基于小比例尺基础地形图不完整道路数据的路网智能构建

欧阳芳 邓吉秋 王路希 李 娜 方青磊

（中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083）

0 引言

城市化的不断普及，各地交通的迅猛发展，给路径分析与交通规则带来不便[1－4]。使用计算机技术模拟、分析道路网交通状况能有效缓解这些问题[4]。近年来人们在路网构建方面做出了很多研究，主要集中在道路网络模型构建方面[1－2,5]，针对不完整道路数据的研究较少。路网模型的构建原理是高精度、准确、尽可能趋于现实的体现道路交通的线性特征和道路数据的组织结构，以达到“保障安全、提高效益、改善环境、节约能源”的目的[6]。

构建交通网络数据集，需要地图的道路数据。然而基础地形图道路数据在数据生产与使用的各个环节中可能存在缺失，比如手工数字化时失误；扫描底图时纸质损毁；数据采集过程失误；数据获取与更新滞后、数据转换、比例尺变更、数据抽稀等，主要体现在图形拓扑关系、属性等方面，存在道路中断、缺失等一系列问题。若使用不完整道路数据构建交通路网，将造成部分转向、连接点、边等网络要素的缺失，影响其连通性、网络要素的属性[7]。因此，研究和实施不完整道路数据的路网智能构建具有重要的理论价值和现实意义。

本文针对不完整道路数据的路网构建问题，基于路网构建需符合现实交通的规则[8]，提出“模糊节点”的概念，由其实现道路数据不完整情况下的道路“跨越式”连接，设计基于不完整道路数据的路网智能构造算法，并基于ArcGIS开发应用工具，用实际数据对此方法进行检验分析。

1 “模糊节点”及其提取方法

基于现实交通规则，基础地形图中表示居民地的城镇区、村落、独立房屋、居民区、居民点等处不可能孤立,即至少有一条路径连通居民地。本文提出在表示居民地采用一定大小的“点”，作为道路网络中的节点，这些节点就是“模糊节点”,代表地图中的连接要素，其大小代表人口数量、居民区大小，决定其连接范围。以这些“模糊节点”为轴心并遵循一定的规则，与外围已有道路网“跨越式”连接，就是不完整道路的自动完善过程。

综合考虑基础地形图的精度划分，“模糊节点”一般适用于小于1:2.5万基础地形图。比例尺大于1:2.5万时，基础地形图的道路数据已经详细到城区道路，居民聚居地已经是路网中的节点。比例尺小于1:25万时，道路数据不够详细，“模糊节点”扩展到外围道路网生成的道路将不符合实际。此外，基础地形图比例尺在1:25万和1:2.5万间的前提下，还需保证道路数据和“模糊节点”源数据为相同或相近比例尺，否则将造成路网的混乱。比如1:2.5万基础地形图中居民地数据提取的“模糊节点”扩展到基于1:25万基础地形图的路网中，将出现如下情况：“模糊节点”“跨越式”连接到路网，密集的“模糊节点”新生成的道路将大量相交、重叠，此时需对居民地数据进行地图综合，通过选取和概括使居民地数据详细程度与道路数据相当，再提取 “模糊节点”。相似的，1:25万基础地形图中居民地数据提取的“模糊节点”扩展到基于1:2.5万基础地形图的路网中，将出现如下情况：“模糊节点”“跨越式”连接到路网没有实际意义。

2 基于“模糊节点”的路网智能构建技术

基于“模糊节点”的路网智能构建关键技术包括路网数据库的建立、地图综合、提取“模糊节点”和“跨越式”连接规则及流程设置。本文采用ArcCatalog创建网络数据集完成路网构建。此过程需注意道路的属性是路网数据质量的重要组成部分。除道路基本信息外，对网络分析的要求越高，需要采集的道路属性就越多，比如转向设置、限高、限重、车型限制等[1]。居民地数据则需要人口、居民区面积等参数。地图综合单指上文提到的居民地数据详细程度远超道路数据时进行。本文采用ArcGIS工具箱中 Toolbox－Data Management tools的 Generailzation目录下的collapse Dual Lines To Centerline工具实现，参数设置与不同比例尺基础地形图制图综合时参数一致。

2.1 提取“模糊节点”

根据“模糊节点”的定义，提取“模糊节点”流程图如右下图1，提取流程如下：（1）在居民区图层每个要素重心位置点处创建 “模糊节点”，要素面积或人口总数决定此“模糊节点”辐射半径属性；（2）居民点图层每个要素点处创建“模糊节点”，人口总数决定辐射半径属性；（3）合并两个“模糊节点”图层。

2.2 “跨越式”连接规则及流程设置

图1 “模糊节点”提取流程图Fig.1 Flow chart of extraction“Fuzzy node”

基于路网连通性及符合实际交通的规则，“跨越式”连接操作流程如下：（1）当任意两个“模糊节点”间的距离小于其辐射距离之和时，连接这两个“模糊节点”生成临时道路；（2）当任意“模糊节点”到道路网可连接点的最近距离小于此“模糊节点”的辐射距离时，则连接此“模糊节点”和最近点；（3）将目前还孤立的“模糊节点”连接到最近的（1）、（2）步新生成的道路或者原始道路网中可连接处，使这个连接线段最短；（4）对新生成道路图层进行拓扑检查，拓扑规则有：不重叠、不相交、无伪节点、不自重叠、不自相交、要素为单一部分；（5）将新生成道路图层中孤立的线段连接到最近的其他线段或者原始道路网中可连接处，使这个连接线段最短；（6）对新生成道路图层进行拓扑检查（如（4）中规则），并赋值其与原始道路相同的属性；（7）合并新生成道路图层与原始道路图层，对此图层进行拓扑检查（如（4）中规则），得到构建路网道路数据图层。上述流程中涉及到的点线、点点、线线等各种要素的最近距离表可由ArcGIS应用程序中的近邻分析功能求出。最近距离点位置可由ArcMap导出距离表格并使用ArcMap的添加XY数据功能添加到图层。

3 基于“模糊节点”的路网智能构建应用与分析

本文以1:5万湘西土家族苗族自治州的基础地形图为基础创建路网。源数据有道路图层、居民区、点图层，居民地数据不需地图综合。“模糊节点”图层由上文3.3提出的“模糊节点”提取流程获得。完整道路数据是在不完整道路数据的基础上，将“模糊节点”按照“跨越式”连接流程连接到不完整道路上生成的。这个过程使整个道路网更符合实际交通并提高了道路数据的详细程度。分别为以原始道路和智能完整道路为基础构建交通网络数据集[8]，并以此为基础进行分析，此处以最短时间路径分析为例，下图2中左右侧网络分析分别采用原始道路和智能完整后道路构建的网络数据集，路径分析时起、终点相同，为点①、点②，路径分析结果分别为最短路径1、最短路径2（如下图2所示）。

图2 最短路径对比（左侧路径1，右侧路径2）Fig.2 Comparative of Shortest Path(the left is Path-1,the right is Path-2)

由上图2分析知，由于起点①与终点②间在“模糊节点”“跨越式”连接到路网过程中有新增路径，导致起点①与终点②间的最短路径分析结果发生了改变，新路径2通过了新生成路径，以致比源路径1耗时更少。

4 结束语

本文提出了“模糊节点”的概念，并以其为基础实现了不完整道路通过“模糊节点”跨越式连接路网，从而快速的建立真实的道路网络。本文实例基于ArcGIS平台，采用1:5万湘西土家族苗族自治州的居民地数据，对路网数据进行了自动完善。这充分证明了“模糊节点”概念的可行性与优越性，其构建的路网数据模型能够使路网更精确，为交通规划预测提供更好的指导作用。

本文的研究解决部分道路缺失时的路网构建问题，但还有一些问题需要进一步的改进和完善。如“模糊节点”的辐射半径设置如何更符合实际交通；如何使“模糊节点”与更多的无关联道路数据（湖泊、河流）结合起来；如何使自动完善的道路更符合现实，譬如把简单的两点相连改进为考虑坡度、地物等因素等等。这些都是值得探讨的问题。

［1］王雪丽,恰汗·合孜尔.基于ArcGIS的城市交通网络数据模型的建立[J].计算机与数学工程,2011,39(4):87-89.

［2］Bielli M,Boulmakoul A.Objet Modeling and Path Computation for Multimodal Travel Systems[J].European Journal of Operational Research,2006;17(5):1705-1730.

［3］杨林.支持多模式的复合交通网络模型及关键技术研究[D].中国地质大学,2008.4.

［4］张璇.通信网络理论与道路网理论关键节点分析的对比研究[D].北京邮电大学,2013.1.

［5］G.Farin,Curves and Surface for Computer-Aided Geometric Modeling with Splines:An Introduction[M].AK Perters Ltd,2001.

［6］朱庆，李渊.道路网络模型研究综述[J].武汉大学学报:信息科学版.2007,6；32(6):471-476.

［7］Cova T J,Johnson J P.A Network Flow Model for Lane based Evacuation Routing[J].Transportation Research Part A:Policy and Practice,2003,37(7):579-604.

［8］杨晓毅,吴建平,贾顺平.基于GIS的微观仿真路网数据结构设计和实现[J].交通运输系统工程与信息,2006,6(2):38-41.