摘  要： 城市道路地圖數(shù)據(jù)中有關(guān)道路形態(tài)特征的識(shí)別是一類急需解決的問(wèn)題。提出了一種適合在雙線道路地圖數(shù)據(jù)中自動(dòng)識(shí)別道路形態(tài)特征單元的方法，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在穩(wěn)健性、通用性、效率與自動(dòng)化程度4個(gè)方面取得了顯著效果。

　　關(guān)鍵詞： 雙線道路地圖；形態(tài)特征單元；自動(dòng)識(shí)別與提取

0 引言

　　道路地圖數(shù)據(jù)中道路的形態(tài)特征單元是道路網(wǎng)中主要的局部結(jié)構(gòu)。如何自動(dòng)地識(shí)別和提取道路形態(tài)特征單元，是能夠更好地解決道路地圖數(shù)據(jù)中有關(guān)道路地圖自動(dòng)綜合、道路自動(dòng)匹配、模式識(shí)別等諸多問(wèn)題的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[1-3]。道路最重要的形態(tài)特征單元是道路的交叉口和拐彎處。關(guān)于道路交叉口的自動(dòng)識(shí)別，參考文獻(xiàn)[4]提出了一種非結(jié)構(gòu)化的道路交叉口方法，該方法能較準(zhǔn)確地識(shí)別交叉口，但不能識(shí)別交叉口的形態(tài)特征，因而不能夠識(shí)別交叉口的類型。參考文獻(xiàn)[5]進(jìn)一步提出了基于有向?qū)傩躁P(guān)系圖的交叉口識(shí)別方法，能夠比較準(zhǔn)確地識(shí)別道路典型交叉口的結(jié)構(gòu)特征，很好地解決了識(shí)別道路交叉口類型的問(wèn)題。但該方法也存在著兩方面的問(wèn)題：一是該方法只能識(shí)別典型道路交叉口類型，對(duì)于非典型道路交叉口類型，需要更多的模板定義；二是該方法對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高，在道路交叉口處不能出現(xiàn)拓?fù)溴e(cuò)誤。另外，以上兩種方法都不能夠直接應(yīng)用于雙線道路地圖數(shù)據(jù)中的道路交叉口識(shí)別。

　　為了克服現(xiàn)有相關(guān)研究中的上述缺陷[6-9]，本文提出一種適合雙線道路數(shù)據(jù)中道路形態(tài)特征單元（以路口和拐彎處為例）的自動(dòng)識(shí)別和提取方法。以下的討論按照道路形態(tài)特征單元定義、識(shí)別、提取與實(shí)證研究的順序逐一展開。

1雙線道路形態(tài)特征單元的識(shí)別與提取方法

　　本文從總體上把道路形態(tài)特征單元的類型分為典型類型、非典型類型和復(fù)雜類型3大類。其中典型類型的識(shí)別方法是本文的重點(diǎn)，而非典型類型可以理解為是典型類型的變異或者幾個(gè)典型類型的組合，部分復(fù)雜類型由幾個(gè)典型/非典型組合而成。以下重點(diǎn)討論典型雙線道路形態(tài)特征單元的識(shí)別過(guò)程。

　　1.1 道路典型形態(tài)特征單元的分類及其表達(dá)

　　表1列出了道路典型形態(tài)特征單元的大類、小類與亞類之間的隸屬關(guān)系以及各亞類（或小類）在雙線道路地圖中的表達(dá)與對(duì)應(yīng)的文字描述（定義）。

　　1.2 道路形態(tài)特征單元的位置識(shí)別

　　道路形態(tài)特征單元的識(shí)別包括兩個(gè)步驟：其一，提取道路邊線上的特征點(diǎn)；其二，確定哪些特征點(diǎn)屬于同一個(gè)特征單元（路口或拐彎處），即通過(guò)這些特征點(diǎn)找到該特征單元的位置。

　　道路的特征點(diǎn)具備以下3個(gè)性質(zhì)（如圖1和圖2所示）。

　　性質(zhì)1道路邊線上特征點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角（如圖1中θ1、θ2、θ3）明顯大于其兩側(cè)非特征點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角，當(dāng)一條道路邊線上屬于同一形態(tài)特征單元的特征點(diǎn)較多時(shí)，一般存在一個(gè)轉(zhuǎn)角最大的特征點(diǎn)（如圖1中的P2，圖2中的A①、B①、C①、D①，C②、D②、E①、F①）。

　　性質(zhì)2能夠定義類似于式（1）的指標(biāo)：

　　式（1）為某一道路邊線上第i個(gè)線段端點(diǎn)處的單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)角（式中，θi為具有公共端點(diǎn)i的兩線段間的轉(zhuǎn)角，Li與Li+1分別為兩線段的長(zhǎng)度），則只要道路邊線與實(shí)際道路的輪廓基本相符，該類指標(biāo)的值一般穩(wěn)定在一個(gè)特定的區(qū)間內(nèi)。

　　性質(zhì)3屬于同一個(gè)形態(tài)特征單元的特征點(diǎn)其空間位置相互鄰近（如圖2中A①、B①、C①、D①以及C②、D②、E①、F①），在絕大部分情況下，屬于同一道路特征單元的特征點(diǎn)其最近鄰操作具有封閉性（即若將屬于同一道路特征單元的各特征點(diǎn)作為一個(gè)集合，則與該集合中任何一點(diǎn)最鄰近的特征點(diǎn)仍然屬于該特征點(diǎn)集）。

　　根據(jù)上述性質(zhì)，尋找邊界上存在的最大轉(zhuǎn)角或設(shè)置合理的指標(biāo)閾值（只需針對(duì)有代表性的少量道路數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行簡(jiǎn)單的訓(xùn)練即可得到具有全局適應(yīng)性的閾值），提取符合條件的特征點(diǎn)，再經(jīng)抽稀，最后利用性質(zhì)3設(shè)計(jì)尋找算法，即可得到圖3所示的基本道路形態(tài)特征單元識(shí)別結(jié)果。

　　1.3 道路典型形態(tài)特征單元類型判別

　　經(jīng)1.2小節(jié)中的步驟識(shí)別的道路形態(tài)特征單元，可進(jìn)一步按照表2所列出的判據(jù)進(jìn)行大類、小類（亞類）的細(xì)判，其中符號(hào)★表示根據(jù)屬于同一道路形態(tài)特征單元的特征點(diǎn)集計(jì)算得到的大致中心位置。

　　1.4 道路形態(tài)特征單元的形態(tài)特征部件提取

　　1.3小節(jié)在判斷道路形態(tài)特征單元的類型時(shí)需要利用其某些局部結(jié)構(gòu)特征（本文稱為道路形態(tài)特征單元的形態(tài)特征部件）作為判別的判據(jù)。以下以T形路口為例說(shuō)明提取道路形態(tài)特征單元幾何中心等形態(tài)特征部件的步驟（其余類型的形態(tài)特征部件提取方法類似）。

　　如圖4所示，L1、L2、L3分別是3條道路的中心線，是由各自道路兩側(cè)邊界線上對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)連線的中點(diǎn)相連而成的。中線的端點(diǎn)（圖4中的P1、P2、P3）按所處道路平均寬度的1.3倍確定。圖4中C點(diǎn)為T形路口的中心點(diǎn)，是由T形路口3條邊界線間最小距離和求出的△abc的中心而定的。圓弧P1P2、P2P3、P1P3（實(shí)際會(huì)以直線段P1P3代替）是T形路口各道路中線之間的連接線，車輛在路口轉(zhuǎn)彎時(shí)一般要求行駛在連接線內(nèi)側(cè)。以圓弧P1P2的計(jì)算方法為例：以P1為起點(diǎn)，P2為終點(diǎn)，以P1C和P2C為兩條切線，即可計(jì)算出圓弧P1P2。其他圓弧同理可求。

　　1.5 非典型、較復(fù)雜型道路形態(tài)特征單元的識(shí)別方法

　　非典型和較復(fù)雜型道路形態(tài)特征單元的識(shí)別方法是在典型道路形態(tài)特征單元識(shí)別方法的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)或增加幾個(gè)判斷條件即可（1.2小節(jié)提供的方法已經(jīng)能夠找到非典型、較復(fù)雜型道路形態(tài)特征單元的位置）。如圖5（b）、（c）是典型T形路口的變種，其類型判斷依據(jù)是將表2中典型T形路口的次位判據(jù)修改為道路中線互不垂直或者其中兩條道路中線是曲線。而圖6（b）中環(huán)形路口的判斷需要增加組成它的4個(gè)T形路口空間鄰近的判據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

　　本節(jié)所使用的樣本數(shù)據(jù)是福州市1：500雙線道路數(shù)字線劃圖，如圖7所示，該數(shù)據(jù)部分道路存在一定的拓?fù)溴e(cuò)誤。利用1.2小節(jié)所介紹的性質(zhì)1和性質(zhì)2，設(shè)計(jì)了最大轉(zhuǎn)角法和單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)角法提取道路邊線上的特征點(diǎn)；根據(jù)性質(zhì)3設(shè)計(jì)了道路形態(tài)特征點(diǎn)與特征單元位置匹配的識(shí)別算法。在此基礎(chǔ)上提取了各道路形態(tài)特征單元的形態(tài)特征部件，并完成了其類型的判斷，結(jié)果如圖8所示。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種方法提取的準(zhǔn)確率都達(dá)到了80%以上，提取主干道路交叉口（如圖8兩幅圖中的a、b、c、d、e、f和j、k、l、m、n等處）的準(zhǔn)確率接近100%。算法的準(zhǔn)確率除了受自身因素之外，還受到數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量因素的影響：圖8（a）中的A、B等處，圖8（b）中的R、b、c等處路段的道路邊界線由于特征節(jié)點(diǎn)過(guò)于稀疏而導(dǎo)致算法程序不能判斷為路口或拐彎處。從兩幅圖的對(duì)比中可以看出，最大轉(zhuǎn)角法的識(shí)別成功率高于單位長(zhǎng)度法的識(shí)別成功率，但在某些路段上（如圖8兩圖中的點(diǎn)A、B、X、R及路段g、h、i等處），兩種方法同時(shí)使用可以相互彌補(bǔ)對(duì)方的缺陷，從而在整體上提高道路形態(tài)特征單元識(shí)別的準(zhǔn)確率。

3 結(jié)論

　　目前單、雙線道路形態(tài)特征單元識(shí)別與提取的相關(guān)研究比較少。本文所提方法在查全率和識(shí)別準(zhǔn)確率兩個(gè)方面取得的效果與已有單線道路網(wǎng)中識(shí)別道路交叉口的方法相當(dāng)[4-5]；在穩(wěn)健性、通用性、效率與自動(dòng)化4個(gè)方面優(yōu)于現(xiàn)有雙線網(wǎng)中的識(shí)別方法[7-9]。與參考文獻(xiàn)[5]提出的方法相比較，本文提出的方法雖不能直接整體地識(shí)別大型復(fù)雜平面交叉口（如大型立交橋），但能識(shí)別其局部結(jié)構(gòu)，故可借鑒參考文獻(xiàn)[5]中構(gòu)造模板的方法原理，利用本方法識(shí)別的大型復(fù)雜平面交叉口的局部形態(tài)結(jié)構(gòu)特征構(gòu)造其模板（參照1.5小節(jié)環(huán)形路口的構(gòu)成），最后達(dá)到識(shí)別大型復(fù)雜平面交叉口的目的。

　　進(jìn)一步改進(jìn)本文所提出的算法，使其能夠適應(yīng)道路邊線存在扭曲、交叉和缺失等質(zhì)量問(wèn)題的雙線道路地圖數(shù)據(jù)。同時(shí)在本文提出的識(shí)別道路典型/非典型形態(tài)特征單元方法的基礎(chǔ)上，加入模式識(shí)別的理念，解決本文遺留下來(lái)的復(fù)雜道路形態(tài)特征單元問(wèn)題。最后將本文的研究成果集成到現(xiàn)有雙線道路地圖數(shù)據(jù)處理的相關(guān)算法和有關(guān)應(yīng)用[10]之中，突破現(xiàn)有研究的局限性，是后續(xù)研究的目標(biāo)。

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