基于小比例尺基礎地形圖不完整道路數據的路網智能構建

歐陽芳 鄧吉秋 王路希 李 娜 方青磊

（中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083）

0 引言

城市化的不斷普及，各地交通的迅猛發展，給路徑分析與交通規則帶來不便[1－4]。使用計算機技術模擬、分析道路網交通狀況能有效緩解這些問題[4]。近年來人們在路網構建方面做出了很多研究，主要集中在道路網絡模型構建方面[1－2,5]，針對不完整道路數據的研究較少。路網模型的構建原理是高精度、準確、盡可能趨于現實的體現道路交通的線性特征和道路數據的組織結構，以達到“保障安全、提高效益、改善環境、節約能源”的目的[6]。

構建交通網絡數據集，需要地圖的道路數據。然而基礎地形圖道路數據在數據生產與使用的各個環節中可能存在缺失，比如手工數字化時失誤；掃描底圖時紙質損毀；數據采集過程失誤；數據獲取與更新滯后、數據轉換、比例尺變更、數據抽稀等，主要體現在圖形拓撲關系、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據構建交通路網，將造成部分轉向、連接點、邊等網絡要素的缺失，影響其連通性、網絡要素的屬性[7]。因此，研究和實施不完整道路數據的路網智能構建具有重要的理論價值和現實意義。

本文針對不完整道路數據的路網構建問題，基于路網構建需符合現實交通的規則[8]，提出“模糊節點”的概念，由其實現道路數據不完整情況下的道路“跨越式”連接，設計基于不完整道路數據的路網智能構造算法，并基于ArcGIS開發應用工具，用實際數據對此方法進行檢驗分析。

1 “模糊節點”及其提取方法

基于現實交通規則，基礎地形圖中表示居民地的城鎮區、村落、獨立房屋、居民區、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”，作為道路網絡中的節點，這些節點就是“模糊節點”,代表地圖中的連接要素，其大小代表人口數量、居民區大小，決定其連接范圍。以這些“模糊節點”為軸心并遵循一定的規則，與外圍已有道路網“跨越式”連接，就是不完整道路的自動完善過程。

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

2 基于“模糊節點”的路網智能構建技術

基于“模糊節點”的路網智能構建關鍵技術包括路網數據庫的建立、地圖綜合、提取“模糊節點”和“跨越式”連接規則及流程設置。本文采用ArcCatalog創建網絡數據集完成路網構建。此過程需注意道路的屬性是路網數據質量的重要組成部分。除道路基本信息外，對網絡分析的要求越高，需要采集的道路屬性就越多，比如轉向設置、限高、限重、車型限制等[1]。居民地數據則需要人口、居民區面積等參數。地圖綜合單指上文提到的居民地數據詳細程度遠超道路數據時進行。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，參數設置與不同比例尺基礎地形圖制圖綜合時參數一致。

2.1 提取“模糊節點”

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

2.2 “跨越式”連接規則及流程設置

圖1 “模糊節點”提取流程圖Fig.1 Flow chart of extraction“Fuzzy node”

基于路網連通性及符合實際交通的規則，“跨越式”連接操作流程如下：（1）當任意兩個“模糊節點”間的距離小于其輻射距離之和時，連接這兩個“模糊節點”生成臨時道路；（2）當任意“模糊節點”到道路網可連接點的最近距離小于此“模糊節點”的輻射距離時，則連接此“模糊節點”和最近點；（3）將目前還孤立的“模糊節點”連接到最近的（1）、（2）步新生成的道路或者原始道路網中可連接處，使這個連接線段最短；（4）對新生成道路圖層進行拓撲檢查，拓撲規則有：不重疊、不相交、無偽節點、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）中規則），得到構建路網道路數據圖層。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應用程序中的近鄰分析功能求出。最近距離點位置可由ArcMap導出距離表格并使用ArcMap的添加XY數據功能添加到圖層。

3 基于“模糊節點”的路網智能構建應用與分析

本文以1:5萬湘西土家族苗族自治州的基礎地形圖為基礎創建路網。源數據有道路圖層、居民區、點圖層，居民地數據不需地圖綜合。“模糊節點”圖層由上文3.3提出的“模糊節點”提取流程獲得。完整道路數據是在不完整道路數據的基礎上，將“模糊節點”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更符合實際交通并提高了道路數據的詳細程度。分別為以原始道路和智能完整道路為基礎構建交通網絡數據集[8]，并以此為基礎進行分析，此處以最短時間路徑分析為例，下圖2中左右側網絡分析分別采用原始道路和智能完整后道路構建的網絡數據集，路徑分析時起、終點相同，為點①、點②，路徑分析結果分別為最短路徑1、最短路徑2（如下圖2所示）。

圖2 最短路徑對比（左側路徑1，右側路徑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“模糊節點”“跨越式”連接到路網過程中有新增路徑，導致起點①與終點②間的最短路徑分析結果發生了改變，新路徑2通過了新生成路徑，以致比源路徑1耗時更少。

4 結束語

本文提出了“模糊節點”的概念，并以其為基礎實現了不完整道路通過“模糊節點”跨越式連接路網，從而快速的建立真實的道路網絡。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據，對路網數據進行了自動完善。這充分證明了“模糊節點”概念的可行性與優越性，其構建的路網數據模型能夠使路網更精確，為交通規劃預測提供更好的指導作用。

本文的研究解決部分道路缺失時的路網構建問題，但還有一些問題需要進一步的改進和完善。如“模糊節點”的輻射半徑設置如何更符合實際交通；如何使“模糊節點”與更多的無關聯道路數據（湖泊、河流）結合起來；如何使自動完善的道路更符合現實，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。

［1］王雪麗,恰汗·合孜爾.基于ArcGIS的城市交通網絡數據模型的建立[J].計算機與數學工程,2011,39(4):87-89.

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［3］楊林.支持多模式的復合交通網絡模型及關鍵技術研究[D].中國地質大學,2008.4.

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［7］Cova T J,Johnson J P.A Network Flow Model for Lane based Evacuation Routing[J].Transportation Research Part A:Policy and Practice,2003,37(7):579-604.

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