CN104850621A - 一种路网模型自动生成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种路网模型自动生成的方法，包括如下步骤：S1，读入Shapefile文件数据：读取Shapefile文件包含的位置信息，导出端点P_i和线段L_i的集合；S2，路口判定，在导出的线段L_i集合中，找到线段L_i的其中一个端点P_i及距离P_i最近的三个点，根据四点的坐标拟合出多个椭圆，其中到点P_i+3的距离d最小的椭圆即为拟合椭圆，根据拟合椭圆的长轴、短轴和长轴阈值θ_ai、短轴阈值θ_bi判定该路口为四岔路口或非四岔路口；S3，道路连接，使得组成道路的点集连接成光滑的曲线，得到道路的矢量模型。本发明通过从Shapefile文件导出的线路对路口进行判定，获得道路的矢量模型，使之有效得用于地图显示，路径搜索和交通模拟。

Description

一种路网模型自动生成的方法

技术领域

本发明涉及交通管理技术领域，是指一种路网模型自动生成的方法。

背景技术

目前，各种电子地图得到了广泛的应用。其中ESRI Shapefile(shp)，简称Shapefile，是由美国环境系统研究所公司(ESRI)开发的一种描述空间数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结构的一种格式。目前，Shapefile文件格式用于描述几何体对象——点、折线与多边形，使用简单的非拓扑格式存储地理对象的位置信息和属性信息，已经成为了地理信息软件界的一个开放标准。

一个Shapefile文件最少包括三个文件：主文件(*.shp)，存储地理要素的几何图形的文件；索引文件(*.shx)，存储图形要素与属性信息索引的文件；dBASE表文件(*.dbf)，存储要素信息属性的dBase表文件。其中，主文件是一个直接存取，变长记录的文件，其中每个记录描述一个实体的数据，称为shape；在索引文件中，每个记录包含对应主文件记录离主文件头开始的偏移量；dBASE表文件包含各个实体的属性特征记录，几何和属性间的一一对应关系是基于一个不重复的记录顺序代码来实现的，在dBASE表文件中的属性记录和主文件中的记录是相同顺序的。Shapefile通常以X与Y的方式来处理地理坐标，一般X对应经度，Y对应纬度。

但是，地图文件，如Shapefile文件中，所有的折线与多边形都是用点来定义，点与点之间采用线性插值，也就是说点与点之间都是用线段相连，于是数据采集时点与点之间的距离决定了该文件所使用的比例。由于在同一Shapefile之中所有非空的几何体都必须是同一类型，Shapefile被限制为仅仅可以混合存储空几何体和另一单一几何体，例如一个Shapefile文件不可能同时包含折线与多边形数据。因此，以Shapefile文件为例的很多地图文件无法直接表达完整的路网信息，需要借助很多外部工具才能有效的用于地图显示、路径搜索、交通模拟，而其中的技术手段往往较为复杂和繁琐。

发明内容

为了解决地图文件无法直接表达完整的路网信息的问题，本发明提出了一种路网模型自动生成的方法，可以将Shapefile文件转换成矢量路网模型，并有效用于地图显示、路径搜索、交通模拟。

本发明所采用的技术方案是：一种路网模型自动生成的方法，包括如下步骤：

S1，读入Shapefile文件数据：读取Shapefile文件包含的位置信息，导出端点P_i和线段L_i的集合，端点、线段的数量分别为2n、n，其中i为0到n的整数，端点P_i有横坐标X_i和纵坐标Y_i，记为P_i(X_i,Y_i)；

S2，路口判定：在导出的线段L_i集合中，找到线段L_i的其中一个端点P_i，距离P_i最近的三个点依次为是P_i+1、P_i+2和P_i+3，根据四点的坐标拟合出多个椭圆，其中到点P_i+3的距离d最小的椭圆即为拟合椭圆，拟合椭圆的长轴为a_i、短轴为b_i，根据实地地路口测量距离设定拟合椭圆的长轴阈值短轴阈值若 且则该路口为四岔路口，四岔路口的集合为{C_i}，若且 则该处为非四岔路口，非四岔路口的集合为{D_i}；

S3，道路连接：对四岔路口的集合{C_i}，组成一个四岔路口C_i的端点P_i、P_i+1、P_i+2和P_i+3是在该四岔路口四条支路方向上的路口临界点，将每条支路上的线段与端点直接相连形成支路的中心线，再由支路的中心线扩展出道路，对于非四岔路口的集合{D_i}，直接将端点连接起来形成道路；道路的集合表示为{R_i}，道路中每个路段表示为r_i；

S4，道路曲线矢量化：对道路的集合{R_i}内的任一点P_i(X_i,Y_i)(i＝0,1，…，m)，在任意函数类Φ中求p(X)∈Φ，使式E²＝∑[p(X_i)-Y_i]²中的误差的平方和E²最小，从而得到对应函数类Φ的拟合曲线Y＝p(X)，使得组成道路的点集连接成光滑的曲线，得到道路的矢量模型。

作为优选，所述的步骤S1中，读取Shapefile文件包含的位置信息，包括如下步骤：

a.建立与Shapefile文件结构相同的数据类，包括点集{P_i}与属性的集合{S_i}，其中i＝0，1，…，m；

b.将Shapefile文件的.shp文件数据和.dbf文件数据读入到指定结构中，包括点集{P_i}与属性的集合{S_i}；

c.对读入的数据进行处理，导出的路线就是端点P_i和线段L_i的集合。

作为优选，函数类Φ为指数函数、幂函数、连续函数或可微函数。选定函数类后拟合的拟合曲线与选定函数类Φ一致。

本发明的有益效果是：通过从Shapefile文件导出的线路对路口进行判定，获得道路的矢量模型，使之有效得用于地图显示，路径搜索和交通模拟。

附图说明

图1是本发明的一种流程图；

图2是本发明步骤S2中路口判定的椭圆拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种路网模型自动生成的方法，包括如下步骤：

第一步，读入Shapefile文件数据。读取Shapefile文件包含的位置信息，包括如下子步骤：

a.建立与Shapefile文件结构相同的数据类，包括点集{P_i}与属性的集合{S_i}，其中i＝0，1，…，m；

b.利用geotools(GIS工具包)等技术将Shapefile文件中的.shp文件数据和.dbf文件数据读入到指定结构中将Shapefile文件的.shp文件数据和.dbf文件数据读入到指定结构中，包括点集{P_i}与属性的集合{S_i}；

c.对读入的数据进行处理，导出的路线就是端点P_i和线段L_i的集合，端点、线段的数量分别为2n、n，其中i为0到n的整数，端点P_i有横坐标X_i和纵坐标Y_i，记为P_i(X_i,Y_i)。

第二步，路口判定。

在导出的线段L_i集合中，找到线段L_i的其中一个端点P_i，距离P_i最近的三个点依次为是P_i+1、P_i+2和P_i+3，根据四点的坐标拟合出多个椭圆。

椭圆外一点P_i+3到椭圆的距离d表示为||P_i+3-E||，当d的值最小时，该椭圆是要求的拟合椭圆。拟合椭圆的长轴为a_i、短轴为b_i，拟合椭圆的椭圆方程为其中a_i>b_i>0，拟合椭圆的中心点坐标为(x₀,y₀)。

根据实地地路口测量距离设定拟合椭圆的长轴阈值短轴阈值一般路口的长度是60米，则长轴阈值短轴阈值均可以设置为30米。将拟合椭圆的长轴a_i、短轴b_i与长轴阈值短轴阈值比较：若且 则该路口为四岔路口，四岔路口的集合为{C_i}；若且则该处为非四岔路口，非四岔路口的集合为{D_i}。

第三步，道路连接。

对四岔路口的集合{C_i}，组成一个四岔路口C_i的端点P_i、P_i+1、P_i+2和P_i+3是在该四岔路口四条支路方向上的路口临界点，将每条支路上的线段与端点直接相连形成支路的中心线，再由支路的中心线扩展出道路。

对于非四岔路口的集合{D_i}，直接将端点连接起来形成道路。

道路的集合表示为{R_i}，道路中每个路段表示为r_i。

第四步，道路曲线矢量化。

对道路的集合{R_i}内的任一点P_i(X_i,Y_i)(i＝0,1，…，m)，在任意函数类Φ中求p(X)∈Φ，使式E²＝∑[p(X_i)-Y_i]²中的误差的平方和E²最小，从而得到对应函数类Φ的拟合曲线Y＝p(X)，使得组成道路的点集连接成光滑的曲线，得到道路的矢量模型。

其中，函数类Φ可以选定为指数函数、幂函数、连续函数或可微函数等函数中一种。

推导过程如下：

a.设拟合多项式为Y＝a₀+a₁X+…+a_kX^k。

b.各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

$R^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[Y_i-(a_0+a_1{X}_1+\·\·\·+a_k{X_i}^k)]}^2.$

c.为了求得符合条件的a值，对步骤b里的等式右边求a_i偏导数，得到：

$a_{0}n+a_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i+\·\·\·+a_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X_i}^k,$

$a_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i+a_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X_i}^2+\·\·\·+a_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X_i}^{k+1},$

……

$a_0\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X_i}^k+a_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X_i}^{k+1}+\·\·\·+a_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X_i}^{2k}$

d.将步骤c的公式简化成矩阵得到：

从而得到拟合曲线Y＝p(X)，使得组成道路的点集连接成光滑的曲线，得到道路的矢量模型。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种路网模型自动生成的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，读入Shapefile文件数据：读取Shapefile文件包含的位置信息，导出端点P_i和线段L_i的集合，端点、线段的数量分别为2n、n，其中i为0到n的整数，端点P_i有横坐标X_i和纵坐标Y_i，记为P_i(X_i,Y_i)；

S2，路口判定：在导出的线段L_i集合中，找到线段L_i的其中一个端点P_i，距离P_i最近的三个点依次为是P_i+1、P_i+2和P_i+3，根据四点的坐标拟合出多个椭圆，其中到点P_i+3的距离d最小的椭圆即为拟合椭圆，拟合椭圆的长轴为a_i、短轴为b_i，根据实地地路口测量距离设定拟合椭圆的长轴阈值短轴阈值若且则该路口为四岔路口，四岔路口的集合为{C_i}，若且则该处为非四岔路口，非四岔路口的集合为{D_i}；

S3，道路连接：对四岔路口的集合{C_i}，组成一个四岔路口C_i的端点P_i、P_i+1、P_i+2和P_i+3是在该四岔路口四条支路方向上的路口临界点，将每条支路上的线段与端点直接相连形成支路的中心线，再由支路的中心线扩展出道路；对于非四岔路口的集合{D_i}，直接将端点连接起来形成道路；道路的集合表示为{R_i}，道路中每个路段表示为r_i；

S4，道路曲线矢量化：对道路的集合{R_i}内的任一点P_i(X_i,Y_i)(i＝0,1，…，m)，在任意函数类Φ中求p(X)∈Φ，使式E²＝∑[p(X_i)-Y_i]²中的误差的平方和E²最小，从而得到对应函数类Φ的拟合曲线Y＝p(X)，使得组成道路的点集连接成光滑的曲线，得到道路的矢量模型。

2.根据权利要求1所述的一种路网模型自动生成的方法，其特征在于：所述的步骤S1中，读取Shapefile文件包含的位置信息，包括如下步骤：

a.建立与Shapefile文件结构相同的数据类，包括点集{P_i}与属性的集合{S_i}，其中i＝0，1，…，m；

b.将Shapefile文件的.shp文件数据和.dbf文件数据读入到指定结构中，包括点集{P_i}与属性的集合{S_i}；

c.对读入的数据进行处理，导出的路线就是端点P_i和线段L_i的集合。

3.根据权利要求1所述的一种路网模型自动生成的方法，其特征在于：所述的函数类Φ为指数函数、幂函数、连续函数或可微函数。