面向地图综合的VGI道路网重要度层次分解选取方法研究

自发地理信息数据具有现势性好、覆盖范围广、信息丰富、获取方便等特点,可作为全球范围内地理信息数据生产与更新的良好数据资料。但是由于数据的无尺度特性,导致自发地理信息道路数据细节过于繁杂,难以直接应用于生产。现有道路网自动选取算法在计算道路重要度时,对所有待选取道路的重要性进行排序,并依据重要性从大到小依次选取。这种方法忽略了选取过程中,道路网结构变化对道路重要性的影响。为此,本文提出了一种基于重要度层次分解的道路网自动选取算法,该方法针对自发地理信息道路网细节繁杂的特点,根据地图数据制图综合时逐级缩编的思路,采用基于层次分解的选取策略进行道路网选取：首先计算所有节点的重要度,然后剔除重要度最小的一些道路节点,并重新计算新的所有节点的重要度,重复上述步骤,直至所有道路节点排序完毕,从而可获得所有道路的重要性排序并完成道路网选取。利用开放街道地图道路网数据进行实验,实验结果表明本文算法选取结果优于网络中心性方法。     

基于粒子滤波的行车轨迹路网匹配方法

行车轨迹是一种时间序列的地理空间位置采样数据,而传统的轨迹—路网匹配方法主要以全局或局部寻优的方式建立轨迹—路网匹配关系,影响了时空场景中数据的匹配计算过程的相对独立性。针对这个问题,本文基于粒子滤波（Particle Filter,PF）原理建立行车轨迹与道路网络之间的匹配关系。首先,沿轨迹中车辆运动方向在道路网络中搜索邻近道路节点,在与道路节点拓扑邻接的道路弧段上初始化随机生成粒子,根据轨迹中车辆运动模型将粒子沿所在道路弧段移动;然后,基于PF原理计算各时刻粒子运动状态及与行车轨迹采样点之间的距离误差,根据高斯概率密度函数计算粒子权重并利用随机重采样方法进行粒子重采样,迭代更新粒子运动状态;最后,计算与搜索到的道路节点拓扑邻接的每条道路弧段中累计粒子权重,通过各道路弧段累计权重计算轨迹—路网匹配关系。以行车轨迹进行实验表明,利用本文方法可以通过粒子时空变化反映采样点的移动,行车轨迹—路网匹配结果的正确率大于85%,能够实现行车轨迹和路网的准确匹配。     

面向路网匹配的层次化语义相似性度量模型

当前路网主要借助属性表中若干特征项的属性信息对其进行语义相似性评估，很少顾及到路网的分级层次结构、空间拓扑信息以及邻域要素信息，一定程度上影响着语义相似性评估结果的准确性。针对上述问题，本文提出一种“整体（骨架树）→部分（同构子树）→个体（stroke）”的路网层次化语义相似性度量模型，该模型顾及了路网属性特征项、上下级拓扑关联和邻域POI的语义信息，突破了传统模型仅以路网属性特征项的语义信息作为相似性评估指标的局限性。(1)利用stroke技术表达路网，并对其进行分级；(2)将路网数据映射到关联骨架树，进而建立考虑其层次性的路网相似性度量模型；(3)利用层次分析法和熵权法分别确定约束指标权值，并通过加权法计算路网的语义相似度。将该模型应用到路网匹配实验中，并与既有模型进行对比，结果表明利用本文提出的语义相似性度量模型，同时结合同构子树进行道路匹配，不仅可以提高匹配结果的准确性，而且可以提高匹配效率。对于文中案例所选的路网，拓扑关联语义信息对匹配结果的影响较邻域POI语义信息更显著，且与遍历法相比，以同构子树作为参照进行路网匹配，其匹配速率得到明显提升。     

基于拓扑结构分形维的道路选取方法

计算了复杂网络中单个节点的信息维数、体积维数和度体积维数,提出一种基于结构分形维的道路选取方法,考虑了道路网连通方式的多样性与差异性特征。实验结果表明,相比基于路划长度、中介中心性、邻近中心性、度中心性4种单指标道路选取模型,该方法能更好地保持路网整体结构、局部关键特征和拓扑连通性;并且与相应标准比例尺地图保持更高的一致性。     

一种基于空间-拓扑结构相似性的复杂轨迹聚类算法

复杂的面状空间实体如海洋涡旋、环流和降雨过程在运动过程中会产生更复杂的轨迹,即具有分支结构的复杂轨迹。为了挖掘这类复杂轨迹的运动模式特征,本文从复杂轨迹的拓扑结构和空间特征出发,创新性地提出复杂轨迹的空间-拓扑结构相似性度量算法（Spatial-Topological Similarity Measurement, STSM）,该算法是基于图同构算法VF2改进的。首先STSM算法将复杂轨迹用带有节点和边的图结构表达,并将空间信息融入图结构的节点属性中,通过匹配复杂轨迹之间所有最大公共子结构,找到匹配结构中节点之间一一对应的关系,利用加权的欧式距离计算复杂轨迹匹配结构中点对之间的空间距离。然后,基于STSM相似性算法进行层次聚类分析,旨在发现复杂轨迹之间相似的拓扑结构在空间上的聚集模式。最后,利用1993-2016年长时间序列的中国南海冷涡复杂轨迹验证方法的有效性,并对比分析复杂轨迹拓扑结构相似性算法CSM。结果表明：单纯用拓扑结构相似性算法CSM进行聚类分析,不能充分挖掘空间的聚集模式,因为不同空间位置也存在拓扑结构相似的轨迹。而本文提出的STSM算法将南海冷涡复杂轨迹分为5类,第一类分布在南海北部、第二类分布在南海中部、其他三类交错在南海南部。这种聚集模式在一定程度上反映了冷涡的生成和演化过程在南海北部、中部、南部的差异性,同时也表明了冷涡移动在南海南部存在更为复杂的异质性。因此,本文提出的方法可以有效地从复杂轨迹数据中发现其演化过程的潜在聚集模式,为认识这类复杂动态现象的时空演化特征提供了一种新的方法。     

基于层次随机图的道路选取方法

 道路选取是道路网自动综合的关键问题之一,这方面已有多年研究,虽已取得很大进展,但尚不能自动完成一定比例尺下道路网的选取。本文提出一种基于层次随机图的道路选取方法,通过构建道路网的层次聚类结构以辅助道路选取。层次随机图是一种复杂网络模型,表现为一个二叉树,它不仅可以将复杂的道路网进行层次聚类,而且在可视化的同时提供了不同粒度的聚类信息。在构建道路网的层次随机图的基础上,本文采用累计权重数来衡量每条道路在整体层次结构中的重要性,并据此进行道路选择。我们将该方法应用到不同模式的实际道路网中进行道路选取试验,包括方格形、方格放射状、环形放射状、自由式路网等,以对应的谷歌地图作为参考进行道路选取符合数量、符合长度的定量评价和观察对比定性评价。试验表明本方法的选取结果与谷歌地图符合度很高。此外,与典型的基于路划长度和基于度中心度(degree centrality)的选取方法相比,本文方法更优。最后给出了本文方法优缺点的讨论和进一步研究的展望。     

一种市政道路BIM设计模型与三维GIS数据集成方法

针对现有市政道路模型交换标准的不足,以及道路BIM设计模型与GIS模型集成中的几何、语义信息缺失等问题,提出一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成的方法,其核心是以City GML模型标准为基础,重新定义了扩展后的道路设计模型;通过要素语义解析、几何模型转换等过程实现道路模型和GIS数据的集成存储与表达。以重庆市九龙坡区尹朝社周边市政道路设计工程为例,进行道路BIM设计模型与现状城市三维模型数据的集成实验,结果表明,方法较好地保留了道路设计模型的整体结构、横断面特征、路段拓扑信息等,并且扩展定义的道路设计模型完整地存储和表达了道路设计要素。方法在城市规划设计延伸应用上具有广阔的前景。     

嵌入式GIS中多尺度道路网路径规划方法的研究

针对大区域路径规划问题,论述了道路层次划分模型和多尺度道路网数据库的建立,提出了构建多级道路网拓扑结构的方法,利用层次空间推理和改进的启发式A*算法进行最优路径的选取。     

基于路网数据和复杂图论的中国城市交通布局评价

城市化的快速发展推动了我国城市道路网的不断扩张和发展。城市道路网是一个动态、开放、自组织的空间复杂网络,构成了城市的结构框架,研究城市道路网的结构特征对路网规划和城市建设有着重要的应用价值。在国内城市道路网络结构特征的相关研究中,很少有学者基于道路走向的视角对整个城市路网结构进行研究,也缺少对全国主要城市路网的整体性评价。本文选取我国一、二线及新一线49个城市作为研究区和2020年2月的城市道路网作为实验数据,首先采用图论和玫瑰图的方法对49个城市的道路网方向特征进行可视化,定性分析城市路网的复杂结构,然后基于最值比R、道路首位度S、过阈值比T、走向顺序φ和路网密度δ等5个路网指标对49个城市的道路网进行聚类分析,从而探究我国城市路网的分布特征。结果表明,我国城市主要以南北和东西走向为城市道路的主导向,部分城市因地形的影响沿着有利于城市交通和居民生活的方向规划道路;基于路网指标的聚类得到了十字正交型、十字状向风车状扩散型、风车状向圆弧四角星扩散型和混合复杂型等4类城市道路网类型,这4类城市路网在方向分布特征上具有显著差异,突出表现在有序性和复杂性;从路网类型的空间分布来看,十字正交型和十字状向风车状扩散型路网大多分布在我国的内陆地区,而风车状向圆弧四角星扩散型和混合复杂型路网则大多分布在沿海地区。本文主要通过分析我国一、二线及新一线城市道路网的分布特征,探究了我国主要城市交通路网的布局现状,能够为城市新区道路规划和路网布局优化提供参考依据。     

基于LDA和优化蚁群的OD流向时空语义聚类算法

针对OD流向聚类中语义信息考虑不足和流向语义提取困难的问题,本文提出了一种基于隐含狄利克雷分布模型（Latent Dirichlet Allocation,LDA）和优化蚁群的OD流向语义聚类算法。算法首先以流向终点的POI类别为词汇构建流向文档,采用LDA主题模型提取流向语义,量化OD流向间的语义相似度,融合时间、空间和语义相似度构建流向时空语义相似度;接着以流向为节点,以流向时空语义相似度为边构建流向图,利用高斯函数映射以及图连通分量,剔除不相似的流向,实现数据精简;之后借鉴了密度峰值聚类算法思想,利用节点的介数中心性优化蚁群初始位置选取;最后基于多路切图准则（Multiway Normalized Cut, MNCUT）强化蚁群搜索的目的性,优化蚁群搜索的聚类效果,实现OD流向的时空语义聚类。以厦门市出租车公开数据集与厦门市高德地图POI数据为例进行分析与验证,结果表明本文基于LDA模型的语义提取方法可以有效提取流向的语义信息,构建有效的流向相似度度量;基于高斯函数和图连通分量特性的映射策略可以有效剔除了流向数据中的噪音,有效节省无向图构建的计算开支,大约节省了88.5%~88.8%的运行时间;基于介数中心性和多路切图准则优化的蚁群搜索聚类算法,可以有效进行流向语义聚类。相比已有方法本文方法能够更好地衡量流向间的语义相似程度,可实现按主题进行聚类划分,划分更加精细,更方便有效地进行流向语义的相关分析。     

顾及路网与轨迹多模特征的道路等级分类研究

道路等级不仅反映在路网结构的静态骨架信息上,也蕴含在轨迹数据呈现的动态语义信息上。为解决(OpenStreetMap)OSM路网部分路段及路网生成产品等级缺失问题,本文提出一种顾及路网与轨迹多模特征的道路等级分类方法。首先通过轨迹数据的清洗、地图匹配和基于路名的路网合并实现轨迹点与命名道路的联结;然后以命名道路为分析单元,综合考虑路网及轨迹数据,在系统分析路网结构的道路几何特征、道路分布特征、道路拓扑特征及道路单双向信息基础上,进一步挖掘与融合轨迹数据蕴含的道路宽度、道路车流量、道路速度等静动态特征,形成关于道路等级的描述特征集,作为识别道路等级的基础与依据;最后以随机森林(RF)为基本分类器进行特征选择及模型训练实现道路等级识别。为验证本文方法,选取武汉市汉正街区域及二环区域,基于OSM路网数据及众源轨迹数据开展试验。该方法取得了较好的分类结果,小范围汉正街区域的验证集准确率为91.2%,大范围二环区域的验证集准确率达到80.8%。与单类特征相比,集成路网与轨迹特征极大提高了道路等级分类准确率;与原始路段形式进行道路等级分类相比,以路名重构道路形式进行道路等级分类效果更好。     

多尺度点–线目标拓扑关系不一致性探测方法

不一致性探测对提高多尺度点–线目标拓扑关系一致性处理的科学性和效率具有十分重要的意义。道路和居民地作为基础地理空间数据中两类最重要的地图要素,两类要素之间拓扑关系在不同尺度地理空间数据中的不一致性问题十分突出。本文以同名点状居民地与线状道路为例,研究了多尺度地理空间数据的拓扑关系不一致性问题,提出了基于拓扑距离的多尺度点–线目标拓扑关系不一致性探测方法,并进行了实验验证。研究表明,本文方法识别出的拓扑关系不一致性结果,可以作为不同尺度数据中点–线目标拓扑关系一致性处理的依据。     

基于城市地址树的地址文本匹配方法

为了适应中文地址数据的复杂性,本文依据其中地址要素的层级关系,建立城市地址要素的树形模型,并提出基于地址树的文本自适应匹配方法,该方法根据地址数据中各部分地址信息匹配的节点评价选择最优匹配结果,通过单元最大长度匹配法获得地址树中与地址信息相匹配的节点,参照节点的层级关系构建相对独立的地址节,根据地址节中的地址信息计算权重因子,回溯评价返回最优匹配结果;本文采用深圳市518 948条建筑物地址数据构建城市地址树,在此基础上进行地址匹配试验,达到85.6%的匹配准确率,可应用于地址标准化和地址匹配流程中。     

结合SVM与图匹配的车载激光点云道路标线识别

本文提出一种基于SVM与图匹配相结合的车载激光点云道路标线识别方法。该方法基于标线点云分割对象,利用Hu不变矩、实心形状上下文（SSC）、最小外包矩形（MBR）面积和延展度构建形状特征向量,采用SVM进行道路标线粗分类。针对粗分类结果,构建能够精确描述空间语义信息（如局部区域内标线间的排列、方向、距离）的图结构,通过图匹配方法优化粗分类结果,完成直行箭头、人行横道预告标识线、单向转向箭头、双向转向箭头、虚线型标线、斑马线共六类道路标线的精确识别。本文实验采用4份不同场景车载激光点云数据,实验结果中6类标线分类的准确率分别达100%、100%、94.12%、100%、94.94 %、99.25%,召回率分别达100%、100%、88.89%、100%、98.21%、99.00%,F₁-Measure值分别达100%、100%、91.43%、100%、96.59%、99.12%。结果表明,本文方法能实现多类标线对象的精确识别,并对形状相似标线（如直行箭头、虚线型标线与斑马线）的区分具有较强稳健性。     

新世纪版《国家普通地图集》中城市地图的研究与编制

当前,我国正在加快城镇化进程,新型智慧城市的建设对城市时空信息基础设施建设提出了更高的要求。为了充分展示我国城市发展现状和满足城市建设需要,新世纪版《国家普通地图集》专门设计和编制了城市图组。城市地图存在资料复杂、内容广泛、形式多样、标准不一、语义不清等问题,项目组采用数据挖掘、深度学习、语义空间匹配、粗差数据发现、数据检核等技术手段,对多元时空数据进行融合及综合处理,同时依据制图综合处理原则与专家经验,结合自动缩编和增量更新技术,生产图幅数据并建立图形数据库。然后采用数据库驱动制图技术,基于图形数据库和符号库实现自动配图,最后通过人工处理少量的协调关系和地图美化,制作完成城市地图。     

基于动态中介中心性的城市道路网实时分层方法

 城市道路网中各路段的出行效率直接决定了公众实时出行过程中对道路的选择差异。本文提出一种动态道路网分层方法,通过引入城市道路实时交通状态信息,结合图论中的中介中心性评价方法,得到与时间相关的城市路网动态中介中心性层级结构。该方法考虑了不同时间段城市交通状态的差异,实现了城市路网层次的动态合理划分,在一定程度上缓解了由于数据空间范围限制引起的路网层级静态划分方法的局限性。本文所提出的方法可作为城市路网动态分层的有效方法,为多用户并发环境下的实时出行路径搜索提供更合理的数据基础,同时也可应用于更多的城市路网研究中。     

结合POI数据的道路自动选取方法

人们对道路重要性的认知与道路周边设施有重要关系,针对现有地图综合道路选取方法中对语义特征考虑不足的问题,将POI数据引入到道路的语义特征分析中,提出一种综合考虑道路空间特征和语义特征的道路综合自动选取方法。首先,结合POI位置数据构造了道路语义特征度量的3个新参量：设施点密度、重要设施比率和专题设施比率;然后,与道路长度、连接值、总深度值、平均线密度等反映道路几何、拓扑和分布特征的度量参量一起,通过归一化和熵值法赋权进行整合计算,得到道路重要性值;最后,综合考虑道路重要性值、道路stroke构成和stroke连通度的约束条件进行道路的分步选取。实验结果表明,该方法在保留主要道路、保持道路分布疏密特征和道路连通性的同时,较好地顾及了道路的语义特征信息。     

不同模式道路网交通便捷性比较

道路网在城市发展中起着关键作用。交通便捷的城市,往往与其他城市经济贸易等交流频繁,在区域中能够获得更好的发展机会,并能有效节约社会资源。城市道路网呈多种模式,不同模式道路网独有的几何和结构特征导致其交通便捷性差异明显,但对这种差异缺乏定量分析和比较。本文基于目视观察大量城市数字地图,认为真实道路网基本呈格网、环形放射、自由3种典型模式。针对以上典型模式,定义用于描述交叉口之间移动难易程度的无效移动系数和通达度指标,结合现有的连接度指标采用网络分析方法分别从几何和结构的角度比较不同模式道路网的交通便捷性差异。结果表明,格网和环形放射模式无效移动系数低,邻近交叉口之间距离多为有效移动,道路网连接度较高,交通便捷性良好。自由模式道路走向任意,难以有效连线构网,相邻交叉口之间无效移动系数较大,连接度相对低,便捷性相对较差。受规模因素的影响,格网模式交叉口之间平均最短路径较大,消除规模因素影响整体道路网具有良好的通达性。     

城市道路网的多尺度连续变换方法

本文提出了一种多比例尺道路网的连续变换方法,旨在解决在信息化大地图环境下城市道路网的多尺度连续表达需求。该方法首先对2种比例尺的道路网数据进行拓扑重建预处理,然后利用概率松弛匹配方法识别二者的要素对应关系。根据要素对应表,将2种比例尺道路要素分为1:1对应线状要素、1:0单独线状要素和M:N复杂线状要素3种情况：（1）对于1:1对应线状要素,本文采用简单线性Morphing变换方法;(2)对于1:0单独线状要素,首先对道路要素的直角特征进行识别,并定义直角及其前后一定范围内的线段为直角子线段,在此基础上,利用Douglas-Peucker算法将分割后的道路要素进一步分割,然后将直角子线段的起点和终点作为断点切割原道路要素,以顶点连续移位的方式实现连续综合变换;(3)对于M:N复杂线状要素,采用渲染颜色逐渐淡出的方法进行连续表达。最后,将3种情况的连续变换结果进行叠加组合。实验结果表明,本文方法能够获得良好的多尺度连续表达效果。     

车辆导航系统中地图匹配算法的研究

根据网格思想将道路网络进行分块并融合GPS所提供的定位数据,利用车辆行驶的位置、方向和实际道路网络的拓扑特性,提出一种快速实用的地图匹配算法。使GPS数据实时地与GIS地图数据匹配,有效地提高车辆导航的定位精度。