基于大比例尺DLG的電子地圖道路面快速構建方法研究

吳國華

(福州市勘測院，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著信息技術的快速發展和人們對電子地圖應用需求的不斷提高，電子地圖產品已經融入人們日常生活和工作的每一個角落。在當今城市建設快速發展的環境下，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、何種頻率對電子地圖進行常態化生產更新，使其時刻保持其數據現勢性成為測繪地理信息行業應用研究人員面前的當務之急[1]。電子地圖的更新方法通常是采用大比例尺DLG數據進行生產加工，而道路作為電子地圖的關鍵要素，在電子地圖的生產中占有至關重要的地位。傳統的道路網構建處理方式是通過人工閉合道路邊線分段構建道路面，其作業工作量大且效率低，很難滿足當前市場對電子地圖快速更新的需求。本文結合福州市全市域1.2萬平方千米范圍電子地圖生產需求，以FME為基礎平臺，通過對福州市全市域 1∶2 000 DLG道路邊線進行分區自動構建道路面的方法，可以快速完成道路面的生產和更新工作。

2 數據現狀

福州市已經建成覆蓋全市域1.2萬平方千米的 1∶2 000 DLG數據庫，是電子地圖生產和更新的基礎數據來源。1∶2 000 DLG數據庫中居民地、水系、綠地等圖層數據是已經拓撲構建的面圖層數據，關鍵地物要素僅有交通層是以矢量線圖層存儲的數據。因此以道路邊線進行電子地圖中道路面的構建，成為電子地圖生產與更新的主要工作內容。通過對 1∶2 000 DLG數據庫中交通相關圖層數據提取分析，其數據內容包含交通線層、交通注記層共兩大類型。其中交通線圖層總計包含166類地物編碼的各類交通線，其屬性內容包含屬性ID、地物編碼、采集時間、長度等字段。但交通線層多為細碎的矢量線段、且在與居民地等其他地物要素連接處為非閉合狀態。如采用人工拓撲進行斷線連接、拓撲構面的方式，作業進度緩慢，將耗費大量的人力。

3 道路面構建

3.1 作業原理

3.1.1 構建Delaunay三角網

Delaunay三角網是一系列相連的但不重疊的三角形的集合[2]。空外接圓性質和最大最小角性質是Delaunay三角網具有的兩個特有的性質。其中最大最小角性質是指：Delaunay三角網最大化最小角特性在散點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]。其在現代地理科學與計算機科學中的表現和應用中，可以理解為兩個相鄰的三角形構成凸四邊形的對角線，在相互交換后，六個內角的最小角不再增大的幾何特性。針對這一幾何特性來講，Delaunay三角網是“最接近于規則化的”的三角網。其最大最小角性質構建三角形的構建方式具體如圖1所示：

圖1 Delaunay三角網最大最小角性質說明示意圖

Delaunay三角網的優點是結構良好，數據結構簡單，數據冗余度小，存儲效率高，與不規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域邊界，易于更新，可適應各種分布密度的數據等[4]。正是本身的這些優點，決定了它在現代地理科學與計算機科學中的不可忽視的地位，常被應用于GIS中的網絡分析中，成為描述地表形態的一種公認方法，是地表(地貌和地物)數字化表現的重要手段和常用分析工具。

根據Delaunay三角網最大化最小角特性，以待構建道路邊線節點集作為Delaunay三角網構建數據源，通過對道路邊線節點集形成最小的封閉凸殼，將封閉殼體范圍內的幾何對象分解成一系列相連但不重疊的三角形單元網格，從而以道路邊線節點集構建成覆蓋道路邊線內部區域范圍的Delaunay三角網。簡而言之就是采用Delaunay三角網來數字化表現道路的一種GIS表現方式。

3.1.2 區分非法Delaunay三角形

在以道路邊線的節點集為數據源構建Delaunay三角網的過程中，如果道路邊線的節點集范圍中包含非凸區域或者存在內環，則會產生非法三角形[5～7]。此處表現在圖上就是構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形道路邊線內，即節點集的非凸區域和存在內環的位置。而此類非法的三角形是道路面構建中的冗余數據，需要從構建的三角網中區分出來并剔除掉，以免干擾后繼的道路面構建。

圖2 非凸區域或者存在內環時產生的非法三角形示意圖

在現代地理科學與計算機科學中，矢量又稱為向量，是指既有大小又有方向的量。矢量數據是計算機中以矢量結構存貯的內部數據，它是跟蹤式數字化儀的直接產物。在矢量數據結構中，矢量點數據可直接用其坐標值表示；矢量線數據可用均勻或不均勻間隔的順序坐標鏈來表示；矢量面狀數據(或多邊形數據)可用邊界線來表示[8]。這樣，用點、線、多邊形構成的圖形統稱為矢量圖。根據Delaunay三角網構建的方式及矢量數據的方向特性，通過非凸區域或者存在內環時產生的三角形與其他區域構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分歸類[9]。具體區分歸類數據表示形式如圖2中紅色矢量線表示的三角形為非法三角形。

3.1.3 創建拓撲三角形區域

在現代地理科學與計算機科學中GIS數據通過Point、Polyline、Polygon來表達地物的點、線、面要素。在GIS坐標系中Point(點)用一個坐標對(x、y)或(x、y、x)來表示；Polyline(線)作為點之間的連線，用一系列坐標對來表達線的轉折位置，在程序中依據點連接成線；Polygon(多邊形區域)與Polyline(線)的區別是Polygon(多邊形區域)是首尾相連的Polyline(線)，因此與Polyline(線)的表達方式相同，也用一系列轉折位置的坐標表示，同時，其最后一個坐標Point(點)與首Point(點)坐標相同。基于這一表達方式，把構建的Delaunay三角網中的每一個三角形都可以認為是首尾相連的Polyline(線)[10]，從而經過拓撲處理可以構建成一系列無縫拼接的Polygon(三角形區域)。

3.1.4鄰接面融合

在構建的一系列無縫拼接的Delaunay三角網面中，相鄰接的兩個三角形面都有一個公共邊界線，可以通過刪除相鄰接三角形公共邊界線來融合兩個三角形面要素，從而創建一個更大的合并四邊形面區域。利用同樣的方式對相鄰接的兩個四邊形面進行融合成更大的多邊形面區域，直至所有相鄰接的Delaunay三角形面融合成一個完整的區域。

3.2 應用實踐

3.2.1 作業流程(圖3)

圖3 道路面構建流程圖

作業源數據為已有福州市1∶2 000比例尺DLG交通層數據。

第一步需要對源數據進行數據預處理，即進行冗余篩除、干擾數據清除、數據分類、斷線連接、去除毛刺等預處理操作。

第二步在預處理的數據基礎上，通過FME平臺相關轉換器構建數據外殼對道路邊線節點集構建Delaunay三角網。

第三步根據Delaunay三角網構建的方式及矢量數據的方向特性判斷區分非法三角形。

第四步對剔除非法三角形后的Delaunay三角網通過閉合線拓撲構建三角面網。

第五步對相鄰接的拓撲面數據進行融合最終形成覆蓋道路邊線范圍的道路面數據成果。

3.2.2 數據預處理

對待處理的交通線數據進行冗余篩除、干擾數據清除、數據分類、斷線連接、去除毛刺等數據預處理工作主要處理內容如下：

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

(2)干擾數據清除：需要手工清除獨立于整個交通路網以外且細碎不完整的交通線，這些交通線因遠離交通路網且細碎不完整在數據構建時不能構成三角網，且會干擾其他正常道路邊線構建三角網。

(3)數據分類：根據道路等級編碼和類型對交通線數據進行分類，篩選出郊區道路(大車路、小路)、城市道路(城區主次干道及街巷)、復雜道路(高架、立交橋)等進行數據分類。

(4)斷線連接：大比例尺DLG數字線劃圖中因為地物要素的表達關系等原因，整條道路邊線是有多個多段線組成，不少多段線間還存在一定的間隙。為了提高數據處理的質量，需要對相鄰的斷線進行連接預處理。此處借助FME的LineCombiner、Snapper轉換器，通過設置從小到大的連接參數值，進行循環連接斷開的道路邊線。具體的FME循環連接處理流程圖部分截圖如圖4所示。

圖4 FME中循環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有凸起的銳角毛刺現象，如圖5所示。這種毛刺現象嚴重干擾道路面構建的效果，利用FME的SpikeRemover轉換器，通過角度設定參數自動消除掉道路邊線中的毛刺修復平滑道路邊線。

圖5 道路邊線中的毛刺示意圖

如圖6、圖7是通過數據預處理后的城區道路邊線效果對比圖。

圖6 預處理前的城區道路邊線

圖7 預處理后的城區道路邊線

3.2.3 基于道路邊線構建Delaunay三角網

根據Delaunay三角網最大化最小角特性，以待構建道路邊線節點集作為Delaunay三角網構建中各個三角形的頂點，利用FME平臺的Hullaccumulator、Triangulator、Deaggregator轉換器，對道路邊線節點通過形成封閉外殼，將封閉殼體范圍內的幾何對象分解成三角形單元網格。

構建Delaunay三角網的轉換器函數與alpha初始值的設置，需要參照預處理過程中道路等級及道路寬度的分類類型。設置alpha初始值一般與待處理道路寬度相近時構建的效果最佳，因此對道路寬度分類合理與否對構建效果有著直接的影響。組合轉換器通過Delaunay三角網內的各個Delaunay三角形的外接圓半徑r進行計算，舍棄外接圓半徑r值超過設定初始值alpha的Delaunay三角形，并對組合的網格以單一的三角形為最小單元打散，從而以道路邊線節點構建成覆蓋道路區域范圍的Delaunay三角網。如圖8是應用FMEWorkbench進行道路邊線范圍的Delaunay三角網構建流程圖，圖9是由城區道路邊線生成的覆蓋道路邊線范圍的Delaunay三角網效果圖。

圖8 應用FMEWorkbench進行道路邊線范圍的Delaunay三角網構建流程圖

圖9 由城區道路邊線生成的覆蓋道路邊線范圍的Delaunay三角網效果圖

3.2.4 區分剔除非法Delaunay三角形

在以道路邊線的節點集基于FME平臺的Hullaccumulator、Triangulator轉換器來構建Delaunay三角網的方法實際應用當中，如果道路邊線的節點集范圍中包含非凸區域或者存在內環，則會產生非法三角形，此處表現在圖上就是構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環處。而此類非法的三角形是道路面構建中的冗余數據，需要剔除掉，以免在后期的構面處理中誤構成道路面。

圖10 Delaunay三角網中非法三角形(紅色)區分示意圖

圖11 Delaunay三角網中非法三角形(紅色)局部放大示意圖

根據Delaunay三角網構建的原理及矢量數據的方向特性，通過非凸區域或者存在內環時產生的三角形與其他區域的三角形方向不同的矢量屬性來區分非法三角形。使用FME的OrientationExtractor轉換器把Delaunay三角形隱藏的矢量方向屬性暴露出來。然后根據FME中tester轉換器對輸入要素執行測試條件，從而將點集范圍是非凸區域或者存在內環的矢量方向不一致的三角形(非法三角形)區分歸類并剔除掉。具體區分剔除非法Delaunay三角形的處理流程圖如圖12所示。

圖12 區分剔除非法Delaunay三角形的處理流程圖

3.2.5 拓撲構建三角面

在3.2.3基于道路邊線構建三角網和3.2.4區分剔除非法Delaunay三角形的基礎上，利用FME的LineOnLineOverlayer轉換器，對道路邊線范圍內三角網中的各個三角形的多段線進行拓撲處理以獲取一系列拓撲關系上連接的閉合三角形多段線，然后利用FME的AreaBuilder轉換器對形成首尾閉合的多段線創建拓撲正確的三角形面要素，即形成一系列無縫拼接的不規則三角面道路網。具體處理流程圖如圖13所示。

圖13 Delaunay三角網拓撲構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則三角面道路網，應用FME的Dissolver轉換器，通過刪除相鄰接三角形公共邊界來融合面要素的功能，從而創建更大的合并區域。采用此種方式對由Delaunay三角網拓撲構建的一系列無縫鄰接的不規則三角面網進行相鄰面融合合并，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。融合后的城區道路和郊區山路的道路構面效果圖如圖14和圖15所示。

圖14 城區道路面融合效果圖

圖15 郊區山路道路面融合效果圖

4 總 結

通常道路面構建方法有人工邊線連接分段構建法和道路中心線緩沖構面法兩種方法。第一種方法需要投入大量的人工進行斷線連接、分段拓撲構面等，工作量十分龐大且作業效率低下；第二種方法需要根據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嚴重不足等問題。

相比傳統方法的道路構面不足的情況，本文基于大比例尺DLG的電子地圖道路面快速構建方法優勢十分明顯，不僅有傳統人工邊線連接構建道路面的美觀效果，而且構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更新項目建設中，為電子地圖的道路面快速生產及更新提供了一套切實有效的解決方法。