基于FME的道路連通性檢測算法的實現

董琳琳,栗敏光

(1．林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司,重慶 401121; 2．國家測繪地理信息局重慶測繪院,重慶 400015)

基于FME的道路連通性檢測算法的實現

董琳琳1?,栗敏光2

(1．林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司,重慶 401121; 2．國家測繪地理信息局重慶測繪院,重慶 400015)

新一代地理信息數據庫建設中新增的實體化編碼和網絡構建等數據深加工處理對入庫數據中道路個體對象的連通性提出了更高的要求,常規測繪成果質量檢查和現有相關研究對此未作特別關注。基于FME平臺設計開發了顧及重復路段、細分不連通錯誤類型的道路個體對象連通性檢測算法,利用模擬數據和地理國情普查成果數據驗證了算法的正確性與魯棒性。

道路;連通性;檢測;FME

1　引 言

道路數據是基礎地理信息矢量數據和地理國情要素數據的重要組成部分。為滿足統計分析和導航等應用需求,數字城市地理空間框架數據庫、地理國情普查數據庫等新一代地理信息數據庫建設中新增了涉及道路數據的實體化編碼和網絡構建等數據深加工處理[1,2]。這些處理的正確性須要建立在入庫數據中道路個體對象連通性合理保持的基礎上。然而常規測繪成果質量檢查對此未作特別關注——相關的檢查內容包括拓撲一致性質量子元素中的圖形未相接(亦即懸掛點)檢查和屬性正確性質量子元素中的屬性錯漏檢查[3]。前者針對整個道路圖層,偏于宏觀層面,后者聚焦每個路段要素,偏于微觀層面,唯獨缺乏面向道路個體對象層面的視角,缺乏道路個體對象空間連通性方面的檢測內容。現有的相關研究也絕大多數集中于道路網絡的整體連通性分析領域[4,5,6]。

FME(Feature Manipulation Engine)是加拿大Safe Software公司推出的一套完整的空間數據解決方案,基于OpenGIS協會提出的新的數據轉換理念——語義轉換,通過提供在轉換過程中重新構造數據的功能,支持超過320種數據格式之間的靈活轉換,具有工作流定制簡便、數據轉換可視化、后臺運行自動化、工作空間和模板可重復利用等優點,被廣泛應用于數據格式轉換[7]、多源數據集成共享[8]、數據更新[9]、數據質量檢查[10]、地圖制圖[11]等領域。

本文在道路屬性結構、拓撲結構以及空間不連通錯誤類型分析的基礎上設計了顧及重復路段、細分不連通錯誤類型的道路個體對象連通性檢測算法,基于FME軟件平臺加以實現,利用模擬數據和地理國情普查成果數據驗證了其正確性與魯棒性。

2　算法設計

道路個體對象系指連接確定的起點與終點、在一定地域范圍內具有唯一而互異的編碼和名稱的同一條路線。本文算法即以道路編碼+道路名稱(RN+NAME)屬性組合作為同一道路個體對象的標識。道路個體對象的空間連通性是個廣義的概念,可以分為道路個體對象與其他道路之間的空間連通性(亦即道路個體對象的空間孤立性)和道路個體對象自身的空間連通性。前者可以具體定義為目標道路與其他道路存在交點。后者可以具體定義為組成目標道路的各個路段要素之間相互連接無間斷。關于路段與道路的隸屬關系,需要注意共用路段的情況。在地理國情普查等項目道路數據生產中,對于同一圖層(例如城際公路圖層)中多條道路的共用路段,圖形僅采集表示一次(即不重復疊加),編碼和名稱屬性采用最高等級道路的相應屬性,同時在重復路段編碼(RNP)屬性中羅列其他重復道路的編碼。這些“其他重復道路”在搜索所含路段時需要將該部分共用路段考慮在內。根據道路個體對象空間連通性的概念,結合道路數據實例統計分析結果,可以將道路個體對象的空間不連通錯誤細分為以下幾種類型。第一類是空間孤立、自身連通的道路,其特征表現為與其他道路無交點,自身各個路段相互銜接形成一條連續的路線,如圖1所示(圖中粗線為目標道路,細線為其他路網部分,下同);第二類是空間孤立、自身不連通的道路,其特征表現為與其他道路無交點,自身局部路段不接導致整條路線間斷為若干離散部分,如圖2所示;第三類是空間非孤立、自身不連通且屬性連續的道路,其特征表現為與其他道路有交點,自身局部路段不接導致整條路線間斷為若干離散部分,且離散部分數量小于整條路線所含絕對懸掛點數量,如圖3所示;第四類是空間非孤立、自身連通且屬性不連續的道路,其特征表現為與其他道路有交點,整條路線不存在絕對懸掛點,自身局部路段道路編碼、道路名稱、重復路段編碼屬性錯漏導致整條路線間斷為若干離散部分,如圖4所示;第五類是空間非孤立、自身不連通或屬性不連續的道路,其特征表現為與其他道路有交點,自身間斷為若干離散部分既有可能是由于自身局部路段空間不接所導致,亦有可能是由于自身局部路段道路編碼、道路名稱、重復路段編碼屬性錯漏所導致,如圖5所示。

圖1　空間孤立、自身連通的道路

圖2　空間孤立、自身不連通的道路

圖3　空間非孤立、自身不連通且屬性連續的道路

圖4　空間非孤立、自身連通且屬性不連續的道路

圖5　空間非孤立、自身不連通或屬性不連續的道路

根據以上分析結果,本文以最大限度連接路線的數量與空間關系判斷為核心思想,設計了顧及重復路段、細分不連通錯誤類型的道路連通性檢測算法。其基本思路可以分解為兩大模塊:第一個模塊是重復路段圖形重建,第二個模塊是不連通錯誤類型細分。進入兩大模塊之前需要完成一項準備工作,即將端點重合且道路編碼、道路名稱、重復路段編碼三個屬性均相同的原始路段連接成無間斷的路線。繼而進入第一個模塊,該模塊可以分解為三個步驟:第一步將重復路段編碼列表非空的路段隨重復路段編碼列表分解復制形成數量與列表元素數量相當的路段圖形,并將重復路段編碼列表元素值分別賦予其道路編碼屬性;第二步將端點重合且道路編碼屬性相同的重建路段連接成無間斷的路線;第三步從與之端點重合且道路編碼屬性相同的原有路段中吸取道路名稱屬性。接下來進入第二個模塊之前又需要完成兩項準備工作。第一項是將端點重合且道路編碼、道路名稱兩個屬性均相同的已作連接處理的原有路段和重建路段進一步連接形成最大限度連接路線,并提取所有路線之間的交點。第二項是提取原始路段的絕對懸掛點。繼而進入第二個模塊,該模塊可以劃分為三個層次:第一層次以與所有路線之間的交點是否空間相交為判斷條件將最大限度連接路線分離為空間孤立道路和空間非孤立道路兩個分支;對于空間孤立道路分支,第二層次以路線數是否大于等于2為判斷條件最終分離出空間孤立、自身連通道路和空間孤立、自身不連通道路;對于空間非孤立道路分支,第二層次以路線數是否大于等于2為判斷條件排除正常連通道路,剩余空間非孤立、自身不連通或屬性不連續道路;第三層次以路線數是否小于具有相同道路編碼、道路名稱屬性絕對懸掛點數為判斷條件細分出其中明確的空間非孤立、自身不連通道路,以具有相同道路編碼、道路名稱屬性絕對懸掛點數是否等于0為判斷條件細分出其中明確的空間非孤立、自身屬性不連續道路。算法流程如圖6所示。

圖6　道路連通性檢測算法流程圖

3　程序實現

基于FME軟件平臺,調用其函數庫提供的豐富的轉換器,定制可視化工作流實現上述算法。首先從函數庫中搜索恰當的轉換器匹配算法流程中的每一項操作(其中關鍵操作與轉換器對照表如表1所示),然后搭建各個轉換器之間的連接結構形成數據處理流程,最后詳細設置各個轉換器的參數。

算法流程關鍵操作與FME轉換器對照表　表1

4　結 語

分別利用模擬數據和一省一直轄市地理國情普查成果數據對本文算法程序進行測試,人工對道路成果數據與算法程序檢測結果進行逐一比對,結果發現:所有檢出的連通性錯誤均系道路成果數據的真實圖形屬性缺陷,所有未檢出連通性錯誤的道路在成果數據中均是真實連通的。由此證明本文算法程序是正確而健壯的,其準確性是人工作業方式所無法比擬的。同時,1 min～2 min即可完成平均包含400條路線的一個省級區域路網的檢測,其效率較人工方式具有顯著優勢。當然,由于道路拓撲結構和實地情況的復雜性,基于本文算法程序的檢測結果對道路成果數據的圖形屬性錯誤進行相應的修改作業時仍然需要必要的人工輔助判斷過程。其一是針對算法無法進一步細分的第五類——空間非孤立、自身不連通或屬性不連續的道路,其二是針對算法檢出的第三類中實地部分路段確未建成或已荒廢而非數據采集表達錯漏的道路,其三是針對弧段連接操作無法連接的三岔路結構道路。根據華東、華北片區6省、1自治區、3直轄市地理國情普查成果數據入庫質量檢查生產實踐統計結果,第一種情況約占缺陷道路總數的1/10,該種情況在程序自動檢出明確缺陷的基礎上人工根據路線位置與走向往往可以一目了然地分辨其具體屬于圖形不連通還是屬性不連續;后兩種情況均屬少數特例,第二種情況多見于城市郊區,第三種情況僅見于高等級道路系統中的復線路段和中央隔離帶超寬路段,兩者占缺陷道路總數的比例均不超1/20,部分省、自治區、直轄市數量僅為個位數。盡管仍有不足,本文算法還是在道路的連通性檢測研究與生產領域開辟了一個全新的角度,為入庫道路數據的連通性質量檢查與修改提供了有力的工具,為數據庫建設中道路數據的實體化編碼和網絡構建等數據深加工處理奠定了堅實的基礎。另外需要補充說明的是,本文算法不僅適用于由城際公路、城市道路、鄉村道路組成的公路網絡,而且適用于鐵路網絡以及城市軌道交通網絡,此外對水系網絡的連通性檢測也具有借鑒意義。

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Dong Linlin1,Li Minguang2

(1．TYLI Engineering Consulting(China)Co．,Ltd,Chongqing 401121,China; 2．Chongqing Institute of Surveying and Mapping,NASG,Chongqing 400015,China)

Further processes such as object coding and network modeling in the construction of new geographic information databases put forward higher requirement to the connectivity of road object in the data to put in storage which has failed to attract special attention either from conventional quality inspection of surveying and mapping products or from relevant academic research．An algorithm of road object connectivity checking considering duplicate road segments and involving division of disconnection error types is proposed and implemented based on FME platform．Experiments with both simulated data and geographical conditions survey products demonstrate that the algorithm is accurate and robust．

road;connectivity;checking;FME

An Algorithm of Road Connectivity Checking Based on FME

1672-8262(2016)01-106-04

P208．1

B

?2015—11—25

董琳琳(1984—),女,碩士,工程師,主要從事城市道路設計工作。

栗敏光(1984—),男,碩士,主要從事航測遙感與GIS數據處理與應用工作。

國家測繪地理信息局2013年基礎測繪科技項目“重慶測繪院信息化測繪體系關鍵技術示范應用”。