[發明專利]一種集成線、面模式的道路網選取方法

在審

• 申請號: 201910079989.2
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109740289A
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 王艷慧;趙文吉;張建辰
• 申請（專利權）人: 首都師范大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 張淑賢;王慶彬

1.一種集成線、面模式的道路網選取方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1)、獲取原始路網數據，進行拓撲預處理，原始路網數據中包括路段、結點，進行拓撲預處理后的結點和路段之間建立了拓撲聯通關系；

之后，利用OLS模型，對待連接路段的傾斜率進行計算，并結合連接處的夾角，設計顧及整體的Stroke連接規則；Stroke可看作是由數條連續路段組成的路徑；由OLS模型得到的路徑的傾斜率，實質上是由路徑上的結點模擬得到的斜率，該傾斜率的值可以表征后續連接路段與初始路段的關系；

利用傾斜率從整體上對Stroke連接規則進行約束的過程如下：

n個分散的結點N_i和n-1條路段構成路徑R_i，i＝1、2、...、n，路段用S_i-1表示，所述n-1個路段是由前述的n個分散的結點間隔分開形成，第i個結點的坐標為(x_i，y_i)，則路徑R_i的傾斜率m的公式如下：

式(1)中，為n個結點N_i的橫坐標的均值，為n個結點N_i的縱坐標的均值；

之后，同時進入步驟2)和步驟3)；

步驟2)、Stroke生成包括連接規則和連接策略；進行Stroke生成的處理過程包括：

21)、設置Stroke生成時路段的連接規則如下：

規則一)、從局部角度考慮，待連接路段在連接處的轉向角要小于偏轉角閾值θ，偏轉角閾值θ一般小于60°；

規則二)、從整體角度考慮，引入OLS模型計算路徑的傾斜率，如上述公式(1)，選擇與初始路段傾斜率差值最小的路段作為后續連接路段，從而使得連接后形成的Stroke在整體上具有較好的連續性，具體計算方法如下：

若判斷路段S₀兩端各有一結點FN₀和TN₀，計算方法如下：從結點FN₀進行連接，在結點FN₀處滿足規則一)的路段數為n；由OLS模型計算初始路段的傾斜率為m₀，n條可選路段連接后所形成的路徑傾斜率為m_i(i＝1，2，…，n)，令Δm＝min|m_i-m₀|，則Δm對應的路段S_i-1則為與S₀連接的路段；在進行下一次連接時，把新生成的路徑傾斜率作為起始傾斜率，即令m₀＝m_i；以新連接的路段的一個結點按照規則一)和規則二)繼續對路段進行連接，直至找不到滿足規則一)的路段結點，生成一條新的Stroke，對該Stroke進行標記；用同樣的方法對結點TN₀進行處理，則可以生成結點TN₀在另一方向的另一條新的Stroke，對該Stroke也進行標記；

若判斷一結點SN₀同時連接三個路段S₀、S₁和S₂，三個路段S₀、S₁和S₂另一端的結點分別為SN₁、SN₂、SN₃，計算方法如下：設從路段S₀開始進行Stroke連接，計算路段S₁、S₂與路段S₀的偏向角，利用OLS模型計算得到路徑(SN₁，SN₀)、路徑(SN₁，SN₀，SN₂)和路徑(SN₁，SN₀，SN₃)的傾斜率m₀、m₁和m₂；

所述的傾斜率m₀指的是結點SN₁與結點SN₀之間路徑(SN₁，SN₀)的斜率，此時，結點SN₁與結點SN₀之間是直線段連接，因此此處，傾斜率m₀既是所連直線的傾斜率，也是實際路徑的傾斜率；

路徑(SN₁，SN₀，SN₂)是由兩個直線路段(SN₁，SN₀)和(SN₀，SN₂)連接而成的折線段，其傾斜率m₁由上述式(1)求得；路徑(SN₁，SN₀，SN₃)是由兩個直線路段(SN₁，SN₀)和(SN₀，SN₃)連接而成的折線段，其傾斜率m₂由上述式(1)求得；

在結點SN₀進行Stroke連接時，會出現以下三種情況：

①若偏轉角均小于或者等于閾值θ，計算m₁與m₀之間的差值、m₂與m₀之間的差值，設|m₁-m₀|＜|m₂-m₀|，則選擇路段S₁與S₀進行連接生成Stroke，并令m₁的值為初始傾斜率，對結點為SN₃的路段進行Stroke連接；

②若偏轉角均大于閾值θ，則在結點SN₀處終止連接；

③若只有一個路段的偏轉角小于或者等于閾值，則該路段直接與路段S₀進行連接；

22)、設置基于路段重要度的連接策略：

從道路幾何特征和拓撲關系上，選擇道路的長度及其連接的路段數作為計算路段重要度的指標；道路的長度越大，連接路段的數量越多，路段的重要性就越大，路段重要度的計算方法如下：

公式(2)中，l_i為路段i的長度，l_max為路段最大長度，d_i為路段i連接的路段數，d_max為路段i連接的最大路段數，a為d_i的權重，b為d_max的權重；

在獲得路段重要度排序的基礎上，根據路段的重要度確定起始路段和生成一條新Stroke后新的起始路段，從而生成確定的Stroke結果，處理過程如下：

221)、遍歷經拓撲預處理后的路網中的所有路段，n為路段數；

222)、計算路段的重要度；

223)、對路段重要性進行排序；

224)、選擇重要度最大的路段作為初始路段；

225)、標記被選取的初始路段；

226)、判斷初始路段是否連接；

227)、獲取初始路段的鄰接路段；

228)、建立新的Stroke，k代表鄰接的路段數，計算鄰接路段的偏轉角，如果偏轉角小于或等于偏轉角閾值θ，則Δm＝|m_segment-m_{Initialsegment}|，m_segment指當前正在參與計算的路段的傾斜率，道路網中的每一條路段均需要計算其傾斜率，因此需遍歷路網中的每一條路段，m_{Initialsegment}指初始路段的傾斜率，此處指代步驟224中得到的重要度最大的路段的傾斜率，m_segment、m_{Initialsegment}均由前述計算傾斜率m的公式(1)得到；否則，如果偏轉角大于偏轉角閾值θ，返回步驟224)；

229)、標記被連接的路段；

2210)、更新路網數據；

Stroke重要度的計算公式如下：

公式(3)中，t_i代表Stroke；權重p₁、p₂、p₃和p₄由CRITIC方法求取；

L_max為Stroke長度的最大值、D_max為Stroke度的最大值、B_max為Stroke中介度的最大值，C_max為Stroke接近度的最大值；

Stroke評價指標包括：

Stroke長度L，為組成Stroke各路段的長度之和，其中，l_ik為第i個Stroke中第k個路段的長度；

Stroke度D，為組成Stroke的路段數，其中，路段v_k若是Stroket_i的組成部分，則r(t_i，v_k)＝1，否則為r(t_i，v_k)＝0；

Stroke中介度B，為度量本Stroke處于其它Stroke之間的概率值，其中，j≠k；j≠i，k≠i，NT是網絡結點數，這里的網絡指的是原始的道路網所形成的網絡；n_jk為結點j與結點k之間的最短路徑數量；n_jk(i)是結點j與結點k之間包含了結點i的最短路徑數量；

Stroke接近度C，為該Stroke到所有其它Stroke的最少連接數量，反映了其它Stroke聚集于該Stroke的可能，其中，d(t_i，v_k)表示Stroke t_i和Stroke v_k之間的最短距離；

之后，進入步驟4)；

步驟3)基于加權Voronoi圖區劃的道路密度：

對道路網進行分區并結合分區道路密度進行道路選取可保持路網空間結構，因此，需要在路網區劃的基礎上，依據區劃內道路密度對道路選取進行約束，使選取后的路網結構在空間結構上的分布與選取前的差異盡可能最小；因此需要依照路段的重要度進行加權，生成加權的Voronoi圖對路網進行區劃：路段的重要度利用公式(2)求取；以Stroke為選取單元，定義Stroke的道路密度為組成Stroke路段的總長度與分區總面積之比；

在路網區劃的基礎上，Stroke道路密度計算公式如下：

式(4)中，DS_i為Stroke道路的密度，A_i為基于Voronoi圖分區下組成Stroke路段的面積之和，L_i為Stroke道路長度；

利用基于自然法則理論中最小可視單元確定道路密度閾值；

之后，進入步驟4)；

步驟4)根據方根模型確定路網應選取路段總長度L_s；之后進入步驟5)；

步驟5)按照Stroke重要度大小進行排序；之后進入步驟6)；

步驟6)選取重要度最大的Stroke；之后進入步驟7)；

步驟7)判斷道路密度是否小于閾值？若否，進入步驟8)，若是，進入步驟9)；

步驟8)進入隊列Q，并按照順序排隊進入步驟10)；

步驟9)進行道路選取；之后進入步驟10)；

步驟10)判斷Stroke集合是否為空？若是，進入步驟11)，若否，返回步驟6)；

步驟11)判斷Stroke總長度是否小于L_S，若是，進入步驟12)，若否，進入步驟13)；

若小于道路密度閾值的Stroke總長度大于或等于L_s，則小于道路密度閾值的Stroke保留，即組成該Stroke的路段保留；若小于道路密度閾值的Stroke長度小于L_s，則小于道路密度閾值的Stroke首先被選取，之后進入步驟12)；

步驟12)從隊列Q中按照重要度大小選擇Stroke，直到滿足確定選取長度；

隊列Q中按重要性由大到小將Stroke排列，處于第n個排序位置的stroke是否被選取，根據以下條件判斷：計算前n個Stroke的總長度，如果該總長度小于根據方根模型確定的路網應選取路段總長度L_s，則處于第n個排序位置的該stroke被選取，即組成該Stroke的路段被保留；如果該總長度小于L_s，則處于第n個排序位置的該stroke被舍棄，即組成該Stroke的路段不被選取；

之后，進入步驟d13)；

步驟13)、進行道路連通性處理；若選取后的路網出現不連通的情形，則采用最小生成樹(MST)方法，增加最小數目的結點對選取后的網絡進行連接，選取最短路徑使得懸掛結點與新增的結點進行連接，直至處理完所有懸掛結點以保證路網整體的連通性；

之后，進入步驟d14)；

步驟14)、選取結束；之后，進入步驟15)；

步驟15)、對結果進行評價。