基于大比例尺DLG的電子地圖道路面快速構(gòu)建方法研究

吳國(guó)華

(福州市勘測(cè)院，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和人們對(duì)電子地圖應(yīng)用需求的不斷提高，電子地圖產(chǎn)品已經(jīng)融入人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯拿恳粋€(gè)角落。在當(dāng)今城市建設(shè)快速發(fā)展的環(huán)境下，城市地表各類地物的信息變化可謂日新月異，采用何種方式、何種頻率對(duì)電子地圖進(jìn)行常態(tài)化生產(chǎn)更新，使其時(shí)刻保持其數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性成為測(cè)繪地理信息行業(yè)應(yīng)用研究人員面前的當(dāng)務(wù)之急[1]。電子地圖的更新方法通常是采用大比例尺DLG數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)加工，而道路作為電子地圖的關(guān)鍵要素，在電子地圖的生產(chǎn)中占有至關(guān)重要的地位。傳統(tǒng)的道路網(wǎng)構(gòu)建處理方式是通過人工閉合道路邊線分段構(gòu)建道路面，其作業(yè)工作量大且效率低，很難滿足當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)電子地圖快速更新的需求。本文結(jié)合福州市全市域1.2萬(wàn)平方千米范圍電子地圖生產(chǎn)需求，以FME為基礎(chǔ)平臺(tái)，通過對(duì)福州市全市域 1∶2 000 DLG道路邊線進(jìn)行分區(qū)自動(dòng)構(gòu)建道路面的方法，可以快速完成道路面的生產(chǎn)和更新工作。

2 數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

福州市已經(jīng)建成覆蓋全市域1.2萬(wàn)平方千米的 1∶2 000 DLG數(shù)據(jù)庫(kù)，是電子地圖生產(chǎn)和更新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。1∶2 000 DLG數(shù)據(jù)庫(kù)中居民地、水系、綠地等圖層數(shù)據(jù)是已經(jīng)拓?fù)錁?gòu)建的面圖層數(shù)據(jù)，關(guān)鍵地物要素僅有交通層是以矢量線圖層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。因此以道路邊線進(jìn)行電子地圖中道路面的構(gòu)建，成為電子地圖生產(chǎn)與更新的主要工作內(nèi)容。通過對(duì) 1∶2 000 DLG數(shù)據(jù)庫(kù)中交通相關(guān)圖層數(shù)據(jù)提取分析，其數(shù)據(jù)內(nèi)容包含交通線層、交通注記層共兩大類型。其中交通線圖層總計(jì)包含166類地物編碼的各類交通線，其屬性內(nèi)容包含屬性ID、地物編碼、采集時(shí)間、長(zhǎng)度等字段。但交通線層多為細(xì)碎的矢量線段、且在與居民地等其他地物要素連接處為非閉合狀態(tài)。如采用人工拓?fù)溥M(jìn)行斷線連接、拓?fù)錁?gòu)面的方式，作業(yè)進(jìn)度緩慢，將耗費(fèi)大量的人力。

3 道路面構(gòu)建

3.1 作業(yè)原理

3.1.1 構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)

Delaunay三角網(wǎng)是一系列相連的但不重疊的三角形的集合[2]?？胀饨訄A性質(zhì)和最大最小角性質(zhì)是Delaunay三角網(wǎng)具有的兩個(gè)特有的性質(zhì)。其中最大最小角性質(zhì)是指：Delaunay三角網(wǎng)最大化最小角特性在散點(diǎn)集可能形成的三角剖分中，Delaunay三角剖分所形成的三角形的最小角最大[3]。其在現(xiàn)代地理科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)中的表現(xiàn)和應(yīng)用中，可以理解為兩個(gè)相鄰的三角形構(gòu)成凸四邊形的對(duì)角線，在相互交換后，六個(gè)內(nèi)角的最小角不再增大的幾何特性。針對(duì)這一幾何特性來講，Delaunay三角網(wǎng)是“最接近于規(guī)則化的”的三角網(wǎng)。其最大最小角性質(zhì)構(gòu)建三角形的構(gòu)建方式具體如圖1所示：

圖1 Delaunay三角網(wǎng)最大最小角性質(zhì)說明示意圖

Delaunay三角網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)良好，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)冗余度小，存儲(chǔ)效率高，與不規(guī)則的地面特征和諧一致，可以表示線性特征和疊加任意形狀的區(qū)域邊界，易于更新，可適應(yīng)各種分布密度的數(shù)據(jù)等[4]。正是本身的這些優(yōu)點(diǎn)，決定了它在現(xiàn)代地理科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)中的不可忽視的地位，常被應(yīng)用于GIS中的網(wǎng)絡(luò)分析中，成為描述地表形態(tài)的一種公認(rèn)方法，是地表(地貌和地物)數(shù)字化表現(xiàn)的重要手段和常用分析工具。

根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)最大化最小角特性，以待構(gòu)建道路邊線節(jié)點(diǎn)集作為Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建數(shù)據(jù)源，通過對(duì)道路邊線節(jié)點(diǎn)集形成最小的封閉凸殼，將封閉殼體范圍內(nèi)的幾何對(duì)象分解成一系列相連但不重疊的三角形單元網(wǎng)格，從而以道路邊線節(jié)點(diǎn)集構(gòu)建成覆蓋道路邊線內(nèi)部區(qū)域范圍的Delaunay三角網(wǎng)。簡(jiǎn)而言之就是采用Delaunay三角網(wǎng)來數(shù)字化表現(xiàn)道路的一種GIS表現(xiàn)方式。

3.1.2 區(qū)分非法Delaunay三角形

在以道路邊線的節(jié)點(diǎn)集為數(shù)據(jù)源構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)的過程中，如果道路邊線的節(jié)點(diǎn)集范圍中包含非凸區(qū)域或者存在內(nèi)環(huán)，則會(huì)產(chǎn)生非法三角形[5～7]。此處表現(xiàn)在圖上就是構(gòu)建在道路邊線范圍以外的Delaunay三角形。如圖2所示的紅色三角形即為非法三角形，從圖中可以看出非法三角形一般形成在道路邊線相交處的夾角位置和環(huán)形道路邊線內(nèi)，即節(jié)點(diǎn)集的非凸區(qū)域和存在內(nèi)環(huán)的位置。而此類非法的三角形是道路面構(gòu)建中的冗余數(shù)據(jù)，需要從構(gòu)建的三角網(wǎng)中區(qū)分出來并剔除掉，以免干擾后繼的道路面構(gòu)建。

圖2 非凸區(qū)域或者存在內(nèi)環(huán)時(shí)產(chǎn)生的非法三角形示意圖

在現(xiàn)代地理科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)中，矢量又稱為向量，是指既有大小又有方向的量。矢量數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)中以矢量結(jié)構(gòu)存貯的內(nèi)部數(shù)據(jù)，它是跟蹤式數(shù)字化儀的直接產(chǎn)物。在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)可直接用其坐標(biāo)值表示；矢量線數(shù)據(jù)可用均勻或不均勻間隔的順序坐標(biāo)鏈來表示；矢量面狀數(shù)據(jù)(或多邊形數(shù)據(jù))可用邊界線來表示[8]。這樣，用點(diǎn)、線、多邊形構(gòu)成的圖形統(tǒng)稱為矢量圖。根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建的方式及矢量數(shù)據(jù)的方向特性，通過非凸區(qū)域或者存在內(nèi)環(huán)時(shí)產(chǎn)生的三角形與其他區(qū)域構(gòu)建形成的三角形存在不同的矢量方向的原理，從而完成非法三角形的區(qū)分歸類[9]。具體區(qū)分歸類數(shù)據(jù)表示形式如圖2中紅色矢量線表示的三角形為非法三角形。

3.1.3 創(chuàng)建拓?fù)淙切螀^(qū)域

在現(xiàn)代地理科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)中GIS數(shù)據(jù)通過Point、Polyline、Polygon來表達(dá)地物的點(diǎn)、線、面要素。在GIS坐標(biāo)系中Point(點(diǎn))用一個(gè)坐標(biāo)對(duì)(x、y)或(x、y、x)來表示；Polyline(線)作為點(diǎn)之間的連線，用一系列坐標(biāo)對(duì)來表達(dá)線的轉(zhuǎn)折位置，在程序中依據(jù)點(diǎn)連接成線；Polygon(多邊形區(qū)域)與Polyline(線)的區(qū)別是Polygon(多邊形區(qū)域)是首尾相連的Polyline(線)，因此與Polyline(線)的表達(dá)方式相同，也用一系列轉(zhuǎn)折位置的坐標(biāo)表示，同時(shí)，其最后一個(gè)坐標(biāo)Point(點(diǎn))與首Point(點(diǎn))坐標(biāo)相同?；谶@一表達(dá)方式，把構(gòu)建的Delaunay三角網(wǎng)中的每一個(gè)三角形都可以認(rèn)為是首尾相連的Polyline(線)[10]，從而經(jīng)過拓?fù)涮幚砜梢詷?gòu)建成一系列無縫拼接的Polygon(三角形區(qū)域)。

3.1.4鄰接面融合

在構(gòu)建的一系列無縫拼接的Delaunay三角網(wǎng)面中，相鄰接的兩個(gè)三角形面都有一個(gè)公共邊界線，可以通過刪除相鄰接三角形公共邊界線來融合兩個(gè)三角形面要素，從而創(chuàng)建一個(gè)更大的合并四邊形面區(qū)域。利用同樣的方式對(duì)相鄰接的兩個(gè)四邊形面進(jìn)行融合成更大的多邊形面區(qū)域，直至所有相鄰接的Delaunay三角形面融合成一個(gè)完整的區(qū)域。

3.2 應(yīng)用實(shí)踐

3.2.1 作業(yè)流程(圖3)

圖3 道路面構(gòu)建流程圖

作業(yè)源數(shù)據(jù)為已有福州市1∶2 000比例尺DLG交通層數(shù)據(jù)。

第一步需要對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，即進(jìn)行冗余篩除、干擾數(shù)據(jù)清除、數(shù)據(jù)分類、斷線連接、去除毛刺等預(yù)處理操作。

第二步在預(yù)處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過FME平臺(tái)相關(guān)轉(zhuǎn)換器構(gòu)建數(shù)據(jù)外殼對(duì)道路邊線節(jié)點(diǎn)集構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)。

第三步根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建的方式及矢量數(shù)據(jù)的方向特性判斷區(qū)分非法三角形。

第四步對(duì)剔除非法三角形后的Delaunay三角網(wǎng)通過閉合線拓?fù)錁?gòu)建三角面網(wǎng)。

第五步對(duì)相鄰接的拓?fù)涿鏀?shù)據(jù)進(jìn)行融合最終形成覆蓋道路邊線范圍的道路面數(shù)據(jù)成果。

3.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)待處理的交通線數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余篩除、干擾數(shù)據(jù)清除、數(shù)據(jù)分類、斷線連接、去除毛刺等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作主要處理內(nèi)容如下：

(1)冗余篩除：篩除交通線數(shù)據(jù)中不需要構(gòu)建道路面的交通線類數(shù)據(jù)，主要篩除內(nèi)容包括一般鐵路、地下鐵路、城市輕軌、電車軌道、纜車軌道、架空索道、站臺(tái)、站臺(tái)雨棚、天橋的階梯、地道的地表出入口及其他交通附屬設(shè)施線類。

(2)干擾數(shù)據(jù)清除：需要手工清除獨(dú)立于整個(gè)交通路網(wǎng)以外且細(xì)碎不完整的交通線，這些交通線因遠(yuǎn)離交通路網(wǎng)且細(xì)碎不完整在數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)不能構(gòu)成三角網(wǎng)，且會(huì)干擾其他正常道路邊線構(gòu)建三角網(wǎng)。

(3)數(shù)據(jù)分類：根據(jù)道路等級(jí)編碼和類型對(duì)交通線數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，篩選出郊區(qū)道路(大車路、小路)、城市道路(城區(qū)主次干道及街巷)、復(fù)雜道路(高架、立交橋)等進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。

(4)斷線連接：大比例尺DLG數(shù)字線劃圖中因?yàn)榈匚镆氐谋磉_(dá)關(guān)系等原因，整條道路邊線是有多個(gè)多段線組成，不少多段線間還存在一定的間隙。為了提高數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量，需要對(duì)相鄰的斷線進(jìn)行連接預(yù)處理。此處借助FME的LineCombiner、Snapper轉(zhuǎn)換器，通過設(shè)置從小到大的連接參數(shù)值，進(jìn)行循環(huán)連接斷開的道路邊線。具體的FME循環(huán)連接處理流程圖部分截圖如圖4所示。

圖4 FME中循環(huán)連接處理道路邊線的流程圖

(5)去除毛刺：道路邊線中在不同道路連接處及道路與其他地物要素銜接處不可避免地會(huì)有凸起的銳角毛刺現(xiàn)象，如圖5所示。這種毛刺現(xiàn)象嚴(yán)重干擾道路面構(gòu)建的效果，利用FME的SpikeRemover轉(zhuǎn)換器，通過角度設(shè)定參數(shù)自動(dòng)消除掉道路邊線中的毛刺修復(fù)平滑道路邊線。

圖5 道路邊線中的毛刺示意圖

如圖6、圖7是通過數(shù)據(jù)預(yù)處理后的城區(qū)道路邊線效果對(duì)比圖。

圖6 預(yù)處理前的城區(qū)道路邊線

圖7 預(yù)處理后的城區(qū)道路邊線

3.2.3 基于道路邊線構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)

根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)最大化最小角特性，以待構(gòu)建道路邊線節(jié)點(diǎn)集作為Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建中各個(gè)三角形的頂點(diǎn)，利用FME平臺(tái)的Hullaccumulator、Triangulator、Deaggregator轉(zhuǎn)換器，對(duì)道路邊線節(jié)點(diǎn)通過形成封閉外殼，將封閉殼體范圍內(nèi)的幾何對(duì)象分解成三角形單元網(wǎng)格。

構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器函數(shù)與alpha初始值的設(shè)置，需要參照預(yù)處理過程中道路等級(jí)及道路寬度的分類類型。設(shè)置alpha初始值一般與待處理道路寬度相近時(shí)構(gòu)建的效果最佳，因此對(duì)道路寬度分類合理與否對(duì)構(gòu)建效果有著直接的影響。組合轉(zhuǎn)換器通過Delaunay三角網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)Delaunay三角形的外接圓半徑r進(jìn)行計(jì)算，舍棄外接圓半徑r值超過設(shè)定初始值alpha的Delaunay三角形，并對(duì)組合的網(wǎng)格以單一的三角形為最小單元打散，從而以道路邊線節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成覆蓋道路區(qū)域范圍的Delaunay三角網(wǎng)。如圖8是應(yīng)用FMEWorkbench進(jìn)行道路邊線范圍的Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建流程圖，圖9是由城區(qū)道路邊線生成的覆蓋道路邊線范圍的Delaunay三角網(wǎng)效果圖。

圖8 應(yīng)用FMEWorkbench進(jìn)行道路邊線范圍的Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建流程圖

圖9 由城區(qū)道路邊線生成的覆蓋道路邊線范圍的Delaunay三角網(wǎng)效果圖

3.2.4 區(qū)分剔除非法Delaunay三角形

在以道路邊線的節(jié)點(diǎn)集基于FME平臺(tái)的Hullaccumulator、Triangulator轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)的方法實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，如果道路邊線的節(jié)點(diǎn)集范圍中包含非凸區(qū)域或者存在內(nèi)環(huán)，則會(huì)產(chǎn)生非法三角形，此處表現(xiàn)在圖上就是構(gòu)建在道路邊線范圍以外的三角形。具體如圖10和圖11(局部放大圖)所示的紅色三角形即為非法三角形，從圖中可以看出非法三角形一般形成在道路邊線相交處和道路邊線內(nèi)環(huán)處。而此類非法的三角形是道路面構(gòu)建中的冗余數(shù)據(jù)，需要剔除掉，以免在后期的構(gòu)面處理中誤構(gòu)成道路面。

圖10 Delaunay三角網(wǎng)中非法三角形(紅色)區(qū)分示意圖

圖11 Delaunay三角網(wǎng)中非法三角形(紅色)局部放大示意圖

根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建的原理及矢量數(shù)據(jù)的方向特性，通過非凸區(qū)域或者存在內(nèi)環(huán)時(shí)產(chǎn)生的三角形與其他區(qū)域的三角形方向不同的矢量屬性來區(qū)分非法三角形。使用FME的OrientationExtractor轉(zhuǎn)換器把Delaunay三角形隱藏的矢量方向?qū)傩员┞冻鰜?。然后根?jù)FME中tester轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入要素執(zhí)行測(cè)試條件，從而將點(diǎn)集范圍是非凸區(qū)域或者存在內(nèi)環(huán)的矢量方向不一致的三角形(非法三角形)區(qū)分歸類并剔除掉。具體區(qū)分剔除非法Delaunay三角形的處理流程圖如圖12所示。

圖12 區(qū)分剔除非法Delaunay三角形的處理流程圖

3.2.5 拓?fù)錁?gòu)建三角面

在3.2.3基于道路邊線構(gòu)建三角網(wǎng)和3.2.4區(qū)分剔除非法Delaunay三角形的基礎(chǔ)上，利用FME的LineOnLineOverlayer轉(zhuǎn)換器，對(duì)道路邊線范圍內(nèi)三角網(wǎng)中的各個(gè)三角形的多段線進(jìn)行拓?fù)涮幚硪垣@取一系列拓?fù)潢P(guān)系上連接的閉合三角形多段線，然后利用FME的AreaBuilder轉(zhuǎn)換器對(duì)形成首尾閉合的多段線創(chuàng)建拓?fù)湔_的三角形面要素，即形成一系列無縫拼接的不規(guī)則三角面道路網(wǎng)。具體處理流程圖如圖13所示。

圖13 Delaunay三角網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)面及鄰接面融合生成道路面流程圖

3.2.6 鄰接面融合生成道路面

基于生成的一系列無縫拼接的不規(guī)則三角面道路網(wǎng)，應(yīng)用FME的Dissolver轉(zhuǎn)換器，通過刪除相鄰接三角形公共邊界來融合面要素的功能，從而創(chuàng)建更大的合并區(qū)域。采用此種方式對(duì)由Delaunay三角網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建的一系列無縫鄰接的不規(guī)則三角面網(wǎng)進(jìn)行相鄰面融合合并，最終將Delaunay三角形要素面融合成完整的道路面。具體處理流程圖如圖13。融合后的城區(qū)道路和郊區(qū)山路的道路構(gòu)面效果圖如圖14和圖15所示。

圖14 城區(qū)道路面融合效果圖

圖15 郊區(qū)山路道路面融合效果圖

4 總 結(jié)

通常道路面構(gòu)建方法有人工邊線連接分段構(gòu)建法和道路中心線緩沖構(gòu)面法兩種方法。第一種方法需要投入大量的人工進(jìn)行斷線連接、分段拓?fù)錁?gòu)面等，工作量十分龐大且作業(yè)效率低下；第二種方法需要根據(jù)道路邊線采用人工繪制道路中心線、并量取道路寬度值，然后再通過緩沖構(gòu)面，雖然效率有所提升但是存在道路交叉處的喇叭口處銜接十分生硬及與道路寬窄變化的體現(xiàn)嚴(yán)重不足等問題。

相比傳統(tǒng)方法的道路構(gòu)面不足的情況，本文基于大比例尺DLG的電子地圖道路面快速構(gòu)建方法優(yōu)勢(shì)十分明顯，不僅有傳統(tǒng)人工邊線連接構(gòu)建道路面的美觀效果，而且構(gòu)建效率有了十分顯著的提高。在福州市全市域電子地圖生產(chǎn)更新項(xiàng)目建設(shè)中，為電子地圖的道路面快速生產(chǎn)及更新提供了一套切實(shí)有效的解決方法。