基于GIS矢量数据结构的公交数据模型的实现

基于GIS矢量数据结构的公交数据模型的实现

肖海红1，蒋瑞波1，王兰洲2，胡愈1

(1.河南工程学院土木工程学院，郑州 451191； 2.郑州测维科技有限公司，郑州 450000；

主要研究3S技术及开发。

摘要：为了给乘坐公交出行的人们提供准确且有效率的最优乘车路线，在GIS矢量数据结构的基础之上，对公交数据的模型从其公交网空间位置以及关系网方面进行了分析和研究。对常用的公交规划软件的公交模型数据库进行分析，并对基于GIS矢量数据结构的公交数据模型空间数据采集方式进行了改进，以达到最小换乘次数和最小途经站数。该模型能够实现公交模型数据库的快速创建，且维护效率高，为我国公交网络系统模块的反馈机制提供了多种规划方案和技术支持。

关键词：GIS；公交换乘；途径站数；数据模型

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.029

收稿日期：2015-08-16

基金项目：郑州市科技项目(121PPTGG357-4)

作者简介：肖海红(1979-)，男(汉)，郑州，硕士

中图分类号：P208献标志码：A

0引言

公共交通作为城市出行人群最主要以及首选的出行方式，涉及到很多方面，如换乘的次数，换乘需要步行的距离，以及出行的时间和费用等，这些都是公交出行线路选择的主要影响因素[1]。目前，换乘次数是出行者选择公交出行优先考虑的问题。那么对于公交换乘的查询就要求其具备一定的效率和质量，能够准确、快速地将出行者出发地与目的地之间的最小换乘次数、最小途径站数的乘车路线搜索并呈现出来。本文在GIS矢量数据结构表达的基础上，利用其在空间数据方面所具备的查询、存储以及表达优势，设计出一种公交网络数据模型。该模型实现了高效公交换乘算法，有效地解决了我国当前城市公交换乘信息查询方面的实际问题。

1基于GIS矢量数据结构的公交数据模型的研究

1.1　基于矢量数据的公交数据模型

本研究设计的基于矢量数据的公交数据模型结合了空间数据和属性数据。其中空间数据是以Geo data base矢量数据模型形式进行存储，而公交站点与线路属性信息之间的关系存储于关系数据库表中[2]。通过关键字段可以将空间数据和属性表二者关联起来，用于对复杂公交网络结构的表达。其中Bus Stop为公交站点，一个站点对应一个矢量点状要素图层，用于对站点名称、编号以及坐标等信息的储存，其矢量点状要素图层主要字段见表1。

表1　公交站点字段说明

表1中Stop Name D字段主要是用于对同名站点标号的标识，从而能够方便地对步行换乘问题进行解决。空间位置相距较近，且具有相同名称，或者类似名称的站点就叫做同名站点，如某某商场前站与某某商场后站等，属于同名站点[3]。公交数据的预处理过程为：设d为2个站点之间的距离，w为同名站点之间的距离阈值，那么根据相邻2个站点之间的平均距离以及乘客的实际行为，可以取w=150 m，并将150 m作为缓冲半径，然后将同名站点规定为d≤w的站点，通过GIS缓冲区的分析，赋予相同的Stop Name ID值。

Bus Line即公交路段，与公交站点不同，它所对应的是矢量线状要素图层，主要是对有公交车直达的2个相邻站点之间的路段位置信息进行存储，矢量线状要素图层的主要字段见表2。

表2　公交路段字段说明

从表2可以看出，针对2个相邻公交站点之间的距离而言，如果该路段从起点到终点的行车路线与其相反的路线，即从终点到起点的路线是相同的，那么只需要进行一个要素的存储就可，否则就要按照站点的顺序作为两个要素进行分别存储。而该数据可以共享于多条通过该路段的公交车路线，有效避免了数据冗余。

Bus Route即公交线路属性表，其主要是对公交线路的名称、编号以及早班、晚班时间等信息进行储存，该字段的信息见表3。

表3　公交线路属性结构

从表3可以看出，虽然公交路线分为上行开班、收班和下行开班、收班，但是公交线路属性表对此仅存储为一条记录，具体的信息区分会在下面的线路站点关系表中表述出来。

Route Stop即线路站点关系表，是公交换乘查询的关键表格，其主要是对上下行路线序号以及公交车所经过的站点等信息进行记录和存储，线路站点关系表的结构和示例见表4。

表4　线路站点关系示例数据

从表4可以看出，站点线路上行、下行的序号分别是用Seg Up、Seg Dn来表示，如果表中站点出现负数，则表示公交车不经过该站点。对于相邻站点间路段以及站点编号的记录和存储，即Line ID Up、Line ID Dn，如果不存在相邻的下一站点，那么这部分的值为空。如表4中的Route ID=1来说，该路线的公交线路如图1所示。

图1　公交线路示意图

从图1的公交线路示意图可以看出，公交车的上行线路站点依次为A、B、F、G、H、I、J、K，其所对应的路段编号为1、2、3、4、5、6、7，下行线路站点为K、J、I、H、G、E、D、C、B、A，其所对应的路段编号为7、6、5、4、11、10、9、8、1。这样，通过路段以及站点的编号就能够分析出上下行线路以及站点位置的信息。

1.2　矢量数据结构下的城市公交数据模型设计

1)以100 km2具有百万人口的城市为例，如果每个交通小区占地约1 km2，那么所有的站点之间就需要连接4 950条公交线路，这种情况很明显是不现实的，因此就需要用公交换乘来解决。

2)由于受到城市发展条件以及投资水平的限制，其城市的公共交通线路发展也受到限制。因此，居民出行就会在公共交通与私人交通之间频繁的转换。我国的轨道交通还不太发达，所以居民出行的方式以及线路条数都是有限的，从而带来了庞大的公交线路换乘量。

由此可以看出，在整个公交系统中，公交换乘系统是必不可少的。

1.3　基于GIS-T的公交网络构建方法

公交路径通过动态分段技术以事件的方式反映到拓扑网络，这应算是一种公交网络建设的办法。这种方式不仅可以实现弧段一对多的综合操作，还可以给定参考值便于表达公交网络。这种路径提供了GIS-T的公交网络构建的方法。达科和巴特勒改进了以事件为中心的GIS-T Enterprise模型，实现了网络模块与线性基准模块以及地图模块的链接，并分开了网络基准和拓扑网络，使其灵活性增强。国内学者赵洪泽等(2001)对拓扑层与基线层以及线性参照层的关系进行了分析。本研究将分别从线性与非线性数据2个层面对我国整个交通系统进行划分，从而构建整个公交网络，构建方法如图2所示。

图2　整体交通系统构建方法

2公交基础数据库设计

2.1　GIS设计方法

GIS对于空间数据库的管理采用的是一般的关系数据库，主要是对其属性数据管理的方式、空间进行有效管理。GIS数据库发展到现在，其管理方式主要是采用Geo data base来进行属性数据库以及统一空间的管理。

2.2　公交网络图层设置

可以抽象地将公交网路图层设置为5个层次：1)用于储存站点位置的站点层；2)用于储存线路信息的线路层；3)用于储存道路网路信息的道路层；4)用于储存小区公交站点信息的小区层；5)用于储存站点周围资源信息的资源层。

2.3　关系表的设计

将各个表之间的关系进行清楚的表达是关系表设计的关键所在，在GIS系统中，为了表示公交线路与站台之间的关系，并将道路网络与站台联系起来，可以采用定位以及线性参照系统来设计公交网络关系表。定位参照系统主要用来对公交站台的位置进行确定，而线性参照系统则主要是用来定位站台在行车路线上的位置。表5和表6分别为站台表线路表数据结构，表7和表8分别为公交线路—站台表和公交线路—站台表数据,表9为转变控制数据结构表。

表5　公交站台表数据结构

表6　公交线路数据结构

表7　公交线路—站台数据结构

表8　公交线路—站台表数据结构

表9　转变控制数据结构

从表6～9中可以看出，对于关系数据表的强化可以采用添加语义关系名字的方式来进行，同时可以通过加入时间要素的方法在公交站点、线路中来设定公交服务的时间范围[4]。

2.4　公交线路和站点编码原则

1)简单原则，即代码要简单易懂，方便记忆和操作；对于计算机处理的方式也要尽量做到简单。

2)唯一性原则，即公交线路的代码和站点要实现一一对应，对于一个代码对应多个站点的情况要尽量避免。

3)易识别原则，即对于代码所表示的站点要进行识别，且保证一看到代码就很容易识别出站点，代码的编制要符合习惯和语境。

在实际应用中，根据编码的原则并结合具体的公交信息特点来对公交线路和站点进行编码。

3公交换乘算法实现

3.1　计算最小换乘次数的数学模型

乘坐公交车时，人们首要的考虑因素是最少换乘次数，因此，下面本研究将计算最少换乘次数的数学模型。

定义2任意A,B∈S，如果存在k∈N,使得B∈MA,则定义站点A，B之间的换乘次数为n(A,B)=k。

定义3对任意A,B∈S,n(A,B)是从站点A到站点B的最小换乘次数。

定义4任意A,B∈S,n(A,B),记Line(A,B)=从A到B的最小换乘换乘次数n(A,B)的所有路径。

3.2　基于最小换乘次数的乘车时间的数学模型

当人们考虑了最少换乘次数之后，就要考虑最少乘车时间，下面将对最少乘车时间的数学模型进行计算。

算法设计：步骤1：在3.1节模型的基础上, 给出最小换乘的所有路径Line(A,B)及子路段的维数Mi1、换乘信息；步骤2：计算T=T区间+T换乘；步骤3：给出T最小的由站点A到站点B的路径Line(A,B)。

3.3　算法设计

步骤1：最小换乘的所有路径Line(A,B)子路段的维数mi1, 都在3.1节模型的基础之上进行设计的，q是车的类型。步骤2：给出M最小的由站点A到站点B的路径Line(A,B)。

GIS矢量数据结构下的公交数据模型在换乘次数中为最小,时间为最少, 可以在很短时间内将给定的数据进行解决，得出理想的结果。并且此模型以及算法具有通常性,适合于各类城市公交线路。[5]但是日常生活中，例如遇到节假日、上下班高峰以及恶劣天气等一些不能控制的因素影响着乘客对公交线路的选择时，由于这些实时数据的信息在获取时非常困难，所以没有纳入考虑的范围内。

3.4　应用实例

本算法目前已经成功应用在郑州114号码百事通的公交地图服务中，应用界面和乘车路线结构如图3～4所示。结果表明，采用了GIS矢量数据结构下的公交数据模型的创建大大提升了公交模型数据库的创建效率。

图3　郑州市公交换乘条件

图4　郑州公交换乘计算方案

4结语

采用GIS矢量数据结构下的公交数据模型，可以全方位地进行城市公交运输的管理，不仅使之前的交通运输环境得以改变，而且还科学合理地调查了人与车和路之间的关系。采用GIS矢量数据结构表达公交网空间位置和关系的公交数据模型不仅改进了其空间数据的采集方法，而且还在此基础上实现了公交换乘过程中最少换乘次数以及最少途经站数为目标的公交换乘算法，使步行换乘以及环路换乘等其他问题得以解决，优化换乘点的选择。

参考文献

[1] 廖楚江，蔡忠亮，杜清运，等.基于最少换乘的公交最优路径算法的设计与实现[J].武汉大学学报：信息科学版，2006,31(10)：904-907.

[2] 耿蕤. 基于地理信息系统(GIS)的公共交通系统信息化[D].西安：长安大学,2004.

[3] 翁敏,毋河海,杜清运,等.基于公交网络模型的最优出行路径选择的研究[J]. 武汉大学学报：信息科学版， 2004(6)：500-503.

[4] 贺园园,孟鲁闽,戴洪宝.基于GIS的公交查询系统设计[J]. 城市勘测，2010(3) ：35-37.

[5] 刘钊. GIS城市公交数据库的建构与分析方法研究[D].上海：同济大学,2008.

The implementation of public transport data model based on GIS vector data structure

XIAO Hai-hong, et al.

(CollegeofCivilEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract：In order to provide the accurate and efficient optimal route for the people of bus travel, this paper makes a study and analysis to bus data model on the basis of GIS vector data structure from the bus network space location and network. The bus model database on commonly used public transport planning software has been analyzed; the space data acquisition method on bus data model based on GIS vector data structure has been improved in order to achieve minimum transfer times and minimum via stops. The model used in this paper can realize the quick creation on bus model database, high efficiency in maintaining, and provide a variety of plannings and technical supports for the feedback mechanism of public transport network system module in China.

Key words：GIS; public transport interchange; way station number; the data model