CN100516776C - 一种基于虚拟节点的道路网络模型 - Google Patents

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Abstract

一种基于虚拟节点道路网络模型，它是道路网络数字化的理论依据，其结构主要包括几何网络和道路段间的拓扑关系。几何网络的最基本元素包括虚拟节点、路心线和形状点。虚拟节点表达道路段间交点、路段起点或路段终点，它又包括虚拟路段、内点以及内点包络线；路心线表达道路段，通过内点与虚拟节点相连；形状点表达道路段上的拐弯点。虚拟路段表达路心线间的拓扑关系，穿越道路路口时的距离阻尼和时间阻尼等交通信息，以及路口的多车道和不同行驶规则；内点确定虚拟节点位置信息。本发明模型不仅克服了传统模型的缺陷，而且更真实地反映现实世界的道路网络，对于基于道路网络的地图匹配、路径规划以及动态交通网络实时分析等功能有良好的适应性。

Description

一种基于虚拟节点的道路网络模型
技术领域
本发明涉及导航电子地图中道路网络结构模型，用于陆地移动目标导航系统的地图匹配、动态路径规划及其动态交通网络实时分析。
背景技术
对于陆地移动目标导航系统，导航电子地图是必不可少的一部分，而导航电子地图中的道路网络数据是其核心单元。道路网络数据库的精度将直接影响地图匹配的精度，从而影响导航系统的性能。另外，随着实时交通信息服务系统的不断完善，动态路径规划以及动态交通网络实时分析已被广泛应用，因此，对导航电子地图中的道路网络数据库提出了新的要求。
在当前陆地移动目标导航电子地图中，现实世界中的道路网络是通过基于节点道路网络模型对其进行数字化，仅用点要素和线要素来表达现实世界道路网络。其中线要素对应了道路段的中心线，用来表达道路网络中的道路段，它是点要素中形状点的集合；点要素包括形状点和节点，节点用来表达道路网络中道路段间的交点(路口)、道路段起始点或道路段终止点；所以在道路网络数字化过程中主要是对点的简化，尤其重点是对道路段间交点的简化，即节点简化。
目前，在制作导航电子地图中的道路网络(即路心线)时，其方法是确定一条道路的节点(道路段间的交点，即路口)和形状点，然后连接节点和形状点形成一条道路的路心线，最后形成道路网络。所以节点和形状点的简化，尤其是节点简化的合理性将直接影响电子地图道路网络的精度。如图1所示，在现实世界中，由于汇交的各个道路段101、102、103、104的宽窄不一样，导致汇交的各个道路段简化后对应的路心线1011、1022、1033、1044并不是交于一个点，而是交于多个点201、202、203、204。而基于节点道路网络模型，在此处仅用一个节点来简化，必然影响电子地图道路网络的精度。更甚至于，针对道路段间的同一个交点，因节点位置的选取不同，导致制作出不同的电子地图。所以用传统基于节点道路网络模型来表示现实世界中的道路网络不仅在模型简化上存在不可避免的缺陷，而且道路段间交点简化后为了选取合适的节点位置，还会对电子地图制作人员提出更高的技术要求。
另外，针对现实世界道路网络中道路段的多车道表示，路口处不同车道的不同行车准则，如左转弯、直行、右转弯等的表示，以及基于道路网络的动态路径规划及动态交通网络实时分析功能对路口处的交通信息，如信号灯阻尼信息、移动目标通过路口的距离阻尼信息等的需求，采用目前传统的基于节点道路网络模型已无法对其进行描述。
由于基于节点道路网络模型对道路段间交点(路口)处采用节点简化法存在上述缺陷，故现有电子地图道路网络数据在路口处存在不可避免的误差，针对来源于不同厂商的电子地图道路网络数据在路口处还会存在不同的奇异形状。另外，导致现有电子地图道路网络数据已无法适应动态路径规划及动态交通网络实时分析功能的需求。
发明内容
本发明的目的是克服基于节点道路网络模型对道路段间交点(路口)处采用节点简化法带来的缺陷，为制作导航电子地图中的道路网络提供一种新的道路简化模型，该模型主要是在道路段间交点(路口)处采用虚拟节点法简化，以提高简化后的道路网络更能真实地表达现实道路网络。
本发明的技术解决方案是：一种基于虚拟节点的道路网络模型，它用点要素和线要素来表达现实世界中的道路网络并可以显示，主要包括表达道路网络的几何网络和道路网络中道路段间的拓扑关系，其特点在于：所述的几何网络中最基本元素由点和线组成，主要包括虚拟节点(4)、路心线(3)、形状点(5)；路心线(3)用来表达现实世界中的道路段，是连接两个虚拟节点(4)的线性元素，形状点(5)位于路心线(3)上用来表达非直线道路段上的拐弯点；虚拟节点(4)用来表达现实世界道路段之间的交点路口、或路段起点、或路段终点。虚拟节点又包括虚拟路段(2)、内点(1)以及表达交点路口形状的内点包络线(7)，内点为虚拟路段(2)的起始点和终止点，虚拟路段(2)通过内点与虚拟节点(4)上的路心线(3)相连接，并表达虚拟节点(4)上的两条路心线(3)间的拓扑关系，即两条路心线(3)间的相互穿越(6)，同时表达路心线(3)穿越(6)交点路口过程中的距离阻尼或信号灯的时间阻尼；内点包络线(7)仅是构成虚拟节点(4)的所有内点(1)顺序连线形成的一个闭合图形，在道路网络显示过程中用来表达交点路口的形状。
所述的虚拟节点(4)是由1个或3-50个内点(1)元素、3-50个虚拟路段(2)组成，内点包络线(7)所围成的虚拟节点(4)形状相似于虚拟节点(4)所表达交点路口的真实形状。
所述的虚拟节点(4)仅包含1个内点(1)时，它主要表达路段起点或路段终点。
当所述的虚拟节点(4)表示的道路段与道路段间交点路口的最小包络圆半径小于用户定制电子地图道路网络精度时，采用1个内点(1)表示，所述的内点(1)等同子虚拟节点(4)，所述的内点(1)可以连接多条路心线(3)，连接到该内点(1)上的路心线(3)两两之间相互穿越(6)。
当所述的虚拟节点(4)由3-50个内点(1)组成时，每个内点(1)均连接唯一一条路心线(3)，路心线(3)通过所述的内点(1)与虚拟节点(4)相连。
所述的虚拟路段(2)的起始点和终止点分别为两个内点(1)，只有连接在虚拟节点(4)上某两条路心线具有拓扑关系时，两条路心线(3)连接在虚拟节点(4)上的两内点(1)间对应一条虚拟路段，虚拟路段不是真实的道路段，其形状由两条具有拓扑关系道路段的反向延长线汇交于一点后形成的折线或者两个内点(1)的连线来表示。
本发明模型与传统的基于节点道路网络模型相比的优点在于：本发明采用虚拟节点对现实世界中道路段间的交点(路口)进行简化，虚拟节点不再是一个点元素，而是由内点包络线形成的具有与简化实体相似形状的面，不会给道路网络引入模型简化误差。另外，虚拟节点由一个或若干个内点的位置信息决定其形状，其内点在现实世界中很容易找到参考点，给电子地图制作过程中带来便利。
本发明的另一个优点是：路心线通过唯一的内点与虚拟节点相连，而虚拟路段通过2个不同的内点与虚拟节点上的2条路心线相连，表达了这2条路心线具有拓扑关系，即两条路心线间可以相互穿越，这样虚拟节点内的每一条虚拟路段就表达了交点路口处的一条行驶规则。所以用虚拟路段来表达连接在虚拟节点上的各个路心线间的拓扑关系，更易表达现实世界道路网络中道路段的多车道以及路口处不同车道不同行驶规则(如左转弯、直行、右转弯等)的表示；另外，对于在交点路口处不同车道的行驶规则意味着不同的距离阻尼和信号灯时间信息阻尼，而每条虚拟路段对应着一条行驶规则，这样可以用虚拟路段长度以及附加的时间属性很容易表达路口处的距离阻尼信息、信号灯时间阻尼信息等交通信息，使得电子地图道路网络更好的适应动态路径规划及动态交通网络实时分析功能的要求。
附图说明
图1为现实世界道路网络真实简化示意图；
图2为本发明中的基于虚拟节点道路网络模型中的基本几何元素示意图；
图3仅含1个内点的虚拟节点示意图；其中图3a为仅有一条车道的十字路口，图3b为盲道路段，即道路段的起始点或终止点，图3c为仅有一条车道的丁字路口；
图4为本发明的虚拟路段表达道路网络拓扑关系示意图；
图5为本发明的虚拟路段表达多车道及车道行驶规则示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
道路网络模型是导航电子地图道路网络和现实世界道路网络联系的桥梁，它是制作导航电子地图中道路网络的理论依据。其含义是将现实世界道路网络进行简化，以便易于实现道路网络数字化，最终实现导航电子地图道路网络的制作，并且保证经简化后生成的数字化道路网络能真实反映现实世界中的道路网络。
图2所示为基于虚拟节点道路网络模型数字化后的道路网络中的基本的几何形式元素(几何网络)，它用点要素和线要素来表达现实世界中的道路网络并且可以显示，主要包括虚拟节点4、路心线3、形状点5。虚拟节点4不再仅仅是一个点元素，它既可以是一个点元素，如图2b所示，也可以是若干个点元素组成，如图2a所示。对于如图2a所示的虚拟节点，它包括虚拟路段2、内点1以及内点包络线7组成，其中内点1表达虚拟节点4的存储位置信息，在现实世界中很容易找到参考点，如路口的车辆等待线，其内点1数可以是1个或3-50个；内点包络线4表达虚拟节点的几何形状；虚拟路段2用来表达连接在虚拟节点上的各个路心线3间的拓扑关系，以及虚拟节点4所表达的路口处的交通信息，如距离阻尼信息、信号灯时间阻尼信息等。
在本发明的实现中，对于虚拟节点4仅含有一个内点数，虚拟节点4主要表达现实世界道路网络中的盲道路段的端点，如图3b所示；另外，对于图3a、图3c所示的道路段仅包含一条车道，道路段间的路口不大，用一个点元素来简化能满足电子地图道路网络精度要求，且路口距离阻尼或者信号灯引起的时间阻尼可以忽略，也可用仅含一个内点的虚拟节点表示。此时，虚拟节点4不包含虚拟路段，可看作虚拟路段的距离阻尼和时间阻尼为零，连接在虚拟节点上的所有路心线3两两之间可以相互穿越6。
在本发明的实现中，对于包含3-50个内点的虚拟节点，其位置信息由所包含的所有内点1位置信息决定，内点1位置信息可以直接采用现实世界道路段在路口的车辆等候线的中点，内点包络线7所围成的形状表示路口形状。对于连接在虚拟节点4上的路心线3间的穿越6由虚拟路段2来表示，虚拟路段2包含路心线间穿越6时的距离阻尼信息、信号灯时间阻尼信息两种属性，其形状如图4所示：线段型(如路心线308与路心线305之间的虚拟路段，它是由路心线308的终止内点408与路心线305的起始内点405的连接线)、包含一个折点的折线型(如路心线308与路心线303之间的虚拟路段，它是由路心线308的终止内点408与折点503的连接线、折点503与路心线303起始内点的连接线两段线段组成的折线)，这样路心线308在虚拟节点处与路心线303和路心线305具有拓扑关系，分别通过虚拟路段408-503-403和虚拟路段408-405对虚拟节点(路口)进行穿越。
在本发明的实现中，虚拟路段2还有一个功能就是表达道路段的多车道及路口处不同车道的不同行驶规则(如左转弯、直行、右转弯等)。如图5所示，路心线601在虚拟节点801处对应的唯一内点是901，连接在内点901上有701、702、703、704四条虚拟路段，对于同一条路心线上具有相同行驶规则的车道在虚拟节点处用一条虚拟路段表示，所以这四条虚拟路段分别对应着路心线601在虚拟节点处的四个不同行驶方向。
在本发明的实现中，用来表达现实世界道路段的路心线3直接采用道路段的中心线；用来表达非直线道路段上拐弯点的形状点5直接采用道路段拐弯处的中心点。
本发明的导航电子地图道路网络数据库的结构由路心线数据、虚拟节点数据、内点数据、虚拟路段数据组成。
(A)路心线数据
道路编号RoadID 起始虚拟节点VNodeID 终止虚拟节点VNodeID 形状点数iNum   所有形状点经度Plon[]   所有形状点纬度Plat[]
(B)虚拟节点数据
节点编号VNodeID   内点数InPoint_iNum 所有内点编号VNodeID_InPoindID[] 相连的道路数iRoad_Num 所有相连的道路编号RoadID[]
(C)内点数据
内点编号VNodeID_InPointID 内点经度PLon   内点纬度PLat 虚拟道路段数VRoad_iNum 所有虚拟道路段编号VRoadID[] 相连的道路编号RoadID
(D)虚拟道路段数据
虚拟道路段编号VroadID   起始内点编号VNodeID_InPointID 终止内点编号VNodeID_InPointID   距离阻尼fDistance 时间阻尼fTime

Claims (6)

1、一种基于虚拟节点的道路网络模型，它用点要素和线要素来表达现实世界中的道路网络并可以显示，主要包括表达道路网络的几何网络和道路网络中道路段间的拓扑关系，其特征在于：所述的几何网络中最基本元素由点和线组成，主要包括虚拟节点(4)、路心线(3)、形状点(5)；路心线(3)用来表达现实世界中的道路段，是连接两个虚拟节点(4)的线性元素，形状点(5)位于路心线(3)上用来表达非直线道路段上的拐弯点；虚拟节点(4)用来表达现实世界道路段之间的交点路口、或路段起点、或路段终点；虚拟节点又包括虚拟路段(2)、内点(1)以及表达交点路口形状的内点包络线(7)；所述的内点为虚拟路段(2)的起始点和终止点，虚拟路段(2)通过内点与虚拟节点(4)上的路心线(3)相连接，并表达虚拟节点(4)上的两条路心线(3)间的拓扑关系，即两条路心线(3)间的相互穿越(6)，同时表达路心线(3)穿越(6)交点路口过程中的距离阻尼或信号灯的时间阻尼；内点包络线(7)仅是构成虚拟节点(4)的所有内点(1)顺序连线形成的一个闭合图形，在道路网络显示过程中用来表达交点路口的形状。
2、根据权利要求1所述的基于虚拟节点的道路网络模型，其特征在于：所述的虚拟节点(4)是由1个内点(1)元素或3-50个内点(1)元素以及3-50个虚拟路段(2)元素组成，内点包络线(7)所围成的虚拟节点(4)形状相似于虚拟节点(4)所表达交点路口的真实形状。
3、根据权利要求1或2所述的基于虚拟节点的道路网络模型，其特征在于：所述的虚拟节点(4)仅包含1个内点(1)时，它主要表达路段起点或路段终点。
4、根据权利要求1或2所述的基于虚拟节点的道路网络模型，其特征在于：当所述的虚拟节点(4)表示的道路段与道路段间交点路口的最小包络圆半径小于用户定制电子地图道路网络精度时，采用1个内点(1)表示，所述的内点(1)等同于虚拟节点(4)，所述的内点(1)可以连接多条路心线(3)，连接到该内点(1)上的路心线(3)两两之间相互穿越(6)。
5、根据权利要求1或2所述的基于虚拟节点的道路网络模型，其特征在于：当所述的虚拟节点(4)由3-50个内点(1)组成时，每个内点(1)均连接唯一一条路心线(3)，路心线(3)通过所述的内点(1)与虚拟节点(4)相连。
6、根据权利要求1或2所述的基于虚拟节点的道路网络模型，其特征在于：所述的虚拟路段(2)的起始点和终止点分别为两个内点(1)，只有连接在虚拟节点(4)上某两条路心线具有拓扑关系时，两条路心线(3)连接在虚拟节点(4)上的两内点(1)间对应一条虚拟路段，虚拟路段不是真实的道路段，其形状由两条具有拓扑关系道路段的反向延长线汇交于一点后形成的折线或者两个内点(1)的连线来表示。
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