基于路段重要度評(píng)價(jià)的道路網(wǎng)自動(dòng)制圖綜合研究

王志崗，蔡國林

（1．四川科技職工大學(xué)，四川 成都610101；2．西南交通大學(xué) 遙感信息工程系，四川 成都610031）

道路自動(dòng)選取是制圖綜合領(lǐng)域研究的主要問題之一，其難點(diǎn)在于如何確保所選取的道路能較好地保留路網(wǎng)原始的幾何形態(tài)和拓?fù)溥B通性［1］。地理要素的幾何和拓?fù)鋵傩允侵茍D綜合過程重點(diǎn)研究的兩個(gè)方面［2］。目前，學(xué)者們已經(jīng)提出了很多道路選取方法，這些方法大致可以劃分為兩大類［3－4］：基于線狀表示的方法，根據(jù)道路線劃要素的幾何、拓?fù)涮匦约跋嚓P(guān)屬性進(jìn)行綜合；基于面狀表示的方法，通過對(duì)線劃路網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)面處理，并針對(duì)面要素進(jìn)行合并進(jìn)而達(dá)到路網(wǎng)綜合的目的。道路選取最關(guān)鍵的是保留路網(wǎng)的整體形態(tài)和拓?fù)溥B通，因此，針對(duì)路段的幾何形態(tài)和連通關(guān)系進(jìn)行城市路網(wǎng)的自動(dòng)選取已經(jīng)成為當(dāng)前制圖綜合研究的主要趨勢。

針對(duì)路網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)，Chen等提出了一種基于網(wǎng)眼密度的道路選取方法［5］。該方法主要顧及路網(wǎng)的局部路段幾何特性，能夠反映路網(wǎng)的密度分布，但缺乏對(duì)路網(wǎng)拓?fù)溥B通特性的考慮。張小朋等綜合考慮道路的等級(jí)、長度、網(wǎng)眼面積、區(qū)域道路密度等提出了一種道路選取方法，在一定程度上表征了人類在縮編更新時(shí)的思維過程［6］。Thomson等分析了路段與路徑的區(qū)別，并從道路自然延伸的角度提出“路劃”（即stroke）的基本概念，進(jìn)而構(gòu)建一種基于路劃的道路自動(dòng)選取方法［7］。該方法突破了固有的基于路段要素的選取思想，有效地顧及了道路的幾何形態(tài)，但對(duì)路網(wǎng)的拓?fù)溥B通保持存在不足?；诼穭澦枷耄熘葟牡缆饭δ芙嵌忍岢雎穭澒δ茉u(píng)價(jià)方法，并給出一種新的道路選取方法。該方法的效果優(yōu)于文獻(xiàn)［8］，然而該方法缺乏對(duì)路劃對(duì)象之間相互作用的考慮，難以保證路劃功能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性［9］。

近年來 采用基于對(duì)偶拓?fù)浞椒ǖ膹?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論得到各領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。在GIS領(lǐng)域，學(xué)者們認(rèn)為路網(wǎng)的對(duì)偶拓?fù)淠Ｐ湍芨鼫?zhǔn)確地描述路網(wǎng)的整體形態(tài)特征及評(píng)價(jià)路段、路徑的重要性和功能特性。為此，本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，在構(gòu)建路段重要度評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于路段重要度的道路網(wǎng)自動(dòng)制圖綜合方法。

1 路段重要度評(píng)價(jià)

1．1 路網(wǎng)對(duì)偶拓?fù)浔磉_(dá)

傳統(tǒng)GIS路網(wǎng)模型是以道路為弧段、以交叉口為節(jié)點(diǎn)所構(gòu)建的具有地理意義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。該模型較好地反映了城市路網(wǎng)的幾何特性，但不利于分析路網(wǎng)整體的拓?fù)溥B通性、路段的功能特性及重要性、路網(wǎng)的交通運(yùn)行特性等。近年來，采用基于對(duì)偶拓?fù)涞膹?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論來研究城市路網(wǎng)復(fù)雜性及交通動(dòng)力學(xué)特性得到GIS、交通領(lǐng)域?qū)W者們的廣泛關(guān)注。利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，將路段映射為節(jié)點(diǎn)、交叉口映射為邊，從而構(gòu)建基于傳統(tǒng)GIS路網(wǎng)模型的對(duì)偶圖（見圖1）。利用路網(wǎng)對(duì)偶拓?fù)淠芨鼮闇?zhǔn)確地評(píng)估路段的連接關(guān)系及重要性。

圖1 路網(wǎng)對(duì)偶拓?fù)浔磉_(dá)

1．2 路段重要度評(píng)價(jià)模型

1．2．1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于所建立的對(duì)偶路網(wǎng)模型，評(píng)價(jià)路段的重要度即等價(jià)于評(píng)估對(duì)偶圖中節(jié)點(diǎn)的重要度。為此，引入節(jié)點(diǎn)的度和介中心兩個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1）節(jié)點(diǎn)度：度（或連接度，Degree）是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最為簡單而又最為重要的概念 是節(jié)點(diǎn)重要性度量的重要指標(biāo)之一。節(jié)點(diǎn)i的度定義為與該節(jié)點(diǎn)直接相連的其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，也可理解為該節(jié)點(diǎn)所擁有邊的數(shù)量，一般用ki表示。研究認(rèn)為，節(jié)點(diǎn)的度越高，說明該節(jié)點(diǎn)越重要。

2）節(jié)點(diǎn)介中心：節(jié)點(diǎn)介中心（Bet weenness Centrality）的概念最早是由Freeman于1977年提出，并用于衡量社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中個(gè)體的社會(huì)地位及影響力。介中心是度量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要性的方法，給出在網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)處通過的最短路徑的情況，反映的是節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)路徑選擇中的重要程度［10－12］。已有研究認(rèn)為，節(jié)點(diǎn)的介中心越大，說明該節(jié)點(diǎn)越有影響力、越重要。假設(shè)σ（i，j）為節(jié)點(diǎn)i，j之間最短路徑的數(shù)目，σ（i，j｜μ）為以i，j為起點(diǎn)和終點(diǎn)且通過節(jié)點(diǎn)μ的最短路徑的數(shù)目，則節(jié)點(diǎn)μ的介中心定義為［8］

式中：i∈V，j∈V且i≠j。利用節(jié)點(diǎn)介中心的重要性度量特性，可提取網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模壓縮的目的。針對(duì)城市道路網(wǎng)絡(luò)而言，可基于節(jié)點(diǎn)介中心尋找合理、適應(yīng)性強(qiáng)的制圖綜合方法。

1．2．2 路段重要度評(píng)價(jià)模型

節(jié)點(diǎn)的度和介中心作為度量節(jié)點(diǎn)重要性的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，分別從節(jié)點(diǎn)的連通性和聚集能力角度反映節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度。對(duì)于城市路網(wǎng)而言，不同的路段在路網(wǎng)中的連通性和對(duì)交通流的匯聚能力是不同的，一般認(rèn)為利用其連接度和介中心來評(píng)估路段的重要性是可行的、顯著的。因此，本文基于路段的連接度和介中心定義如下路段重要度評(píng)價(jià)模型：

式中：I表示路段的重要度；k為路段的連接度；b為路段的介中心；α，γ為兩個(gè)可調(diào)參數(shù)，分別用于調(diào)節(jié)路段重要性對(duì)其連接度和介中心的依賴程度。

2 道路網(wǎng)自動(dòng)制圖綜合方法

道路網(wǎng)制圖綜合要求提取在小比例尺下較為關(guān)鍵的路段以構(gòu)成該比例尺下的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且路網(wǎng)應(yīng)能保持原始路網(wǎng)的整體形態(tài)結(jié)構(gòu)和連通性?；谏鲜鎏岢龅穆范沃匾仍u(píng)價(jià)模型，本文提出一種基于路段重要度的道路自動(dòng)選取方法。算法過程如圖2所示，具體如下：

1）基于原始GIS路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建其對(duì)偶拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)；

2）計(jì)算對(duì)偶圖中所有節(jié)點(diǎn)的度和介中心；

3）根據(jù)式（2）計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的重要度，并按重要度進(jìn)行排序

4）根據(jù)預(yù)設(shè)的選取比例s，提取最為重要的s·N個(gè)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)原始對(duì)偶圖中節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系生成新的對(duì)偶圖；

5）判斷生成的對(duì)偶圖是否全局連通，如果存在孤立節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)最小規(guī)模原則加入其他節(jié)點(diǎn)和邊以保持對(duì)偶圖的全局連通；

6）由生成的對(duì)偶圖提取GIS路網(wǎng)中對(duì)應(yīng)的路段，生成綜合的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，完成路網(wǎng)的自動(dòng)綜合過程。

圖2 道路選取過程

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為檢驗(yàn)本文方法的有效性，以成都市道路網(wǎng)絡(luò)（2007年）為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并認(rèn)為路段的連接度和介中心對(duì)路段的重要度貢獻(xiàn)相同，即α＝γ＝0．5，進(jìn)而路段重要度評(píng)價(jià)公式為I＝0．5k＋0．5b 在具體的綜合過程中，利用Arc GIS軟件提取成都市區(qū)內(nèi)的GIS路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)道路之間的連接關(guān)系，采用對(duì)偶拓?fù)浞椒?gòu)建該GIS路網(wǎng)模型的對(duì)偶圖。針對(duì)路網(wǎng)對(duì)偶拓?fù)?，根?jù)最短路徑算法計(jì)算對(duì)偶圖中所有節(jié)點(diǎn)的介中心值。由此，根據(jù)公式I＝0．5k＋0．5b就可以計(jì)算所有路段的重要度。圖3為成都市原始GIS路網(wǎng)模型，圖4為在不同選取比例下得到的路網(wǎng)綜合結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文道路選取方法較好地顧及了路段在路網(wǎng)中的重要性，一方面，所選取的道路基本都是該比例尺下的關(guān)鍵道路；另一方面，所選路網(wǎng)較好地保留了原始路網(wǎng)整體的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)及全局的拓?fù)溥B通性。即本文方法是切實(shí)可行的、有效的。

圖3 成都市原始道路網(wǎng)絡(luò)

圖4 道路選取結(jié)果

4 結(jié) 論

針對(duì)道路選取過程中路網(wǎng)整體形態(tài)及拓?fù)溥B通保持問題，對(duì)基于路段重要度的道路選取方法展開研究。通過構(gòu)建基于GIS路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)偶拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，建立路段重要度的評(píng)價(jià)模型，并給出一種基于路段重要度評(píng)價(jià)的道路網(wǎng)自動(dòng)綜合方法。實(shí)驗(yàn)表明，本文給出的道路選取方法能較好地保持路網(wǎng)原始的幾何形態(tài)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓展道路網(wǎng)制圖綜合的研究思路。

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