层和基础地理信息层主要采用绝对空间参照系，即地图投影坐标系或地理坐标系，真实反映交通系统的空间位置关系。而所有的交通对象或现象都随时间不断的变化，必须在时间参照系中描述它们的变化。导航数据的时态描述涉及到空间几何位置的时态描述、空间拓扑关系的时态描述以及事件的时态描述，还有非空间属性的时态描述。三个层次数据描述都需要在一定的时间参照系中。空间对象、时间对象、专题对象与事件对象可以通过对象标识直接链接或间接映射，实现路网与交通信息在几何、语义、数据结构层次上的融合[7]。

动态交通信息随着时间的改变而改变，不但具有空间位置特征，同时还具有时态特征。本文分析了绝对空间参照系统、线性参照系统和时间参照系统的特点。提出动态交通信息数据模型应建立在多维时空参照系统中，即两种位置参照系统综合运用都不可缺少，还应该有主次之分，运用在不同的数据层次中，以二维空间参照系为基本基准，线性参照系是建立在二维空间参照系之上的应用，两个参照系下的数据可以相互转换，更有利于空间数据的共享与维护。

参考文献:

[1]向怀坤. 车载导航系统关键技术研究[D]. 北京: 北京工业大学博士学位论文, 2003.

[2]李清泉,左小清,谢智颖.GIS-T 线性数据模型研究现状与趋势[J]. 地理与地理信息科学, 2004, 20(3): 31～35.

[3]王英杰, 袁勘省, 李天文. 交通GIS及其在ITS中的应用[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2004.

[4]谢智颖. LBS系统中动态路径选择的理论和方法研究[D]. 武汉: 武汉大学硕士学位论文, 2003.

[5]郑江华. 实时交通信息下车辆动态导航服务关键技术研究[D]. 北京: 北京大学博士学位论文, 2006.

[6]Song Ying, Li Hongyan. Transportation Feature Oriented Multi-Dimensional Navigation Data Model[C]. The 2nd International Conference on Information Science and Engineering. Hangzhou , 2010,9:7094～7097.

[7]Song Ying, Li Bijun. The Application of Real-Time Traffic Data Organization in Vehicle Navigation System[C]. Global Navigation Satellite: Technology Innovation and Application. Beijing, 2009:376～380.