范林林，華一新

(信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

一種基于六角格的越野通行方法

范林林，華一新

(信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為了解決車輛的越野路徑規(guī)劃問題，分析了影響車輛越野通行的主要影響因子,提出了采用六角格網(wǎng)為基礎(chǔ)格網(wǎng)量化地形的數(shù)據(jù)模型，研究了六角格網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及六角格網(wǎng)屬性信息的建模過程。對影響車輛越野通行的影響因素進行了分類分析，重點研究了地形、道路、坡度等對車輛通行等級的影響，并且提出了多因子綜合分析方法，建立了多因子綜合作用下的越野機動通行性分析模型。

六角格網(wǎng)；六角格地形量化；越野通行分析；多因子；通行法則

越野條件下的車輛通行分析是路徑規(guī)劃分析中的重要部分，在野外救援、戰(zhàn)爭環(huán)境分析等方面具有重要作用。越野環(huán)境下，車輛的通行性能分析存在很大的挑戰(zhàn)。首先，地貌屬性極其復(fù)雜，不同的地貌特征對車輛越野通行的影響不同；其次，同一種地貌特征的不同因子對越野通行車輛產(chǎn)生的影響也不盡相同；并且，由于通行車輛的不同，對越野環(huán)境的通行需求也存在很大差異；最后，采用實車實地考察演練耗費重大的人力物力，且實施困難[1]。因此，研究一種針對越野條件下的通行分析方法是十分必要的。

目前，大部分研究都是基于道路的路徑規(guī)劃分析，對越野條件下的車輛通行分析研究較少。傳統(tǒng)的處理越野條件下的車輛通行問題是采用正方形格網(wǎng)進行地形量化研究，然而，真實環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致正方形網(wǎng)格不能滿足實際的通行分析的需求。隨著六角網(wǎng)格研究和基于六角格網(wǎng)地形量化模型構(gòu)建的發(fā)展，本文采用六角格網(wǎng)對地形進行量化處理，更加真實地模擬真實地形環(huán)境[2]。

通過六角網(wǎng)格的地形量化研究，將真實的地形特征盡可能完整而準確地反映到六角網(wǎng)格中。針對車輛的越野通行問題，本文通過對越野通行的影響因子進行分類分析研究，建立多因子綜合分析模型，最終確定車輛的通行區(qū)域和通行等級。

1 六角格網(wǎng)化地圖

1.1 六角網(wǎng)格特征

地圖的網(wǎng)格化需要選擇合適的多邊形，覆蓋一個平面的正多邊形只能是正三角形、正四邊形和正六邊形3種[3]。Laurent Condat等[4]指出，在網(wǎng)格具有相同采樣密度的情況下，六角網(wǎng)格的逼近質(zhì)量始終比正四邊形網(wǎng)格好。

在研究越野地形環(huán)境下車輛通行問題中，正六邊形網(wǎng)格的優(yōu)勢[5]有：

(1) 正六邊形具有一致的鄰近關(guān)系。

(2) 正六邊形具有更多的等距量度方向。在實際環(huán)境中，由于研究對象可以沿任意方向移動，等距方向越多的環(huán)境模型越能反映實際環(huán)境。

(3) 正六邊形具有較高的角分辨率。較高的分辨率有利于提高道路和河流等要素的量化精度。

1.2 六角網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

矢量地圖進行六角網(wǎng)格劃分后，每個六角格描述該地形要素的空間信息和屬性信息。將研究區(qū)域劃分成M×N個矩形區(qū)域，然后在矩形區(qū)域基礎(chǔ)上生成六角格網(wǎng)，六角格網(wǎng)的編碼格式為[所在矩形格網(wǎng)X編號，所在矩形格網(wǎng)Y編號，六角格網(wǎng)列編號，六角格網(wǎng)行編號]，如圖1所示。

圖1 六角格網(wǎng)的編碼格式

每一個六角格都是由格元和格邊組成的，單個六角格格元和格邊對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1和表2。

表1 六角格網(wǎng)格元的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 六角格網(wǎng)格邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 六角格地形量化

采用六角格網(wǎng)對地形數(shù)據(jù)進行量化，目的是將真實地形環(huán)境劃分為許多面積相等的六角網(wǎng)格單元，然后將該單元內(nèi)包含的地理環(huán)境信息進行綜合，并且將這些綜合后的信息劃分為不同的類別，最后將綜合后的信息以屬性結(jié)構(gòu)體的方式存儲在每個六角網(wǎng)格單元中[7]。目前，矢量地圖的數(shù)據(jù)管理主要是按照分層方式存儲的，其分層依據(jù)地圖制圖學(xué)中對地圖要素的劃分[8]。本文中，選取居民地、植被要素(森林和草地)、陸地地貌和土質(zhì)、水域(河流、海洋和沼澤)及陸地交通(鐵路、國道和省道)作為主要研究內(nèi)容。六角格網(wǎng)屬性信息建模過程如圖2所示。

2.1 道路的量化

在研究越野條件下的車輛通行問題時，考慮到車輛在有道路條件下的通行能力更強，因此優(yōu)先選擇道路進行通行。根據(jù)不同比例尺數(shù)字地形圖的分類標(biāo)準，對道路進行分類分級。車輛在基于六角格網(wǎng)進行移動時，是從一個格網(wǎng)的中心點移動到相鄰格網(wǎng)的中心點，因此，不同的道路要素在進行六角格網(wǎng)地形量化時，是根據(jù)矢量道路與六角格網(wǎng)格邊相交的情況，將道路表達為六角格網(wǎng)中心點到相應(yīng)6條邊的垂距。

圖2 六角格地形量化流程

2.2 格元屬性信息建模

將研究區(qū)域劃分為N個正六邊形小區(qū)域，每一個小區(qū)域內(nèi)的地形類型應(yīng)該與實際地形類型基本一致[9]。在格元屬性信息建模時，主要是面狀要素的處理。本文將格元類型劃分為居民地、森林、草地、陸地地貌和土質(zhì)、海洋及沼澤6大類，六角格地形判斷的方法依據(jù)面積占優(yōu)法及重要性法進行確定?；静襟E如下：

(2) 比較ρi的大小，ρmax對應(yīng)的地形類型被認為是該六角格的格元屬性，若最大值不止一個，則根據(jù)要素的重要性法進一步確定格元的屬性，重要性法根據(jù)影響車輛越野通行程度而定。

2.3 格邊屬性信息建模

格邊屬性信息建模主要是車輛在相鄰格網(wǎng)間移動時，確定兩個網(wǎng)格公共邊的障礙類型，用于分析是否允許車輛通行問題。本文研究的重點是線狀要素河流的量化。根據(jù)河流與六角格網(wǎng)的相交情況，根據(jù)河流的走向，將河流量化到六角格網(wǎng)的6條邊上，若有河流通過，格邊屬性為河流；若沒有河流通過，根據(jù)該格邊相鄰的兩六角格確定其屬性。

根據(jù)圖層信息對六角格網(wǎng)進行屬性信息建模，分別確定格元和格邊的屬性信息以及道路的量化結(jié)果(六角網(wǎng)格邊長設(shè)置為0.65km，根據(jù)專家經(jīng)驗選擇結(jié)果)。如圖3所示。

圖3 六角格網(wǎng)屬性信息建模

3 越野通行分析

3.1 越野機動影響因素分析

車輛在越野條件下的通行等級根據(jù)車輛的通行程度劃分為4個等級：易通行地形，能通行地形，難通行地形和不能通行地形。按照通行等級，本文對地表坡度、陸地土質(zhì)類型、森林的株距、道路等級、沼澤的泥深進行了分類分級研究。

(1) 坡度。根據(jù)車輛不同的爬坡能力進行等級劃分。坡度的通行分級原則和影響系數(shù)見表3。

表3 坡度的分級原則及影響系數(shù)[10]

其中，α1、α2和α3是根據(jù)不同類型車輛的實際經(jīng)驗值來確定的，在此，不針對具體類型車輛進行討論。

(2) 陸地土質(zhì)類型。車輛受地表不同土質(zhì)的作用影響行駛速度。(不考慮有道路的情況)定義一個粗糙度系數(shù)δ表示車輛在不同類型地面的通行程度，δi=Vi/V，δ∈[0,1]。其中Vi表示車輛受地面屬性影響之后的實際行駛速度，V表示車輛的正常行駛速度。δ越大，說明車輛受該地面類型影響越小，車輛的通行程度越大。粗糙度與通行等級的關(guān)系見表4。

表4 地表屬性及粗糙度[10]

(3) 森林的株距。由于車輛具有一定的寬度、轉(zhuǎn)彎限制等，因此研究車輛在森林中越野通行問題時，要充分考慮森林中樹與樹之間的距離，是否具備車輛通行的條件，株距對車輛的影響見表5。

表5 株距與車輛通行等級的對應(yīng)關(guān)系[10]

其中，N1、N2、N3根據(jù)不同類型車輛的實際經(jīng)驗值來確定。在此，不針對具體類型車輛進行討論。

(4) 沼澤的泥深。對于輪式車輛而言，沼澤是不能通行區(qū)域，而對于履帶式車輛而言，沼澤在某些條件下是可以通行的，參照試驗數(shù)據(jù)可知沼澤對履帶式車輛的影響見表6。

表6 沼澤泥深與履帶式車輛越野通行等級的對應(yīng)關(guān)系[10]

(5) 道路的等級。在車輛越野機動時，優(yōu)先選取道路。此時，影響車輛通行的因素為道路的路面材料、寬度、橋梁的承重能力及涵洞的限制高度等。按照國家劃分道路級別的標(biāo)準，可知道路等級與其通行能力的對應(yīng)關(guān)系見表7。

表7 1∶100萬比例尺中道路等級與車輛越野通行等級的對應(yīng)關(guān)系[10]

分級層次易通行能通行難通行不能通行道路等級鐵路國道省道省道以下

3.2 越野機動通行性分析模型

3.2.1 坡度分析

坡度是表示地形表面在該點傾斜程度的矢量，由坡度大小和坡度方向組成。在六角格網(wǎng)中，首先通過DEM內(nèi)插的方法計算出六角網(wǎng)格6個頂點(由西南開始順時針標(biāo)記)的高程值Zi,j,k，k∈[1,6]。

求得中心點的高程值Hi,jHi,j=

本文算法引入窗口移動法，以格網(wǎng)的中心點代表該格網(wǎng)單元，計算當(dāng)前格網(wǎng)與相鄰6個格網(wǎng)之間的坡度大小。以i為偶數(shù)為例，依次計算相鄰6個網(wǎng)格相對于當(dāng)前網(wǎng)格的坡度大小Gi，j，k，K∈[1,6]。具體計算公式如下

式中，S為六角網(wǎng)格的邊長；i為偶數(shù)。

建立坡度表，根據(jù)不同坡度下車輛通行等級的不同可視化車輛的通行等級區(qū)域。以履帶式車輛坦克為例，進行區(qū)域越野通行范圍和通行等級分析。其中，α1=10°，α2=17°，α3=30°。生成坡度等級圖，如圖4所示。

圖4 坡度等級

3.2.2 格元的通行能力

對于居民地要素圖層、森林要素圖層、草地要素圖層、陸地地貌和土質(zhì)要素圖層、海洋要素圖層及沼澤要素圖層，根據(jù)不同車輛的通行等級標(biāo)準在六角格網(wǎng)中分層可視化通行等級區(qū)域，依次對每一個網(wǎng)格進行分級標(biāo)識，0視為不能通行區(qū)域，1視為難通行區(qū)域，2視為能通行區(qū)域，3視為易通行區(qū)域。依次對各圖層區(qū)域的通行性進行兩兩疊加，得到要素共同作用下綜合分析結(jié)果。本文制定格元疊加分析通行性法則見表8。

表8 格元通行性疊加運算法則

根據(jù)對陸地地貌及土質(zhì)層、植被層、水域圖層進行六角格網(wǎng)的屬性信息建模，以及上述越野機動影響因素不同通行等級的劃分，確定圖層疊加后的通行區(qū)域和通行范圍。生成格元通行等級圖，如圖5所示。

圖5 格元通行等級

3.2.3 格邊的通行能力

根據(jù)上述格邊的屬性建?？芍襁厡傩灾饕桥袛嗥渫ㄐ姓系K等級(0為沒有障礙，1為能通行障礙，2為難通行障礙，3為不能通行障礙)。本文認為車輛不具備涉水條件，在判斷格邊的障礙類型時，首先將河流量化結(jié)果與道路量化結(jié)果進行疊加分析。疊加分析結(jié)果有以下4種情況。

(1) 若某格邊有河流通過且有道路，則判斷該格邊障礙等級根據(jù)道路的通行等級確定。

(2) 若某格邊只有河流通過沒有道路，則判斷該格邊障礙類型為不能通行。

(3) 若某格邊沒有河流通過但有道路，則判斷該格邊障礙等級根據(jù)道路的通行等級確定。

(4) 若某格邊沒有河流通過也沒有道路，則根據(jù)該格邊相鄰的兩個格元的屬性確定其通行等級。若兩相鄰格元屬性一致，則該格邊的障礙等級根據(jù)格元的通行等級確定；若兩相鄰格元屬性不一致，則該格邊的障礙等級根據(jù)通行程度小的格元確定。

根據(jù)河流和道路的量化結(jié)果，確定格邊的障礙類型，如圖6所示。

圖6 格邊障礙類型

將坡度通行等級分析結(jié)果、格元通行等級分析結(jié)果及格邊障礙等級分析結(jié)果疊加進行可視化顯示，研究區(qū)域最終通行區(qū)域和通行等級的可視化結(jié)果如圖7所示。

圖7 最終通行區(qū)域等級

4 結(jié)束語

本文采用六角格網(wǎng)的方法對地形圖進行量化，進而研究車輛越野通行區(qū)域和通行等級的劃分。首先，對六角格網(wǎng)中格元、格邊及道路進行屬性信息建模，生成了豐富的六角格網(wǎng)信息；然后，對影響車輛越野通行的因素進行了分類分析；最后，制定了多因素影響下車輛越野通行法則并進行了格元和格邊的通行分析。根據(jù)本文提出的地形量化方法及車輛越野通行法則，最終得出履帶式車輛坦克在研究區(qū)域的通行等級圖。

下一步工作是研究相對詳細的多交通工具的影響因素分類體系，以期提高通行性分析結(jié)果的準確度。

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A Method of Cross-country Access Based on Hexagonal Grid

FAN Linlin，HUA Yixin

(Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

To solve the problem of vehicle cross-country passage planning, the main influencing factors on cross-country passage have been analyzed. It proposed a data model which using hexagonal grid to do terrain quantization, researched on the spatial data structure and the modeling process of attribute information of hexagonal grid. The factors of influencing vehicle cross-country passage have been got on classification analysis, focus on the influence of terrain, roads, slope, et al. For vehicular traffic cross-country passage levels, it proposed a comprehensive multi-factor analysis method. Finally, the cross-country passage analysis model under the combined effects of multiple factors has been established.

hexagonal grid; hexagonal grid terrain quantization; cross-country passage analysis; multiple-factor; general rules

范林林，華一新.一種基于六角格的越野通行方法[J].測繪通報，2017(2)：25-29.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0042.

2016-07-13

國家科技支撐計劃(2012BAK12B02)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41401467)；國家自然科學(xué)基金(41271450)

范林林(1992—)，女，碩士生，主要研究方向為基于六角格的越野路徑規(guī)劃。E-mail：18736033363@163.com

P208

A

0494-0911(2017)02-0025-05