摘要：路網(wǎng)數(shù)據(jù)融合是路網(wǎng)數(shù)據(jù)更新以及提升數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要方法之一。而路網(wǎng)數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)在于路網(wǎng)匹配。結(jié)合路網(wǎng)數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，提出了一種顧及路段和結(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系，基于語義、幾何和拓?fù)涠喾N相似度量指標(biāo)的路網(wǎng)匹配算法。通過實(shí)驗(yàn)表明，該算法能在不同尺度的路網(wǎng)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確識(shí)別出互相匹配的路段,具備可操作性和實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：路網(wǎng)匹配；拓?fù)潢P(guān)系；相似度量指標(biāo)

0引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）的運(yùn)用已經(jīng)涵蓋各行各業(yè)。在道路交通領(lǐng)域，已經(jīng)將GIS用于車輛導(dǎo)航、路政設(shè)施管理、交通規(guī)劃、路面管理等各個(gè)方面。目前，我國(guó)路網(wǎng)建設(shè)發(fā)展迅猛，道路空間位置和屬性變化周期大大縮短。及時(shí)準(zhǔn)確地掌握道路空間數(shù)據(jù)，維護(hù)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，關(guān)系到基于路網(wǎng)空間信息各種服務(wù)的準(zhǔn)確性和有效性。由于空間數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng)，花費(fèi)代價(jià)大，特別是路網(wǎng)數(shù)據(jù)其變化周期短，因此很難及時(shí)有效地進(jìn)行更新。在目前的GIS應(yīng)用中，已經(jīng)采用匹配技術(shù)將不同來源和不同尺度的數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合和集成，用以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，解決數(shù)據(jù)不一致等問題［1］。在路網(wǎng)匹配研究中，研究人員已經(jīng)提出了許多路網(wǎng)匹配算法［2-7］，但主要是針對(duì)特定的數(shù)據(jù)源，而且算法主要依靠路段自身的相似性進(jìn)行度量，并沒有顧及路網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)的影響和制約。因此，本文根據(jù)數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，提出一種顧及路段和結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系并基于語義、幾何和拓?fù)涠喾N相似度量指標(biāo)的路網(wǎng)匹配算法，并利用ArcGIS平臺(tái)和Python腳本語言來開發(fā)了相應(yīng)的路網(wǎng)匹配腳本工具。

1路網(wǎng)匹配相似度量指標(biāo)確立

　　路網(wǎng)匹配主要是根據(jù)不同數(shù)據(jù)源中對(duì)同名道路實(shí)體的識(shí)別和數(shù)據(jù)交換，主要識(shí)別路網(wǎng)中的同名路段和同名結(jié)點(diǎn)。根據(jù)路網(wǎng)空間的數(shù)據(jù)特點(diǎn)對(duì)同名實(shí)體之間的相似性進(jìn)行判斷，以此來判斷是否相互匹配。本文根據(jù)數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，建立如下幾種相似度量指標(biāo)。

　　11語義

　　空間數(shù)據(jù)具備豐富的屬性信息，即語義信息。如描述道路的名稱、寬度、長(zhǎng)度等屬性。由于數(shù)據(jù)的多來源和多尺度特點(diǎn)，往往存在屬性缺失。或由于各自領(lǐng)域和專業(yè)的使用習(xí)慣、命名方式和專業(yè)術(shù)語的不同，導(dǎo)致屬性項(xiàng)的不同。因此語義相似度的計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)模型和屬性數(shù)據(jù)模型的依賴很大［1］，往往不同的數(shù)據(jù)需要采用不同的計(jì)算方式。但是在局部區(qū)域中，不同來源的路網(wǎng)空間數(shù)據(jù)，如果存在對(duì)道路實(shí)體唯一和非歧義的描述（例如道路名稱），即可認(rèn)為是同名路段。使用道路名稱進(jìn)行相似度量的前提是數(shù)據(jù)源對(duì)道路名稱描述的字段必須非空。

　　12幾何

　　在GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中，路網(wǎng)數(shù)據(jù)一般以ployline和point的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。路段由ployline構(gòu)成，point是路段的端點(diǎn)和路段之間的交點(diǎn)。ployline由一系列的點(diǎn)按順序構(gòu)成，因此道路實(shí)體的相似可以采用距離和方向等幾何特征來度量。在道路空間數(shù)據(jù)中，距離主要用來描述實(shí)體之間的位置關(guān)系。這里使用歐式距離來進(jìn)行表示，其計(jì)算公式為：

　　其中D 表示點(diǎn)(xs,ys)和點(diǎn)(xt,yt)之間的距離。其主要用于點(diǎn)和點(diǎn)之間、點(diǎn)和線之間匹配的距離度量。由于道路實(shí)體由ployline的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，一條ployline一般由若干個(gè)具有坐標(biāo)的隱藏折點(diǎn)組成的多條線段構(gòu)成，如圖1所示。

　　兩條路段的空間距離可以通過計(jì)算一條路段上的折點(diǎn)P1、P2,…,Pn到另一道路段的最短歐式距離di(i=1,2,…,n)，如圖2所示。然后統(tǒng)計(jì)最短距離小于距離閾值Δd的個(gè)數(shù)，記為m。m/n的值越接近1，則兩條路段互為同名路段的可能性越大。

　　方向主要用來判斷道路實(shí)體的“走向”，是相似性度量的一個(gè)重要參數(shù)。方向主要用路段首尾結(jié)點(diǎn)形成的角度來表示，如圖3所示。

　　弧段的首尾結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為P0(x0,y0)和Pn(xn,yn)，路段的方向角度α可以用計(jì)算公式表示為：

　　13拓?fù)?/strong>

　　拓?fù)湎嗨剖侵覆煌瑪?shù)據(jù)源路段與結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的拓?fù)潢P(guān)系相同的程度。其主要由連接結(jié)點(diǎn)的路段數(shù)量（即結(jié)點(diǎn)的度）以及與結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)路段的方向來進(jìn)行比較和判斷［8］。道路結(jié)點(diǎn)的度類型如表1所示。表1道路結(jié)點(diǎn)的度類型結(jié)點(diǎn)類型結(jié)點(diǎn)的度1234

　　當(dāng)數(shù)據(jù)尺度差異較大時(shí)，依靠結(jié)點(diǎn)度無法進(jìn)行拓?fù)湎嗨贫鹊呐袛?。如圖4所示，結(jié)點(diǎn)A1和B1在空間距離上非常相近，而且具有相同的度，但其不是相互匹配的結(jié)點(diǎn)。因此，采用與結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)路段的方向來對(duì)結(jié)點(diǎn)的類型進(jìn)行進(jìn)一步的判別。以結(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系，計(jì)算路段的方向，根據(jù)其與X軸正方向形成的角度，進(jìn)一步確定結(jié)點(diǎn)是否匹配。

　　14路段匹配判定標(biāo)準(zhǔn)

　　由于道路網(wǎng)是一個(gè)整體的空間結(jié)構(gòu)，如果單獨(dú)采用上述特性進(jìn)行相似判斷，必然會(huì)產(chǎn)生較大的錯(cuò)誤。因此，本文根據(jù)道路網(wǎng)路段和結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，建立參考路網(wǎng)數(shù)據(jù)R和目標(biāo)路網(wǎng)數(shù)據(jù)T路段之間多個(gè)度量指標(biāo)約束的匹配判定標(biāo)準(zhǔn)。如下式所示：

　　式中β表示折點(diǎn)-線匹配的比例系數(shù)的閾值；Dir_Diff(Erij,Etij)表示與結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)路段的方向角度差，Δα表示角度差閾值；Dis(node(Nri),node(Nti))表示路段對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)之間的距離，Δd表示距離閾值；RoadnameErij和RoadnameEtij表示目標(biāo)路段和參考路段名稱，該約束條件在道路名稱屬性不為空的情況下成立。

2匹配算法過程

　　一般來說，在路網(wǎng)拓?fù)渲?，兩條對(duì)應(yīng)的匹配路段，其對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)是匹配的。而兩條路段的結(jié)點(diǎn)匹配，不一定能保證路段之間匹配，但是可以作為路段匹配的約束。根據(jù)上述原則建立的匹配標(biāo)準(zhǔn)，本文從語義、拓?fù)浜蛶缀稳齻€(gè)層次進(jìn)行路網(wǎng)匹配，通過結(jié)點(diǎn)和路段之間的依賴關(guān)系，來確定匹配路段和結(jié)點(diǎn)。如圖5所示。　

　　匹配算法的基本思路如下：

　　(1)根據(jù)道路名稱，選取小比例尺的參考數(shù)據(jù)R=(Er,Nr)和大比例尺的目標(biāo)數(shù)據(jù)T=(Et,Nt)，道路名稱相同的路段Erij、Etij，確定為初始匹配路段，記為初始匹配路段集ME={Erij,Etij}。

　　(2)計(jì)算初始匹配路段首尾結(jié)點(diǎn)NRi、NTi的空間歐式距離d。若d小于距離閾值Δd，則結(jié)點(diǎn)之間相互匹配，記為匹配結(jié)點(diǎn)集MN={NRi,NTi}。

　　(3)遍歷匹配結(jié)點(diǎn)集MN，選取匹配結(jié)點(diǎn)NRi、NTi關(guān)聯(lián)，且方向角度差Δα在閾值之內(nèi)未匹配路段，根據(jù)式(3)計(jì)算指標(biāo)m/n和結(jié)點(diǎn)之間的距離。若均在閾值范圍內(nèi)，則認(rèn)為路段是匹配的，即同名路段。將其加入匹配路段集ME，將與其關(guān)聯(lián)的結(jié)點(diǎn)加入匹配結(jié)點(diǎn)集MN。

　　(4)不斷重復(fù)步驟(2)和(3)，直至參考數(shù)據(jù)中路段和結(jié)點(diǎn)全部遍歷。

　　完成上述步驟后，能將大部分的同名道路實(shí)體識(shí)別出來，主要是進(jìn)行路段1：1的匹配。但由于路網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集來自不同的部門，因此對(duì)道路實(shí)體的空間描述和表達(dá)存在較大的差異，使得同名道路實(shí)體具備多種匹配關(guān)系，如圖6所示，實(shí)線表示小比例尺的參考數(shù)據(jù)R，虛線表示大比例尺目標(biāo)數(shù)據(jù)T。

　　在未匹配的路段中，可能存在n:1、1:n和m:n三種匹配關(guān)系。通過對(duì)參考數(shù)據(jù)集中路段建立一定距離閾值的緩沖區(qū)［5］，根據(jù)緩沖區(qū)與目標(biāo)數(shù)據(jù)集中路段的位置關(guān)系確定候選匹配路段，最后根據(jù)相似度量指標(biāo)確定候選匹配路段是否與參考路段匹配。其原理如下：

　　(1)對(duì)于1:n匹配類型，以參考數(shù)據(jù)中的路段r1，建立半徑為ΔD的緩沖區(qū)，如圖7(a)所示。對(duì)落在緩沖區(qū)中的一系列目標(biāo)弧段{t1,t2,…,tn}，根據(jù)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行連接，將連接后的弧段與參考弧段r1根據(jù)式(3)進(jìn)行相似度量，判斷其是否匹配。

　　(2)對(duì)于n:1和m:n的匹配類型，參考路段建立緩沖區(qū)后，可能沒有完全落在緩沖區(qū)內(nèi)的目標(biāo)路段，若緩沖區(qū)內(nèi)沒有目標(biāo)路段，說明該參考路段無匹配路段。若緩沖區(qū)內(nèi)只存在目標(biāo)路段的一部分，如圖7(b)所示，r2建立緩沖區(qū)后并沒有將t1完全包含進(jìn)去，這時(shí)選擇與r2關(guān)聯(lián)的一條路段。這里假設(shè)選取r3，將r2和r3合并成一條路段，再創(chuàng)建緩沖區(qū)，緩沖區(qū)將包含目標(biāo)路段t1和t2。然后根據(jù)式(3)判斷r2、r3和t1、t2構(gòu)成的整體路段是否匹配。若r2、r3構(gòu)成的整體路段形成的緩沖區(qū)還未完全包含參考路段，則繼續(xù)連接其關(guān)聯(lián)路段創(chuàng)建緩沖區(qū)，直到緩沖區(qū)存在完整的目標(biāo)路段。

　　在緩沖區(qū)增長(zhǎng)法匹配中，可能會(huì)出現(xiàn)如圖8所示的情況。t3、t4構(gòu)成的路段與t1、t2、t3構(gòu)成的路段均可作為參考路段r1的候選匹配路段。在這種情況下，選取各指標(biāo)值更加接近的一組作為匹配路段，即選擇t1、t2、t3與r1匹配。

　　綜上所述，匹配策略主要流程為：先根據(jù)道路名稱進(jìn)行初始路段匹配；由初始匹配路段確定初始匹配結(jié)點(diǎn)；由匹配判斷標(biāo)準(zhǔn)判斷與初始結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)路段的是否匹配，完成路段的1∶1匹配；在未匹配的路段中，對(duì)非1∶1匹配采用緩沖區(qū)增長(zhǎng)匹配進(jìn)行匹配判定。其具體流程如圖9所示。

3算例分析

　　根據(jù)上述匹配算法，本文利用ArcGIS平臺(tái)，結(jié)合Python腳本語言開發(fā)了路網(wǎng)匹配工具。在Python中通過導(dǎo)入ArcPy站點(diǎn)包來訪問ArcGIS的地理處理功能，通過OGR包來讀取道路空間數(shù)據(jù)，并獲取數(shù)據(jù)的屬性信息和幾何信息。利用Python中的函數(shù)來進(jìn)行匹配指標(biāo)計(jì)算。

　　選取面積約為38平方公里的某地區(qū)內(nèi)的不同尺度的路段數(shù)據(jù)，對(duì)本文提出的匹配算法進(jìn)行驗(yàn)證。以小比例尺的作為參考數(shù)據(jù)，大比例尺的作為目標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖10所示。

　　對(duì)提取的路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)涮幚砗吞崛〗Y(jié)點(diǎn)，生成參考路段507條，目標(biāo)路段1 203條；參考結(jié)點(diǎn)324個(gè)，目標(biāo)結(jié)點(diǎn)805個(gè)。再對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和疊加，如圖11所示。從圖中可以看出，盡管路網(wǎng)數(shù)據(jù)的吻合度較高，但是在局部地區(qū)仍然存在著一定的差異。

　　利用路網(wǎng)匹配工具箱對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行匹配，根據(jù)數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量，設(shè)置比例系數(shù)為80%，距離閾值為30 m，方向角度差閾值為15度，緩沖區(qū)半徑為40 m。匹配結(jié)果如圖12所示。對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，路段的匹配率為94%。對(duì)不能進(jìn)行匹配的路段進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于數(shù)據(jù)受到采集以及繪制等各類因素影響，其質(zhì)量無法得到完全保證。在局部區(qū)域，

　　存在著數(shù)據(jù)差異過大的情況，因此導(dǎo)致匹配失敗。但是匹配結(jié)果能與人工檢查結(jié)果保持一致，能將匹配和未匹配的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，方便對(duì)未匹配的路段進(jìn)行人工檢查，具備可操作性和實(shí)用性。

4結(jié)論

　　本文針對(duì)不同尺度下路網(wǎng)匹配的問題，提出一種顧及路段和結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系并基于語義、幾何和拓?fù)涠喾N指標(biāo)的路網(wǎng)匹配算法。其充分利用了路網(wǎng)中結(jié)點(diǎn)和路段的拓?fù)潢P(guān)系，顧及了路網(wǎng)的整體性，而且不需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算及對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行過多的分段處理，使得匹配工作更容易實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有實(shí)用性和可操作性。

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