顧及拓?fù)渎?lián)通性的互通式立交橋增量更新

趙變利，周曉光，董海峰

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

互通式立交橋是指設(shè)有跨線構(gòu)造物使相交道路在垂直空間分離，上、下道路間通過(guò)匝道連接，以供轉(zhuǎn)彎車(chē)輛行駛的交叉方式[1]，通常建設(shè)于高速公路互通處、城市干道或快速路之間的交匯處，以提高行車(chē)效率、減少交通事故發(fā)生率和緩解城市交通擁堵[2]，是當(dāng)前城市道路網(wǎng)的核心要素之一。立交橋的新建、修改、垮塌等變化事件時(shí)有發(fā)生，在城市交通服務(wù)中需要及時(shí)更新。目前在空間數(shù)據(jù)的更新模式方面，周曉光(2007)等分析定期更新、增量更新、多尺度聯(lián)動(dòng)更新模式的優(yōu)劣及各自適用的情況；指出定期更新存在周期長(zhǎng)、應(yīng)用不靈活等缺點(diǎn)；多尺度聯(lián)動(dòng)更新對(duì)比例尺的關(guān)聯(lián)性要求較高；增量更新因其更新方式靈活、能更好地保證空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性、便于歷史回溯等特點(diǎn)已成為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新的主要模式[3-4]。在空間數(shù)據(jù)更新方法方面，周曉光等(2006)和王磊(2009)采用事件驅(qū)動(dòng)、內(nèi)外業(yè)一體化方式解決簡(jiǎn)單離散目標(biāo)增量更新處理的自動(dòng)化問(wèn)題[5-6]；陳軍和周曉光(2008)等以地籍地塊為例提出一種拓?fù)渎?lián)動(dòng)目標(biāo)增量更新與拓?fù)湟恢滦跃S護(hù)的自動(dòng)化方法[7]；但該方法以地塊的拓?fù)渎?lián)動(dòng)變化為基礎(chǔ)，不適用于互通式立交橋的更新處理。在道路數(shù)據(jù)更新方面，張求喜等提出道路線更新方法[8]；沙宗堯等(2019)提出利用道路網(wǎng)眼實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)的增量式更新[9]；但這些方法沒(méi)有考慮互通式立交橋的復(fù)雜連接關(guān)系，直接用來(lái)更新互通式立交橋容易造成局部拓?fù)錄_突。其他交通數(shù)據(jù)更新相關(guān)研究成果主要包括從增量數(shù)據(jù)獲取角度，如Wu et al等通過(guò)GPS軌跡數(shù)據(jù)更新道路網(wǎng)絡(luò)[10]和丁建勛等利用OpenStreetMap 開(kāi)源數(shù)據(jù)更新專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法等[11]。

GIS領(lǐng)域在互通式立交橋方面的研究主要集中在復(fù)雜立交橋結(jié)構(gòu)的提取、識(shí)別和簡(jiǎn)化等方面，如Chiang & Knoblock提出一種從柵格地圖中自動(dòng)提取道路交叉口的位置、連通性和方向的方法[12]；徐柱等(2011)提出一種基于有向?qū)傩躁P(guān)系圖的典型道路交叉口識(shí)別方法[13]；Fathi & Krumm 等從GPS軌跡檢測(cè)道路交叉口[14]；王穎和艾廷華(2018)等從制圖綜合角度研究提出一種顧及空間跨越關(guān)系的復(fù)雜道路交叉口圖形簡(jiǎn)化表達(dá)方法[15]。但目前尚未看到互通式立交橋增量更新方面的研究成果。

因此，本文針對(duì)互通式立交橋更新時(shí)存在的拓?fù)渎?lián)通關(guān)系維護(hù)困難問(wèn)題，提出了一種顧及拓?fù)渎?lián)通性的互通式立交橋增量更新方法。

1 互通式立交橋增量更新特點(diǎn)分析

通過(guò)分析，導(dǎo)致互通式立交橋更新處理拓?fù)渎?lián)通(一致性)關(guān)系維護(hù)困難的根本原因在于互通式立交橋往往存在多條匝道，且匝道之間距離近，聯(lián)通關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，在利用軌跡和眾源數(shù)據(jù)自動(dòng)化更新處理時(shí)，由于受點(diǎn)位精度限制極易發(fā)生聯(lián)通關(guān)系連接錯(cuò)誤，導(dǎo)致拓?fù)洳灰恢聠?wèn)題，無(wú)法服務(wù)于導(dǎo)航應(yīng)用等；而人工處理，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大效率低易出錯(cuò)等問(wèn)題。眾所周知，互通式立交橋?yàn)槿斯?gòu)筑物，其拓?fù)渎?lián)通關(guān)系在設(shè)計(jì)施工時(shí)即已確定，不同類(lèi)型的立交橋存在著特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此清楚認(rèn)知并自動(dòng)識(shí)別互通式立交橋錯(cuò)綜復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型是實(shí)現(xiàn)其增量更新處理及拓?fù)渎?lián)通關(guān)系維護(hù)自動(dòng)化的前提。

1.1 分類(lèi)與識(shí)別

互通式立交橋的相交道路在空間上立體分離，上下層道路通過(guò)匝道連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在當(dāng)前的道路數(shù)據(jù)網(wǎng)中，互通式立體交叉形式多樣。在道路立交規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)道路交匯條數(shù)將互通式立交橋分為三肢、四肢和多肢三大類(lèi)[1]。三肢互通式立交橋主要包括喇叭型、子葉型、定向Y型和半定向Y型、部分互通式和交織型等，其在矢量地圖中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1((a)-(g))所示。四肢形式主要包括X形、苜蓿葉式、3個(gè)環(huán)圈式、菱形(圖1(h)～圖1(r))等，以及四肢部分苜蓿葉式(圖1(t))。多肢即環(huán)道式(圖1(s))。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，互通式立交橋還出現(xiàn)了螺旋型，見(jiàn)圖1(u)等。

在道路網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，圖1所示的21種互通式立交橋一般以道路方向單線弧段要素存儲(chǔ)，多個(gè)匝道弧段錯(cuò)綜連接構(gòu)成了不同的互通式立交橋類(lèi)型以及復(fù)雜的拓?fù)淇臻g結(jié)構(gòu)，立交橋的空間跨越特點(diǎn)使得其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在眾多的平面相交點(diǎn)，如圖1中的圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，其中不少交點(diǎn)僅在平面相交，立體跨越不相交。在互通式立交橋中實(shí)質(zhì)發(fā)揮聯(lián)通作用的結(jié)點(diǎn)為連接主干道弧段與匝道弧段連通的拓?fù)溥B接點(diǎn)，本文稱之為拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)，如圖1中的帶方框紅色標(biāo)識(shí)點(diǎn)?；ネㄊ搅⒔粯蚋绿幚碇行枰S護(hù)這些拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的拓?fù)湟恢滦?。然而在增量?shù)據(jù)中沒(méi)有區(qū)分平面相交和拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)，更新處理時(shí)不能直接識(shí)別出哪些點(diǎn)是拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)。仔細(xì)分析圖1所示的21種互通式立交橋，不難發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型互通式立交橋的匝道數(shù)及其平面相交點(diǎn)各不相同，而拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)數(shù)卻有可能相同，如喇叭型的匝道數(shù)為4，平面相交點(diǎn)數(shù)為10，拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)數(shù)為6；而三肢部分互通式的匝道數(shù)為4，平面相交點(diǎn)數(shù)為9，拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)數(shù)為6。因此，匝道數(shù)與平面相交點(diǎn)數(shù)組成的二元組可成為識(shí)別互通式立交橋類(lèi)別的主要依據(jù)。數(shù)據(jù)更新時(shí)可該通過(guò)二元組首先識(shí)別出立交橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型，然后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型推斷出哪些點(diǎn)為拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行拓?fù)湟恢滦跃S護(hù)。

設(shè)Ts表示互通式立交橋類(lèi)型；Sr表示匝道數(shù)；Si表示平面相交點(diǎn)數(shù)。為了方便后續(xù)增量更新處理，需要對(duì)21種互通式立交橋類(lèi)型進(jìn)行編碼，本文在現(xiàn)有地理要素編碼規(guī)范[16]基礎(chǔ)上擴(kuò)展相應(yīng)類(lèi)型編碼(TypeCode)以唯一標(biāo)識(shí)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型(如表1所示)。則Ts可表達(dá)為：

Ts=[Sr,Si].

(1)

圖1 互通式立交橋的類(lèi)型及其平面相交點(diǎn)(圓點(diǎn)表示)和拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)(帶方框圓點(diǎn)表示)

表1 21種互通式立交橋類(lèi)別的形式化表達(dá)

1.2 變化分析

時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中地理實(shí)體的增量更新過(guò)程往往涉及到多個(gè)變化處理操作，不同變化類(lèi)型對(duì)應(yīng)著不同的操作。如“新出現(xiàn)”實(shí)體的更新操作僅包括在當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中插入新對(duì)象操作；而“消失”實(shí)體則不僅需要在當(dāng)前基態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中執(zhí)行刪除操作，還需要在歷史庫(kù)中執(zhí)行插入記錄并修改時(shí)間戳的操作。在關(guān)于實(shí)體變化類(lèi)型分析方面，周曉光等歸納了9種單一實(shí)體變化類(lèi)型：新建、消失、屬性變化、重現(xiàn)、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)長(zhǎng)、縮短、位置變化等[5]。由于互通式立交橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)成本高且必須與道路聯(lián)通，是在空間位置局限且確定的情況下設(shè)計(jì)建造的，一般不存在“移動(dòng)”和“旋轉(zhuǎn)”變化類(lèi)型。但是由于人為或自然原因?qū)е碌摹跋А保?jīng)過(guò)一段時(shí)間的重建維護(hù)后立交橋會(huì)發(fā)生“重現(xiàn)”的變化依然存在，如圖2所示?；ネㄊ搅⒔粯蛘嫉孛娣e大、匝道多，因此建設(shè)成本相當(dāng)高。通常為了節(jié)約造價(jià)成本，除了整個(gè)立交橋的整體新建、廢棄(即消失)外，還存在匝道的部分新建、廢棄和修改等變化情況。這里的修改變化包括立交橋幾何和屬性信息的修改。此外，互通式立交橋還會(huì)出現(xiàn)“橋面擴(kuò)寬/變窄”的變化情況，主要指路面拓寬/變窄導(dǎo)致車(chē)道數(shù)的增加或減少，如2車(chē)道變成4車(chē)道等。由于在目前的基礎(chǔ)地理信息國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)范中規(guī)定[16]，只有當(dāng)橋面寬度大于12 m時(shí)才以面要素的形式存儲(chǔ)。交通導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于受實(shí)時(shí)定位精度的影響，目前暫未精確表達(dá)車(chē)道情況，擴(kuò)寬/變窄的橋梁仍以雙向帶方向的線要素形式表示，只是橋面擴(kuò)寬/變窄后中心線位置發(fā)生了變化。因此這里將該空間變化類(lèi)型歸為幾何位置修改類(lèi)型。

綜合上述分析，互通式立交橋的空間變化主要有匝道新建或整體新建、匝道消失或整體消失、匝道延長(zhǎng)修改、匝道縮短修改、位置修改、屬性修改和重現(xiàn)9種情況，具體見(jiàn)圖2。

圖2 互通式立交橋的空間變化類(lèi)型示例

2 互通式立交橋增量更新方法

為了實(shí)現(xiàn)互通式立交橋增量更新處理自動(dòng)化的同時(shí)，維護(hù)其更新后匝道與匝道及主干道間的拓?fù)湟恢滦院蜕舷聦油ㄟ_(dá)性，更新處理時(shí)必須顧及立交橋匝道與匝道及主干道弧段間的拓?fù)渎?lián)通關(guān)系。根據(jù)前文分析的互通式立交橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型及變化情況，設(shè)計(jì)了一套互通式立交橋的增量更新規(guī)則。

2.1 更新規(guī)則

根據(jù)匝道與匝道之間有無(wú)拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)又可將21種互通式立交橋分為兩大類(lèi)：①匝道與匝道之間無(wú)拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)，如圖1中的(圖1(a)、圖1(b)、圖1(i)、圖1(j)、圖1(q)、圖1(s))6種情況，更新處理時(shí)僅需要維護(hù)匝道始末端點(diǎn)與主干道的拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)即可；②匝道與匝道之間有拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)，如圖1中的(圖1(c)、圖1(d)、圖1(e)、圖1(f)、圖1(g)、圖1(h)、圖1(k)、圖1(l)、圖1(m)、圖1(n)、圖1(o)、圖1(p)、圖1(r)、圖1(t)、圖1(u))15種類(lèi)型，更新處理時(shí)除了需要維護(hù)匝道始末端點(diǎn)與主干道存在拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)外，還需要處理兩個(gè)匝道弧段間的拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)并維護(hù)其聯(lián)通關(guān)系。

如前文所述，互通式立交橋的空間變化主要包括圖2所示的9種情況。由于更新處理時(shí)匝道新建和整體新建都通過(guò)“插入”操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，可合并為“新建”；匝道消失和整體消失都對(duì)應(yīng)于“刪除”操作，可合并為“消失”；匝道延長(zhǎng)和縮短都是幾何變化，可合并為“修改”。因此下面按照新建、位置修改、匝道修改(延長(zhǎng)/縮短)、消失、屬性修改和重現(xiàn)6類(lèi)變化類(lèi)型來(lái)設(shè)計(jì)更新處理規(guī)則。

由于目前增量信息獲取途徑(如OSM增量數(shù)據(jù))的增量文件一般只有新建、修改、刪除三種變化類(lèi)型，更新時(shí)無(wú)法得到匝道的延長(zhǎng)、縮短和位置修改情況，但是通過(guò)計(jì)算增量和基態(tài)間的拓?fù)潢P(guān)系可以確定修改參數(shù)情況，即位置修改、匝道修改(延長(zhǎng)/縮短)。如變化類(lèi)型為匝道延長(zhǎng)時(shí)，增量與匹配到的基態(tài)之間存在重疊拓?fù)潢P(guān)系，如圖3(a)所示；位置修改變化的立交橋，其匝道橋面擴(kuò)寬后的中心線位置發(fā)生變化導(dǎo)致增量與基態(tài)相離，如圖3(b)所示；匝道縮短變化導(dǎo)致增量與基態(tài)間存在覆蓋關(guān)系。這些拓?fù)潢P(guān)系可用來(lái)細(xì)化確定互通式立交橋的變化類(lèi)型。因此拓?fù)潢P(guān)系也是也是更新規(guī)則的核心要素。

圖3 互通式立交橋增量與基態(tài)的拓?fù)潢P(guān)系示例

綜上分析，假設(shè)Ai為第i個(gè)基態(tài)，Ais、Aie分別表示Ai的始末端點(diǎn)，VAi表示Ai的屬性值；Aj′為第j條增量；Bi為第i個(gè)周邊拓?fù)渎?lián)通對(duì)象；Ci為第i個(gè)重構(gòu)后的幾何對(duì)象；Changetype(Ai)表示Ai的變化類(lèi)型，TopoType(Aj′,Ai)表示Aj′與Ai的拓?fù)潢P(guān)系類(lèi)型。TypeCode(Ai)表示Ai的互通式立交橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型唯一編碼。Insert(Ai′)表示插入增量Ai′操作; InsertHisData(Ai) 表示插入基態(tài)Ai到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的操作;Delete(Ai)表示刪除基態(tài)Ai操作；Recall(Ai)表示從歷史庫(kù)中召回某個(gè)歷史目標(biāo)Ai；GeoModify(Ai→Ci)表示將Ai的幾何修改為Ci；GeoModify(Bi→Bi1+Bi2) 表示將Bi的節(jié)點(diǎn)打斷修改為兩條弧段Bi1和Bi2；SemModify(Ai→Ai′)表示將Ai的屬性修改為Ai′；TimeModify(Ti→Ti′) 表示將Ti的時(shí)間戳修改為T(mén)i′; Union(A1,A2,…,An)表示合并操作；MoveNode(Ai)表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)操作；BreakNode(Ai)表示打斷節(jié)點(diǎn)操作；“&&”表示邏輯與運(yùn)算；“||”表示邏輯或運(yùn)算。根據(jù)4種情況設(shè)計(jì)66條互通式立交橋增量更新規(guī)則:①匝道與匝道之間無(wú)拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的 6種互通式立交橋，Changetype(Ai)分別為新建、位置修改、匝道修改(延長(zhǎng)/縮短)、消失四種類(lèi)型時(shí)，其更新處理拓?fù)湟恢滦跃S護(hù)重點(diǎn)都是保持匝道始末端點(diǎn)與主干道的拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的一致性，每種變化類(lèi)型對(duì)應(yīng)1條規(guī)則，共4條更新規(guī)則；②匝道與匝道之間有拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的15種互通式立交橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型的4種變化(即新建、位置修改、匝道修改(延長(zhǎng)/縮短)、消失)各對(duì)應(yīng)1條規(guī)則，共有15×4=60條規(guī)則；③Changetype(Ai)為屬性修改時(shí)，共1條增量更新規(guī)則；④Changetype(Ai)為重現(xiàn)時(shí)，共1條增量更新規(guī)則；合計(jì)66條更新規(guī)則。下面結(jié)合21種互通式立交橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與6種變化類(lèi)型舉例說(shuō)明更新處理規(guī)則設(shè)計(jì)方法。

2.1.1 6種互通式立交橋增量更新設(shè)計(jì)

匝道與匝道之間無(wú)拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的6種互通式立交橋增量更新規(guī)則設(shè)計(jì)。該情況最關(guān)鍵的操作是打斷匝道始末端點(diǎn)處與主干道連接的拓?fù)渎?lián)通結(jié)點(diǎn)，重構(gòu)與匝道始末端點(diǎn)相連的主干道聯(lián)通基態(tài)，下面以Changetype(Ai)為新建和位置修改為例進(jìn)行說(shuō)明。

1)當(dāng)Changetype(Ai)為新建時(shí)，以喇叭型互通式立交橋(圖1(a))的匝道新建增量更新情況為例。首先插入增量Aj′到當(dāng)前基態(tài)庫(kù)；然后打斷Aj′始末端點(diǎn)處的拓?fù)渎?lián)通結(jié)點(diǎn)，重構(gòu)周邊聯(lián)通基態(tài)Bi為Bi1和Bi2；最后將原始基態(tài)Bi插入歷史庫(kù)，修改Bi時(shí)間戳的截止時(shí)間為當(dāng)前更新時(shí)間TBi′。具體規(guī)則表達(dá)式：

Rule1: If (Changetype(Ai) = rampCreate && TypeCode(Aj′) = 450 308) Then (Insert (Aj′);

BreakNode(Aj′s);BreakNode(Aj′e);GeoModify(Bi→Bi1+Bi2);InsertHisData(Bi);

TimeModify(TBi→TBi′);)

2)當(dāng)Changetype(Ai)為位置修改時(shí)，以圖4所示京珠高速與快速路的互通式立交橋匝道(變窄)位置修改為例說(shuō)明四肢苜蓿葉式互通式立交橋(圖1(i))的增量更新情況。圖4(a)為增量更新前的立交橋，原匝道Ai經(jīng)變窄后其中心位置變?yōu)锳j(圖4(a)中紅色虛線表示)，Aj為增量對(duì)象。增量更新處理時(shí)，首先將原有基態(tài)Ai插入歷史庫(kù)，修改時(shí)間戳的截至?xí)r間為當(dāng)前更新時(shí)間TAi′；在當(dāng)前基態(tài)中用Aj更新Ai的幾何數(shù)據(jù)，修改時(shí)間戳的起始時(shí)間為當(dāng)前更新時(shí)間TAj′；然后打斷Aj的始末端點(diǎn)(圖4(b)中方框圓點(diǎn)表示)，修改Bi的幾何結(jié)點(diǎn)重構(gòu)Bi的幾何為Bi′，拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的更新從圖4(a)中的方框圓點(diǎn)處(圖4(a)中紅框部分為局部放大圖)修改為圖4(b)中方框圓點(diǎn)處；最后將原有對(duì)象Bi插入歷史庫(kù)，修改Bi的時(shí)間戳的截至?xí)r間為當(dāng)前更新時(shí)間TBi′，具體規(guī)則表達(dá)式如下。

Rule2: If (Changetype(Ai)=locModify &&TypeCode(Aj′)=450 316) Then(GeoModify(Ai→Aj′); TimeModify(TAj→TAj′);InsertHisData(Ai);TimeModify(TAi→TAi′);BreakNode(Ais);BreakNode(Aie);GeoModify(Bi→Bi′);InsertHisData(Bi);TimeModify(TBi→TBi′);)

圖4 四肢苜蓿葉型互通式立交橋的匝道(變窄)位置修改增量更新情況

2.1.2 15種互通式立交橋的增量更新設(shè)計(jì)

匝道與匝道之間有拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的15種互通式立交橋的增量更新規(guī)則設(shè)計(jì)。該情況最關(guān)鍵的操作是找到匝道與匝道間的相交點(diǎn)，以便在更新維護(hù)拓?fù)渎?lián)通性時(shí)，進(jìn)行打斷、移動(dòng)結(jié)點(diǎn)等操作，下面以Changetype(Ai)為位置修改和匝道修改為例進(jìn)行說(shuō)明。

1)當(dāng)Changetype(Ai)為位置修改時(shí)，以圖5所示長(zhǎng)韶婁高速與赤江的互通式立交橋匝道(拓寬)位置修改為例說(shuō)明三個(gè)環(huán)圈式互通式立交橋(圖1(m))的增量更新情況。圖5 (a)為增量更新前的立交橋，原匝道Ai經(jīng)拓寬后其中心位置變?yōu)锳j(圖5(a)中紅色虛線表示)，Aj為增量對(duì)象。增量更新處理時(shí)，首先將原有基態(tài)Ai插入歷史庫(kù)，修改時(shí)間戳的截至?xí)r間為當(dāng)前更新時(shí)間TAi′；在當(dāng)前基態(tài)中用Aj替換Ai的幾何位置數(shù)據(jù)，修改時(shí)間戳的起始時(shí)間為當(dāng)前更新時(shí)間TAj′；然后移動(dòng)Bi的原有拓?fù)渎?lián)通結(jié)點(diǎn)(圖5(a)中方框圓點(diǎn)表示，圖5(a)中紅框部分為局部放大圖)，移動(dòng)后圖5(b)中方框圓點(diǎn)表示，修改Bi的幾何結(jié)點(diǎn)，拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)的更新從圖4(a)中的方框圓點(diǎn)處修改為圖4(b)中方框圓點(diǎn)處；最后將Bi插入歷史庫(kù)，修改Bi的時(shí)間戳的截至?xí)r間為當(dāng)前更新時(shí)間TBi′，具體規(guī)則表達(dá)式如下。

Rule3: If (Changetype(Ai)=locModify &&TypeCode(Aj′)= 450 320) Then (InsertHisData(Ai);

TimeModify(TAi→TAi′);GeoModify(Ai→Aj′);TimeModify(TAj→TAj′);MoveNode(Bi);

GeoModify(Bi→Bi′);InsertHisData(Bi); TimeModify(TBi→TBi′);)

圖5 3個(gè)環(huán)圈型互通式立交橋的匝道(拓寬)位置修改增量更新情況

2)當(dāng)Changetype(Ai)為匝道修改(延長(zhǎng)/縮短)時(shí)，以四肢交織環(huán)形(圖1(r))的匝道縮短增量更新情況為例，首先修改基態(tài)Ai的幾何位置為Aj′(Aj′表示增量)；然后移動(dòng)周邊聯(lián)通基態(tài)Bi的拓?fù)渎?lián)通結(jié)點(diǎn)，修改Bi的幾何位置，最后將修改前的基態(tài)Ai和Bi插入歷史庫(kù)，修改時(shí)間戳的截至?xí)r間為T(mén)i′。具體規(guī)則表達(dá)式如Rule4。

Rule4: If (Changetype(Ai)=shModify &&TypeCode(Aj′)= 450325) Then (GeoModify(Ai→Aj′);

MoveNode(Bi);GeoModify(Bi→Bi′);InsertHisData(Ai); InsertHisData(Bi);TimeModify(Ti→Ti′);)

2.1.3 Changetype(Ai)屬性修改

當(dāng)Changetype(Ai)為屬性修改時(shí)，該種情況只需要修改增量Aj′匹配到的基態(tài)Ai的語(yǔ)義信息即可。因此不需要考慮21種互通式立交橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。共1條規(guī)則，具體規(guī)則表達(dá)如Rule5。

Rule5: If (Changetype(Ai)= semModify) Then(SemModify(Ai→Aj′);)

2.1.4 Changetype(Ai)重現(xiàn)

當(dāng)Changetype(Ai)為重現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行歷史庫(kù)中召回對(duì)應(yīng)的歷史目標(biāo)Ai，插入數(shù)據(jù)庫(kù)操作；然后修改時(shí)間戳為T(mén)i′。同樣也不需要考慮21種互通式立交橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。共1條規(guī)則，具體規(guī)則表達(dá)如Rule6。

Rule6: If(Changetype(Ai)= reAppear) Then(Recall(Ai);Insert (Ai);TimeModify(Ti→Ti′);)

2.2 更新流程

本文顧及拓?fù)渎?lián)通性的互通式立交橋增量更新流程如下：

1)第一步首先進(jìn)行數(shù)據(jù)(專(zhuān)業(yè)矢量數(shù)據(jù)“.shp”或OSM數(shù)據(jù)“.xml”)入庫(kù)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理操作。

2)第二步利用基于較短線中值Hausdorff距離(SMDH)、加權(quán)余弦相似度(aCS)等匹配方法[17]對(duì)預(yù)處理后的增量和基態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。

3)第三步對(duì)匹配成功的基態(tài)計(jì)算其Ts值，根據(jù)Ts值進(jìn)行互通式立交橋類(lèi)別的唯一標(biāo)識(shí)。

4)第四步計(jì)算增量與基態(tài)的拓?fù)潢P(guān)系，判斷互通式立交橋的具體變化類(lèi)型及拓?fù)潢P(guān)系。

5)最后根據(jù)設(shè)計(jì)的66條增量更新規(guī)則對(duì)互通式立交橋進(jìn)行自動(dòng)化批量更新處理。具體更新流程圖如圖6所示。

圖6 互通式立交橋增量更新流程

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證本文互通式立交橋增量更新方法的有效性，在Visual Studio 2010和ArcGIS Engine 10.1的開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用Oracle11g數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了一套1∶10 000全球典型要素增量更新原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了互通式立交橋的增量更新功能。本文以長(zhǎng)沙市的OSM交通線數(shù)據(jù)(范圍：112.8214E, 113.1430E; 28.0535N, 28.2890N)，2019年06月OSM官網(wǎng)的基態(tài)數(shù)據(jù)，2019年06-12月(格式為*.osc” )的XML增量數(shù)據(jù)開(kāi)展試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用課題組歸納的1∶1萬(wàn)OSM模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，通過(guò)OSM模型轉(zhuǎn)換規(guī)則[18]和信譽(yù)度計(jì)算模塊[19]進(jìn)行預(yù)處理得到長(zhǎng)沙市1∶1萬(wàn)的OSM道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括3 108條道路線基態(tài)數(shù)據(jù)如圖7(a)所示和632條增量數(shù)據(jù)如圖7(b)所示。

圖7 基態(tài)和增量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中共識(shí)別出48座互通式立交橋，其中包含21座喇叭型、5座子葉型、3座苜蓿葉型、2座3個(gè)環(huán)圈式、4座環(huán)道式、3座6匝道苜蓿葉式、6座4匝道苜蓿葉式立交橋及交織型、半定向Y型、螺旋型、無(wú)環(huán)圈型各1座?；ネㄊ搅⒔粯蜃詣?dòng)化增量更新結(jié)果如圖8(a)所示。局部更新細(xì)節(jié)如圖8(b)和(c)所示中的喇叭型互通式立交橋(圖中紅色表示增量數(shù)據(jù)，灰色是更新前的基態(tài)數(shù)據(jù))，該立交橋位于長(zhǎng)沙西三環(huán)新天地商圈附近，增量是喇叭型立交橋匝道即西三環(huán)輔道。圖中采用規(guī)則2對(duì)修改的匝道增量進(jìn)行了拓?fù)渎?lián)通點(diǎn)處的結(jié)點(diǎn)打斷和幾何位置修改的更新處理。

圖8 增量更新實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

互通式立交橋作為城市道路網(wǎng)的主干架構(gòu)，其數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性及更新質(zhì)量將直接影響道路網(wǎng)的導(dǎo)航、制圖等應(yīng)用服務(wù)。本文針對(duì)互通式立交橋更新時(shí)存在的拓?fù)渎?lián)通關(guān)系維護(hù)困難問(wèn)題，提出了一種顧及拓?fù)渎?lián)通性的互通式立交橋增量更新方法。該方法以21種互通式立交橋類(lèi)型為基礎(chǔ)，通過(guò)分析互通式立交橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)及增量更新要求，用計(jì)算匝道數(shù)及平面相交點(diǎn)數(shù)組成的二元組值來(lái)確定21種互通式立交橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型；然后根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和空間變化類(lèi)型，設(shè)計(jì)了66條互通式立交橋增量更新規(guī)則，實(shí)現(xiàn)互通式立交橋拓?fù)渎?lián)通關(guān)系維護(hù)及增量更新處理的自動(dòng)化。最后在課題組1∶1萬(wàn)全球典型要素增量更新原型系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)立交橋增量更新模塊，并以長(zhǎng)沙市的OSM道路網(wǎng)數(shù)據(jù)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

但本文對(duì)互通式立交橋增量更新方法有效性的評(píng)價(jià)主要依據(jù)人工目視判斷，尚未完成更新效果驗(yàn)證的自動(dòng)化，且在更新處理過(guò)程中為了維護(hù)匝道與主干道及匝道間的拓?fù)潢P(guān)系，需要在容差內(nèi)調(diào)整相關(guān)結(jié)點(diǎn)空間位置，本文方法尚不能自動(dòng)評(píng)價(jià)其調(diào)整精度。