劉 闖，錢海忠，王 驍，何海威，謝麗敏，王成舜

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052

利用城市骨架線網(wǎng)的道路和居民地聯(lián)動匹配方法

劉 闖，錢海忠，王 驍，何海威，謝麗敏，王成舜

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052

同名道路或者居民地?cái)?shù)據(jù)間由于數(shù)據(jù)一致性程度不高，往往存在較大的幾何位置偏差，當(dāng)對道路或者居民地單獨(dú)進(jìn)行匹配時(shí)，不利于提高匹配正確率和效率。針對這一問題，本文提出了一種利用城市骨架線網(wǎng)的道路和居民地聯(lián)動匹配方法。聯(lián)動匹配即模仿人在讀圖時(shí)通過特征地物和空間關(guān)聯(lián)尋找目標(biāo)地物的思維過程，將匹配看作是一種特征目標(biāo)尋找、信息關(guān)聯(lián)傳遞的推理過程。首先，利用約束Delaunay三角網(wǎng)對地圖構(gòu)建城市骨架線網(wǎng)。然后，通過道路、骨架線、骨架線網(wǎng)眼和居民地之間的拓?fù)潢P(guān)系建立道路和居民地之間的匹配傳遞模型。最后，根據(jù)該傳遞模型實(shí)現(xiàn)通過道路匹配帶動居民地匹配或者通過居民地匹配帶動道路匹配的聯(lián)動匹配。該方法優(yōu)勢在于只要有一種要素的數(shù)據(jù)一致性比較好，就能帶動另一種要素取得很好的匹配效果，同時(shí)符合人類進(jìn)行匹配時(shí)的認(rèn)知過程。

城市骨架線網(wǎng)；道路匹配；居民地匹配；聯(lián)動匹配；拓?fù)潢P(guān)系

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市地理要素發(fā)生了翻天覆地的變化，如各種道路的改造和新建、大片居民地小區(qū)的建設(shè)、老城區(qū)拆遷與改造等，涉及各種繁雜的地理實(shí)體變化，這為地理空間數(shù)據(jù)的更新帶來了巨大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，空間數(shù)據(jù)應(yīng)用的多樣性和復(fù)雜性決定了單一來源的空間數(shù)據(jù)往往很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，如何將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成或合并，以達(dá)到數(shù)據(jù)共享、優(yōu)勢互補(bǔ)的目的，成為當(dāng)前GIS面臨的又一突出問題[1-3]。無論是空間數(shù)據(jù)更新還是空間數(shù)據(jù)集成與融合，都要用到一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——同名實(shí)體匹配，其基本原理是通過一系列相似度指標(biāo)或評價(jià)策略，識別出不同來源地圖數(shù)據(jù)庫中表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界同一地物的地圖要素的過程[4]。同名實(shí)體匹配是后續(xù)數(shù)據(jù)集成、融合以及更新的基礎(chǔ)，具有重要應(yīng)用意義。道路和居民地?cái)?shù)據(jù)在城市化進(jìn)程中變化尤其明顯，對此展開研究更為迫切。據(jù)此，國內(nèi)外學(xué)者圍繞道路數(shù)據(jù)和居民地?cái)?shù)據(jù)匹配進(jìn)行了大量研究。

道路匹配方法大致可以分為以下3類：①利用“緩沖區(qū)增長”確定待匹配線串的候選匹配集進(jìn)行匹配[5-6]，此類方法簡單易行，是道路匹配的常用方法；②利用曲線節(jié)點(diǎn)、形狀、距離等幾何特征進(jìn)行匹配[7-9]，該類方法主要是通過道路弧段的距離測度直接對道路弧段匹配，或者根據(jù)道路節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)近、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似性等對道路節(jié)點(diǎn)匹配實(shí)現(xiàn)道路匹配;③綜合運(yùn)用多個(gè)評價(jià)指標(biāo)，從整體到局部進(jìn)行匹配[10-13]，該類方法主要運(yùn)用道路網(wǎng)自身的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行匹配。

居民地匹配方法大致可以分為以下3類：①利用面積重疊率或面要素緩沖區(qū)面積重疊率進(jìn)行匹配[14-15]，顯然重疊度越高，則匹配的可能性越大;②利用面要素輪廓形狀相似性進(jìn)行匹配[16-17]，該類方法主要依據(jù)形狀描述函數(shù)計(jì)算面要素輪廓形狀相似性，通過比較相似性數(shù)值進(jìn)行匹配;③綜合運(yùn)用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合或借鑒已經(jīng)成熟的技術(shù)進(jìn)行面要素匹配[18-19]。這類方法通常借鑒已經(jīng)成熟的技術(shù)方法如降維技術(shù)、骨架線技術(shù)等進(jìn)行面要素匹配。

上述研究方法極大地推動了道路與居民地匹配技術(shù)的發(fā)展。但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對道路和居民地要素的匹配大多數(shù)是采取單獨(dú)匹配的策略，當(dāng)遇到較復(fù)雜的情況時(shí)，如道路數(shù)據(jù)一致性程度不高，存在較大的幾何位置偏差或者居民地?cái)?shù)據(jù)形狀同質(zhì)化較高，這時(shí)只考慮單一要素的匹配方法，往往不能取得較好的匹配效果。究其原因是沒有從制圖員的角度綜合考量該要素所處的環(huán)境，對道路和居民地聯(lián)動匹配方面的研究還相對較少。

1 聯(lián)動匹配實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

聯(lián)動匹配的概念是：通過一個(gè)要素的匹配帶動另一個(gè)要素的匹配，即當(dāng)一個(gè)要素匹配結(jié)束后，和該要素關(guān)聯(lián)的另外一個(gè)要素也隨即完成匹配，而不需進(jìn)行單獨(dú)的匹配。聯(lián)動匹配的實(shí)現(xiàn)能夠簡化匹配過程，提高匹配效率。

在實(shí)際矢量地圖中，道路要素和居民地要素是處于分離狀態(tài)、沒有任何聯(lián)系的，這不利于實(shí)現(xiàn)道路與居民地的聯(lián)動匹配，本文引入城市骨架線網(wǎng)技術(shù)[19]建立道路與居民地的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1.1 城市骨架線網(wǎng)概述

城市骨架線網(wǎng)，是指將二維的城市面狀空間用一維的線狀要素來進(jìn)行概括。城市骨架線網(wǎng)在簡化城市空間的同時(shí)，能夠較好地保持城市空間的形態(tài)特征和分布情況。如圖1所示，城市骨架線網(wǎng)由道路和空白區(qū)域骨架線兩部分線要素構(gòu)成。具體來說，地圖中存在道路的地方，直接將道路視為城市骨架線；地圖中道路和居民地以外的空白區(qū)域，則對其提取骨架線。分別將城市骨架線網(wǎng)中這兩種來源的骨架線稱為道路骨架線和空白區(qū)域骨架線。

圖1 城市骨架線網(wǎng)構(gòu)成要素Fig.1 Structure of urban skeleton line network

城市空白區(qū)域，指的是地圖幅面中除了道路和居民地以外的所有區(qū)域的總和(圖2)?？瞻讌^(qū)域按照要素類型劃分為面狀要素，但是空白區(qū)域是較為特殊的面狀要素，與普通的居民地、植被、水系等面狀要素相比有具有明顯的區(qū)別，具有范圍大、內(nèi)部孔洞多的特點(diǎn)，并且與道路、居民地一起構(gòu)成了地圖的全部幅面范圍，是道路和居民地的補(bǔ)集。

1.2 城市骨架線網(wǎng)構(gòu)建

1.2.1 空白區(qū)域骨架線提取

城市骨架線網(wǎng)由道路和空白區(qū)域骨架線兩部分組成，本文采用約束Delaunay三角網(wǎng)方法提取空白區(qū)域骨架線。首先基于相似三角形原則對道路、居民地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加密處理[19]。然后以加密處理后的道路和居民地外圍輪廓為約束邊，對整個(gè)居民地和道路數(shù)據(jù)構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)Fig.3 Constructing constraint Delaunay triangulation network

構(gòu)建約束Delaunay三角網(wǎng)后即可依據(jù)三角網(wǎng)形成的三角形的類型(圖4)提取空白區(qū)域骨架線，三角形分類依據(jù)是其3個(gè)頂點(diǎn)在道路和居民地上的數(shù)量和位置，具體原則如下：①ⅰ類三角形：3個(gè)頂點(diǎn)均在居民地輪廓上；②ⅱ類三角形：1個(gè)頂點(diǎn)在道路上，另兩個(gè)頂點(diǎn)在不同的居民地輪廓上；③ⅲ類三角形：1個(gè)頂點(diǎn)在道路上，另兩個(gè)頂點(diǎn)在相同的居民地輪廓上；④ⅳ類三角形：兩個(gè)頂點(diǎn)在道路上，另一個(gè)頂點(diǎn)在居民地輪廓上；⑤ⅴ類三角形：3個(gè)頂點(diǎn)均在道路上。

三角形分類后，對上述5類三角形按照圖5所示的方法提取骨架線[25]。對ⅰ類三角形，首先判斷其三邊是否為約束邊，然后將非約束邊的中點(diǎn)與三角形中心相連(圖5(a)、(b)、(c))；對ⅱ類三角形，直接將在道路上的唯一頂點(diǎn)與其對邊中點(diǎn)相連(圖5(d))。對ⅲ、ⅳ、ⅴ類三角形不進(jìn)行任何連接。對三角網(wǎng)形成的所有三角形按照該方法連接后即可得到空白區(qū)域骨架線，如圖6所示。將空白區(qū)域骨架線和道路網(wǎng)結(jié)合起來即可得到城市骨架線網(wǎng)，如圖7所示。

圖5 空白區(qū)域骨架線提取方法Fig.5 Extraction of skeleton line in blank area

圖6 空白區(qū)域骨架線提取結(jié)果Fig.6 Skeleton lines of blank area

圖7 城市骨架線網(wǎng)Fig.7 Urban skeleton line network

1.2.2 城市骨架線網(wǎng)化簡

城市骨架線網(wǎng)化簡主要是對空白區(qū)域骨架線的化簡，按照約束Delaunay三角網(wǎng)法提取出的空白區(qū)域骨架線存在如圖8所示的復(fù)雜彎曲、孤立鏈、懸掛鏈這3種不理想的情況。這3種情況不利于后續(xù)的聯(lián)動匹配，會干擾匹配結(jié)果。

圖8 空白區(qū)域骨架線問題Fig.8 Problems of skeleton line in blank area

復(fù)雜彎曲是存在最多的一種情況。由于空白區(qū)域骨架線是通過連接三角形中心和相應(yīng)邊中點(diǎn)提取的，并且三角形分布密集，故極易出現(xiàn)類似“鋸齒狀”的復(fù)雜彎曲。這種彎曲顯然是多余的，并不是骨架線自身的形態(tài)特征，會增加后續(xù)匹配的復(fù)雜度，故需對其進(jìn)行化簡。本文采用簡單的“拉直”處理這些復(fù)雜彎曲，拉直處理后需要滿足兩個(gè)條件：一是骨架線不能與居民地相交；二是骨架線需保持必要的形態(tài)特征。

懸掛鏈和孤立鏈的出現(xiàn)是由居民地凹部造成的。由于約束Delaunay三角網(wǎng)法是一種較為敏感的骨架線提取方法，所以當(dāng)居民地輪廓形態(tài)中出現(xiàn)凹陷時(shí)，通過骨架線能夠反映出來。顯然這兩種情況也是多余的，需要進(jìn)行處理，直接刪除即可。通過化簡可得滿足后續(xù)匹配要求的最終城市骨架線網(wǎng)，如圖9所示。

圖9 化簡后城市骨架線網(wǎng)Fig.9 Urban skeleton line network after simplification

1.3 城市骨架線網(wǎng)眼

在城市骨架線網(wǎng)中，將縱橫交錯(cuò)的城市骨架線所圍成的最小閉合區(qū)域稱為“骨架線網(wǎng)眼”[19]，圖10中黑色漸變填充區(qū)域即為骨架線網(wǎng)眼。骨架線網(wǎng)眼并不是真實(shí)存在的地理對象，而是為了更好地認(rèn)識骨架線網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征而抽象出來的面要素對象。骨架線網(wǎng)眼有如下特點(diǎn)：骨架線網(wǎng)眼由骨架線組成外圍輪廓、每個(gè)骨架線網(wǎng)眼中只包含一個(gè)居民地要素、骨架線網(wǎng)眼之間是無縫連接的。

圖10 城市骨架線網(wǎng)眼Fig.10 Urban skeleton line network mesh

根據(jù)骨架線網(wǎng)眼的上述特點(diǎn)，可以看出骨架線網(wǎng)眼是連接道路和居民地的“紐帶”。通過骨架線網(wǎng)眼，能夠把空間上分離的道路要素和居民地要素聯(lián)系起來，從而為實(shí)現(xiàn)道路和居民地要素的聯(lián)動匹配奠定基礎(chǔ)。

1.4 城市骨架線分類

明確骨架線來源主要是為后續(xù)的由道路匹配聯(lián)動居民地匹配奠定基礎(chǔ)。本文借鑒道路網(wǎng)中的拓?fù)浞诸惙椒╗20]，將城市骨架線網(wǎng)分為5種類型，分類依據(jù)如下：記StartN(Li)為與骨架線Li首節(jié)點(diǎn)相連接的其他骨架線數(shù)量；EndN(Li)為與骨架線Li末節(jié)點(diǎn)相連接的其他骨架線數(shù)量；A(Li)為骨架線Li參與構(gòu)成的骨架線網(wǎng)眼數(shù)量，則按照如下標(biāo)準(zhǔn)可將骨架線網(wǎng)分為如圖11所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，共5種類型：①Ⅰ類骨架線，StartN(Li)>1且EndN(Li)=0，或者StartN(Li)=0且EndN(Li)>1；②Ⅱ類骨架線，StartN(Li)>1且EndN(Li)>1且A(Li)=0；③Ⅲ類骨架線，StartN(Li)>1且EndN(Li)>1且A(Li)=1；④Ⅳ類骨架線，StartN(Li)>1且EndN(Li)>1且A(Li)=2；⑤Ⅴ類骨架線，StartN(Li)=0且EndN(Li)=0。

圖11 5種類型骨架線Fig.11 Five types of skeleton line

由于城市骨架線網(wǎng)是由道路和空白區(qū)域骨架線構(gòu)成，所以通過骨架線的分類依據(jù)可以判斷出其來源。如表1所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ類骨架線均來源于道路，而Ⅳ類骨架線既來源于道路，又來源于空白區(qū)域骨架線。

表1 骨架線類型來源Tab.1 Source of skeleton line

2 道路和居民地聯(lián)動匹配模型

2.1 道路、骨架線、居民地、骨架線網(wǎng)眼之間拓?fù)潢P(guān)系

道路、骨架線、骨架線網(wǎng)眼以及居民地之間具有如下的拓?fù)潢P(guān)系(圖12)：道路與骨架線之間為相等關(guān)系，即道路一定等于骨架線，而骨架線其中一部分等于道路； 骨架線與骨架線網(wǎng)眼兩者之間為關(guān)聯(lián)關(guān)系，即一條骨架線關(guān)聯(lián)了一至兩個(gè)骨架線網(wǎng)眼，一個(gè)骨架線網(wǎng)眼關(guān)聯(lián)了至少3條骨架線；骨架線網(wǎng)眼與居民地兩者之間為一一對應(yīng)關(guān)系。從這種拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)圖中可得，在地圖上原本在空間上處于分離狀態(tài)、沒有任何聯(lián)系的道路和居民地要素，通過骨架線網(wǎng)眼而聯(lián)系起來，這就為道路和居民地的聯(lián)動匹配奠定了基礎(chǔ)。

圖12 道路、骨架線、骨架線網(wǎng)眼以及居民地之間拓?fù)潢P(guān)系Fig.12 Topological relationship of road, skeleton line, skeleton line mesh and habitation

2.2 聯(lián)動匹配

聯(lián)動匹配實(shí)際上是一種通過拓?fù)潢P(guān)系來傳遞匹配結(jié)果的思想，符合人類進(jìn)行匹配時(shí)的認(rèn)知過程。居民地匹配結(jié)果能夠根據(jù)包含關(guān)系傳遞給骨架線網(wǎng)眼，骨架線網(wǎng)眼根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，能夠把匹配結(jié)果傳遞給骨架線，進(jìn)而骨架線完成匹配，也即完成了道路的匹配，從而能夠?qū)崿F(xiàn)居民地匹配帶動道路匹配的聯(lián)動匹配效果。

反過來，道路匹配結(jié)果通過關(guān)聯(lián)關(guān)系能夠傳遞到骨架線網(wǎng)眼，而骨架線網(wǎng)眼匹配結(jié)果再根據(jù)包含關(guān)系能夠傳遞到居民地，從而實(shí)現(xiàn)道路匹配帶動居民地匹配的聯(lián)動匹配效果。如圖13所示，數(shù)據(jù)源1與數(shù)據(jù)源2的匹配結(jié)果可按照上述的匹配傳遞模型一步步進(jìn)行傳遞，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)動匹配。

圖13 匹配傳遞模型Fig.13 Model of matching transfer

2.2.1 居民地匹配聯(lián)動道路匹配

居民地匹配聯(lián)動道路匹配的步驟如下：

步驟1：獲取居民地、骨架線網(wǎng)眼、骨架線、道路之間的拓?fù)潢P(guān)系，將其存入對應(yīng)類變量中。

步驟2：對數(shù)據(jù)雙方中的居民地要素進(jìn)行匹配，具體的匹配方法可以選擇面積重疊率法、緩沖區(qū)匹配法等，得到居民地匹配結(jié)果。

步驟3：根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系與匹配傳遞模型，將居民地匹配結(jié)果傳遞到其包含于的骨架線網(wǎng)眼中，獲得骨架線網(wǎng)眼的匹配結(jié)果。

步驟4：根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，獲得每個(gè)骨架線網(wǎng)眼包含的骨架線集合，設(shè)骨架線集合中道路骨架線數(shù)量為NR，再進(jìn)行下面3種判斷：①若NR=0，則該骨架線網(wǎng)眼的匹配結(jié)果無需傳遞給骨架線；②若NR=1，則雙方骨架線網(wǎng)眼中這唯一一條道路骨架線互相匹配，得到道路匹配結(jié)果；③若NR≥2，則需對這些道路骨架線進(jìn)行小范圍的精確匹配，匹配結(jié)果即為最終的道路匹配結(jié)果。匹配流程如圖14(a)所示。

圖14 聯(lián)動匹配流程圖Fig.14 Flow Chart of linking matching

需特別說明的是，通常一個(gè)骨架線網(wǎng)眼中一般最多只包含兩條道路骨架線，故道路匹配關(guān)系的獲得相對比較簡單，只有在極少數(shù)情況下道路骨架線數(shù)量才大于2條，這是由骨架線網(wǎng)眼的構(gòu)成方法決定的。所以可認(rèn)為骨架線網(wǎng)眼的匹配結(jié)果可直接傳遞到道路，從而獲得道路匹配結(jié)果。

2.2.2 道路匹配聯(lián)動居民地匹配

道路匹配聯(lián)動居民地匹配的過程與居民地聯(lián)動道路匹配的過程有所不同，其采用拓?fù)潢P(guān)系不能一次性地將匹配結(jié)果進(jìn)行傳遞，根據(jù)骨架線分類進(jìn)行改進(jìn)，采用如下的步驟進(jìn)行：

步驟1：獲取道路、骨架線、骨架線網(wǎng)眼、居民地之間的拓?fù)潢P(guān)系，將其存入對應(yīng)類變量中。

步驟2：對數(shù)據(jù)雙方中的道路要素進(jìn)行匹配，具體的匹配方法可以選擇緩沖區(qū)增長算法、Hausdorff距離判斷法等，得到道路匹配結(jié)果；同時(shí)對空白區(qū)域骨架線進(jìn)行匹配，得到其匹配結(jié)果。

步驟3：判斷骨架線網(wǎng)中的骨架線類型，得到5類骨架線(1.4節(jié)所述)。

步驟4：將Ⅲ類骨架線的匹配結(jié)果傳遞到其關(guān)聯(lián)的唯一骨架線網(wǎng)眼中，獲取外圍骨架線網(wǎng)眼的匹配結(jié)果，并將外圍骨架線網(wǎng)眼匹配結(jié)果傳遞到其包含的居民地中，獲取部分居民地匹配結(jié)果。

步驟5：設(shè)經(jīng)過外圍匹配后，未匹配的居民地?cái)?shù)量為NUH：①若NUH≠0，則剔除Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ類骨架線，將剩余骨架線視為新的未判斷類型的骨架線，跳回步驟3；②若NUH=0，則結(jié)束匹配，此時(shí)所有居民地要素均以取得匹配關(guān)系。匹配流程圖如圖14(b)所示。

根據(jù)上述步驟可以得出，通過道路要素匹配聯(lián)動居民地要素匹配是一個(gè)迭代匹配的過程，骨架線(道路)匹配結(jié)果不能一次性通過拓?fù)潢P(guān)系傳遞給居民地，這是由于一條骨架線(Ⅳ類骨架線)可能關(guān)聯(lián)兩個(gè)骨架線網(wǎng)眼，這就使得匹配關(guān)系傳遞變得復(fù)雜；由于Ⅲ類骨架線只關(guān)聯(lián)1個(gè)骨架線網(wǎng)眼，所以其匹配關(guān)系能夠直接傳遞；通過迭代操作使得所有的道路結(jié)果均能直接傳遞給骨架線網(wǎng)眼，從而傳遞給居民地，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動匹配。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 數(shù)據(jù)來源與匹配方法

3.1.1 聯(lián)動匹配數(shù)據(jù)來源

選取某城市同一區(qū)域、相同比例尺的4幅不同來源的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行算法驗(yàn)證。兩兩數(shù)據(jù)源疊加顯示效果如圖15(a)和圖15(b)所示。其中，圖15(a)中居民地?cái)?shù)據(jù)一致性比較好，道路數(shù)據(jù)存在較大位置偏差。圖15(b)中道路數(shù)據(jù)一致性比較好，居民地?cái)?shù)據(jù)存在較大位置偏差。

圖15 匹配數(shù)據(jù)疊加顯示效果Fig.15 Overlap of matching data

根據(jù)上文介紹，首先對兩組匹配數(shù)據(jù)分別構(gòu)建城市骨架線網(wǎng)并對其進(jìn)行化簡，得到圖16(a)和圖16(b)所示效果；然后分別獲取兩數(shù)據(jù)源中居民地、骨架線網(wǎng)眼、骨架線、道路之間的拓?fù)潢P(guān)系，最后進(jìn)行道路和居民地聯(lián)動匹配試驗(yàn)。

圖16 構(gòu)建城市骨架線網(wǎng)Fig.16 Constructing urban skeleton line

3.1.2 居民地匹配聯(lián)動道路匹配試驗(yàn)

對圖15(a)中的道路偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行居民地匹配聯(lián)動道路匹配試驗(yàn)，并用經(jīng)典的緩沖區(qū)增長方法做對比試驗(yàn)。采用面積重疊率法對兩數(shù)據(jù)中的居民地要素進(jìn)行匹配，得到圖17所示的居民地匹配結(jié)果，其中短線連接的是兩個(gè)互相匹配的居民地。

根據(jù)居民地匹配結(jié)果，即可根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系將匹配結(jié)果進(jìn)行傳遞得到道路匹配結(jié)果，而不需要進(jìn)行單獨(dú)的道路匹配，從而簡化了匹配過程。圖18所示為居民地匹配結(jié)果所聯(lián)動的道路匹配最終結(jié)果。

圖17 居民地匹配結(jié)果Fig.17 Matching results of habitation

圖18 居民地匹配結(jié)果聯(lián)動道路匹配結(jié)果Fig.18 Matching results of road linked by habitation matching results

對圖15(a)中的數(shù)據(jù)用道路緩沖區(qū)增長方法經(jīng)進(jìn)行對比試驗(yàn)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)緩沖區(qū)半徑為20時(shí)，道路匹配正確率相對高，試驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。

圖19 道路偏差數(shù)據(jù)緩沖區(qū)增長法匹配結(jié)果Fig.19 The result of road deviation buffer growth matching

3.1.3 道路匹配聯(lián)動居民地匹配試驗(yàn)

對圖15(b)中的居民地偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行道路匹配聯(lián)動居民地匹配試驗(yàn)。采用緩沖區(qū)增長算法對兩數(shù)據(jù)中的骨架線要素進(jìn)行匹配，得到匹配結(jié)果，如圖20所示。

圖20 骨架線匹配結(jié)果Fig.20 Matching results of skeleton line

因?yàn)楣羌芫€是匹配的，所以每條道路所參與構(gòu)成的骨架線網(wǎng)眼也是匹配的，從而每個(gè)骨架線網(wǎng)眼中所包含的居民地也是匹配的，由此根據(jù)一條道路的匹配結(jié)果得到居民地的匹配結(jié)果，如圖21所示。

圖21 道路匹配結(jié)果聯(lián)動居民地匹配結(jié)果Fig.21 Matching results of habitation linked by road matching results

對圖15(b)中的數(shù)據(jù)用緩沖區(qū)面積重疊率法進(jìn)行對比試驗(yàn)，緩沖區(qū)半徑為7.5，其試驗(yàn)結(jié)果如圖22所示。

圖22 居民地偏差數(shù)據(jù)緩沖區(qū)面積重疊率法匹配結(jié)果Fig.22 The result of habitation deviation buffer area overlap rate matching

3.2 試驗(yàn)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，從匹配率、匹配正確率兩方面進(jìn)行試驗(yàn)對比分析。其中匹配率是指匹配結(jié)果中實(shí)現(xiàn)匹配的要素個(gè)數(shù)與同名要素個(gè)數(shù)的比值；匹配正確率是指匹配結(jié)果中正確匹配的要素個(gè)數(shù)與匹配要素個(gè)數(shù)的比值。試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 居民地匹配聯(lián)動道路匹配結(jié)果質(zhì)量評價(jià)Tab.2 Quality of linkage matching results %

表3 道路匹配聯(lián)動居民地匹配結(jié)果質(zhì)量評價(jià)Tab.3 Quality of linkage matching results %

從表2和表3中可以得出，當(dāng)?shù)缆泛途用竦財(cái)?shù)據(jù)一方存在位置偏差時(shí)，傳統(tǒng)的緩沖區(qū)增長法和緩沖區(qū)面積重疊率法都是通過增大緩沖區(qū)半徑來增加同名實(shí)體的重疊，但同時(shí)也會增加與周邊要素的重疊，形成錯(cuò)誤匹配。本文方法實(shí)現(xiàn)了居民地匹配聯(lián)動道路匹配或者道路匹配聯(lián)動居民地匹配，只要有一方要素?cái)?shù)據(jù)一致性較好，就可以使數(shù)據(jù)一致性較差的要素很好地實(shí)現(xiàn)匹配。

值得注意的是，聯(lián)動匹配的質(zhì)量受到聯(lián)動源要素匹配質(zhì)量影響較大。例如，居民地匹配結(jié)果質(zhì)量高，則其聯(lián)動的道路匹配結(jié)果質(zhì)量也相對較高；反之，居民地匹配結(jié)果質(zhì)量較低，則其聯(lián)動的道路匹配結(jié)果質(zhì)量也相對較低。因?yàn)橥ㄟ^本文的傳遞模型不僅能夠?qū)⒄_的匹配結(jié)果傳遞給另一種要素，同時(shí)也將其錯(cuò)誤進(jìn)行了傳遞。道路匹配、居民地匹配的結(jié)果不可能達(dá)到100%的正確率，所以這些錯(cuò)誤的匹配結(jié)果也會傳遞到相應(yīng)的另一種要素的匹配，這是聯(lián)動匹配難以避免的問題。

避免這種錯(cuò)誤傳遞的方法是，在一種要素匹配結(jié)束后，對其匹配質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，設(shè)定適當(dāng)?shù)穆?lián)動匹配傳遞閾值，若其匹配正確率大于閾值，則可將其結(jié)果傳遞給另一種要素的匹配；若匹配正確率小于閾值則不能將結(jié)果進(jìn)行傳遞，需要通過檢查對匹配結(jié)果進(jìn)行修改達(dá)到傳遞閾值。通過這種方法能夠有效避免錯(cuò)誤的傳遞，從而提高聯(lián)動匹配的正確率。

4 結(jié) 論

本文提出了一種道路和居民地要素的聯(lián)動匹配方法，通過構(gòu)建城市骨架線網(wǎng)，將地圖中在空間上分離的道路和居民地要素依托拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行聯(lián)系，根據(jù)匹配傳遞模型，實(shí)現(xiàn)道路匹配結(jié)果聯(lián)動居民地匹配，以及居民地匹配結(jié)果聯(lián)動道路匹配的聯(lián)動匹配模式。該方法的優(yōu)勢在于，只要有一種要素的數(shù)據(jù)一致性較好，就能夠帶動另一種要素取得很好的匹配效果。聯(lián)動匹配為空間數(shù)據(jù)匹配提供了新的方法和手段，同時(shí)也為后續(xù)的數(shù)據(jù)更新與融合等提供了新的技術(shù)支撐。如何在多尺度道路和居民地?cái)?shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)聯(lián)動匹配是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

A Linkage Matching Method for Road and Habitation by Using Urban Skeleton Line Network

LIU Chuang,QIAN Haizhong,WANG Xiao,HE Haiwei,XIE Limin,WANG Chengshun

Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China

Obvious data consistency degree is not high in roads or habitation data, often in the presence of large geometric position deviation, which is not conducive to improve the accuracy and efficiency of road or habitation matching. A linkage matching method for road and habitation by using urban skeleton line network is proposed to solve this problem. The linkage matching imitates the human thinking process of searching for target objects by the signal features and spatial correlation when reading maps, regarding matching as a reasoning process of goal feature searching and information association transmitting. Firstly, urban skeleton line network is constructed by constraint Delaunay triangulation network; then, the topological relationship among road, skeleton line, skeleton line mesh, habitation is constructed; last, matching transmission model is established by the topological relationship. According to this matching transmission model, linkage matching is fulfilled, which contains road matching drives habitation matching or habitation matching drives road matching. The advantage of this method is that as long as there is an element of data consistency is good, can drive another element to obtain a very good matching effect, at the same time conform to the human cognitive process.

urban skeleton line network；road matching；habitation matching；linkage matching；topology relationship

The National Natural Science Foundation of China(Nos.41171305; 41571442)

LIU Chuang(1992—)，male，postgraduate，majors in spatial data matching, spatial data updating and map automatic generalization.

QIAN Haizhong

劉闖，錢海忠，王驍，等.利用城市骨架線網(wǎng)的道路和居民地聯(lián)動匹配方法[J].測繪學(xué)報(bào)，2016,45(12)：1485-1494.

10.11947/j.AGCS.2016.20160221. LIU Chuang，QIAN Haizhong，WANG Xiao，et al.A Linkage Matching Method for Road and Habitation by Using Urban Skeleton Line Network[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(12):1485-1494. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160221.

P208

A

1001-1595(2016)12-1485-10

國家自然科學(xué)基金(41171305；41571442)

2016-05-09

劉闖(1992—)，男，碩士生，研究方向?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)匹配與更新、自動制圖綜合。

E-mail：liuchuang310@163.com

錢海忠

E-mail：qianhaizhong2005@163.com

修回日期：2016-09-10