基于矢量數(shù)據(jù)的道路網(wǎng)變化檢測(cè)算法研究

沙玉坤，趙 榮，沈 晶，梁 勇

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018;2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100039)

基于矢量數(shù)據(jù)的道路網(wǎng)變化檢測(cè)算法研究

沙玉坤1，2，趙 榮2，沈 晶2，梁 勇1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018;2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100039)

通過(guò)對(duì)地圖矢量數(shù)據(jù)之間自動(dòng)變化檢測(cè)方法之三元組算法的研究，利用圖形差( 、圖形被差(/)，圖形交(∩)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于三元組的變化檢測(cè)模型，并根據(jù)三元組集合算法中元素的?與??，自動(dòng)檢測(cè)出線狀矢量數(shù)據(jù)的新增、消失、延長(zhǎng)、縮短、形變等5種變化類型的檢測(cè)結(jié)果，最后以青海省雜多縣、玉樹縣地區(qū)的道路網(wǎng)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得道路網(wǎng)變化檢測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證算法的合理性。

矢量數(shù)據(jù);變化檢測(cè);三元組;變化類型

一、引 言

變化檢測(cè)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，對(duì)不同時(shí)段目標(biāo)或現(xiàn)象狀態(tài)發(fā)生的變化進(jìn)行識(shí)別、分析，包括變化檢測(cè)、變化定位、變化區(qū)分及起因分析等的關(guān)鍵技術(shù)，是目前數(shù)字圖像處理與理解領(lǐng)域內(nèi)的前沿分支。按照不同的應(yīng)用和數(shù)據(jù)源，將變化檢測(cè)劃分為4類：新影像和老影像間的變化檢測(cè)、新影像和老地圖間的變化檢測(cè)、新地圖和老地圖間的變化檢測(cè)，以及多源數(shù)據(jù)和老地圖/影像間的變化檢測(cè)。目前研究?jī)?nèi)容多集中在影像間的變化檢測(cè)［1］，這種變化檢測(cè)方法有圖像差值法、圖像比值法、圖像回歸法、主分量分析法和分類后比較法。而對(duì)用地圖與地圖之間矢量數(shù)據(jù)變化檢測(cè)的研究很少［2］。從現(xiàn)有的變化檢測(cè)方法和相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)：矢量數(shù)據(jù)變化檢測(cè)算法較少，并大多存在漏檢問題［3］，而且矢量數(shù)據(jù)的變化檢測(cè)缺乏合適的變化檢測(cè)模型和理論基礎(chǔ)。

本文在研究不同時(shí)態(tài)空間特征實(shí)體疊加差的基礎(chǔ)上，利用圖形差( 、圖形被差(/)、圖形交(∩)組建集合的方法，建立矢量數(shù)據(jù)三元組的變化檢測(cè)模型，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果從整體性和綜合性等方面進(jìn)一步劃分變化類型。最后通過(guò)對(duì)青海西部(雜多—玉樹地區(qū))道路網(wǎng)的試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析了雜多—玉樹地區(qū)道路網(wǎng)的時(shí)態(tài)變化，檢驗(yàn)了該算法的合理性。

二、變化檢測(cè)

本文從兩個(gè)不同時(shí)態(tài)的整個(gè)區(qū)域要素圖形的完整性出發(fā)，將空間要素的t1時(shí)刻與t2時(shí)刻進(jìn)行比對(duì)，找出t1～t2時(shí)段間，哪些空間要素發(fā)生了變化，但是并不需要先挖掘出具體的哪個(gè)要素發(fā)生了哪種變化事件，即忽略掉單個(gè)空間實(shí)體的變化事件。以同一區(qū)域內(nèi)所有要素為出發(fā)點(diǎn)，將不同歷史時(shí)期的快照數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)相關(guān)組合條件得到持續(xù)狀態(tài)下的空間要素，將變化的空間要素與未變化的空間要素徹底分離，并劃分變化類型［4-5］。

1.變化檢測(cè)方法

目前基于矢量匹配檢測(cè)的算法仍不成熟，主要利用集合的觀點(diǎn)，通過(guò)快照對(duì)比將圖形差( 、圖形被差(/)、圖形交(∩)組成約束條件來(lái)研究和判斷目標(biāo)的變化。

定義1：設(shè)G1、G2分別為目標(biāo)Oi在t1和t2時(shí)刻的空間圖形，G1G2為那些屬于G1但在G2不再存在的空間圖形，即消失的那部分圖形，稱為負(fù)差，用{e|∈G1且?(e∈G2)}表示。

定義2：設(shè)G1、G2分別為目標(biāo)Oi在t1和t2時(shí)刻的空間圖形，G1/G2則代表增加的圖形部分，即正差，用{e|∈G2且?(e∈G1)}表示。

定義3：設(shè)G1、G2分別為目標(biāo)Oi在t1和t2時(shí)刻的空間圖形，G1∩G2則代表G1與G2的公共部分或不變部分，即交，用{e|e∈G1且e∈G2}表示。

如圖1所示，若將目標(biāo)Oi在t1和t2時(shí)刻的圖形G1、G2投影到同一空間上，G1與G2之間存在著差、被差、交3種關(guān)系。為便于討論，記G1G2為α，G1/G2為 γ，G1∩G2為 β，形成了基于“”、“/”、“∩”的目標(biāo)快照差三元組描述模型

采用目標(biāo)快照差三元組描述模型，首先對(duì)線目標(biāo)的快照差進(jìn)行正則集合運(yùn)算和判斷，分別判斷三元組的取值為空或非空，剔除實(shí)際不存在的情況，并排除幾何圖形保持不變的情況，得出6種具有實(shí)際意義的線目標(biāo)快照差類型，如表1前6項(xiàng)所示。

圖1 線狀目標(biāo)的快照差

表1 線目標(biāo)的快照差類型

在顧及語(yǔ)義的基礎(chǔ)上，將其劃分為新增(? ? ??)、消失(?? ? ?)、延長(zhǎng)(? ??

??)、縮短(?? ?? ?)，并且將(?? ? ??)與(?? ?? ??)歸結(jié)為變形變化，所以將利用新增、消失、延長(zhǎng)、縮短、變形等5種變化［6］對(duì)道路網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.變化檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)步驟

根據(jù)以上的變化檢測(cè)算法，在 Visual Studio 2005的開發(fā)環(huán)境下構(gòu)建試驗(yàn)系統(tǒng)，完成了對(duì)道路的變化檢測(cè)。其實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1)通過(guò)CreateFeatureBuffer新建緩沖要素，待緩沖要素個(gè)數(shù)達(dá)到某一閾值后，利用空間分析工具分別提取圖形差、圖形交、圖形被差的Layer圖層。

2)構(gòu)造一個(gè)查詢過(guò)濾 QueryFilter對(duì)象通過(guò)Search方法來(lái)返回要素游標(biāo)，該游標(biāo)的NextFeature屬性返回IFeature接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形差、圖形交、圖形被差3個(gè)Layer圖層中Feature要素的遍歷，并生成差、交、被差3個(gè)集合。

3)提取差、交、被差3個(gè)Layer上不重復(fù)的Feature，組成temp臨時(shí)集合。

4)利用temp臨時(shí)集合中的每一個(gè)要素，分別遍歷差、交、被差3個(gè)集合，提取出3個(gè)集合中??的要素。

5)根據(jù)式(1)可以得到每個(gè)要素不同的變化類型。

6)在map中顯示變化檢測(cè)結(jié)果。變化檢測(cè)技術(shù)路線如圖2所示。

三、變化檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

本試驗(yàn)采用1∶25萬(wàn)的青海西部(雜多—玉樹地區(qū))兩個(gè)時(shí)期(2000年、2007年)的道路網(wǎng)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從整個(gè)區(qū)域要素圖形的完整性出發(fā)，將道路網(wǎng)的2000年與2007年進(jìn)行比對(duì)，找出8年間的變化要素，但并不考慮單個(gè)空間實(shí)體的變化事件。筆者在這里利用基于目標(biāo)差、被差和交的三元組描述方法，通過(guò)對(duì)三元組集合中算子的空或非空來(lái)判斷變化檢測(cè)類型。

由于精度的要求和方便統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)雜多—玉樹所在地區(qū)分成了3幅圖幅進(jìn)行變化檢測(cè)和類型分析，根據(jù)道路網(wǎng)屬性表中的GB屬性劃分道路等級(jí)后，其變化檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)圖3可以看出，雜多—玉樹地區(qū)變化類型長(zhǎng)度排序：形變＞新增＞消失＞縮短＞延長(zhǎng)。

可以通過(guò)表2得出雜多—玉樹地區(qū)新舊兩個(gè)歷史時(shí)期道路網(wǎng)中發(fā)生變化的各等級(jí)公路情況。

圖2 變化檢測(cè)技術(shù)路線流程圖

圖3 道路網(wǎng)各變化類型長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)柱狀圖

1)新增變化的各等級(jí)公路為：國(guó)家干線公路，縣、鄉(xiāng)及其他公路，小路，鄉(xiāng)村路，省干線公路;變化長(zhǎng)度為：國(guó)家干線公路＞縣、鄉(xiāng)及其他公路＞小路＞鄉(xiāng)村路＞省干線公路。

2)消失變化的各等級(jí)公路為：鄉(xiāng)村路，省干線公路，小路，縣、鄉(xiāng)及其他公路;變化長(zhǎng)度為：鄉(xiāng)村路＞省干線公路＞小路＞縣、鄉(xiāng)及其他公路。

3)延長(zhǎng)變化的各等級(jí)公路為：鄉(xiāng)村路，省干線公路，小路，縣、鄉(xiāng)及其他公路;變化長(zhǎng)度為：鄉(xiāng)村路＞省干線公路＞小路＞縣、鄉(xiāng)及其他公路。

4)縮短變化的各等級(jí)公路為：小路，草繪縣、鄉(xiāng)及其他公路，國(guó)家干線公路，縣、鄉(xiāng)及其他公路;變化長(zhǎng)度為：小路＞草繪縣、鄉(xiāng)及其他公路＞國(guó)家干線公路＞縣、鄉(xiāng)及其他公路。

5)形變變化的各等級(jí)公路為：省干線公路，國(guó)家干線公路，縣、鄉(xiāng)及其他公路，小路，草繪縣、鄉(xiāng)及其他公路，鄉(xiāng)村路，大車路;變化長(zhǎng)度為：省干線公路＞國(guó)家干線公路＞縣、鄉(xiāng)及其他公路＞小路＞草繪縣、鄉(xiāng)及其他公路＞鄉(xiāng)村路＞大車路。

而雜多—玉樹地區(qū)變化類型長(zhǎng)度排序：形變＞新增＞消失＞縮短＞延長(zhǎng)，說(shuō)明該地區(qū)對(duì)于修建和改造道路的投入越來(lái)越大，這也與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展成正比。

表2 變化類型與各級(jí)道路變化長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表 m

四、總 結(jié)

本文提出建立的利用目標(biāo)快照差的三元組描述模型，可以從全要素的角度解決矢量圖形變化檢測(cè)的問題，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：① 參與集合構(gòu)成的3部分要素互不包含，彼此獨(dú)立，且共同構(gòu)成了時(shí)空目標(biāo)的全集，完全剖析了時(shí)空目標(biāo)的變化［7］;②從集合運(yùn)算的結(jié)果來(lái)看，集合運(yùn)算是同維數(shù)的圖形計(jì)算，只需判斷計(jì)算結(jié)果為空或非空即可，而無(wú)需從理論上分析集合運(yùn)算可能產(chǎn)生低維數(shù)的圖形;③對(duì)于參與集合運(yùn)算的對(duì)象來(lái)說(shuō)，分別對(duì)道路網(wǎng)目標(biāo)快照差進(jìn)行分類，滿足了GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中不同地物要素類型的變化分類。另外這種方法是從目標(biāo)要素的整體性上出發(fā)，省略了對(duì)單個(gè)目標(biāo)要素變化事件的研究，提高了變化檢測(cè)的效率。對(duì)于基于矢量數(shù)據(jù)變化檢測(cè)方法的研究，今后應(yīng)進(jìn)一步深入研究目標(biāo)要素的變化模式和變化類型的劃分方法，并且建立對(duì)多目標(biāo)、不同類型實(shí)體的變化檢測(cè)模型，從而使矢量數(shù)據(jù)變化檢測(cè)效率更高、應(yīng)用范圍更廣。

［1］ 陳軍，王東華，商瑤玲，等.國(guó)家1∶50000數(shù)據(jù)庫(kù)更新工程總體設(shè)計(jì)研究與技術(shù)創(chuàng)新［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010， 39(1)：7-10.

［2］ 陳軍，趙仁亮，王東華.基礎(chǔ)地理信息動(dòng)態(tài)更新技術(shù)體系初探［J］.地理信息世界，2007，5(5)：4-9.

［3］ 李宇光，李連營(yíng)，李清泉，等.基于柵格化思想的矢量電子地圖幾何變化檢測(cè)［J］.地理空間信息，2010，8(1)：142-146.

［4］ 陳軍，李志林，蔣捷，等.基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)的持續(xù)更新問題［J］.地理信息世界，2004，2(5)：1-5.

［5］ 朱華吉.基于多級(jí)模式的地形數(shù)據(jù)庫(kù)變化信息發(fā)布方法［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，25(1)：32-35.

［6］ 陳軍，周曉光.基于拓?fù)渎?lián)動(dòng)的增量更新方法研究——以地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)為例［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2008，37(3)：322-337.

［7］ CHRISTOPHE C，BIN J.An Integrated Representation of Spatial and Temporal Relationships between Evolving Regions［J］.Journal of Geographical Systems，2001，3(4)：411-428.

Research on Change Detection Algorithm of Road Network Based on Vector Data

SHA Yukun，ZHAO Rong，SHEN Jing，LIANG Yong

0494-0911(2012)09-0029-03

P208

B

2011-10-25

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(7771025)

沙玉坤(1986—)，男，山東泰安人，碩士生，主要研究方向?yàn)?S集成、空間數(shù)據(jù)處理。