论文总字数：23638字

摘 要

高速公路作为交通运输中一个不可或缺的部分，如何利用智能交通系统技术建设好发展好高速公路已成为政府和学术界关注的一个热点。这其中一个重要的基础性的工作就是要构建能准确表达高速公路基本特征的网络模型。目前，二维的网络模型已经普遍的存在，但仅依靠二维的道路网络模型难以满足交通系统需求，并且二维模型在立体交通网络的表达方面也有些不足。因此，本文提出了一个构建三维可视化的高速公路网络模型的方法，使其既能表达空间网络信息，又能在三维空间中表达道路网络的基本特征。

本文在对网络模型分析的基础，进行高速公路立体网络的构建方法的探讨。确定了高速公路立体网络构建的基本方法：获取路网数据及其高程数据。在对数据预处理的基础上,添加上高程信息,结合相关的道路节点,完成网络模型的构建。最后在ArcScene中进行展示，高速公路立体网络作为要素数据在三维场景中以透视图显示出来进行观察和分析。

关键词：高速公路，拓扑构建，网络生成，三维展示

STUDY ON CONSTRUCTION METHOD OF HIGHWAY THREE-DIMENSIONAL NETWORK

Abstract

As an indispensable part of transportation, the highway has become a hot spot for the government and academia to construct the good highway system.. One of the important basic work is to construct the network model which can express the basic features of the highway accurately.. At present, two-dimensional network model has been generally exists, but only rely on two-dimensional road network model which is hard to satisfy the demand of traffic system and two-dimensional model in terms of the expression of three-dimensional traffic network also has many disadvantages. Therefore, this paper presents a method to construct the 3D visualization of highway network model of the can not only express the spatial information of the network, and can express the basic characteristics of the road network in 3D space.

Based on the analysis of the network model, the construction method of the highway stereo network is discussed.. The basic method of constructing the stereo network of highway is determined: the data of the road network and the height data of the highway are acquired.. On the basis of data preprocessing, adding the elevation information, combining the relevant road nodes, complete the construction of the network model. Finally, in ArcScene, the three-dimensional network of the highway as the factor data in the three-dimensional scene in the perspective of the observation and analysis.

KEY WORDS: highway, topology construction, network generation , 3D display

目录

高速公路立体网络构建 I

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 选题的背景与意义 1

1.2 国内外研究进展 2

1.3 研究内容与论文框架 5

1.3.1主要研究内容 5

1.3.2 论文组织框架 5

1.4 本文的主要研究内容 6

1.4.1 数据调研查找 6

1.4.2几何网络数据的预处理 6

1.4.3三维道路线的生成 6

1.4.4 网络构建 6

1.4.5 ArcScene中进行三维展示 6

第二章 高速公路立体网络模型构建分析 8

2.1 高速公路立体网络模型 8

2.2 高速公路立体几何网络 8

2.3 高速公路立体拓扑网络 9

2.2.1 概念模型 9

2.2.3逻辑模型 9

本章小结 10

第三章 高速公路立体网络模型构建方法 11

3.1 高速公路立体网络构建主要思想 11

3.2 高速公路网络生成具体步骤 12

3.2 .1 打断相交线 12

3.2.2 生成结点图层 12

3.2.3 添加拓扑信息 12

本章小结 13

第四章 江苏省高速公路立体网络模型构建实验分析 14

4.1 软硬件环境 14

4.1.1 硬件环境 14

4.1.2 软件环境 14

4.2 数据处理 15

4.2.1 数据调研查找 15

4.2.2 几何网络数据的预处理 16

4.2.3 三维道路线的生成 17

4.2.4 网络模型实现 20

4.2.5 ArcScene中展示 22

本章小结 23

第五章 结论与展望 24

5.1主要研究成果 24

5.2研究展望 24

致谢 25

参考文献（References） 26

第一章 绪论

1.1 选题的背景与意义

随着社会的的不断发展,交通运输在社会生产以及人们生活中占据了越来越重要的地位,成为了经济发展的一个基石。全社会对于交通方面的的需求也不断增强。而高速公路作为交通运输中一个不可或缺的部分，在国家的发展建设中起到了重要的作用。如何才能建设好，发展好高速公路已然成为业内关注的一个热点，也成为了国家社会发展建设以及人民生活所关心的一个重要课题。

随着汽车工业的飞速发展和城镇化进程的推进，不断扩大的城市规模和辐射越来越广的生活范围圈越来越需要高速公路扮演更重要的角色，需要一个更加完善的交通系统，这也给高速公路的发展带来了巨大的机遇。GIS作为一种特定的重要的空间信息系统及其拥有的能与各种应用模型相结合的特性，在交通设计、交通规划、安全分析、交通管理等交通领域有着重要的作用。而对于高速公路所生成的空间网络，在生活中有着越来越广泛的应用，已经涉及到了各个方面。由于高速公路建立时往往是要高于地面的,有一定的高程,是一个立体的空间结构，因此如何在获取高速公路高程的基础上,结合一般的高速公路几何网络建立出高速公路的立体网络模型是一个值得研究的问题。

高速公路网络构建在高速公路的研究中是非常基础并且十分重要的一个问题。网络构建主要是结合高速公路的线型特点，建立一个既能包含道路网络的拓扑属性也能包含几何属性的网络模型。高速公路道路网络的拓扑结构的构建，路网的拓扑信息存储，是进行道路网络分析的关键，有十分重要的意义。在传统的二维道路网络分析中一般用图结构来表示路网，用交叉口来对应结点，两交叉口之间的路段来对应弧段，路段的长度将作为弧的权重。抽象成由节点、有向边和权来构成的拓扑图，从而进行记录存储路网的拓扑信息，从中抽象出道路之间的关系。这其实是一个把实际问题转换为数学问题的过程。同时基于道路网络的高程，道路长度等属性信息可以构建出网络的几何模型，在空间中表现路网的基本特征。通过几何网络模型，能够能加直观真实的表达高速公路网络的特点，让观察者一目了然。运用GIS技术来进行高速公路立体网络构建是进行交通规划的基础。这些技术的应用，能够提供所需的交通控制信息，提高现有道路的通行能力和安全性以及便捷性。总而言之，高速公路立体网络构建不仅能给交通规划管理提供所需的基本数据和方法，也能方便人们出行，具有重大意义。

尽管目前路网模型的研究十分多,但主要还是以二维模型为主，在路网的三维模型研究中，尽管人们提出了很多有价值的模型，但是发展还是很不成熟。使用二维的高速公路中的路网模型中表达分析会有很多限制，不够直观，不能很好的表达出高速公路立体空间特性。

随着GIS发展的深入，三维GIS方向也有不小的进步。三维GIS由于其能较真实的反应实际情况，在一些领域得到了飞速的发展。在智能交通领域，三维GIS有着广阔的应用空间。随着三维GIS的迅速发展，涉及的领域越来越多，三维路网的构建已成为交通方面一个十分重要的研究方向，与二维的路网模型相比,三维路网数据的管理以及数据表达上更加的复杂。本研究的目的是为了建立一个路网模型，能够在三维空间中表达路网的基本几何特征和拓扑关系，能够进行空间分析等操作，最终能够三维可视化表现。

1.2 国内外研究进展

在20 世纪60 年代，加拿大首先进行了地理信息系统方面的研究，开创了使用计算机技术来处理地理空间数据的先河，其技术路线一直延续至今。随着互联网的不断发展以及经济的飞跃，数字化信息产品迅速在全世界普及开来，地理信息科学进入了社会的各行各业乃至千家万户日常生活之中，成为了人们生活、生产、学习和工作中不可缺少的工具GIS从学术层次发展到公民行为乃至作为政府发展信息社会的重要技术基础，已发展到国家战略层次。尽管如此，备受关注的针对三维数据的三维GIS的发展，仍然有很大的局限性，很多分析操作功能也都还有限制。

我国的GIS行业起步相对较晚，相关的产品技术从从无到有的起步阶段，逐步步入了稳定成长期，日趋走向成熟。地理信息系统因其具有的强大信息服务以及管理功能，在交通领域有着十分广泛的应用。随着国家社会经济的飞速发展，交通运输领域的各种需求明显不断的增长。面对日益拥挤的交通状况，通过GIS协作来处理是一个很有效的方法。随着现代化城市进程日趋完善，城市规模逐渐扩大，城市交通也发展的越来越立体化，交通情况也逐渐复杂，我国之前也有不少的二维的交通道路的网络模型信息系统，在小比例尺宏观上，勉强能满足需求，但是如果在大比例尺的情况下，就不能很好的体现出交通道路的结构特点。

对于高速公路，在传统的道路网络分析中一般使用图结构来表示路网，用交叉口来对应结点，两交叉口之间的路段对应相应的弧段，将路段的长度作为弧的权重。抽象为由节点、有向边和权构成的拓扑图。对于构建道路的拓扑结构，一般思路是先选择路网图层中的某一个要素,然后依次找出图层中的其他要素与当前选定要素的交叉点。再将查找到的交叉点把要素划分成为为若干个要素,这样每一个要素就是相当于一条拓扑弧段弧段。重复执行上述过程，直到图层中的所有要素都进行过上述的操作。

目前国内外也有不少的GIS-T的数据模型，比如美国的NSDI,欧洲也有GDF(地理数据文件)。在不少软件中也有交通方面的模型，例如ArcGIS软件中引入的UTRANS模型。

GDF（地理数据文件）是一个规定欧洲交通网络的空间数据标准，用来表示关于路网和道路方面的数据标准。他规定了获取数据方法和如何定义各类特征要素、属性数据和相互关系。这个数据标准目前主要在运输工具的导航系统中使用，但也能在其他的交通数据资料库中进行使用。

NHCRP模型是在密尔沃基举行的一场学术会议上提出来的,参与人员有来自政府机构的，科研院所的,和一线专业应用人员。1998年在华盛顿召开了另一场学术会议,提出了十项核心功能需求来满足综合发展多维LRS数据模型，围绕着这十项核心的功能需求,给GIS-T提供了一个集成框架。NCHRP模型分为商业数据层、LRS层和地图表达层。基准层是模型的核心,可以支持不同的多比例尺的地图和网络表达,为多种网络、不同LMR及各种地图比例之间的转换提供空间参照,能够应用到各种不同的领域。基准层由锚固段和锚固点组成,每个拓扑网络有多个LMR,而商业数据库基于不同LMR建立,这也提供了一个数据集成的方法。

UNETARNS(2001)是由委托加州大学的国家地理信息分析中心研发,并由ESRI资助的一个面向交通的数据模型，易于实施。模型己经在ArcGIS软件得到了应用,增强了ArcGIS在交通方面的分析和表达能力^[7]。

以上的模型都是以二维来处理，不能满足复杂的交通状况，也不能保证模型的准确度。对于宏观的路网模型和小比例尺的数据来说，二维的数据模型能够满足需求。但是对于大比例尺的地图，特别是交通现象比较复杂的情况下，三维的数据结构就有特别重要的意义。对于三维的网络模型，近些年才开始研究突破，还没有进行充分的应用试验。

3D FDS模型是Molennar在原有的二维拓扑数据结构基础上，定义了结点、弧、边和面四种几何元素之间的拓扑关系及其与点、线、面和体四种几何目标之间的拓扑关系，并显式地表达点和体、线和体、点和面、线和面间的的拓扑关系，提出了—种基于3D矢量图的形式化数据结构（Formal Data Structure，FDS）。这个模型是目前比较有代表性的三维拓扑数据模型，能够显式地表达目标几何组成与矢量元素之间的拓扑关系^[10]。

孙敏等研究学者通过对路网的三维空间的分析,建立出了路网的三维数据模型,对于立体的交叉口节点作为复杂节点对待,对于普通的交叉口作为普通节点对待。这样在道路网中包括路段以及节点两类实体，节点又分为普通节点和复杂节点两大类。拓扑网络中将立交桥作为复杂节点来对待处理,而立交桥本身是由路段和节点组成,从而就可以把立交桥复杂节点简化成为基本节点,实际上仍然是二维的数据结构，并没有真正的实现三维表达。

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