在线高速路网监测信息系统的设计与实现

引文格式： 高姗，崔志伟，闫红雨,等. 在线高速路网监测信息系统的设计与实现[J].测绘通报，2015(2)：102-105.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0053

在线高速路网监测信息系统的设计与实现

高姗1，崔志伟2，闫红雨1，曾兴国3

(1. 中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2. 中国人民解放军61206部队，

北京100042； 3. 中国科学院国家天文台，北京100012)

Design and Implementation of Online Highway Monitoring Information System

GAO Shan，CUI Zhiwei，YAN Hongyu，ZENG Xingguo

摘要：城市化进程中高速路网扩展迅速，高速路网的信息化建设尤为迫切。基于在线环境，本文分析和探讨了高速路网的监测信息系统架构、系统技术实现，重点研究了空间数据融合、空间索引、瓦片等关键技术，最后以湖北省地理国情监测项目中的高速路网监测信息系统为例进行了实例展示。

关键词：地理国情监测；高速路网；信息系统

中图分类号：P208文献标识码：B

收稿日期：2013-12-28

作者简介：高姗(1988—)，女，硕士，主要从事地理信息科学理论与方法研究。E-mail:shannely@163.com

一、引言

高速公路的扩展是一个城市现代化水平的标志，高速路网的信息化建设是其有序建设和发展的保障，也是地理国情监测中交通领域的重要专题。交通理论的发展、规划决策的应用及网络技术的普及，都对高速路网的信息化进程起到推动作用。例如，实时监控技术改善了高速公路的秩序性，公路自动选址技术优化了公路的路线规划。

目前，发达国家高速公路网的信息化进程远远先于我国，如日本在1996年就着手开发智能化交通运输系统，并制订了综合的实施计划，主要目的是快速应对交通事故，为人们出行提供智能化决策支持，解决道路交通拥堵、环境污染等社会问题。澳大利亚的高速公路信息化处于世界领先地位，该国的智能化交通运输系统包括车辆监控系统、交通控制系统、道路信号系统和公共信息服务系统等部分，该系统不仅为交通管理部门提供了实时的路况和车辆信息，也为出行的人们提供了便利的信息化服务，是集管理和服务于一体的现代化智能系统。

二、系统设计

1. 系统体系结构设计

高速路网监测系统采用B/S模式开发。用户利用客户端浏览器即可登录浏览，对高速公路发展的相关指标进行监测。系统体系结构包括表现层、逻辑事务层和数据层，如图1所示。

图1　系统结构图

系统表现层是指本系统成果展示的浏览显示层，支持Flex方式下的B/S架构，系统将用户所需的信息或请求处理结果返回给用户，表现形式主要为以Flex网页形式组织起来的专题地图、表格、图表、图片和文字等，以及JSP页面显示的专题图表。

系统逻辑事务层主要用于响应客户端的各种请求，并负责与后台数据库进行数据交换[1]。本系统的逻辑事务层由地理底图服务、地图整合服务、专题图例服务、专题符号服务、FusionChart专题图表服务这几个封装好的服务构成[2]。其中地理底图服务是系统提供专题地理底图数据的接口，它除了基础的WMS接口外，还同时提供高速公路地理底图的接口，根据不同的监测内容请求相应的地理底图。通过客户端界面调用地理底图服务，用户可以动态地浏览地理底图。专题符号服务是系统提供专题符号图层的接口，用户可以通过请求服务获得专题数据和相应的专题符号，并且在地理底图上叠加显示。专题图例服务是系统提供专题图例数据的接口，用户在获得专题符号服务的同时，使用相同参数请求专题图例服务，得到适用于该幅专题图的图例。地图整合服务是系统提供最终监测地图和专题地图输出的接口，通过获取地理底图服务、专题符号服务、图例服务(包括专题图形图例和符号图例)，得到地图数据，进行图面大小设置、分辨率设置，得到最终用于打印输出的地图。FusionChart专题图表服务是系统根据数据库专题数据，实时生成专题图表的服务，供客户端请求的显示，并提供统计数据的分析服务。

系统数据层主要包括基础地理数据库和专题数据库。基础地理数据库包括高速公路、行政边界、水系等要素的图形数据及图形的属性数据。专题数据库存储管理高速公路的里程、密度、排名等各类专题数据。

2. 系统模块设计

高速路网监测信息系统的系统角色包括:建设方系统管理员、承建方系统开发人员、系统用户及系统维护人员。其中，建设方系统管理员的职责是系统维护和其他所有功能的操作；承建方系统开发人员的职责是系统开发、数据入库及后期各项技术支持等；系统用户通过系统进行各种监测操作；系统维护人员主要负责系统维护和数据的管理[3]。

湖北省高速路网监测系统包括两个模块：动态监测模块和指标分析模块,具体的系统模块划分如图2所示。

图2　系统模块划分

3. 原型系统的技术实现

以高速公路路网为监测试点，根据不同时期监测对象的变化，利用现有的测绘成果，提供多级别、多层次、多时态的地图服务，动态地展示高速公路的发展情况。系统主要实现高速公路发展变化的CorelDRAW成果图动态显示，以及其分年监测地图的整合输出；高速公路排名、分区里程、分区密度等在线专题图的动态生成、样式修改、叠加显示及其整合输出；基于FusionChart的专题数据统计图动态显示[4]，提供丰富的样式供用户选择，以及统计数据分析工具；高速公路出入口、高速公路服务区等矢量数据叠加显示和属性查询。

系统在开发过程中，具体流程包括资料收集与处理、专题统计数据建库、CorelDRAW底图制图加工、矢量数据处理与服务发布等数据处理过程，以及数据库访问、动态图表渲染、实时渲染、专题符号、专题图表等引擎的开发及相关功能的实现。资料收集与处理主要包括统计年鉴、相关矢量数据、相关文献资料、地图原材料、影像数据等的收集和处理。专题统计数据建库包括统计数据的整理、指标数据的计算、建表入库和相关视图的创建。CorelDRAW底图制作主要包括高速公路CorelDRAW底图的制作、矢量数据的配准、转换参数的计算，以及二进制数据的转换。数据库访问引擎开发即基于WebLogic创建的Oracle数据库连接池，开发相应的数据库访问引擎，方便其他模块访问数据库。基于JFreeChart开发实现数据库数据的实时动态读取及专题符号的生成，供客户端请求显示。地理底图动态获取服务开发是基于对底层的开发，服务器端实现CorelDRAW底图二进制数据的动态读取、渲染、成图的服务，供客户端请求显示。基于JFreeChart的专题图例动态获取服务开发，实现根据专题数据和专题符号信息动态生成专题图例，供客户端请求显示。专题地图整合服务开发实现将地理底图、专题符号、专题图例等进行整合，输出完整专题地图的功能。基于FusionChart的开发实现了系统专题地图的动态显示，提供丰富的图表样式供用户选择，并开发实现了统计数据分析功能。基于ArcGIS for Flex API开发实现了矢量要素服务的在线属性查询功能。

三、关键技术

1. 数据融合

数据融合技术是指对按照时间顺序获得的信息源，利用计算机在一定的规则下进行识别、筛选、整合、存储等过程，完成多数据源的信息共享。数据融合技术主要是模式识别和状态分析。为了实现多源空间数据的共享，主要表现在两个方面：目标编码体系的融合和形状、几何位置的统一。目标编码是指在地理信息系统中对空间实体进行唯一的编码。这个唯一的编码用于标识该空间实体，理论上这个编码是唯一的，但是不同的系统可能采用不同的编码规范，因此导致同一空间实体可能对应不同的编码。目标编码的一般过程如图3所示。

香港大学深圳医院工程项目占地面积19.2万 m2，总建筑面积36.7万 m2，设总床位2 000张。医院采用“诊疗中心+重点专科”模式，设置综合门急诊、20个诊疗中心、12个医技中心以及特需诊疗中心，可容纳日门急诊量8 000～10 000人次，是设施一流、管理一流、服务一流，与国际现代化医院相接轨的区域性现代医疗中心。

图3　目标编码的一般过程

数据融合的层次有检测层、位置层、属性层、符号层。检测层的融合在未对原始信息分析综合前，首先对原始信息的有效性进行确认，再进行数据融合。检测层融合的算法是20世纪80年代初期由Tenney和Sabdekk提出的，而后主要是把N-P算法、贝叶斯、序贯贝叶斯和信息论用于分布检测时，在各种检测环境下，确定分布系统各节点的判决规则，比较各检测层算法的性能，并对已存在的检测方案进行新的创新、改进。位置层主要有分布式、集中式、多级式和混合式结构。属性层融合是利用多个传感器观测目标的原始数据进行采集，然后进行数据处理和综合分析。数量级融合是传感器采集数据后进行数据联合，将联合数据直接融合并提取特征信息、判读属性信息以获得观测目标的类型。特征级融合是把观测目标经过一系列的特征提取、数据联合，进而达到特征提取和属性判决的目的。特征提取得到特征矢量，数据联合获得目标分组[5]。符号层融合是最高层次的融合，它直接针对具体目标作出决策，在其他层的基础上，融合的结果直接为决策提供依据。

2. 空间索引

空间索引用于快速空间数据检索与分析。空间索引可以从格网大小与索引级别两个角度去优化，根据具体的数据设计适应空间索引格网大小与索引级别[6]。

以湖北省的高速路网数据为例，首先根据湖北省行政区划分区或根据其他的逻辑分区，创建空间数据的分幅索引图，也可以采用地形图标准分幅格网图作为规则索引图(grid)，索引图采用ArcSDE连续的空间数据管理模型。空间数据引擎将使用这个连续的空间数据模型，不需要分割数据，只需创建相应的分区索引图。为了支持存储了上百万空间记录的数据库，ArcSDE在一个层上为所有的特征建立索引，加快空间查询和存取速度。ArcSDE将层从逻辑上分割为小块，称为“cell”，层中的特征则分解到各cell中加以描述，并将此描述信息写入索引表，这样便建立了一个空间索引。如果一个特征落入了一个以上的cell，则在每个cell都要列出该特征的描述信息，没有数据的cell将不用包含在索引表中(如图4所示)。在提供某一个空间目标的查询检索服务时，ArcSDE将通过该目标和不同的cell之间的空间管理来快速定位和查询相应的空间目标，这样就达到了快速空间查询的目的。而对客户来说，该索引图是透明的，在查询时，可能并不知道该索引图的存在。

图4　矢量数据空间索引的建立

对于空间数据的每一个比例尺级别和每一个专题层都将建立这种空间索引机制。这样每个数据层可以有1～3个索引格网，关于查询的速度问题，与数据在格网上分布的均匀程度成正比，分布越均匀，速度越快；分布越分散，查询速度越慢。但是多级格网对于分布分散不均匀的数据比较有效。ArcSDE属性查询功能使用的是数据库管理系统的属性列索引[7]。

3. 瓦片技术

瓦片地图服务技术一般在缓存或硬盘目录中预先生成规则的多级瓦片地图，从瓦片金字塔的顶层到底层，分辨率逐渐增大，但是所表示的地理范围没有发生变化，变化的只是详细程度[8]。客户端以流的形式访问和读取地图数据。瓦片地图服务技术可以在保证速度的情况下同时保持地图的高精度显示[9]。基于地图瓦片的服务框架下，地图由大量的规则方形图片组成，每个方形图片都有坐标值(X，Y)，共有18个缩放比例，缩放因子的范围是0～17。通过鱼骨图的操作显示不同缩放比例下的地图，在由小比例向大比例转变的过程中，图片的数量发生变化，基于地图瓦片服务技术的请求和响应效率显著优于WebGIS的传统模式，而且基于地图瓦片服务的服务器负载也相对小很多[10]。基于地图瓦片服务框架可以通过集聚现代先进的互联网技术构建地图瓦片库，从而运用数据库技术、搜索引擎、Ajax等脱离GIS平台实现空间定位服务[11]，进而使地图服务由专业化走向大众化，提高其应用范围。

四、系统展示

湖北省高速路网监测信息系统是湖北省地理国情监测项目中的一个分系统，在上述的系统体系、模块设计和关键技术研究的基础上，开发了本系统。 监测内容具体分为5方面：动态监测、指标监测、属性查询、地图输出和地图打印。单击功能按钮，页面左下方弹出相应的窗口。在动态监测窗口中，可以动态分时地显示地理底图上高速路网的变化情况，如图5所示。

图5　地理底图上显示监测情况

湖北省高速路网监测指标包括：湖北高速分市里程统计、湖北省高速分市密度统计、湖北省高速里程数排名，这些监测指标通过基于省高速里程数排名。这些监测指标通过基于JFreeChart图表生成引擎根据用户自定义的参数，如变更图表的图例、前景、背景、表名等对图表进行个性化配置，通过重构组织，生成不同类型的统计图表。图6为用户选择不同的统计图表所表达的武汉市高速公路里程监测图表。同时系统还提供了关于高速公路属性查询的功能，如图7所示。

图6　武汉市高速公路监测图表

图7　查询高速公路G42的属性

五、结束语

本文着重论述了数据融合、空间索引、瓦片等技术，从系统的体系结构设计和模块设计入手，经过一系列的开发流程完成了湖北省高速公路网监测信息系统原型。该系统为高速公路网的信息化建设提供了可行性方案，对数字城市建设及地理国情监测其他专题的项目也有一定的借鉴作用。

参考文献：

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