基于小比例尺基礎(chǔ)地形圖不完整道路數(shù)據(jù)的路網(wǎng)智能構(gòu)建

歐陽芳 鄧吉秋 王路希 李 娜 方青磊

（中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083）

0 引言

城市化的不斷普及，各地交通的迅猛發(fā)展，給路徑分析與交通規(guī)則帶來不便[1－4]。使用計算機技術(shù)模擬、分析道路網(wǎng)交通狀況能有效緩解這些問題[4]。近年來人們在路網(wǎng)構(gòu)建方面做出了很多研究，主要集中在道路網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方面[1－2,5]，針對不完整道路數(shù)據(jù)的研究較少。路網(wǎng)模型的構(gòu)建原理是高精度、準確、盡可能趨于現(xiàn)實的體現(xiàn)道路交通的線性特征和道路數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)，以達到“保障安全、提高效益、改善環(huán)境、節(jié)約能源”的目的[6]。

構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，需要地圖的道路數(shù)據(jù)。然而基礎(chǔ)地形圖道路數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)生產(chǎn)與使用的各個環(huán)節(jié)中可能存在缺失，比如手工數(shù)字化時失誤；掃描底圖時紙質(zhì)損毀；數(shù)據(jù)采集過程失誤；數(shù)據(jù)獲取與更新滯后、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、比例尺變更、數(shù)據(jù)抽稀等，主要體現(xiàn)在圖形拓撲關(guān)系、屬性等方面，存在道路中斷、缺失等一系列問題。若使用不完整道路數(shù)據(jù)構(gòu)建交通路網(wǎng)，將造成部分轉(zhuǎn)向、連接點、邊等網(wǎng)絡(luò)要素的缺失，影響其連通性、網(wǎng)絡(luò)要素的屬性[7]。因此，研究和實施不完整道路數(shù)據(jù)的路網(wǎng)智能構(gòu)建具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

本文針對不完整道路數(shù)據(jù)的路網(wǎng)構(gòu)建問題，基于路網(wǎng)構(gòu)建需符合現(xiàn)實交通的規(guī)則[8]，提出“模糊節(jié)點”的概念，由其實現(xiàn)道路數(shù)據(jù)不完整情況下的道路“跨越式”連接，設(shè)計基于不完整道路數(shù)據(jù)的路網(wǎng)智能構(gòu)造算法，并基于ArcGIS開發(fā)應(yīng)用工具，用實際數(shù)據(jù)對此方法進行檢驗分析。

1 “模糊節(jié)點”及其提取方法

基于現(xiàn)實交通規(guī)則，基礎(chǔ)地形圖中表示居民地的城鎮(zhèn)區(qū)、村落、獨立房屋、居民區(qū)、居民點等處不可能孤立,即至少有一條路徑連通居民地。本文提出在表示居民地采用一定大小的“點”，作為道路網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，這些節(jié)點就是“模糊節(jié)點”,代表地圖中的連接要素，其大小代表人口數(shù)量、居民區(qū)大小，決定其連接范圍。以這些“模糊節(jié)點”為軸心并遵循一定的規(guī)則，與外圍已有道路網(wǎng)“跨越式”連接，就是不完整道路的自動完善過程。

綜合考慮基礎(chǔ)地形圖的精度劃分，“模糊節(jié)點”一般適用于小于1:2.5萬基礎(chǔ)地形圖。比例尺大于1:2.5萬時，基礎(chǔ)地形圖的道路數(shù)據(jù)已經(jīng)詳細到城區(qū)道路，居民聚居地已經(jīng)是路網(wǎng)中的節(jié)點。比例尺小于1:25萬時，道路數(shù)據(jù)不夠詳細，“模糊節(jié)點”擴展到外圍道路網(wǎng)生成的道路將不符合實際。此外，基礎(chǔ)地形圖比例尺在1:25萬和1:2.5萬間的前提下，還需保證道路數(shù)據(jù)和“模糊節(jié)點”源數(shù)據(jù)為相同或相近比例尺，否則將造成路網(wǎng)的混亂。比如1:2.5萬基礎(chǔ)地形圖中居民地數(shù)據(jù)提取的“模糊節(jié)點”擴展到基于1:25萬基礎(chǔ)地形圖的路網(wǎng)中，將出現(xiàn)如下情況：“模糊節(jié)點”“跨越式”連接到路網(wǎng)，密集的“模糊節(jié)點”新生成的道路將大量相交、重疊，此時需對居民地數(shù)據(jù)進行地圖綜合，通過選取和概括使居民地數(shù)據(jù)詳細程度與道路數(shù)據(jù)相當(dāng)，再提取 “模糊節(jié)點”。相似的，1:25萬基礎(chǔ)地形圖中居民地數(shù)據(jù)提取的“模糊節(jié)點”擴展到基于1:2.5萬基礎(chǔ)地形圖的路網(wǎng)中，將出現(xiàn)如下情況：“模糊節(jié)點”“跨越式”連接到路網(wǎng)沒有實際意義。

2 基于“模糊節(jié)點”的路網(wǎng)智能構(gòu)建技術(shù)

基于“模糊節(jié)點”的路網(wǎng)智能構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)包括路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的建立、地圖綜合、提取“模糊節(jié)點”和“跨越式”連接規(guī)則及流程設(shè)置。本文采用ArcCatalog創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集完成路網(wǎng)構(gòu)建。此過程需注意道路的屬性是路網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要組成部分。除道路基本信息外，對網(wǎng)絡(luò)分析的要求越高，需要采集的道路屬性就越多，比如轉(zhuǎn)向設(shè)置、限高、限重、車型限制等[1]。居民地數(shù)據(jù)則需要人口、居民區(qū)面積等參數(shù)。地圖綜合單指上文提到的居民地數(shù)據(jù)詳細程度遠超道路數(shù)據(jù)時進行。本文采用ArcGIS工具箱中 Toolbox－Data Management tools的 Generailzation目錄下的collapse Dual Lines To Centerline工具實現(xiàn)，參數(shù)設(shè)置與不同比例尺基礎(chǔ)地形圖制圖綜合時參數(shù)一致。

2.1 提取“模糊節(jié)點”

根據(jù)“模糊節(jié)點”的定義，提取“模糊節(jié)點”流程圖如右下圖1，提取流程如下：（1）在居民區(qū)圖層每個要素重心位置點處創(chuàng)建 “模糊節(jié)點”，要素面積或人口總數(shù)決定此“模糊節(jié)點”輻射半徑屬性；（2）居民點圖層每個要素點處創(chuàng)建“模糊節(jié)點”，人口總數(shù)決定輻射半徑屬性；（3）合并兩個“模糊節(jié)點”圖層。

2.2 “跨越式”連接規(guī)則及流程設(shè)置

圖1 “模糊節(jié)點”提取流程圖Fig.1 Flow chart of extraction“Fuzzy node”

基于路網(wǎng)連通性及符合實際交通的規(guī)則，“跨越式”連接操作流程如下：（1）當(dāng)任意兩個“模糊節(jié)點”間的距離小于其輻射距離之和時，連接這兩個“模糊節(jié)點”生成臨時道路；（2）當(dāng)任意“模糊節(jié)點”到道路網(wǎng)可連接點的最近距離小于此“模糊節(jié)點”的輻射距離時，則連接此“模糊節(jié)點”和最近點；（3）將目前還孤立的“模糊節(jié)點”連接到最近的（1）、（2）步新生成的道路或者原始道路網(wǎng)中可連接處，使這個連接線段最短；（4）對新生成道路圖層進行拓撲檢查，拓撲規(guī)則有：不重疊、不相交、無偽節(jié)點、不自重疊、不自相交、要素為單一部分；（5）將新生成道路圖層中孤立的線段連接到最近的其他線段或者原始道路網(wǎng)中可連接處，使這個連接線段最短；（6）對新生成道路圖層進行拓撲檢查（如（4）中規(guī)則），并賦值其與原始道路相同的屬性；（7）合并新生成道路圖層與原始道路圖層，對此圖層進行拓撲檢查（如（4）中規(guī)則），得到構(gòu)建路網(wǎng)道路數(shù)據(jù)圖層。上述流程中涉及到的點線、點點、線線等各種要素的最近距離表可由ArcGIS應(yīng)用程序中的近鄰分析功能求出。最近距離點位置可由ArcMap導(dǎo)出距離表格并使用ArcMap的添加XY數(shù)據(jù)功能添加到圖層。

3 基于“模糊節(jié)點”的路網(wǎng)智能構(gòu)建應(yīng)用與分析

本文以1:5萬湘西土家族苗族自治州的基礎(chǔ)地形圖為基礎(chǔ)創(chuàng)建路網(wǎng)。源數(shù)據(jù)有道路圖層、居民區(qū)、點圖層，居民地數(shù)據(jù)不需地圖綜合?！澳：?jié)點”圖層由上文3.3提出的“模糊節(jié)點”提取流程獲得。完整道路數(shù)據(jù)是在不完整道路數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將“模糊節(jié)點”按照“跨越式”連接流程連接到不完整道路上生成的。這個過程使整個道路網(wǎng)更符合實際交通并提高了道路數(shù)據(jù)的詳細程度。分別為以原始道路和智能完整道路為基礎(chǔ)構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集[8]，并以此為基礎(chǔ)進行分析，此處以最短時間路徑分析為例，下圖2中左右側(cè)網(wǎng)絡(luò)分析分別采用原始道路和智能完整后道路構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，路徑分析時起、終點相同，為點①、點②，路徑分析結(jié)果分別為最短路徑1、最短路徑2（如下圖2所示）。

圖2 最短路徑對比（左側(cè)路徑1，右側(cè)路徑2）Fig.2 Comparative of Shortest Path(the left is Path-1,the right is Path-2)

由上圖2分析知，由于起點①與終點②間在“模糊節(jié)點”“跨越式”連接到路網(wǎng)過程中有新增路徑，導(dǎo)致起點①與終點②間的最短路徑分析結(jié)果發(fā)生了改變，新路徑2通過了新生成路徑，以致比源路徑1耗時更少。

4 結(jié)束語

本文提出了“模糊節(jié)點”的概念，并以其為基礎(chǔ)實現(xiàn)了不完整道路通過“模糊節(jié)點”跨越式連接路網(wǎng)，從而快速的建立真實的道路網(wǎng)絡(luò)。本文實例基于ArcGIS平臺，采用1:5萬湘西土家族苗族自治州的居民地數(shù)據(jù)，對路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行了自動完善。這充分證明了“模糊節(jié)點”概念的可行性與優(yōu)越性，其構(gòu)建的路網(wǎng)數(shù)據(jù)模型能夠使路網(wǎng)更精確，為交通規(guī)劃預(yù)測提供更好的指導(dǎo)作用。

本文的研究解決部分道路缺失時的路網(wǎng)構(gòu)建問題，但還有一些問題需要進一步的改進和完善。如“模糊節(jié)點”的輻射半徑設(shè)置如何更符合實際交通；如何使“模糊節(jié)點”與更多的無關(guān)聯(lián)道路數(shù)據(jù)（湖泊、河流）結(jié)合起來；如何使自動完善的道路更符合現(xiàn)實，譬如把簡單的兩點相連改進為考慮坡度、地物等因素等等。這些都是值得探討的問題。

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