城市道路基础数据库的道路编码、 数据结构和更新研究

城市道路基础数据库的道路编码、 数据结构和更新研究

庞前聪　詹庆明　吕毅　王昭　肖晶

【摘要】本文主要针对建立城市道路基础数据库的三个关键问题进行分析，即道路元素编码、道路元素数据结构以及道路数据更新。首先，为道路主要组成元素(道路、路段、结点)提出一套编码规则，意在解决大量道路数据维护时存在的编码溢出问题;其次，通过对道路三个组成元素以及之间的拓扑关系进行抽象表达，并分别给出相应数据结构;最后，通过动态分段和数据字典的思想实现道路基础数据库的图形和属性进行动态更新和任意扩展。

【关键词】编码　数据结构　数据字典　数据更新　动态分段

1.概　　述

城市道路是城市的骨架，它既是城市的动脉也是城市多种活动和设施的载体，其基础信息不仅对规划设计及管理具有重要作用，对城市的其他行业，如公安、消防、电信、救护等行业都有重要价值(储金龙，2001)。因而开展对城市道路基础数据库建立的研究对于整个数字城市建设是非常重要的。其重要作用及其研究意义主要表现在以下几个方面:

1)根据不同的城市管理需求，为其提供统一结构下不同意义的数据，极大地减少各部门在建立相关部门信息系统时用于建立数据库的费用和时间。

2)提高和改进信息化服务，增强资源共享。通过该系统将新的道路数据及时、准确地传送到各部门，使道路系统和资源得到充分利用，为服务于城市建设打下基础。

3)提高城市规划水准，即通过科学的道路规划及管理决策，使道路和相关规划设计更合理，使城市管理更符合城市发展的内在规律。

4)完善数字规划体系，提高信息技术应用水平。

本文将对城市道路基础数据库建立中的三个关键方面的问题进行深入的阐述，即:城市道路元素编码、道路元素数据结构和数据更新。

2.城市道路元素编码

拥有统一的道路信息分类编码是实现城市信息系统内和系统间道路信息交换、集成与信息共享的关键问题之一。因地制宜地制定地方道路信息分类编码标准体系便成为十分紧迫的工作(庞前聪，2004)。以下将分别对道路元素编码表达进行阐述，即道路、道路结点和路段的编码。

2.1　道路编码的表达

1)道路编码的一般方法

以国家标准《城市地理要素—城市道路、道路交叉口、街坊、市政工程管线编码结构规则》(GB/T14395)为例，它规定了城市道路、路口、街坊和市政管线等要素标识码规则，这几类标识码由定位分区和各要素实体代码两个主要码段组成，如图1所示。

图1　标识码组成图

由此可见，上述几类城市地理要素标识码是基于定位分区编制的，定位分区代码必须在全市范围内唯一。要素实体代码因要素不同而具有不同的长度和结构，定位码必须在各个定位分区编码基础上对不同类要素的进一步细分，用于对每个要素实体的标识。

2)空间划分

考虑到武汉市较独特的地理状况，即由长江和汉水将整个城区分成三大块，形成三大区域——武昌、汉口和汉阳。考虑到今后城市空间的扩展，利用中环线将这三大区域进一步分割，共构成六大编码分区(武汉市城市规划设计研究院等，2003)，即:由长江、汉水和中环路将武汉分割为六个区域，其具体划分如图2所示。

图2　武汉市道路空间分区图

3)走向码的规定

道路走向码的确定应该适合城市的自然地理状况，也就是要因地制宜。不同城市道路网络对走向码的规定应该不一样。城市道路系统一般可以归纳为方格网式、放射环式、自由式以及混合式等几种形式。其中前三种结构形式是道路网结构的基本类型，混合式道路网可由前三种结构形式组合而成。武汉市老区原为不规则的方格网式，新中国成立后武汉三镇发展很快，逐步形成联系武昌、汉口和汉阳的混合式道路网。这类结构的城市道路网的走向码要根据当地地形进行编制，寻找出一个或两个主体参照物，如武汉可以选取长江作为整个城市走向码的主体参照物，于是走向码可以采用如下规定:0——道路主体是沿长江方向的，1——道路主体是垂直于长江的。

4)编码实现

根据道路编码的一般方法，以武汉市的道路为例，充分考虑了武汉市的空间结构及道路特征，将武汉市分为六大编码区。武汉市城市道路代码共七位，采用字母和数字相结合形式，其结构如图3所示。

图3　城市道路代码结构

代码的第1位字母表示方位分区码，即道路代码的方位区，是指由两江(长江和汉水)与中环路将武汉分割成的六大区(见图2)。代码的第2位数字表示道路主干等级，1—表示快速路;2—表示主干路;3—表示次干路;4—表示支路。代码的第3、4、5位数字表示路名序号。代码的第6位数字表示道路主体的走向码。

2.2　道路结点的编码

道路结点主要包括道路的连接点和道路的交叉口。道路的连接点用于标定道路方向的改变以及同一道路发生属性描述变化的转折点。而道路的交叉口是道路描述中的关键内容之一，它用于标定两条以上道路相交的点。

参照《2000年全国公路普查指标与数据项编目编码指南》，公路上的特征点的编码遵循“路线代码+桩号”的规则。为此本编码规则为城市道路引入“桩号”的概念，这样结点编码可以对地理信息的位置、空间关系进行准确的语义表达，即从编码上可以反映出当前结点归属的主路线代码以及它的空间位置。为了管理、查询以及分类编码统一，建议将所有城市道路结点按照“城市道路编码”+“K公里数”+“米”方式进行统一编码，如图4所示。

“桩号”的词源自公路上用于表示道路特征点的一维坐标的特有名称，在本编码方案中含义与公路上一样。第1至第5位的字母用于表示城市道路编码，它只取道路编码的前面5位，即分区码、道路主体等级和道路序号。如果该结点同时存在于两条以上的道路上则选取等级较高的道路编码;如果出现两条以上等级一样的道路则选取道路序号较小的道路编码。“K”在这有两重意思，一是道路代码与桩号之间的间隔连接符，另外一个则表示以下两位数字位的单位是公里(Kilometer)。第7、8、10、11、12位数字代表此道路结点离开道路起点的距离。其中第7、8位表示公里数，第10、11、12位表示米数。道路的走向始终遵循自西至东或自南至北。“+”用于表示结点桩号的公里数与米的间隔连接符。

图4　道路结点的编码

此类编码方式采用信息的面分类法，它有较大弹性，一条道路上结点改变，不影响其他道路;适应性强，可视需要组成任何类目;易于添加和修改结点。

2.3　路段编码的表达

对于城市道路管理系统，某一条道路的两个交叉口之间构成的道路段落，其属性数据形成是一致的，管理部门的管理对策和历史积累数据也是针对着这一道路段落，则道路段落自然构成了管理的最小单元，也就是路段(马京涛，孙立军，2001)。

本编码方案采用新型的编码思路，抛开要求简短的传统编码原则，将路段的两个结点编码表现在编码上，采用其相对应的起始和终止结点的编码相加后得到，其具体结构如图5所示。

图5　道路路段的编码

道路路段编码的说明如下:

第1至第5位的字母用于表示城市道路编码，它只取道路编码的前面5位，其含义与结点编码一样。前面一个“KXX+XXX”代表该路段的起点的桩号，含义与结点编码一样。后一个“KXX+XXX”则代表该路段的止点桩号。

同样地，此种编码方式采用与结点编码一样的面分类法，它解决以往由于目标的增加而导致编码位不够，以及由于目标被删除带来编码维护难的缺点，它拥有很强的可扩展性。通过编码可以很方便地得知该路段的起止点。

但是由于面分类法难于手工处理信息，因而必须引入自动动态更新的算法，即路段的大部分需要通过计算机自动处理赋予进行编码。

3.道路数据表达方法和存储结构研究

3.1　道路的空间描述

事实上，经过综合之后，道路的空间描述可以归结为两个基本要素的组合，即结点(Node)和路段(Segment)。由结点和路段组成的一个道路网络如图6所示。

图6　道路网络组合

1)结点

由于城市基础信息是所有城市信息系统的基础，其服务对象与范围必须满足包括规划、管理、公安、导航等方面，因而原有结点的概念也伴随着延伸，如图6所示。结点主要包括道路的连接点(如点13)和道路的交叉口(如点4)。道路的连接点用于标定道路方向的改变以及同一道路发生属性描述变化的转折点。道路的交叉口是道路描述中的关键内容之一，其主要包括:单数字化道路的同级交叉、双数字化道路的同级交叉、有环岛的路口、高架桥、地下通道、入口坡道、出口坡道等(刘春，史文中等，2003)。

2)路段

路段一般作为道路最小空间描述单元。一个路段指的是路网中两个结点之间的道路，是路网中可以描述的最小单元，在路段的两端各有一个连接点，单一的路段是互相独立的，所以一个路段状况发生变化是不会影响其他路段的(刘春，史文中等，2003)。事实上，对于一个路段，它有对应的一些属性信息，比如:一条规划路中的某个点，当它位于交叉路口时(两条以上的路相交或相接)它就会有多个点名，因为它在不同的路中有不同的点名;在有些规划路中，某一路段的路宽没有准确的数据。即在该路段中，路宽有变化，但又没有明确的变宽点。

在路网中，路段通过结点建立拓扑关系，这种拓扑关系也就是路段之间的相互连接关系。建立拓扑关系的路网可以方便地进行类似最短路径和道路规划等的道路计算。

3)结点与路段的关系

路段是构成路网的基本单元，路段连接主要通过结点。交叉口和道路连接点是结点的两个主要形式，它们在道路综合描述层被定义为一个超结点，超结点的属性信息一方面可以描述复杂路口特性，另一方面也定义了路段相互间的连通性(刘春，史文中等，2003)。两个结点给出一个路段，多个路段即是路网，这样结点链接关系就可以描述路网，所以结点的空间位置以及空间搜索影响了路网空间分布，也就是说在道路空间数据库中，如果建立结点的空间索引，就可以通过结点的关系索引基本确定路网的空间形成。

3.2　数据存储结构

1)道路结点目标结构

编码的方式采用图4所示，特征码则是利用各类特征属性组合生成的“属性特征码”来判别特征点的类别。道路结点数据表结构如表1所示。

表1　道路结点目标结构表

续表

2)路段目标结构

路段目标也就是网络弧段，它可以看做是基于各种基本专题管理划分的具有相同属性的最小道路线实体，同一网络弧段所代表道路的特征属性(如道路等级、宽度)和管理属性(如交通流量、通行情况)是完全一致的，其结构如表2所示。

表2　路段目标结构表

3)道路目标结构

道路目标在数据库中不存在直接对应的图形目标，要实现道路目标在逻辑上的整合就要建立组成该道路的结点、路段相互间的拓扑关系，所以道路目标的结构中需要记录道路两端的结点关键字，其结构如表3所示。

表3　道路目标结构

4.数据的更新

4.1　道路结点和路段的拓扑关系

城市道路路段可以抽象成许多细小的网络弧段和网络结点，而这些弧段和结点相互是具有拓扑关系的(祝国瑞、庞前聪等，2004)。基于弧段和结点的网络，一个城市道路属性专题目标就可以便捷地获取与其相关联的空间信息。相反，任何一个空间信息都能获取其所属的道路属性专题，如图7所示。因而实际上，无论道路数据更新是图形改变还是属性的改变，都会引起道路结点和路段拓扑关系的重新建立和变化，而具体的拓扑关系建立将涉及动态分段的理论。

4.2　动态分段

动态分段是一种新的线性特征的动态分析、显示和绘图技术，它是在传统GIS数据模型的基础上利用线性参照系统和相应算法，在需要分析、显示、查询及输出时，动态地计算出属性数据的空间位置，即动态地完成各种属性数据集的显示、分析及绘图的一种方法(Stearns，J.Wood，2000)。采用动态分段模型的目的是在不破坏原有图形数据的基础上，通过用户数字化带有桩号信息的结点，对桩号所在线段动态地分割为两条弧段，并且一并生成弧段与结点的拓扑关系。

4.3　道路图形的更新

1)自动更新标记

数据库需要专门为原始图形数据设计更新标记，用户通过对数据定时进行扫描，自动对数据进行正确的更新。该标记可以通过不同的取值来表示数据更新类型的种类，如:“1”表示图形修改，“2”表示属性修改，“3”表示图形删除等。根据更新标记进行更新数据获取，从而实现数据实时更新。

2)道路目标更新

图7　道路结点和路段的拓扑关系

基本上城市道路目标以增加为主，因而在此不专门讨论删除更新。考虑到道路交叉口的特殊性，在线状道路目标增加后获得道路线图形以后，利用道路交叉点进行动态打断和拓扑关系建立，使得道路网络中不存在穿越交点的弧段。

3)道路结点目标更新

本文仍然主要讨论道路结点目标增加的更新思想。道路结点目标增加之前必须查询结点图层中是否存在道路编码、公里、米(参见表1)均一致的网络结点，如果存在就不进行更新了。反之，则需要在离该点最近的网络弧段在该点处进行动态打断，生成新的网络弧段——结点表的拓扑关系。

4.4　道路属性信息的更新

1)道路属性信息数据类型

·城市道路网络图形数据主要包括城市现状道路统计数据(路名、性质、起讫点、长度、红线宽度等)，道路中心线网络属性(中心线控制点的坐标、交叉口结点坐标等)以及道路运输网络属性(道路客货运OD调查动态显示，居民出行方式及空间分布等)。

·路段的相关属性具体包括路段技术数据(红线宽度、断面形式、长度、宽度变化、坡度变化、交通流量、车速限制等)，路面技术(建设时间、施工单位、路面材料、结构、道路维护、路面高程等)，路段地址(始结点、终结点、左始地址、右始地址、各控制点坐标、高程)，以及道路管线相关信息(包括供水、排水、电力、电信、供热、煤气、有线电视等)。

·道路交叉口(结点)技术数据主要包括结点控制坐标、高程、交叉口交通强度，交叉口交通管制等。

2)数据字典思想

由于城市道路属性信息涉及部门广，包含信息量大，因而需要采用以数据字典为思想进行属性数据组织，对每一类城市道路管理的专题属性对应建立一个属性数据库(称为城市道路管理属性数据库Urban Road Management Attributes Database，URMAD)，针对各个不同城市道路管理专题的每一功能(属性)，分析归纳出其所有的核心数据，将它们的分类描述信息存放在一些专门建立的表中，这些表就是数据字典表。

3)管理专题的任意扩展更新

建立URMAD与标准结构数据库之间的联系以后，使URMAD具有良好的可扩展性。用户可以根据实际需求任意添加不同的管理专题。URMAD的标准数据表内容与城市道路管理属性相匹配，通过数据字典，城市不同部门的基础信息、技术信息数据等各种城市道路管理专题实体在数据库中就可以任意进行扩展。管理专题实体与标准结构的专题属性数据的关系如图8所示。

图8　标准结构与专题属性数据的关系

在以数据字典为核心的应用管理层中，数据字典将成为建立在应用程序和数据库之间的一座桥梁，核心算法将围绕应用管理数据库综合层的通用格式来设计。用户可以在此基础上扩展管理功能而无需过多地考虑数据格式、类型(祝国瑞、庞前聪等，2004)。作为城市基础信息的道路信息，其应用非常广泛，道路网络涉及很多信息，结合属性信息可以完整地表达道路网络及其相互之间的逻辑关系。

5.结　　论

本文对城市道路基础数据库建立的若干关键技术研究——道路元素编码、道路数据表达和数据更新提出一些想法。

1)为道路元素(即道路、道路结点以及路段)的编码提出了较为先进的方案，解决了由于数据维护而引发的编码“相对溢出”。

2)通过对道路要素空间抽象，即道路、路段和道路结点(特别是道路交叉口)进行逻辑提取，并给出相应的存储结构。

3)通过设置自动更新标记、动态分段思想的引入实现道路图形的更新，以及提出了适用于城市道路属性数据扩展的“数据字典”为核心思想的方法，为满足不同部门的管理需求提出自身进行扩展的更新思想。

城市道路基础数据库建立的这几个关键技术在城市道路数据库建库，城市信息系统的建立等方面都具有实用价值。

【参考文献】

［1］储金龙.城市道路管理信息系统及其需求分析［J］.安徽建筑工业学院学报(自然科学版)，2001，9(3):37～41

［2］刘春，史文中，刘大杰.导航电子地图中道路数据的空间索引和组织［J］.工程勘察，2003，1，38～41

［3］马京涛，孙立军.基于GIS的城市道路管理系统的数据管理综合研究［J］.中国公路学报，2001，14(增刊):54～58

［4］庞前聪.城市道路基础数据库建立的若干关键技术研究［D］.硕士学位论文，武汉大学，2004

［5］Stearns J.Wood，2000.APractitioner's Guide to GIS Terminology.DataWest Research Agency.

［6］武汉市城市规划设计研究院、武汉大学城市建设学院.武汉市道路市政基础设施规划信息系统资料汇编.武汉:2003

［7］祝国瑞，庞前聪，王平.可扩展性的公路空间数据库方案设计［J］.武汉大学学报(信息科学版)，2004，29(7):580～583