基于GIS的高速公路数据库系统设计与实现

文章编号:0451-0712(2000)11-0063-04
基于G IS的高速公路数据库系统设计与实现
胡郁葱　徐建闽　钟慧玲　李　杰
(华南理工大学交通学院　广州市　510640)
[摘要]　介绍了G IS发展及应用情况,提出在高速公路数据库系统设计中引入G IS的思想,直观显示地理数据,建立数据库与载有地理信息的电子地图之间的双向联系,实现地图与数据库的双向查询,解决传统的数据库在描述高速公路信息时累赘、呆板、数据描述不完全等缺点,建立地图式数据管理系统的设计思路。

其基本的设计思想已通过桌面地图信息系统开发平台M ap info4.5得到实现。

关键词　地理信息系统　数据库　高速公路　电子地图
文献标识码:B
传统的数据库系统一般使用文本数据库来表示信息及其之间的关系,最多在记忆字段中通过一些扫描的图片来代表一些图形信息,增加其直观性。

但是,对于象公路、城市街道或桥梁等与地理位置密切相关的数据库来说,仅用文本形式来表达数据是远远不够的,不仅形式呆板,在描述地理位置关系时,文字累赘而不能说明问题,还可能将一些重要信息稳藏在文字背后,给使用者带来不便,甚至造成数据丢失或理解错误,给用户决策带来极大影响。

近年来,地理信息系统(G IS)的发展为建立直观的便于用户操作和理解的地图式数据库系统提供了有力的工具。

G IS是近年来发展起来的存储地理信息的最为有效的技术之一,它通过将地图信息直接输入计算机,利用相关软件将信息存储于地图上与之相关联的地理位置上,使数据与地理信息紧密结合起来,实现数据的可视化,便于对数据进行有效的管理、分析和组织,为进一步做出决策提供良好的人机界面和依据。

G IS是一个由计算机硬件、软件、数据和恰当的管理组织所组成的一个复杂的综合体。

在数据管理方面,G IS技术的清晰、直观以及数据完全等特征大大减少了人工输入文字数据工作量,降低了失误率,提高了数据完整性和直观性,为建立良好的数据库管理系统以及建立相应专家系统、决策支持系统奠定了良好的基础。

运输地理信息系统(G IS-T)是为研究运输系统中的问题而开发的地理信息系统,其研究可回溯到20世纪80年代末期。

现有的G IS-T已具有一定功能:人们可利用它获取各种运输信息,对道路设施进行管理,可借助它对交通事故进行准确的描述和预测,可进行一些运输规划和运输网络分析。

在国外,G IS技术已广泛地应用于道路、桥梁等需要详细准确地描述地理信息的数据管理方面(Easa等, 1997;H amm ad等,1993)。

在我国,也已着手开始G IS的研究。

随着智能运输系统(IT S)逐步成为现代交通发展的主流趋势,G IS技术的优势越来越突出地表现出来,已成为发展IT S的主要基础之一。

本文正是以开发一个基于G IS技术的高速公路数据库系统为例,介绍其主要设计思路和实现方法,为进一步做相关研究提供帮助。

1　研究背景和目的
广东省公路建设近年来发展极为迅速,高速公路通车里程已达3300km。

随着高速公路建设的加快,道路收费、监控、通讯、维护、安全及供水供电等管理维护工作中需要处理的信息量越来越大,单靠
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手工处理信息已不能满足实际要求。

现代化的高速公路需要一个能快速有效的处理信息,提供决策支持,实现信息资源共享和综合利用的计算机管理信息系统。

广东省在过去十几年里,陆续修建了一些高速公路,如:广佛、广花和广深高速公路等,各条路都有自己的管理系统,并且基本上实行的是各自为政的管理方针,即各高速公路公司均使用各自的缺乏关于整个路网总体信息的数据库管理模式。

随着时间的推移,经济的发展,交通量的迅速增长,这种管理模式的弊端逐渐暴露出来:由于各高速公路公司彼此沟通不够,在道路规划、数据管理的协调方面出现困难,信息资源不能有效共享的直接后果就是数据重复管理,既造成人力、物力资源的浪费,还可能造成数据层次不清,不完整甚至丢失。

为对整个广东省高速公路路网实行统一筹划、统一管理,加强各高速公路管理部门之间工作的协调性,进一步提高工作效率和经济效益,同时充分发挥整个高速公路网的主管部门的职能,广东省高速公路公司决定研究开发“广东省高速公路数据库系统”。

目前我国已有的一些高速公路数据管理系统多是采用文本形式的关系型数据库进行管理,对于高速公路这样含有大量地理信息的数据而言,是不能满足需要的。

一个基于G IS的高速公路数据库系统的设计思想由此产生。

2　设计方法和思路
2.1　G IS的构成与软硬件简介
(1)G IS需要描述的空间数据。

①图形数据:与位置有关的坐标系中点、线、面的基本图素数据(亦称空间实体)。

②特性数据:构造图形时要求的线幅、线类型、颜色等数据。

③属性数据:与空间位置无关的对图形空间实体予以描述和说明的数据。

④图形空间的关联数据:空间实体的拓扑结构数据。

(2)G IS的硬件是由CPU、终端、磁盘、扫描仪、数字化仪、绘图仪等部分组成,其软件一般由5个子系统组成:数据输入和检验子系统;数据存储和数据库管理子系统(DBM S);数据变换;数据输出;查询界面。

(3)作为运输地理信息系统,根据描述运输系统,特别是道路系统特征的方式,一般被分为矢量系统和栅格系统。

矢量系统是将图形数据和属性参数单独存储,数据间的联结由数据库管理程序协调完成。

矢量系统的存储效率高,适合描述与基本几何尺寸有关的空间现象。

栅格系统将整个地理区域分为均匀的网状,每个单元按其属性进行独立编号,其图形数据和属性数据均有机相连,同一网格单元中的不同参数均被储存在不同的图形层中。

这一系统的优点是它特别适合于描述连续变化的空间现象,如拓扑图、土地利用等,缺点是每个数据层都表示不同的地理数据和属性数据,要求有较大的存储空间和一定的处理速度。

根据高速公路管理的特性和要求,我们选择矢量桌面系统软件M ap info来作为主要开发软件。

2.2　系统的总体结构设计
根据用户需求,可确定“广东省高速公路数据库系统”所包括的主要数据分为12个子系统,分别为:有关道路情况的数据库,有关交通量、收费系统、道路维护、通讯系统、监控系统、财务、公共设施、交通安全、配电系统和供水系统的数据库。

数据有覆盖面广、内容繁杂的特点。

数据分类如图1。

图1　数据分类
2.3　系统的功能设计
结合对数据的分析,根据用户的需求,本系统中各子系统相关度不大,独立性较强,功能基本相同,所有的子系统都应具有如下功能:输入 修改功能;统计功能;查询功能;输出功能。

而在12个子系统中,根据各系统所涉及的表的内容和特性,采取设计通用模块的方法,使所有子系统的所有表都用同一模块完成输入修改或查询等功
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能,从而大大减少开发工作量,提高工作效率,并能大大改善系统的可维护性和可扩充性。

基于这样的开发思路,本系统可划分为4个功能模块。

(1)系统维护模块。

提供系统安全维护和结构维护功能,可对用户登录及使用系统情况进行登录管理,也可对用户权限进行设置,还可定期清理过期资料,属于系统管理员使用范畴。

(2)地图式数据管理模块。

是本系统的核心模块,在桌面地图上提供系统设置,数据显示、数据更新和查询及报表等功能。

(3)表格式数据管理模块。

是对地图式数据管理模块的主要补充部分,可提供数据式的系统设置,数据增、删、改,查询及报表,资料统计和恢复已删数据等功能。

(4)系统帮助模块。

对地图使用者提供联机帮助等功能。

2.4　系统的设计方法
2.4.1　电子地图的创建
地图式数据库管理系统主要是针对高速公路中需要借助地图来回答的需要地理信息的问题而设计的。

我们通过桌面地图信息系统开发平台M ap info,将数据叠加在电子地图上,并将地图对象和数据库中的数据建立联接关系,可以实现地图与数据库的双向查询,并通过其地理分析功能解答有关问题。

如:设计中的新线路将跨过哪些现有线路,线路两边的地理环境如何,线路上的收费站点设置在何处、是否合理等。

设计过程中的关键就是合理设计安排图层。

在地图窗口中,每个含有图形对象的数据库表都可显示为一个图层。

可以设想这些图层是透明的,每一图层包含地图的一个不同部分。

这些图层叠加在一起可以同时看到地图的所有方面。

对于广东省高速公路数据库而言,除了设计地理位置含义上的图层外,为了编辑对象或表现对象还必须加入一些辅助图层。

因此,在广东省高速公路管理信息系统中,首先引入世界和海洋地图两个图层;然后用数字化仪输入广东省地图,除了省界、地市边界及县界外,为更好地说明高速公路的周边环境,还必须绘制河流层;然后是高速公路层,以实线标识已兴建的高速公路,以虚线表示兴建中或计划兴建的高速公路;最后是街区层,主要是广州市的街区,以便定位广州周边的高速公路,同时也能为监控人员决策提供咨询。

此外,建立若干个标志层,分别标注广东省地图县市名,高速公路线路名及收费站、收费中心等名称。

最后,在最上层是装饰层,对绘制地图过程中的问题作补充、修改,以增强效果。

图2　系统地图的图层示意
通过对图层进行控制,即对图层添加拖动、缩放等功能,可以实现对各个图层单独或选择性地显示需要的信息,例如:高速公路穿越哪些地区,观察区域中有哪些高速公路,内有几个收费站,周边环境如何,有无重要的医院等设施,并可对这些信息进行可见、可编辑、可选择等的自动标注。

图3是加入缩放显示后的广东省高速公路图。

2.4.2　数据的显示和对数据库的访问
要在地图上显示数据,首先要给记录进行地理编码,即M ap info通过比较表中的地理信息和另一张已关联有X和Y坐标的表(搜索表)中的地理信息,把地理坐标赋给记录。

当显示记录时,M ap info 将在该记录的地址处定位记录,然后就可以在地图上显示这些点了。

在M ap info中,任何信息,无论是文本的还是图表的均以表的形式组织,每个表都是一组M ap in2 fo文件,这些文件组成了地图文件或数据库文件。

在M ap info中主要使用两种表:一种是地址表,这种表进一步细分为包含图形对象(地图对象)的数据表和不包含图形对象的数据表(电子表格或外部数据库表);第二种是栅格表,是一种能直接在地图窗口中显示的图象。

在本系统中,引入表的形式也是这两种:一是直接访问存储在本地的数据库,广东省高速公路管理信息系统基本上都是用V isual B asic中的可视化数据管理器创建的M icro soft A ccess数据库,包括相对固定的安全管理系统、道路情况管理系统、供水、供电设施管理系统等;另一种就是引入栅格表,即在需介绍道路、立交、设备等情况时,选择栅格图象,并显示文字说明。

这些图象应当是事先经扫描后的纸张地图、照片和位图符号等。

电子地图上的信息不是一成不变的。

收费站可能新添了或升级了设备,道路可能改建或延伸,交通
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图3　加入缩放显示后的广东省高速公路图
量随时在变化,公共设施也在不断地变动或添加。

这些变化会不断更新数据信息,同时,也必须更新电子地图上的有关内容,这就要求系统具有访问远程数据库的能力。

系统使用了M ap info 提供的链接表实现这一功能,使下属公司或收费站、管理中心将变动信息及时上报总公司,并及时在地图上进行添加或改动,真正实现对远程数据库进行地理查询的功能。

3　设计思想的实现
本系统采用V isual B asic 作为数据库管理开发
工具,而采用桌面G IS 地图信息开发平台M ap info 4.5作为地图信息系统的开发平台。

经过创建图层、定位图层、对图层进行地理编码以显示数据等一系列图层操作,再通过访问数据库获取数据进行相关处理,可以实现在广东省高速公路地图上进行编辑、显示和查询,并可进行一定的分析,还可为对象进行标注、整形等。

广东省高速公路数据库系统的地图中,广东省的各条高速公路清晰可见,地图放大到一定程度可显示广州市主要道路。

用户可以随意缩放,并拖动地图,可根据指定的缩放率随意调整显示范围,可选择在地图上显示一个或多个方面的数据,可根据显示效果随时调整数据的显示位置,修改数据在地图上的表示符号。

用户在查询信息时,只需用工具单击查看位置,系统就能列出该点当前已打开的信息分类表,单击分类表就可显示该处的详细数据,如果数据中包含图形,双击图形项即可显示该图形。

4　结论
本文介绍了G IS 在广东省高速公路数据库系统中的应用,描述了系统的设计思想和实现过程,探讨了桌面地图管理信息系统在数据管理工作中的作用。

该系统作为交通运输领域内的数据库管理系统,最大特征就在于包含大量的空间地理信息,可提供直观的数据查询、管理界面,减少了数据遗失、隐藏的机会。

作为一个管理信息系统,与城市交通信息系统、规划系统、环境管理系统等有着密切联系,因而对系统作进一步研究,提高系统的自学习、自扩充的智能化水平,增强分析和管理图象信息的能力,并朝网络化方向发展,对于促进我国的智能运输系统(IT S )发展具有重要的意义。

参考文献
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3　薛华成.管理信息系统.清华大学出版社,1993.
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收稿日期:2000-08-10
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