基于双重网格计算的交通等时圈计算方法及系统与流程

1.本发明涉及交通出行规划技术领域，尤其涉及一种基于双重网格计算的交通等时圈计算方法及系统。


背景技术：

2.等时圈是从某一点出发，选择不同的交通出行方式，在特定时间内可到达的距离覆盖的范围。基于道路网络的可达性分析方法，用来表示从出发点出发,在经过相同的时空约束所有能到达的点的集合。
3.等时圈由等时线构成，等时线作为等值线的一种,拥有等值线的共性特征:
①
同一条等时线上的各点时间成本相同；
②
同一幅图中相邻两条等时线之间的时间差相等；
③
等时线是闭合的曲线；
④
等时线一般不相交、不重叠。
4.等时圈是交通耗时在地理空间上的反映，可用于区域交通分析、城市群分析、城市交通便捷度分析、公共服务设施可达性分析、生活便利性评价等。
5.当前的相关领域上，等时圈的计算通常依赖于商业开源地图提供的道路交通网络和距离计算，受到的客观影响因素较多；而且仅有公交、地铁等公共交通方式，对大多数用户最大诉求的自驾车方式支持较少，同时计算得到的结果通常与实际环境偏差较大。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于双重网格计算的交通等时圈计算方法及系统，以解决上述背景中提到的问题。
7.本发明采用以下技术方案实现：
8.一种基于双重网格计算的交通等时圈计算方法，包括：
9.获取起始坐标点、交通方式和出行时间长度，并计算起始坐标点指定条件下可到达的最大范围；
10.根据最大可到达范围区域，载入道路网等级矢量图，栅格化区域地图，生成道路网络栅格点；
11.获取起始点到达所述道路网络栅格点的时间，记录时间坐标的等值点列表；
12.连接时间等值点，生成等值线并使等值线平滑，填充等值线，最终渲染构成等时圈。
13.作为本发明进一步的方案：所述获取起始坐标点的方法包括：获取地图点选或输入地址名称映射的方式取得起始坐标点p。
14.作为本发明进一步的方案：所述计算起始坐标点指定条件下可到达的最大范围为：以起始坐标点为原点p，以交通方式最大速度s，出行时间长度t
s
得到的直线距离为半径d，得到最大可到达范围。
15.作为本发明进一步的方案：所述栅格化区域地图包括：
16.根据最大可到达范围区域截取道路网络矢量图并载入区域地图内进行网络栅格
化处理，将道路网络剖分成连续分布的线性栅格单元组成的场模型；
17.对场模型的矢量运算转换成叠置、扩展及关系探测等地图代数运算，将模式定义为相邻栅格单元或相邻区域特征值上相互关系的表征；
18.通过计算栅格单元邻域的拓扑和几何特征,得到栅格单元的特征向量，并切割道路网络，生成道路弧段，由此构建模式识别空间向量场，建立网络栅格数据结构。
19.作为本发明进一步的方案：所述生成道路网络栅格点包括：
20.步骤11)：加载地图数据和道路网等级矢量数据；
21.步骤12)：判断矢量地图是否位于预测的最大范围内？如是，进入步骤14)，如否，进入步骤13)；
22.步骤13)：将矢量地图裁剪，裁剪大小为最大范围的大小，这样可以减少生成多余的栅格点，减少下一步时间的计算量，并进入步骤15)；
23.步骤14)：使用矩阵运算转换坐标；
24.步骤15)：扫描变换填充栅格地图；
25.步骤16)：生成栅格网络格点。
26.作为本发明进一步的方案：所述使用矩阵运算转换坐标包括：
27.平移变换：点在三维空间中从一点移动到固定偏移的另外一点的过程，平移可以用下面的矩阵表示：
[0028][0029]
其中，x、y分别是坐标空间中的偏移。
[0030]
或者采用缩放变换：通过在顶点位置上乘以一个标量值实现，这样就将顶点相对于原点的位置进行缩放。缩放变换可以用下面的矩阵表示：
[0031][0032]
其中x、y坐标中各维所乘的数值。通过使用不同的x、y值可以实现不对称缩放。
[0033]
又或者采用旋转变换：绕着一个轴线对每点进行旋转：
[0034]
绕x轴旋转：
[0035][0036]
绕y轴旋转：
[0037][0038]
作为本发明进一步的方案：所述计算起始点到达每个格点的时间步骤为：
[0039]
步骤21)：将栅格图划分为m1
×
n1的粗栅格网络；
[0040]
步骤22)：将每一个粗栅格划分为m2
×
n2的细栅格网络；
[0041]
步骤23)：用微分公式，分别计算起始点到每一个细分栅格点距离；
[0042]
步骤24)：结合道路层级网弧段，以距离与道路行驶速度得到所用时间，计算公式为：
[0043]
t＝∑
i＝1
l
i
/s
i
*t
s
[0044]
其中,t表示所选交通方式在起止线段的使用的总时间(h)，l表示其中某一线段的长度(km)，s表示所选交通方式的速度(km/h)，t
s
表示所选的出行时间长度
[0045]
步骤25)：建立时间坐标等值点列表。
[0046]
作为本发明进一步的方案：记录时间坐标的等值点列表包括，判断时间t1‑
(p
i1
，p
i2
…
)和t2‑
(p
j1
，p
j2
…
)相差值与第一阈值的大小，若小于则视为t1＝t2，并以(t1+t2)/2＝t
n
为新key保存，同时融合t1和t2所对应的栅格坐标，即t
n
‑
(p
i1
，p
i2
,p
j1
，p
j2
…
)；得到所有等值时间t后，逐一与指定的出行时间长度t
s
对比，若小于第一阈值，则视为t
i
＝t
s
，则t
i
所对应的p
i1
，p
i2
…
为取得的目标等值点列表。
[0047]
作为本发明进一步的方案：读取等值点列表，以顺时针方向排列等值点顺序，首先通过函数插值法将等值点连接成封闭的等时线，然后通过二次b样条方法使等时线平滑，最后填充等时线围成的封闭区域，渲染成等时圈。
[0048]
一种基于引入和聚合知识图谱实体信息的实体链接系统，包括：
[0049]
获取模块，用于获取起始坐标点、交通方式和出行时间长度，并计算起始坐标点指定条件下可到达的最大范围；
[0050]
栅格化模块，用于根据最大可到达范围区域，载入道路网等级矢量图，栅格化区域地图，生成道路网络栅格点；
[0051]
等值点模块，用于获取起始点到达所述道路网络栅格点的时间，记录时间坐标的等值点列表；
[0052]
等时圈模块，用于连接时间等值点，生成等值线并使等值线平滑，填充等值线，最终渲染构成等时圈。
[0053]
上述基于双重网格计算的交通等时圈计算方法及系统，不局限于公交、地铁等区域限制性强的公共交通工具，具有可自由选择步行、骑行、自驾等出行方式、多种时间计算范围和可任意选取坐标点作为目标位置等优点，使等时圈计算形式更加灵活多变；通过对地图栅格化前的最大范围预测，可以有效减少多余网格的生成，降低计算复杂度，加快等时圈的生成；基于双重网格计算，其本质适合于多尺度观察与运算，能够摒弃人的主观因素影响很大的图形概括，直接利用多尺度的实测和实用地图，使界限划分更加客观、公平，网格边长及线段距离计算更精细化，从而使等时圈边界计算更准确。
附图说明
[0054]
图1为本发明实施例提供的基于双重网格计算的交通等时圈计算方法的流程方框示意图。
[0055]
图2为本发明实施例提供的基于双重网格计算的交通等时圈计算装置的结构示意图。
[0056]
图3为本发明实施例提供的基于双重网格计算的交通等时圈计算方法中生成道路网络栅格点流程方框示意图。
[0057]
图4为本发明实施例提供的基于双重网格计算的交通等时圈计算方法中计算到达每一个细分栅格时间的流程方框示意图。
[0058]
图5为本发明实施例提供的基于双重网格计算的交通等时圈计算方法中计算范围原始图。
[0059]
图6为本发明实施例提供的基于双重网格计算的交通等时圈计算方法中生成网格点成果图。
[0060]
图7为本发明实施例提供的基于双重网格计算的交通等时圈计算方法中最终成果图。
具体实施方式
[0061]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
[0063]
实施例1
[0064]
参阅图1，基于双重网格计算的交通等时圈计算方法，包括以下步骤
[0065]
s1、获取起始坐标点、交通方式和出行时间长度，并计算起始坐标点指定条件下可到达的最大范围；
[0066]
该步骤中，先确定起始坐标点，以及交通方式和出行时间长度t；
[0067]
其中，获取起始坐标点的方法为：获取地图点选或输入地址名称映射的方式取得起始坐标点p；
[0068]
交通方式k包括步行、骑行和驾车；
[0069]
出行时间长度t可谓任何时间，但是最长支持8小时；
[0070]
此外，所述计算起始坐标点指定条件下可到达的最大范围为：以起始坐标点为原点p，以交通方式最大速度s，单位为km/h，出行时间长度t
s
得到的直线距离为半径d，从而计算该条件下的最大可到达范围。
[0071]
需要说明的是，规定步行最大速度为5km/h，骑行最大速度为20km/h，驾车最大速度为120km/h。
[0072]
该步骤中，图5为本发明的一个实施例的计算范围原始图。
[0073]
s2、根据最大可到达范围区域，载入道路网等级矢量图，栅格化区域地图，生成道路网络栅格点；
[0074]
该步骤生成的道路网络栅格点如图6所示，图6为本发明的一个实施例的生成网格点成果图。
[0075]
在第二步骤s2，载入道路网等级矢量图，栅格化区域地图包括：
[0076]
根据最大可到达范围区域截取道路网络矢量图并载入区域地图内进行网络栅格化处理，将道路网络剖分成连续分布的线性栅格单元组成的场模型；
[0077]
对场模型原始数据的矢量运算转换成叠置、扩展及关系探测等地图代数运算，将模式定义为相邻栅格单元或相邻区域特征值上相互关系的表征。
[0078]
通过计算栅格单元邻域的拓扑和几何特征,得到栅格单元的特征向量，并切割道路网络，生成道路弧段。而空间内的每一个位置都对应由一组特征值组成的特征向量,由此构建模式识别空间向量场，建立网络栅格数据结构。
[0079]
此外，道路区分层级，不同层级对应的速度不一样，规定按高速120km/h，国道和省道80km/h，县道、乡镇、城市道路60km/h计算。
[0080]
在s2中，网络栅格化处理将矢量地图转换成位地图，通过使用行和列来表示地理数据和信息，其中每个单元格代表具有特定表示形式的数字数据，每个单元格的地理位置表示其在单元格矩阵中的位置。
[0081]
参与图3，如图3所示为生成道路网络栅格点流程方框图，具体步骤为：
[0082]
步骤11)：加载地图数据和道路网等级矢量数据；
[0083]
步骤12)：判断矢量地图是否位于预测的最大范围内？如是，进入步骤14)，如否，进入步骤13)；
[0084]
步骤13)：将矢量地图裁剪，裁剪大小为最大范围的大小，这样可以减少生成多余的栅格点，减少下一步时间的计算量，并进入步骤15)；
[0085]
步骤14)：使用矩阵运算转换坐标；
[0086]
步骤15)：扫描变换填充栅格地图；
[0087]
步骤16)：生成栅格网络格点。
[0088]
通过上述的方法，既可获得道路网络栅格点。
[0089]
其中，在步骤4)中，所述使用矩阵运算转换坐标包括：
[0090]
平移变换：点在三维空间中从一点移动到固定偏移的另外一点的过程，平移可以用下面的矩阵表示：
[0091][0092]
其中，x、y分别是坐标空间中的偏移。
[0093]
或者采用缩放变换：通过在顶点位置上乘以一个标量值实现，这样就将顶点相对于原点的位置进行缩放。缩放变换可以用下面的矩阵表示：
[0094][0095]
其中x、y坐标中各维所乘的数值。通过使用不同的x、y值可以实现不对称缩放。
[0096]
又或者采用旋转变换：绕着一个轴线对每点进行旋转：
[0097]
绕x轴旋转：
[0098][0099]
绕y轴旋转：
[0100][0101]
s3、获取起始点到达所述道路网络栅格点的时间，记录时间坐标的等值点列表；
[0102]
其中，所述第一阈值为5min。
[0103]
如图4所示，所述计算起始点到达每个格点的时间具体步骤为：
[0104]
步骤21)：将栅格图划分为m1
×
n1的粗栅格网络；
[0105]
步骤22)：将每一个粗栅格划分为m2
×
n2的细栅格网络；
[0106]
步骤23)：用微分公式，分别精细计算起始点到每一个细分栅格点距离；
[0107]
具体的，该步骤中，假设a，b分别为细分网格的两个点，则ab之间距离计算公式为：
[0108]
f(x，y)＝d
ab
＝[(x
b
‑
x
a
)2+(y
b
‑
y
a
)2]
1/2
[0109]
其中x
a
、x
b
、y
a
、y
b
分别表示a点的x坐标和y坐标、b点的x坐标和y坐标；结合偏微分推导公式：
[0110][0111]
其中，x0、h、y0、k分别表示起始点的x坐标、x坐标增量、起始点的y坐标、y坐标增量；分别表示对x和y进行偏微分求导，θ为介于0至1之间的常量，n为正整数；
[0112]
假设起点a不变，仅终点b有微小增量δxa、δyb，可视重要粗栅格内需重新计算各重要细部细栅格为b点的微小增量，在上述公式中取n＝1，用微分公式进行各细栅格计算：
[0113][0114]
x
a
、x
b
、y
a
、y
b
分别表示a、b两点的x坐标点和y坐标点。
[0115]
步骤24)：结合道路层级网弧段，计算距离与道路行驶速度得到所用时间，计算公式为：
[0116]
t＝∑
i＝1
l
i
/s
i
*t
s
[0117]
其中,t表示所选交通方式在起止线段的使用的总时间(h)，l表示其中某一线段的长度(km)，该线段可以根据实际情况进行选择，s表示所选交通方式的速度(km/h)，t
s
表示所选的出行时间长度。
[0118]
步骤25)：建立时间坐标等值点列表。
[0119]
此外，在步骤25)中，时间坐标的等值点列表是以key
‑
values形式存储得到的时间值，判断时间t1‑
(p
i1
，p
i2
…
)和t2‑
(p
j1
，p
j2
…
)相差值与第一阈值的大小，若小于则视为t1＝t2，并以(t1+t2)/2＝t
n
为新key保存，同时融合t1和t2所对应的栅格坐标，即t
n
‑
(p
i1
，p
i2
,p
j1
，p
j2
…
)；得到所有等值时间t后，逐一与指定的出行时间长度t
s
对比，若小于第一阈值，则视为t
i
＝t
s
，则t
i
所对应的p
i1
，p
i2
…
为取得的时间等值点列表。
[0120]
s4、连接时间等值点，生成等值线并使等值线平滑，填充等值线，最终渲染构成等时圈。
[0121]
该步骤包括读取等值点列表，以顺时针方向排列等值点顺序，首先通过函数插值法将等值点连接成封闭的等时线，然后通过二次b样条方法使等时线平滑，最后填充等时线围成的封闭区域，渲染成等时圈。
[0122]
一些实施例中，所述函数插值法包括：
[0123]
利用最小化表面总曲率的数学函数来估计值，在穿过等时点t所对应的栅格点坐标时，它将一个数学函数f(x)与一定数量的最近输入栅格点进行拟合，从而生成恰好经过栅格点的平滑线段，对于插值点为栅格点坐标这类变化不大的值最为适用；根据t所对应的栅格点坐标点数，识别在计算每个插值像元，点数越多，较远数据点对每个像元的影响就越大，得到的等值线也越趋于封闭，最终形成不规则的多边形等时线；当然，点数的值越大，处理输出所需的时间就越长；其函数方程式为：
[0124][0125]
其中，n为t所对应的栅格点坐标点数，j＝1,2,...n，λ
j
是通过求解线性方程组而获得的系数，r
j
是点(x,y)到第j点之间的距离；
[0126]
一些实施例中，所述二次b样条法包括：
[0127]
二次b样条曲线拟合是一种好方法,对弯曲程度很大的折线及封闭折线都可以得到很好的平滑效果；对于已确定的等时点t所对应的栅格点坐标线段，每个点坐标分布区间介于[
‑
90,
‑
180]与[90,180]之间，且是分散连续性的，可定义各点为p0,p1,
…
,p
n
，从p0出发对每连续的k+1个点构造一个二次b样条曲线；这样的曲线段共有q0(t),q1(t),
…
,q
n
‑
k
(t)条,其中,第i条曲线段的定义为：
[0128][0129]
其中,b
k,j
(t)为对应某个顶点p
j
的基函数,一共有k+1个基函数。令每个基函数为
关于t的r次多项式,即：
[0130][0131][0132]
当t＝0时,q(0)＝(p0+p1)/2,t＝1时,q(1)＝(p1+p2)/2,曲线段的两端是每条折线的中点；对每条等时线中所有相邻的三点都利用上述公式拟合出若干个新的数据点,用新的数据点取代旧的数据点。t值的递增量可以根据网格的大小来取,网格大时可取得小一些,比如0.1、0.2,网格小时可取得大一些,比如0.25和0.5，最终得到的结果如图7所示。
[0133]
实施例2
[0134]
一种基于双重网格计算的交通等时圈计算系统，包括：
[0135]
获取模块，用于获取起始坐标点、交通方式和出行时间长度，并计算起始坐标点指定条件下可到达的最大范围；还用于：
[0136]
所述获取起始坐标点的方法包括获取地图点选或输入地址名称映射的方式取得起始坐标点p；
[0137]
所述计算起始坐标点指定条件下可到达的最大范围为：以起始坐标点为原点p，以交通方式最大速度s，出行时间长度t
s
得到的直线距离为半径d，得到最大可到达范围。
[0138]
栅格化模块，用于根据最大可到达范围区域，载入道路网等级矢量图，栅格化区域地图，生成道路网络栅格点；还用于：
[0139]
根据最大可到达范围区域截取道路网络矢量图并载入区域地图内进行网络栅格化处理，将道路网络剖分成连续分布的线性栅格单元组成的场模型；
[0140]
对场模型的矢量运算转换成叠置、扩展及关系探测等地图代数运算，将模式定义为相邻栅格单元或相邻区域特征值上相互关系的表征；
[0141]
通过计算栅格单元邻域的拓扑和几何特征,得到栅格单元的特征向量，并切割道路网络，生成道路弧段，由此构建模式识别空间向量场，建立网络栅格数据结构。
[0142]
所述生成道路网络栅格点包括：
[0143]
步骤11)：加载地图数据和道路网等级矢量数据；
[0144]
步骤12)：判断矢量地图是否位于预测的最大范围内？如是，进入步骤14)，如否，进入步骤13)；
[0145]
步骤13)：将矢量地图裁剪，裁剪大小为最大范围的大小，这样可以减少生成多余的栅格点，减少下一步时间的计算量，并进入步骤15)；
[0146]
步骤14)：使用矩阵运算转换坐标；
[0147]
步骤15)：扫描变换填充栅格地图；
[0148]
步骤16)：生成栅格网络格点。
[0149]
所述使用矩阵运算转换坐标包括：
[0150]
等值点模块，用于获取起始点到达所述道路网络栅格点的时间，记录时间坐标的等值点列表；
[0151]
等时圈模块，用于连接时间等值点，生成等值线并使等值线平滑，填充等值线，最终渲染构成等时圈。
[0152]
平移变换：点在三维空间中从一点移动到固定偏移的另外一点的过程，平移可以用下面的矩阵表示：
[0153][0154]
其中，x、y分别是坐标空间中的偏移。
[0155]
或者采用缩放变换：通过在顶点位置上乘以一个标量值实现，这样就将顶点相对于原点的位置进行缩放。缩放变换可以用下面的矩阵表示：
[0156][0157]
其中x、y坐标中各维所乘的数值。通过使用不同的x、y值可以实现不对称缩放。
[0158]
又或者采用旋转变换：绕着一个轴线对每点进行旋转：
[0159]
绕x轴旋转：
[0160][0161]
绕y轴旋转：
[0162][0163]
所述计算起始点到达每个格点的时间步骤为：
[0164]
步骤21)：将栅格图划分为m1
×
n1的粗栅格网络；
[0165]
步骤22)：将每一个粗栅格划分为m2
×
n2的细栅格网络；
[0166]
步骤23)：用微分公式，分别计算起始点到每一个细分栅格点距离；
[0167]
步骤24)：结合道路层级网弧段，以距离与道路行驶速度得到所用时间，计算公式为：
[0168]
t＝∑
i＝1
l
i
/s
i
*t
s
[0169]
其中,t表示所选交通方式在起止线段的使用的总时间(h)，l表示其中某一线段的
长度(km)，s表示所选交通方式的速度(km/h)，t
s
表示所选的出行时间长度；
[0170]
步骤25)：建立时间坐标等值点列表。
[0171]
记录时间坐标的等值点列表包括，判断时间t1‑
(p
i1
，p
i2
…
)和t2‑
(p
j1
，p
j2
…
)相差值与第一阈值的大小，若小于则视为t1＝t2，并以(t1+t2)/2＝t
n
为新key保存，同时融合t1和t2所对应的栅格坐标，即t
n
‑
(p
i1
，p
i2
,p
j1
，p
j2
…
)；得到所有等值时间t后，逐一与指定的出行时间长度t
s
对比，若小于第一阈值，则视为t
i
＝t
s
，则t
i
所对应的p
i1
，p
i2
…
为取得的目标等值点列表。
[0172]
等时圈模块，用于连接时间等值点，生成等值线并使等值线平滑，填充等值线，最终渲染构成等时圈。还用于：
[0173]
读取等值点列表，以顺时针方向排列等值点顺序，首先通过函数插值法将等值点连接成封闭的等时线，然后通过二次b样条方法使等时线平滑，最后填充等时线围成的封闭区域，渲染成等时圈。
[0174]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。