李元復(fù)，孫 群，季曉林，周 炤，呂 錚

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

地理信息在當(dāng)今社會(huì)的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，作為一種地理信息的組織形式，地理實(shí)體指的是具有完整性質(zhì)感的目標(biāo)集合，具有可識(shí)別性、主題相關(guān)性和可描述性的特點(diǎn)[1-2]，是多源數(shù)據(jù)融合中匹配的基本單位[3]。基于地理實(shí)體的數(shù)據(jù)模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：①符合人們的認(rèn)知習(xí)慣，便于非測(cè)繪專業(yè)人員的使用；②有利于實(shí)現(xiàn)地理目標(biāo)與相關(guān)專題信息的掛接；③可以實(shí)現(xiàn)實(shí)體級(jí)的數(shù)據(jù)更新，有助于地理信息實(shí)時(shí)更新的實(shí)現(xiàn)，便于表現(xiàn)地理目標(biāo)的時(shí)空變化。實(shí)現(xiàn)城市道路的實(shí)體化，有利于拓寬道路數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，使之更好地服務(wù)于城市規(guī)劃與建設(shè)。

部分發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)對(duì)于地理實(shí)體數(shù)據(jù)的管理已初步形成了規(guī)范，并在實(shí)際生產(chǎn)中采用了面向?qū)嶓w的數(shù)據(jù)模型。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于地理實(shí)體的構(gòu)建[4-8]、管理[9-10]與表達(dá)[11-12]進(jìn)行了深入研究。目前，與城市道路實(shí)體化相關(guān)的研究主要集中于Stroke構(gòu)造方面。文獻(xiàn)[13]以城市導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)道路的特點(diǎn)進(jìn)行分類，并分別給出具體的Stroke構(gòu)建方法。文獻(xiàn)[14]根據(jù)道路的幾何特征對(duì)不含語(yǔ)義信息的城市道路進(jìn)行了Stroke構(gòu)建。關(guān)于Stroke構(gòu)建的研究?jī)H考慮了道路數(shù)據(jù)幾何特征，沒有充分顧及名稱語(yǔ)義在實(shí)體化構(gòu)建中的作用，在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)存在同一道路實(shí)體被分為多條Stroke的情況，因此不能直接用于城市道路的實(shí)體化構(gòu)建。

鑒于此，本文對(duì)城市路段數(shù)據(jù)實(shí)體化的具體方法進(jìn)行了研究。首先，對(duì)道路實(shí)體的構(gòu)建原則進(jìn)行闡述；在此基礎(chǔ)上，本文給出了交叉路口相接路段的幾何連通度、名稱匹配度和綜合匹配度的計(jì)算方法，對(duì)實(shí)體化匹配的具體過(guò)程進(jìn)行了描述；以鄭州市區(qū)部分道路數(shù)據(jù)為試驗(yàn)對(duì)象，構(gòu)建了道路實(shí)體；最后通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性。

1 理論與方法

1.1 城市道路實(shí)體化構(gòu)建原則

與公路和鄉(xiāng)村道路等其他類型道路相比，城市道路數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：①大部分具備名稱信息；②大部分不具備編號(hào)信息；③大部分路段在交叉路口的連通性較好，即夾角接近180°。根據(jù)以上特點(diǎn)，本文將城市道路數(shù)據(jù)的實(shí)體化構(gòu)建原則歸納如下：

(1) 同一道路實(shí)體必須具備整體連通性。

(2) 實(shí)體與路段之間的關(guān)系可以是一對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多。

(3) 相接路段的實(shí)體化要充分顧及幾何連通性和名稱一致性。

1.2 城市道路實(shí)體化構(gòu)建方法

城市道路實(shí)體化構(gòu)建總體方法如圖1所示。首先，根據(jù)每個(gè)路段端點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行匹配，生成道路交叉口數(shù)據(jù)，作為進(jìn)行路段匹配的基本對(duì)象，記錄其對(duì)應(yīng)路段的索引號(hào)。對(duì)每個(gè)路口進(jìn)行遍歷，將路口所有路段兩兩配對(duì)，計(jì)算每個(gè)路段對(duì)的幾何連通度和名稱匹配度，并據(jù)此計(jì)算綜合匹配度。根據(jù)綜合匹配度及其閾值，判定該相接路段對(duì)是否屬于同一實(shí)體。最后，遍歷各個(gè)路口，生成道路實(shí)體索引號(hào)與路段索引號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系表，并據(jù)其對(duì)路段進(jìn)行拼接，生成道路實(shí)體數(shù)據(jù)。

圖1 城市道路實(shí)體化構(gòu)建總體方法

1.2.1 幾何連通度

幾何連通性指的是兩路段在連接處的平滑程度，即兩路段夾角越接近180°，其幾何連通性越強(qiáng)。隨著路段之間夾角從180°開始逐漸減小，其幾何連通性呈快速減弱趨勢(shì)，在兩路段呈直角時(shí)其幾何連通性已經(jīng)處于很弱的狀態(tài)，當(dāng)其夾角繼續(xù)減小時(shí)，其幾何連通性減弱速度也逐漸減緩。為了量化展現(xiàn)幾何連通性隨路段夾角的變化，同時(shí)考慮后續(xù)綜合匹配度計(jì)算的需要，本文對(duì)路段夾角進(jìn)行基于反比例函數(shù)的歸一化處理，提出幾何連通度的概念，其計(jì)算方法為

(1)

式中，GCij和αij為索引號(hào)為i的路口中第j個(gè)路段對(duì)的幾何連通度和夾角。

1.2.2 名稱匹配度

名稱一致性指的是兩相接路段的名稱具有較高關(guān)聯(lián)度的性質(zhì)，具有較高名稱一致性的路段對(duì)可分為完全同名路段對(duì)和不完全同名路段對(duì)(如“嵩山北路”與“嵩山南路”)兩類。為了定量描述名稱的一致性，本文引入了名稱匹配度的概念。

按詞性進(jìn)行分割，路段名稱可分為3個(gè)部分：實(shí)體名項(xiàng)(如街、路和大道)、方位項(xiàng)(東、西、南、北、中)和特征名項(xiàng)(除實(shí)體名項(xiàng)和方位項(xiàng)以外的部分)。首先，采用基于整詞二分的分詞詞典機(jī)制[15]對(duì)實(shí)體名項(xiàng)進(jìn)行后序查找，并引入方位詞敏感機(jī)制，若名稱中含方位詞，則其最長(zhǎng)字串從方位詞后的字開始計(jì)算。方位項(xiàng)通常位于名稱開頭或?qū)嶓w名項(xiàng)前特征名項(xiàng)后，本文將這兩種情況分別定義為方位項(xiàng)的前置和后置，在提取方位項(xiàng)時(shí)，后置的優(yōu)先級(jí)高于前置。最后將除實(shí)體名項(xiàng)和方位項(xiàng)以外的其他字符歸為特征名項(xiàng)，便完成了路段名稱的分割。

設(shè)第i個(gè)路口第j個(gè)路段對(duì)的實(shí)體名項(xiàng)匹配度、方位項(xiàng)匹配度和特征名項(xiàng)匹配度分別為sij1、sij2和sij3，其對(duì)應(yīng)的權(quán)值分別為a1、a2和a3，則名稱匹配度SSij的定義為

(2)

對(duì)于路段對(duì)的方位項(xiàng)，若同時(shí)屬于集合{東，西，中}或{南，北，中}，而且同為前置或后置，則稱其具有關(guān)聯(lián)關(guān)系。對(duì)于每個(gè)路段對(duì)，實(shí)體名項(xiàng)、方位項(xiàng)和特征名項(xiàng)匹配度的具體計(jì)算方法為：

(1) 若實(shí)體名項(xiàng)相同，則sij1=1；否則sij1,sij2和sij3均為0。

(2) 在實(shí)體名項(xiàng)相同的前提下：

a. 若特征名項(xiàng)不同，則sij2和sij3均為0。

b. 若特征名項(xiàng)與方位項(xiàng)均為空，或特征名項(xiàng)相同且方位項(xiàng)關(guān)聯(lián)，則sij2和sij3均為1。

c. 若特征名項(xiàng)相同但方位項(xiàng)不關(guān)聯(lián)，則sij2=0，sij3=1。

1.2.3 道路實(shí)體生成

為了表示幾何連通度與名稱匹配度對(duì)路段匹配的綜合影響，本文引入了綜合匹配度的概念，其計(jì)算方法為

Cij=β1GCij+β2SSij

(3)

式中，β1和β2分別為幾何連通度與名稱匹配度的加權(quán)系數(shù)。對(duì)于每個(gè)路口，路段匹配過(guò)程為：

(1) 若該路口路段數(shù)不少于2，若其中綜合匹配度的最大值大于閾值，則將其對(duì)應(yīng)的路段對(duì)記錄到路段匹配表中，執(zhí)行步驟(2)；若其小于閾值或路段數(shù)少于2，則該路口不存在匹配路段，該路口匹配結(jié)束。

(2) 將步驟(1)中記錄到路段匹配表中的路段移除，再次執(zhí)行步驟(1)。

對(duì)所有路口進(jìn)行遍歷后，根據(jù)路段匹配表對(duì)路段進(jìn)行連接，生成多路段道路實(shí)體數(shù)據(jù)，并將未在路段匹配表中出現(xiàn)的路段單獨(dú)提取出來(lái)，其即為單路段實(shí)體?？紤]城市環(huán)線道路可能出現(xiàn)的借道現(xiàn)象，本文采用屬性傳播方法[8]進(jìn)行處理，對(duì)生成的道路實(shí)體經(jīng)過(guò)的路口進(jìn)行遍歷，若其中包含另一實(shí)體的兩端點(diǎn)且另一實(shí)體名稱的實(shí)體名項(xiàng)中包含“環(huán)”字，則將兩端點(diǎn)之間路段復(fù)制到另一實(shí)體上使其閉合，從而達(dá)到保證實(shí)體完整性的目的。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 城市道路實(shí)體構(gòu)建

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為鄭州主城區(qū)部分區(qū)域的道路數(shù)據(jù)(如圖2所示)，采用Shapefile數(shù)據(jù)格式，以路段的形式分條進(jìn)行存儲(chǔ)，包含端點(diǎn)與折點(diǎn)坐標(biāo)信息及路段的名稱信息，共1541條記錄。

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)路段的端點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)路段進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建，生成交叉路口數(shù)據(jù)，共計(jì)886個(gè)。以路口為基本單位進(jìn)行遍歷，分別對(duì)每個(gè)路口關(guān)聯(lián)的路段進(jìn)行兩兩組合，計(jì)算其幾何連通度和名稱匹配度，并進(jìn)而計(jì)算其綜合匹配度。其參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 算法參數(shù)設(shè)置

將綜合匹配度閾值設(shè)置為0.5，根據(jù)每個(gè)路口路段對(duì)的綜合匹配度，對(duì)路段對(duì)進(jìn)行實(shí)體化匹配，并根據(jù)匹配結(jié)果對(duì)路段進(jìn)行連接和其他處理，最終得到226個(gè)城市道路實(shí)體，其中多路段實(shí)體200個(gè)、單路段實(shí)體26個(gè)。為了體現(xiàn)實(shí)體化前后道路數(shù)據(jù)組織形式的不同及實(shí)體數(shù)據(jù)在面向完整目標(biāo)的查詢方面的優(yōu)勢(shì)，本文分別對(duì)實(shí)體化前后的道路數(shù)據(jù)進(jìn)行基于長(zhǎng)度的查詢，對(duì)長(zhǎng)度超過(guò)1500 m的道路查詢結(jié)果(加粗顯示)如圖3所示。

圖3 超過(guò)1500 m的道路查詢結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用道路實(shí)體數(shù)據(jù)解決“哪些道路長(zhǎng)度超過(guò)1500 m”的問(wèn)題時(shí)，得到的結(jié)果更符合人的認(rèn)知，體現(xiàn)了地理實(shí)體數(shù)據(jù)在針對(duì)整體目標(biāo)查詢上的優(yōu)勢(shì)。

2.2 精度分析

為了體現(xiàn)本文提出的算法在城市道路實(shí)體化上的優(yōu)勢(shì)，本文以人工實(shí)體化匹配結(jié)果為參照對(duì)象，將其與文獻(xiàn)[13]中提出的城市道路Stroke生成算法進(jìn)行比較。本文將易出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤的路口稱為復(fù)雜路口，對(duì)于關(guān)聯(lián)路段數(shù)量為3或4的路口用路口復(fù)雜度(D)來(lái)進(jìn)行衡量，其計(jì)算方法為

(4)

式中，N為關(guān)聯(lián)路段數(shù)；αi為第i組關(guān)聯(lián)路段的夾角。判定復(fù)雜路口的充分非必要條件包括：

(1) 關(guān)聯(lián)路段數(shù)大于4。

滿足以上條件之一的路口即為復(fù)雜路口,在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中共計(jì)64個(gè)。與人工實(shí)體化匹配結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，本文方法與文獻(xiàn)[13]的方法出現(xiàn)匹配的路口數(shù)分別為1和7，即本文提出算法的總體準(zhǔn)確率為99.89%。經(jīng)查驗(yàn)，出現(xiàn)錯(cuò)誤匹配的路口均為復(fù)雜路口。兩種方法關(guān)于復(fù)雜路口的精度驗(yàn)證結(jié)果見表2，從結(jié)果來(lái)看，本文方法的正確率明顯高于文獻(xiàn)[13]提出的僅顧及幾何特征的方法。

表2 復(fù)雜路口實(shí)體化匹配精度驗(yàn)證

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)城市道路的特點(diǎn)，提出一套基于路段數(shù)據(jù)的實(shí)體化構(gòu)建方法，主要包括路口的提取與拓?fù)潢P(guān)系的建立、幾何連通度、名稱匹配度與綜合匹配度概念的引入、以路口為單位的路段實(shí)體化匹配與連接和借道現(xiàn)象的處理。通過(guò)復(fù)雜路口的匹配結(jié)果，體現(xiàn)了本文提出算法進(jìn)行實(shí)體化的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，城市化進(jìn)程加快推進(jìn)，城市道路也隨之發(fā)生著變化，而反映地理空間變化的時(shí)空數(shù)據(jù)模型多采用基于實(shí)體的數(shù)據(jù)組織形式。本文研究為城市空間時(shí)空數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供了具體的實(shí)踐參考，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。