一种提取地图上双线道路的方法及装置与流程

本发明涉及大比例尺道路数据中双线道路模式识别的技术，特别涉及一种提取地图上双线道路的方法及装置。

背景技术：

在大比例尺地图中，城市道路类型呈现多元化，研究城市道路结构特点对于城市结构认知、道路网自动综合与更新以及多尺度表达等方面有着重要的理论和实际意义。道路网的模式识别和提取是面向地图自动综合中空间信息处理的关键技术之一。大比例尺道路数据中，城市主干道一般都用双线表示。

当前对双线道路的识别与提取，有许多学者进行了研究。通过线状道路要素并结合弧段和结点要素的属性信息，可较为准确的识别双线道路模式，但过于依赖要素的属性信息。在不涉及属性信息的情况下，大部分关于主干道提取的研究都是通过计算道路的重要性划分道路等级，包括道路长度、连通度、中介中心性等；也可通过分析道路网眼几何形态指标，采用SVM方法自动提取城市主干道，但是该方法对道路数据质量要求比较高。

技术实现要素：

双线道路是由平行线对构成，且线对始终保持一定的距离，其结构特征明显区别于其他线状道路，可从线对间空间距离的角度出发，对大比例尺道路数据中的双线道路模式进行识别。通过分析双线道路的几何特征，本发明提供了一种提取地图上双线道路的方法及装置，旨在解决现有的双线道路提取方法过度依赖道路要素属性信息及对道路数据质量要求较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的提取地图上双线道路的方法包括如下步骤：

1)选定地图上的任一条道路曲线L，建立以道路曲线L为中心，R为半径的缓冲区，寻找包含于缓冲区或者与缓冲区相交的道路曲线构建道路曲线L的匹配候选集；

2)计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的夹角，根据所述夹角，判断匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性；

3)计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的距离，判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性；

4)当匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性满足方向设定条件，且所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性满足距离设定条件时，匹配候选集中的该道路曲线与道路曲线L构成的双线道路就是所要提取的双线道路。

R＝3d₀，d₀为所要提取的双线道路的宽度。

设置方向一致性参数Conori来表征匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性，所述方向一致性参数Conori的计算公式为：

$Conori=1-\frac{min\{\mathrm{\θ},\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}\}}{\mathrm{\π}/2},\mathrm{\θ}=\arccos \frac{\stackrel{\→}{S_1}\·\stackrel{\→}{S_2}}{\left|\stackrel{\→}{S_1}\right|\left|\stackrel{\→}{S_2}\right|}$

式中，分别为道路曲线L与匹配候选集中某一道路曲线的首尾结点相连向量，θ为道路曲线L与匹配候选集中某一道路曲线的夹角。

设置距离一致性参数Condis来表征所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性，距离一致性参数Condis的计算公式为：

$Condis=1-\frac{|d-d_0|}{d_0}$

式中，d为所要提取的双线道路的宽度，d为道路曲线L与匹配候选集某条道路曲线的距离。

所述道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的距离为正对投影距离，正对投影距离d_i定义为d_i＝max{d_P(L_A,L_i),d_P(L_i,L_A)}，其中，L_A为匹配候选集中的一条道路曲线，d_P(L_A,L)为组成曲线L_A的各线段的中点到道路曲线L的投影距离的平均值，d_P(L,L_A)为组成道路曲线L的各线段的中点到曲线L_A的投影距离的平均值。

道路曲线L上各线段的中点到匹配候选集中的一条道路曲线的投影距离的计算过程为：

A)对于道路曲线L中的任一条线段L_i，找到线段L_i的中点P在道路曲线L_A上的投影点所在的正对投影线段，从而获知正对投影线段两端点的坐标值；

B)根据公式得到线段L_i的中点P在道路曲线L_A上的投影点的坐标值(x_t,y_t)；其中，n＝Δx₂₁Δx₃₂+Δy₂₁Δy₃₂，m＝Δx²₂₁+Δy²₂₁，Δx₂₁＝x₂-x₁，Δy₂₁＝y₂-y₁，Δx₃₂＝x₃-x₂，Δy₃₂＝y₃-y₂，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)为正对投影线段两端点的坐标值，(x₃,y₃)为线段L_i的中点P的坐标值；

C)根据线段L_i的中点P及其在道路曲线L_A上的投影点的坐标值，最终求出线段L_i的中点P在道路曲线L_A上投影距离。

步骤A)中线段L_i的中点P在道路曲线L_A上的投影点所在的正对投影线段的获取过程为：

a)计算中点P到曲线L_A上所有顶点的距离，得到集合Array_dis，找出集合Array_dis中最短和次短距离，其中最短距离的顶点记为q₁，次短距离的顶点记为q₂；

b)在点P、q₁、q₂构成的三角形中，计算∠Pq₁q₂和∠Pq₂q₁，如果∠Pq₁q₂和∠Pq₂q₁都不为钝角，则顶点q₁、q₂连成的线段为中点P的正对投影线段，如果∠Pq₁q₂和∠Pq₂q₁中有钝角，则从Array_dis中删除次短距离，重新获取q₁、q₂，计算∠Pq₁q₂和∠Pq₂q₁，直到∠Pq₁q₂和∠Pq₂q₁都不为钝角，得到中点P的正对投影线段。

在地图上提取双线道路时要首先对地图数据进行预处理：修正拓扑错误，连接或删除悬挂点。

本发明的提取地图上双线道路的装置包括匹配候选集确定模块、方向一致性计算模块、距离一致性计算模块及双线道路提取模块；

所述匹配候选集确定模块用于对地图上任一道路曲线L，建立以道路曲线L为中心，R为半径的缓冲区，寻找包含于缓冲区或者与缓冲区相交的道路曲线构建道路曲线L的匹配候选集；

所述方向一致性计算模块用于计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的夹角，根据所述夹角，判断匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性；

所述距离一致性计算模块用于计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的距离，判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性；

所述双线道路提取模块用于判断匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性是否满足方向设定条件，并判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性是否满足距离设定条件时，将满足方向设定条件和距离设定条件的道路曲线与道路曲线L匹配成双线道路。

设置距离一致性参数Condis来表征所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性，距离一致性参数Condis的计算公式为：

$Condis=1-\frac{|d-d_0|}{d_0}$

式中，d为所要提取的双线道路的宽度，d为道路曲线L与匹配候选集某条道路曲线的距离。

本发明的有益效果是：本发明的双线道路提取方法及装置仅需要根据道路曲线的坐标计算出两条道路的正对投影距离，然后计算两条道路曲线的方向一致性参数和距离一致性参数，并与设定阈值进行比较满足阈值条件的曲线就为所要提取的双线道路。本发明的方法不需要获知道路要素的属性信息，对道路的数据质量也要求不高，仅需要知道道路的坐标数据就能有效识别出道路网中的双线道路，符合人类空间认知特点。

附图说明

图1为基于正对投影距离的双线道路提取流程图；

图2为缓冲区构建示意图；

图3为线要素正对投影原理示意图；

图4为投影点计算示意图；

图5为正对投影线段判断示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细介绍。

本发明的提取地图上双线道路的方法的实施例

本实施例的双线道路提取方法包括如下步骤：

1)选定地图上的任一条道路曲线L，建立以道路曲线L为中心，R为半径的缓冲区，寻找包含于缓冲区或者与缓冲区相交的道路曲线构建道路曲线L的匹配候选集；

2)计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的夹角，根据所述夹角，判断匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性；

3)计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的距离，判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性；

4)当匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性满足方向设定条件，且所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性满足距离设定条件时，匹配候选集中的该道路曲线与道路曲线L构成的双线道路就是所要提取的双线道路。

下面对上述步骤作进一步详细阐述：

对于步骤1)选定地图上的任一条道路曲线L，建立以道路曲线L为中心，R为半径的缓冲区，寻找包含于缓冲区或者与缓冲区相交的道路曲线构建道路曲线L的匹配候选集，如图2所示；

若要识别的道路宽度为d₀，那么，缓冲区半径R优选取值为3d₀，当然作为其他实施方式，还可以取4d₀等等。

对于步骤2)，计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的夹角，当道路曲线L与匹配候选集中道路曲线平行时，此时的夹角为零，当道路曲线L与匹配候选集中道路曲线不平行时，道路曲线L或道路曲线L的延长线最终会与匹配候选集中道路曲线相交形成一个夹角。而该夹角越小，匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性越好。

道路曲线L与其候选集内道路曲线的夹角的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{\stackrel{\→}{S_1}\·\stackrel{\→}{S_2}}{\left|\stackrel{\→}{S_1}\right|\left|\stackrel{\→}{S_2}\right|}$

其中，分别为道路曲线L与其候选集内道路曲线的首尾结点相连向量，也可以为与道路曲线L及其候选集内道路曲线平行的向量。

可以直接利用上述夹角来判断匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性，或者引入方向一致性参数Conori。

根据计算出道路曲线L与其候选集内道路曲线的夹角θ，计算道路曲线L与其候选集内道路曲线的方向一致性参数Conori，计算公式为：

上述公式中Conori的值域为[0,1]，Conori为0时表示两条道路垂直，为1时表示两条道路平行，Conori的值越大，道路曲线L与其候选集内道路曲线的方向一致性越好。

当然，作为其他实施方式，方向一致性参数Conori的计算公式也可为此时，Conori的值域为[0,1]，Conori为1时表示两条道路垂直，为0时表示两条道路平行，Conori的值越小，道路曲线L与其候选集内道路曲线的方向一致性越好。或者，令方向一致性参数Conori为min{θ,π-θ}，Conori的值域为[0,90°]，Conori为90°时表示两条道路垂直，为0时表示两条道路平行。

对于步骤3)，计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的距离，判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性。

在判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性时，可以直接判断上述距离，是否接近于所要提取的双线道路宽度，或者，设定一个距离一致性参数Condis来表征道路曲线L与其候选集内道路曲线的距离一致性。

计算道路曲线L与其候选集内道路曲线的距离一致性参数Condis的公式为：

$Condis=1-\frac{|d-d_0|}{d_0}$

上述公式中Condis的取值范围为[0,1]，取值越大则距离一致性越高。

作为其他实施方式，距离一致性参数Condis的公式还可为：或Condis＝|d-d₀|，此时Condis取值越小则距离一致性越高，还可以对上述公式作其他变型，这里不再一一阐述。

对于步骤4)，若直接利用夹角和距离判断时，当夹角小于夹角设定值且距离在设定距离范围内时，可以判定匹配候选集中的该道路曲线与道路曲线L构成的双线道路就是所要提取的双线道路。

若采用方向一致性参数Conori和距离一致性参数Condis进行判别时，将匹配候选集中每条道路曲线对应的方向一致性参数Conori和距离一致性参数Condis分别与设定的阈值进行比较，满足阈值条件的道路曲线与道路曲线L构成的双线道路就是所要提取的双线道路。

在计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的距离时，引入了正对投影距离的概念，具体如下：

假设道路曲线L的匹配候选集中的一条曲线为L_A，那么，道路曲线L与曲线L_A的正对投影距离d_i的计算方法为：d_i＝max{d_P(L_A,L),d_P(L,L_A)}，其中，d_P(L_A,L)表示曲线L_A到L的投影距离的平均值，d_P(L,L_A)表示曲线L到L_A的投影距离的平均值。

d_P(L_A,L)和d_P(L,L_A)的计算过程为：其中，L_A＝{a₁,a₂,…,a_n}和L_i＝{b₁,b₂,…,b_n}，即d_P(L_A,L)为组成曲线L_A的各线段的中点到道路曲线L的投影距离的平均值，d_P(L,L_A)为组成道路曲线L的各线段的中点到曲线L_A的投影距离的平均值。

以道路曲线L中的一个顶点b₁到曲线L_A中的正对投影距离为例，若顶点b₁正对曲线L_A上的线段CD，已知点C、D、b₁的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，根据解析几何理论，顶点b₁到线段CD的投影点Z的坐标z_t(x_t,y_t)的计算公式为：

式中：n＝Δx₂₁Δx₃₂+Δy₂₁Δy₃₂，m＝Δx²₂₁+Δy²₂₁，Δx₂₁＝x₂-x₁，Δy₂₁＝y₂-y₁，Δx₃₂＝x₃-x₂，Δy₃₂＝y₃-y₂。

在计算投影点Z的坐标时，关键问题是如何让计算机“知道”：双线道路中一条道路曲线上的顶点投影到另一条曲线的哪一条线段上，只有知道投影点所在的线段后才可以正确计算出该点到线段的距离，如图4所示，如何判定道路L_A上顶点B要投影到道路L_B的哪一条线段。除了端点外，整条线状道路上的每一个顶点同时属于两个相邻道路线段，而且当出现道路转向较大的情况时，无疑会增加判断顶点投影所在线段的难度，如图4中，道路L_A上顶点E的投影点落在道路L_B之外。为了有效解决以上问题，降低计算复杂度，本文把道路要素中的道路线段理解为一个点，即采用道路线段的中点(参考点)表示，因此只要计算参考点在其正对道路线段上的投影点即可，并且该点的投影点基本都会在投影曲线上，判断该点的正对投影线段比较容易实现。

所以，本实施例中将道路曲线L与匹配候选集某条道路曲线的正对投影距离的计算简化为道路曲线L中各线段的中点到匹配候选集某条道路曲线的正对投影距离的计算。

计算道路曲线L中各线段的中点到匹配候选集某条道路曲线的正对投影距离，首先要判断道路曲线L中各线段的中点在匹配候选集某条道路曲线上的投影点所在的线段即正对投影线段。

以图5为例，首先计算L(参考曲线)中所有线段的中点，以参考点P为例，点P₂在投影曲线L_A上的正对投影点为P’，参考点P与投影点P’的连线是点P到曲线L_A的最短距离，而参考点P与L_A所有顶点连线中最短的连线为PQ₆，则点P必定投影在点Q₆所在线段Q₅Q₆或Q₆Q₇上，即正对投影点P’必定落在线段Q₅Q₆或Q₆Q₇上。针对此种情况，需要利用三角形的几何知识判断P的投影点在哪条线段上。由三角形几何原理可知，如果三角形中顶点P的垂足落在顶点所对的边上，则另外两个顶点对应的内角中不能有钝角，如图5所示，在△P₂Q₆Q₇中，内角γ、θ都不为钝角，则P的投影点在线段Q₆Q₇上。如果这两个顶点对应的内角中有直角，则该直角所在的顶点为P的投影点。具体的实现过程为：

1)设Q1、Q2……Qn为曲线L_A上的一系列顶点，道路曲线L上的一条线段L_i的中点记为P，分别求出P到Q1、Q2……Qn的距离dis₁、dis₂……dis_n，并将这些距离值记录到数组Array_dis中，获取Array_dis中两个最短距离，最短距离dis_min1对应的顶点记为q₁，次短距离dis_min2对应顶点记为q₂；

2)在点P、q₁、q₂构成的三角形中，分别计算顶点q₁、q₂对应的三角形内角Angle₁、Angle₂，如果Angle₁、Angle₂都不为钝角，则顶点q₁、q₂连成的线段为P的正对投影线段，如果Angle₁、Angle₂中有钝角，则从Array_dis中删除dis_min2，重新获取新的Array_dis中两个最短距离，得到新的q₁、q₂，在点P、q₁、q₂构成的三角形中，分别计算顶点q₁、q₂对应的三角形内角Angle₁、Angle₂，然后判断，如此反复，直到Angle₁、Angle₂都不为钝角，则得到P的正对投影线段，即得到正对投影线段两端点的坐标。

在获得正对投影线段后，根据正对投影线段两端点的坐标、线段L_i的中点坐标，及公式(6)获得P的投影点坐标，计算P到投影点的距离并记录到数组Array_PD中，如果Angle₁、Angle₂始终不能满足条件，则P无正对投影线段，然后按上述步骤计算线段L_i所在曲线的其他线段的中点对应的投影距离，直到遍历完数组Array_pt执行下一步骤。

步骤5：若Array_PD为空，则该参考曲线到投影曲线无正对投影距离；若Array_PD非空，计算数组Array_PD中所有投影距离的平均值，作为该参考曲线到投影曲线的正对投影距离。

在地图上提取双线道路时要首先对地图数据进行预处理：修正拓扑错误，连接或删除悬挂点。

本发明的提取地图上双线道路的装置的实施例

本实施例的装置包括匹配候选集确定模块、方向一致性计算模块、距离一致性计算模块及双线道路提取模块；

所述匹配候选集确定模块用于对地图上任一道路曲线L，建立以道路曲线L为中心，R为半径的缓冲区，寻找包含于缓冲区或者与缓冲区相交的道路曲线构建道路曲线L的匹配候选集；

所述方向一致性计算模块用于计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的夹角，根据所述夹角，判断匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性；

所述距离一致性计算模块用于计算道路曲线L与匹配候选集中道路曲线的距离，判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性；

所述双线道路提取模块用于判断匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性是否满足方向设定条件，并判断所述距离与所要提取的双线道路宽度的一致性是否满足距离设定条件时，将满足方向设定条件和距离设定条件的道路曲线与道路曲线L匹配成双线道路。

上述匹配候选集中道路曲线与道路曲线L的方向一致性计算判断方法、与所要提取的双线道路距离的一致性的计算判断方法，同上述方法的实施例中的计算判断过程一致，这里不再详细阐述。