董琳琳,栗敏光

(1．林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司,重慶 401121; 2．國(guó)家測(cè)繪地理信息局重慶測(cè)繪院,重慶 400015)

基于FME的道路連通性檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

董琳琳1?,栗敏光2

(1．林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司,重慶 401121; 2．國(guó)家測(cè)繪地理信息局重慶測(cè)繪院,重慶 400015)

新一代地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中新增的實(shí)體化編碼和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等數(shù)據(jù)深加工處理對(duì)入庫(kù)數(shù)據(jù)中道路個(gè)體對(duì)象的連通性提出了更高的要求,常規(guī)測(cè)繪成果質(zhì)量檢查和現(xiàn)有相關(guān)研究對(duì)此未作特別關(guān)注?；贔ME平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了顧及重復(fù)路段、細(xì)分不連通錯(cuò)誤類(lèi)型的道路個(gè)體對(duì)象連通性檢測(cè)算法,利用模擬數(shù)據(jù)和地理國(guó)情普查成果數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的正確性與魯棒性。

道路;連通性;檢測(cè);FME

1　引 言

道路數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)和地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)的重要組成部分。為滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)分析和導(dǎo)航等應(yīng)用需求,數(shù)字城市地理空間框架數(shù)據(jù)庫(kù)、地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)庫(kù)等新一代地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中新增了涉及道路數(shù)據(jù)的實(shí)體化編碼和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等數(shù)據(jù)深加工處理[1,2]。這些處理的正確性須要建立在入庫(kù)數(shù)據(jù)中道路個(gè)體對(duì)象連通性合理保持的基礎(chǔ)上。然而常規(guī)測(cè)繪成果質(zhì)量檢查對(duì)此未作特別關(guān)注——相關(guān)的檢查內(nèi)容包括拓?fù)湟恢滦再|(zhì)量子元素中的圖形未相接(亦即懸掛點(diǎn))檢查和屬性正確性質(zhì)量子元素中的屬性錯(cuò)漏檢查[3]。前者針對(duì)整個(gè)道路圖層,偏于宏觀(guān)層面,后者聚焦每個(gè)路段要素,偏于微觀(guān)層面,唯獨(dú)缺乏面向道路個(gè)體對(duì)象層面的視角,缺乏道路個(gè)體對(duì)象空間連通性方面的檢測(cè)內(nèi)容。現(xiàn)有的相關(guān)研究也絕大多數(shù)集中于道路網(wǎng)絡(luò)的整體連通性分析領(lǐng)域[4,5,6]。

FME(Feature Manipulation Engine)是加拿大Safe Software公司推出的一套完整的空間數(shù)據(jù)解決方案,基于OpenGIS協(xié)會(huì)提出的新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換理念——語(yǔ)義轉(zhuǎn)換,通過(guò)提供在轉(zhuǎn)換過(guò)程中重新構(gòu)造數(shù)據(jù)的功能,支持超過(guò)320種數(shù)據(jù)格式之間的靈活轉(zhuǎn)換,具有工作流定制簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可視化、后臺(tái)運(yùn)行自動(dòng)化、工作空間和模板可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換[7]、多源數(shù)據(jù)集成共享[8]、數(shù)據(jù)更新[9]、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查[10]、地圖制圖[11]等領(lǐng)域。

本文在道路屬性結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及空間不連通錯(cuò)誤類(lèi)型分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了顧及重復(fù)路段、細(xì)分不連通錯(cuò)誤類(lèi)型的道路個(gè)體對(duì)象連通性檢測(cè)算法,基于FME軟件平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn),利用模擬數(shù)據(jù)和地理國(guó)情普查成果數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其正確性與魯棒性。

2　算法設(shè)計(jì)

道路個(gè)體對(duì)象系指連接確定的起點(diǎn)與終點(diǎn)、在一定地域范圍內(nèi)具有唯一而互異的編碼和名稱(chēng)的同一條路線(xiàn)。本文算法即以道路編碼+道路名稱(chēng)(RN+NAME)屬性組合作為同一道路個(gè)體對(duì)象的標(biāo)識(shí)。道路個(gè)體對(duì)象的空間連通性是個(gè)廣義的概念,可以分為道路個(gè)體對(duì)象與其他道路之間的空間連通性(亦即道路個(gè)體對(duì)象的空間孤立性)和道路個(gè)體對(duì)象自身的空間連通性。前者可以具體定義為目標(biāo)道路與其他道路存在交點(diǎn)。后者可以具體定義為組成目標(biāo)道路的各個(gè)路段要素之間相互連接無(wú)間斷。關(guān)于路段與道路的隸屬關(guān)系,需要注意共用路段的情況。在地理國(guó)情普查等項(xiàng)目道路數(shù)據(jù)生產(chǎn)中,對(duì)于同一圖層(例如城際公路圖層)中多條道路的共用路段,圖形僅采集表示一次(即不重復(fù)疊加),編碼和名稱(chēng)屬性采用最高等級(jí)道路的相應(yīng)屬性,同時(shí)在重復(fù)路段編碼(RNP)屬性中羅列其他重復(fù)道路的編碼。這些“其他重復(fù)道路”在搜索所含路段時(shí)需要將該部分共用路段考慮在內(nèi)。根據(jù)道路個(gè)體對(duì)象空間連通性的概念,結(jié)合道路數(shù)據(jù)實(shí)例統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,可以將道路個(gè)體對(duì)象的空間不連通錯(cuò)誤細(xì)分為以下幾種類(lèi)型。第一類(lèi)是空間孤立、自身連通的道路,其特征表現(xiàn)為與其他道路無(wú)交點(diǎn),自身各個(gè)路段相互銜接形成一條連續(xù)的路線(xiàn),如圖1所示(圖中粗線(xiàn)為目標(biāo)道路,細(xì)線(xiàn)為其他路網(wǎng)部分,下同);第二類(lèi)是空間孤立、自身不連通的道路,其特征表現(xiàn)為與其他道路無(wú)交點(diǎn),自身局部路段不接導(dǎo)致整條路線(xiàn)間斷為若干離散部分,如圖2所示;第三類(lèi)是空間非孤立、自身不連通且屬性連續(xù)的道路,其特征表現(xiàn)為與其他道路有交點(diǎn),自身局部路段不接導(dǎo)致整條路線(xiàn)間斷為若干離散部分,且離散部分?jǐn)?shù)量小于整條路線(xiàn)所含絕對(duì)懸掛點(diǎn)數(shù)量,如圖3所示;第四類(lèi)是空間非孤立、自身連通且屬性不連續(xù)的道路,其特征表現(xiàn)為與其他道路有交點(diǎn),整條路線(xiàn)不存在絕對(duì)懸掛點(diǎn),自身局部路段道路編碼、道路名稱(chēng)、重復(fù)路段編碼屬性錯(cuò)漏導(dǎo)致整條路線(xiàn)間斷為若干離散部分,如圖4所示;第五類(lèi)是空間非孤立、自身不連通或?qū)傩圆贿B續(xù)的道路,其特征表現(xiàn)為與其他道路有交點(diǎn),自身間斷為若干離散部分既有可能是由于自身局部路段空間不接所導(dǎo)致,亦有可能是由于自身局部路段道路編碼、道路名稱(chēng)、重復(fù)路段編碼屬性錯(cuò)漏所導(dǎo)致,如圖5所示。

圖1　空間孤立、自身連通的道路

圖2　空間孤立、自身不連通的道路

圖3　空間非孤立、自身不連通且屬性連續(xù)的道路

圖4　空間非孤立、自身連通且屬性不連續(xù)的道路

圖5　空間非孤立、自身不連通或?qū)傩圆贿B續(xù)的道路

根據(jù)以上分析結(jié)果,本文以最大限度連接路線(xiàn)的數(shù)量與空間關(guān)系判斷為核心思想,設(shè)計(jì)了顧及重復(fù)路段、細(xì)分不連通錯(cuò)誤類(lèi)型的道路連通性檢測(cè)算法。其基本思路可以分解為兩大模塊:第一個(gè)模塊是重復(fù)路段圖形重建,第二個(gè)模塊是不連通錯(cuò)誤類(lèi)型細(xì)分。進(jìn)入兩大模塊之前需要完成一項(xiàng)準(zhǔn)備工作,即將端點(diǎn)重合且道路編碼、道路名稱(chēng)、重復(fù)路段編碼三個(gè)屬性均相同的原始路段連接成無(wú)間斷的路線(xiàn)。繼而進(jìn)入第一個(gè)模塊,該模塊可以分解為三個(gè)步驟:第一步將重復(fù)路段編碼列表非空的路段隨重復(fù)路段編碼列表分解復(fù)制形成數(shù)量與列表元素?cái)?shù)量相當(dāng)?shù)穆范螆D形,并將重復(fù)路段編碼列表元素值分別賦予其道路編碼屬性;第二步將端點(diǎn)重合且道路編碼屬性相同的重建路段連接成無(wú)間斷的路線(xiàn);第三步從與之端點(diǎn)重合且道路編碼屬性相同的原有路段中吸取道路名稱(chēng)屬性。接下來(lái)進(jìn)入第二個(gè)模塊之前又需要完成兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作。第一項(xiàng)是將端點(diǎn)重合且道路編碼、道路名稱(chēng)兩個(gè)屬性均相同的已作連接處理的原有路段和重建路段進(jìn)一步連接形成最大限度連接路線(xiàn),并提取所有路線(xiàn)之間的交點(diǎn)。第二項(xiàng)是提取原始路段的絕對(duì)懸掛點(diǎn)。繼而進(jìn)入第二個(gè)模塊,該模塊可以劃分為三個(gè)層次:第一層次以與所有路線(xiàn)之間的交點(diǎn)是否空間相交為判斷條件將最大限度連接路線(xiàn)分離為空間孤立道路和空間非孤立道路兩個(gè)分支;對(duì)于空間孤立道路分支,第二層次以路線(xiàn)數(shù)是否大于等于2為判斷條件最終分離出空間孤立、自身連通道路和空間孤立、自身不連通道路;對(duì)于空間非孤立道路分支,第二層次以路線(xiàn)數(shù)是否大于等于2為判斷條件排除正常連通道路,剩余空間非孤立、自身不連通或?qū)傩圆贿B續(xù)道路;第三層次以路線(xiàn)數(shù)是否小于具有相同道路編碼、道路名稱(chēng)屬性絕對(duì)懸掛點(diǎn)數(shù)為判斷條件細(xì)分出其中明確的空間非孤立、自身不連通道路,以具有相同道路編碼、道路名稱(chēng)屬性絕對(duì)懸掛點(diǎn)數(shù)是否等于0為判斷條件細(xì)分出其中明確的空間非孤立、自身屬性不連續(xù)道路。算法流程如圖6所示。

圖6　道路連通性檢測(cè)算法流程圖

3　程序?qū)崿F(xiàn)

基于FME軟件平臺(tái),調(diào)用其函數(shù)庫(kù)提供的豐富的轉(zhuǎn)換器,定制可視化工作流實(shí)現(xiàn)上述算法。首先從函數(shù)庫(kù)中搜索恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器匹配算法流程中的每一項(xiàng)操作(其中關(guān)鍵操作與轉(zhuǎn)換器對(duì)照表如表1所示),然后搭建各個(gè)轉(zhuǎn)換器之間的連接結(jié)構(gòu)形成數(shù)據(jù)處理流程,最后詳細(xì)設(shè)置各個(gè)轉(zhuǎn)換器的參數(shù)。

算法流程關(guān)鍵操作與FME轉(zhuǎn)換器對(duì)照表　表1

4　結(jié) 語(yǔ)

分別利用模擬數(shù)據(jù)和一省一直轄市地理國(guó)情普查成果數(shù)據(jù)對(duì)本文算法程序進(jìn)行測(cè)試,人工對(duì)道路成果數(shù)據(jù)與算法程序檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行逐一比對(duì),結(jié)果發(fā)現(xiàn):所有檢出的連通性錯(cuò)誤均系道路成果數(shù)據(jù)的真實(shí)圖形屬性缺陷,所有未檢出連通性錯(cuò)誤的道路在成果數(shù)據(jù)中均是真實(shí)連通的。由此證明本文算法程序是正確而健壯的,其準(zhǔn)確性是人工作業(yè)方式所無(wú)法比擬的。同時(shí),1 min～2 min即可完成平均包含400條路線(xiàn)的一個(gè)省級(jí)區(qū)域路網(wǎng)的檢測(cè),其效率較人工方式具有顯著優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然,由于道路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)地情況的復(fù)雜性,基于本文算法程序的檢測(cè)結(jié)果對(duì)道路成果數(shù)據(jù)的圖形屬性錯(cuò)誤進(jìn)行相應(yīng)的修改作業(yè)時(shí)仍然需要必要的人工輔助判斷過(guò)程。其一是針對(duì)算法無(wú)法進(jìn)一步細(xì)分的第五類(lèi)——空間非孤立、自身不連通或?qū)傩圆贿B續(xù)的道路,其二是針對(duì)算法檢出的第三類(lèi)中實(shí)地部分路段確未建成或已荒廢而非數(shù)據(jù)采集表達(dá)錯(cuò)漏的道路,其三是針對(duì)弧段連接操作無(wú)法連接的三岔路結(jié)構(gòu)道路。根據(jù)華東、華北片區(qū)6省、1自治區(qū)、3直轄市地理國(guó)情普查成果數(shù)據(jù)入庫(kù)質(zhì)量檢查生產(chǎn)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)結(jié)果,第一種情況約占缺陷道路總數(shù)的1/10,該種情況在程序自動(dòng)檢出明確缺陷的基礎(chǔ)上人工根據(jù)路線(xiàn)位置與走向往往可以一目了然地分辨其具體屬于圖形不連通還是屬性不連續(xù);后兩種情況均屬少數(shù)特例,第二種情況多見(jiàn)于城市郊區(qū),第三種情況僅見(jiàn)于高等級(jí)道路系統(tǒng)中的復(fù)線(xiàn)路段和中央隔離帶超寬路段,兩者占缺陷道路總數(shù)的比例均不超1/20,部分省、自治區(qū)、直轄市數(shù)量?jī)H為個(gè)位數(shù)。盡管仍有不足,本文算法還是在道路的連通性檢測(cè)研究與生產(chǎn)領(lǐng)域開(kāi)辟了一個(gè)全新的角度,為入庫(kù)道路數(shù)據(jù)的連通性質(zhì)量檢查與修改提供了有力的工具,為數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中道路數(shù)據(jù)的實(shí)體化編碼和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等數(shù)據(jù)深加工處理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外需要補(bǔ)充說(shuō)明的是,本文算法不僅適用于由城際公路、城市道路、鄉(xiāng)村道路組成的公路網(wǎng)絡(luò),而且適用于鐵路網(wǎng)絡(luò)以及城市軌道交通網(wǎng)絡(luò),此外對(duì)水系網(wǎng)絡(luò)的連通性檢測(cè)也具有借鑒意義。

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Dong Linlin1,Li Minguang2

(1．TYLI Engineering Consulting(China)Co．,Ltd,Chongqing 401121,China; 2．Chongqing Institute of Surveying and Mapping,NASG,Chongqing 400015,China)

Further processes such as object coding and network modeling in the construction of new geographic information databases put forward higher requirement to the connectivity of road object in the data to put in storage which has failed to attract special attention either from conventional quality inspection of surveying and mapping products or from relevant academic research．An algorithm of road object connectivity checking considering duplicate road segments and involving division of disconnection error types is proposed and implemented based on FME platform．Experiments with both simulated data and geographical conditions survey products demonstrate that the algorithm is accurate and robust．

road;connectivity;checking;FME

An Algorithm of Road Connectivity Checking Based on FME

1672-8262(2016)01-106-04

P208．1

B

?2015—11—25

董琳琳(1984—),女,碩士,工程師,主要從事城市道路設(shè)計(jì)工作。

栗敏光(1984—),男,碩士,主要從事航測(cè)遙感與GIS數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作。

國(guó)家測(cè)繪地理信息局2013年基礎(chǔ)測(cè)繪科技項(xiàng)目“重慶測(cè)繪院信息化測(cè)繪體系關(guān)鍵技術(shù)示范應(yīng)用”。