[发明专利]一种动态交通路网城市道路要素模型及其建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及地理信息系统技术领域，尤其涉及一种动态交通路网城市道路要素模型及其建模方法。

背景技术

城市交通路网承担着国家及城市发展建设与运转的任务，也是居民日常工作生活的基本设施。大城市中普遍存在的交通拥堵、交通安全、交通环境污染和交通能耗等问题越来越引起社会的重视。而城市交通问题不能脱离城市空间孤立地运用数学物理模型模拟交通流的运动和交互，必须结合空间的概念和方法，才能更有效地分析研究交通问题及其对城市以及整个路网的影响。

交通地理信息系统（GIS-T）是地理信息理论和技术的重要分支，是地理信息系统（GIS）与多种交通信息分析和处理技术的集成，是道路多模式系统信息化的核心基础，对交通问题从空间概念进行建模，运用空间统计、多要素模型及其结合的方法进行分析，是交通研究、分析和管理的新兴方向和重要应用领域。交通信息的表达在GIS-T中极其重要，不仅交通设施管理、道路交通信息管理需要良好的数据结构，在交通路网规划、智能导航、出行信息服务等交通应用中，都需要拓展传统GIS数据结构。数据是GIS的基础，数据模型则是用来表达GIS中数据之间的联系和逻辑组织形式。由于交通信息种类繁多，各具特点，需要合理的形式组织，因此GIS-T数据模型是实现多尺度多维度动态交通数据融合、管理及分析利用的理论与技术基础。

GIS-T数据一般认为可以分为三层，即道路网络层、附属信息层和交通信息层。道路网为各种网络分析功能提供数据支持，为道路附属信息及交通信息提供空间定位框架，具体的数据内容包括道路集合信息、道路之间的拓扑连通关系、道路基本属性（名称、长度、宽度、地址等）、道路交通属性（功能等级、通行方向、平均车速等）等。道路附属信息主要包括道路附属设施（交通标志、路标、交通信号灯、隔离栏、桥梁、收费站等）、兴趣点（酒店、学校、医院等）和线性属性（即沿道路呈线性分布的属性，如公交线路等）。交通信息包含交通限制条件和动态交通信息。一般意义下交通限制包括道路本身的行车方向限制、车速限制等，以及路口上的通行限制（如转向限制）。动态交通信息包括有交通流信息、交通事件信息以及移动对象信息。交通流信息是通过流量、速度等反应的宏观道路交通情况。移动对象主要是指交通行为的参与者，如车辆、行人。

在现有的交通数据模型中，节点-弧段模型是交通系统中最常用的道路网络表达，节点用于表达各种形式的道路互通式交叉口，弧段则用于表达道路段。在实际应用中，由于道路通行方向的限制，常利用两条方向相反的弧段来表示双向道路或流向不同的平行道路。转向标识及转向表用来记录交叉口处所有的转向信息，一条转向记录由一条进入弧段和一条离开弧段界定。节点-弧段模型建立在图论的基础上，简单易用，支持高效率网络分析，但平面强化的特点使得完整的道路在节点处打断，导致道路失去了完整的语义特征，难以线性定位和处理道路的分段属性、站点等问题，在表达多模式交通网络时，其不足显得尤为明显（参见文献1）。非平面数据模型放弃了平面强化过程，不要求道路交叉处必须产生节点，将整条道路作为一个几何对象存储，避免了非拓扑节点的产生及立体交通网络中不可能的转向。（参见文献2）。但是节点-弧段模型线性定位困难、处理要素-属性的一对多关系困难。

线性参照模型在节点-弧段模型的基础上，通过到已知点的距离和方向来确定线性特征上任意位置点的位置（参见文献3），动态分段数据模型舍弃属性与弧段、节点一一对应关系，将属性从节点-弧段拓扑结构中分离出来，利用路径、段和事件这三个拓扑数据结构基本要素，可以很好地表达线性要素的分段属性和多重属性，实现几何数据和属性数据之间的双向查询，为线性位置参照构建路径系统，大大提高了GIS对线性数据的处理能力（参见文献4）。

城市道路网的交通特性往往与车道密切相关，数据模型需要能够定义独立的车道实体，并描述平行车道之间及转向点、进出车道之间的连通关系、车道上的通行阻抗和限制、车道转向的阻抗和限制等。基于车道的数据模型一般有两种，一是以现实车道为基本建模目标，二是以行车道或综合车道为基本建模目标。基于现实车道的数据模型通过动态分段技术构建车道，将每个车道作为一条单独路径存储，并描述车道的侧向位置、转向点处车道之间的连通关系和平行车道之间的连通关系（参见文献5）。车行道对应于道路不通的行驶方向，可以视为同一道路通向且可随时互通的车道的综合，即综合车道。基于车行道的数据模型将车行道作为基本建模单元，在属性中存储其与道路的语义关系，既考虑同一道路不同方向车道交通特征的差异，又保留了车道几何数据和车道间拓扑连接关系（参见文献6）。