城市地下管線空間數(shù)據(jù)匹配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧曉紅，馮劍橋，周 靜，朱雪虹，張書亮,3

(1. 南京市城市地下管線數(shù)字化管理中心，江蘇 南京 210000； 2. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023； 3. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023)

當(dāng)前，我國城市地下管線數(shù)據(jù)包括綜合地下管線數(shù)據(jù)與專業(yè)地下管線數(shù)據(jù)兩大類，分別由城市規(guī)劃部門與各管線權(quán)屬單位管理、維護(hù)。綜合地下管線數(shù)據(jù)位置精準(zhǔn)、屬性簡單，以其為基礎(chǔ)形成的城市綜合地下管線地理信息系統(tǒng)可服務(wù)于城市規(guī)劃與建設(shè)；專業(yè)地下管線數(shù)據(jù)分類細(xì)致、屬性豐富、現(xiàn)勢性強(qiáng)，以其為基礎(chǔ)形成的城市專業(yè)地下管線地理信息系統(tǒng)可用于電力、燃?xì)?、給水、通信等行業(yè)的管線建設(shè)與維護(hù)。

基于不同的探測技術(shù)與應(yīng)用目的，由不同單位采集的同一區(qū)域的綜合地下管線數(shù)據(jù)與專業(yè)地下管線數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)模型、位置精度與屬性信息等方面存在一定差異[1]，由此產(chǎn)生的“兩套數(shù)據(jù)、兩個(gè)系統(tǒng)”的管理模式[2]阻礙了管線信息化與深層次應(yīng)用工作的開展，嚴(yán)重影響不同單位間管線數(shù)據(jù)的集成融合與共享交換。因此，如何實(shí)現(xiàn)兩類地下管線空間數(shù)據(jù)匹配是目前地下管線信息化工作中亟待解決的問題之一。

基于此，本文結(jié)合兩類管線數(shù)據(jù)的特征，構(gòu)建管線層次匹配模型，研究管點(diǎn)相似性計(jì)算方法，開發(fā)城市地下管線空間數(shù)據(jù)匹配系統(tǒng)，為城市地下管線數(shù)據(jù)的集成與融合提供軟件支撐，促進(jìn)管線空間數(shù)據(jù)的共享與深層次應(yīng)用。

1 管線層次匹配模型

傳統(tǒng)管線數(shù)據(jù)匹配模型主要借鑒矢量數(shù)據(jù)匹配模型，將連通管線視為獨(dú)立的點(diǎn)、線集合，分別對離散的點(diǎn)、線進(jìn)行匹配，忽視了數(shù)據(jù)的整體性，易造成匹配錯(cuò)誤。本文在傳統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)匹配模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩類城市地下管線空間數(shù)據(jù)特征，提出了管線空間數(shù)據(jù)層次匹配模型，從整體與局部兩個(gè)層次進(jìn)行管線數(shù)據(jù)匹配，如圖1所示。根據(jù)地下管線數(shù)據(jù)整體性的特征，本文提出了管線Stroke[3-5]的概念，即由局部的管段生成整體的管線骨架線?；诠芫€骨架線的匹配從宏觀角度實(shí)現(xiàn)了管線結(jié)構(gòu)的匹配，將匹配由單一的管段、管點(diǎn)上升至整個(gè)管線。在管線整體匹配的基礎(chǔ)上再進(jìn)行局部匹配即管點(diǎn)匹配，由干網(wǎng)到支網(wǎng)分層進(jìn)行。

圖1 管線空間數(shù)據(jù)層次匹配模型

管線骨架線提取的核心是構(gòu)造管線Stroke，即基于一定的連接規(guī)則與連接策略選擇合適的管段合并為Stroke。根據(jù)管線Stroke的長度指標(biāo)提取管線骨架線后，采用緩沖區(qū)疊置法進(jìn)行管線骨架線匹配。

匹配控制點(diǎn)的概念借鑒了測量學(xué)中的“控制點(diǎn)”概念。管點(diǎn)匹配前，需在區(qū)域內(nèi)選取一系列點(diǎn)作為整個(gè)區(qū)域匹配的參照點(diǎn)。本文通過管線骨架線的關(guān)聯(lián)關(guān)系確定匹配控制點(diǎn)。

管點(diǎn)分層匹配通過計(jì)算管點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)相似性、語義相似性[6]與幾何相似性，構(gòu)建候選匹配集合，依據(jù)匹配的策略與規(guī)則對其按照先干網(wǎng)后支網(wǎng)的順序進(jìn)行匹配。

2 相似性計(jì)算方法

2.1 結(jié)構(gòu)相似性計(jì)算

本文在計(jì)算管線結(jié)構(gòu)相似性時(shí)，參照文獻(xiàn)[1]中的管線空間結(jié)構(gòu)相似性計(jì)算方法，綜合管段的方向、長度及管點(diǎn)關(guān)聯(lián)管段的數(shù)量進(jìn)行管線結(jié)構(gòu)相似性計(jì)算。

設(shè)綜合管線中管點(diǎn)A，其關(guān)聯(lián)管段數(shù)量為m，分別為la1、la2、la3、…、lam。根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)或指定閾值，依次選取專業(yè)管線中與管點(diǎn)A的距離小于最大距離ε的管點(diǎn)B作為管點(diǎn)A的待匹配點(diǎn)。管點(diǎn)B關(guān)聯(lián)管段數(shù)量為n，分別為lb1、lb2、lb3、…、lbn。計(jì)算管段la1與lb1之間的相似性即計(jì)算2個(gè)管段對應(yīng)向量的相似度。假設(shè)la1長度大于lb1，則以管點(diǎn)A為起點(diǎn)，在管段la1上截取一段長度與lb1相等的距離，截點(diǎn)為C，記lb1的另一端點(diǎn)為B′，令i=AC,j=BB′，則向量的相似度為

(1)

在管點(diǎn)A關(guān)聯(lián)管段與管點(diǎn)B關(guān)聯(lián)管段相似性計(jì)算的基礎(chǔ)上，參照圖論中二分圖最優(yōu)匹配方法求解向量相似度之和最大的管點(diǎn)對，即為最優(yōu)匹配。

2.2 語義相似性計(jì)算

混合模型綜合考量概念的層次結(jié)構(gòu)與其屬性集合，語義相似度計(jì)算公式為

(2)

式中,l為概念節(jié)點(diǎn)Ci、Cj共同且最近的父節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)間的距離；dCi、dCj分別為Ci和Cj與二者共同且最近的父節(jié)點(diǎn)間的距離；a(Ci,Cj)為Ci、Cj共同且最近的父節(jié)點(diǎn)與Ci、Cj間的距離，計(jì)算公式為

(3)

本文通過對綜合地下管線與專業(yè)地下管線數(shù)據(jù)體系的分析，建立統(tǒng)一的綜合地下管線與專業(yè)地下管線的語義層次樹，以滿足各個(gè)概念語義相似性的計(jì)算，以給水管點(diǎn)為例說明，如圖2所示。

綜合地下管線中概念I(lǐng)zh與專業(yè)地下管線中概念I(lǐng)zy的語義相似度計(jì)算公式為

simp(Izh,Izy)=wSs(Izh,Izy)+vSf(Izh,Izy)

(4)

式中，w與v分別為概念名稱相似度與屬性相似度在語義相似度計(jì)算中的權(quán)重，其和為1；Ss為Izh與Izy的概念名稱相似度，根據(jù)式(2)與式(3)計(jì)算；Sf為Izh與Izy的屬性相似度，根據(jù)Tversky定義的相似度模型計(jì)算公式計(jì)算。若2個(gè)概念“同義不同名”，則其語義相似度為1。因此，需建立同義詞集，解決“同義不同名”的問題。

圖2 語義樹(以給水管點(diǎn)為例)

2.3 幾何相似性計(jì)算

幾何相似性計(jì)算包括管點(diǎn)的空間距離、管線的空間距離及方向3方面的計(jì)算。管點(diǎn)的空間距離采用歐氏距離計(jì)算。管線的方向包括整體方向與局部方向，整體方向由管段起止管點(diǎn)連線與水平方向的夾角表示，局部方向由管線上管點(diǎn)切線與水平方向的夾角表示。

H(lAA′,lBB′)=max{h(M,N),h(N,M)}

(5)

式中

h(M,N)=max{min{d(a,b)}}a∈M,b∈N

(6)

式中，a、b分別為集合M、N中的點(diǎn)；d(a,b)為兩點(diǎn)間距；h(M,N)為集合M中各點(diǎn)與N中各點(diǎn)的最小距離中的最大值。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)地下管線管理部門的應(yīng)用需求，本文將地下管線空間數(shù)據(jù)匹配系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)管理、地圖操作、管線數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)查詢4個(gè)功能模塊，如圖3所示。

系統(tǒng)管理包括用戶管理與參數(shù)設(shè)置功能，其中參數(shù)設(shè)置包括管線匹配所需的連接規(guī)則、連接策略、匹配閾值與匹配過程中兩類管線空間數(shù)據(jù)的關(guān)鍵屬性字段的設(shè)置。地圖操作提供地圖放大縮小、平移、單雙視圖切換等基本工具。數(shù)據(jù)查詢提供管線數(shù)據(jù)匹配結(jié)果的可視化功能。

管線數(shù)據(jù)匹配[8-9]是整個(gè)系統(tǒng)的核心功能模塊，包括以下功能：

圖3 系統(tǒng)功能

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理[10]主要功能是通過添加對象ID、去除懸掛線、計(jì)算起止點(diǎn)等處理，使待匹配的地下管線數(shù)據(jù)滿足后續(xù)匹配的要求，并且建立管線Stroke圖層與管線Stroke緩沖區(qū)圖層。

(2) 管線匹配。管線匹配主要功能是構(gòu)造管線Stroke與管線骨架線提取、匹配，把握管網(wǎng)形態(tài)，為后續(xù)管點(diǎn)匹配作準(zhǔn)備。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的連接規(guī)則與策略將零散的管段連接形成連續(xù)的管線Stroke，以其長度為指標(biāo)提取管線骨架線，根據(jù)兩類管線骨架線緩沖區(qū)疊置率匹配骨架線。

(3) 管點(diǎn)匹配。管點(diǎn)匹配包括匹配控制點(diǎn)的確定、干網(wǎng)管點(diǎn)匹配、支網(wǎng)管點(diǎn)匹配及管點(diǎn)補(bǔ)充匹配4個(gè)層次。管點(diǎn)匹配以管線骨架線匹配為基礎(chǔ)，根據(jù)管線骨架線的關(guān)聯(lián)關(guān)系確定匹配控制點(diǎn)；計(jì)算兩類管線數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、幾何、語義相似性，根據(jù)一定的匹配規(guī)則篩選管點(diǎn)對作為干網(wǎng)匹配管點(diǎn)；在干網(wǎng)匹配的基礎(chǔ)上對支網(wǎng)管點(diǎn)進(jìn)行匹配；最后對未匹配的管點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充匹配。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

城市地下管線空間數(shù)據(jù)匹配原型系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，基于C#語言與ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，界面如圖4所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用南京市某區(qū)域的綜合給水管線與專業(yè)給水管線數(shù)據(jù)，分別按照管點(diǎn)、管線圖層存儲(chǔ)，見表1。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、管線骨架線提取與匹配、管點(diǎn)匹配3個(gè)階段，形成管點(diǎn)匹配結(jié)果見表2。

圖4 系統(tǒng)界面

管線類型管點(diǎn)數(shù)圖層數(shù)管段數(shù)總長度/m綜合管線1080211253996191.85專業(yè)管線9657181132394700.50

表2 管點(diǎn)匹配結(jié)果

3.3 結(jié)果評價(jià)

為檢驗(yàn)系統(tǒng)匹配結(jié)果，本文選取小區(qū)域管線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該區(qū)域綜合管點(diǎn)共529個(gè)、管段共527條，專業(yè)管點(diǎn)共623個(gè)、管段共623條。人工判讀529個(gè)綜合管點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，其中共479個(gè)可匹配管點(diǎn)，50個(gè)綜合管點(diǎn)無法與專業(yè)管點(diǎn)匹配。系統(tǒng)匹配形成287對匹配管點(diǎn)，其中正確匹配280對，錯(cuò)誤匹配7對。

傳統(tǒng)管線數(shù)據(jù)匹配方法著眼于管點(diǎn)且受相似度權(quán)重的影響。本文層次匹配模型結(jié)合管網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)，從整體到局部，從管線到管點(diǎn)進(jìn)行匹配，減少了匹配錯(cuò)誤的出現(xiàn)。部分區(qū)域傳統(tǒng)方法與本文方法匹配結(jié)果的對比如圖5所示。

兩類管線數(shù)據(jù)之間除存在1∶1的關(guān)系外，還存在1∶0、1∶n等關(guān)系(如圖6所示)，導(dǎo)致大量管點(diǎn)無法找到相應(yīng)的匹配點(diǎn)，因此系統(tǒng)匹配后仍存在未匹配點(diǎn)。錯(cuò)誤匹配原因是本文未對補(bǔ)充匹配結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與修正。

圖5 傳統(tǒng)方法與本文方法匹配結(jié)果對比圖

圖6 兩類管線數(shù)據(jù)分布圖

4 結(jié) 語

“兩套數(shù)據(jù)、兩個(gè)系統(tǒng)”的管理模式，嚴(yán)重影響了不同單位間管線數(shù)據(jù)的集成融合與共享交換。為解決上述問題，本文結(jié)合綜合地下管線與專業(yè)地下管線數(shù)據(jù)的特征，構(gòu)建了包含管線骨架線整體匹配與管點(diǎn)局部匹配兩個(gè)層次的管線層次匹配模型，基于管線骨架線提取與匹配方法、管線相似性計(jì)算方法，開發(fā)了城市地下管線空間數(shù)據(jù)匹配系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)兩類管線數(shù)據(jù)的匹配，極大提高了管線數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為城市地下管線數(shù)據(jù)的集成與融合提供了軟件支撐，可以促進(jìn)管線空間數(shù)據(jù)的共享與深層次的應(yīng)用。

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