CN109871458A - 一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，包括：分析路灯综合管线空间数据和专业管线空间数据之间的差异；顾及路灯管网Stroke特征和结构性特征，生成表征路灯管网整体结构特征的路灯管网骨架线；对两类管线骨架线进行匹配，根据匹配结果生成路灯管网关键结构点匹配结果；计算管点相似性，生成管点匹配结果集，完成管线匹配；根据同名管线匹配的映射关系对路灯专业管线空间数据进行误差校正。本发明的方法能够有效解决路灯专业管线空间数据定位精度低、坐标偏差等问题，校正后的路灯专业管线数据拥有高定位精度，能够满足“信息路灯”、“智慧路灯”和“价值路灯”的建设，提升路灯管辖部门管理工作效率和服务能力。

Description

一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法

技术领域

本发明涉及地理信息领域，具体涉及一种路灯专业管线空间数据误差校正方法。

背景技术

路灯地下管线作为城市基础设施的重要组成部分，是集成城市基础传感设施网络的最佳载体，担负着美化城市、传递信息的工作，在“智慧城市”的建设中扮演着越来越重要的作用。

依托地理信息系统(Geographic Information System，GIS)与物联网技术，当前城市路灯地下管线数据正走向信息化、联网化。在路灯地下管线数据信息化的过程中，由于管理模式与应用目的的区别，产生了路灯专业管线数据与路灯综合管线数据两大类路灯管线数据。其中路灯专业管线数据由路灯管线权属单位通过全站仪测量、外业草图绘制及内业手工录入的方式采集，拥有详尽的分类体系和丰富的语义信息，但是缺少相应的路灯管线探测规程及数据标准的支撑，导致路灯专业管线空间数据的位置精度不高、部分路灯管点坐标偏移，无法满足当前路灯信息化建设的需要，制约了“智慧路灯”的发展。而路灯综合管线数据由城市规划部门依据严格的管线探测技术规程与完整的数据标准进行采集、管理与维护，定位误差小于±5cm，空间数据定位精度高，符合路灯管线数据科学化、精细化管理的要求。但是由于路灯专业管线与路灯综合管线在数据模型、数据精度及语义内涵等方面具有明显的差异，路灯管线权属单位无法直接使用高精度的路灯综合管线空间数据作为路灯管线精细化管理及应用开发的对象。

因此，一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法亟待形成。

发明内容

发明目的：针对当前城市路灯专业管线空间数据面临的困局，本发明提供了一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，能够提升路灯专业管线空间数据的位置精度，解决路灯专业管线空间数据的坐标偏移问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，包括如下步骤：

S10、分析路灯综合管线空间数据和路灯专业管线空间数据的差异特征，并对两类管线数据分别进行数据预处理；

S20、以道路交叉口的路灯管段作为种子管段，顾及路灯网络整体特征，依据骨架线生成规则生成表征路灯网络整体结构特征的路灯网络骨架线；

S30、在两类路灯管线骨架线的缓冲区内，依据骨架线Hausdorff距离和夹角余弦值计算骨架线匹配率，按照每对最优原则挑选匹配的骨架线；

S40、基于路灯灯杆的空间相似性、结构相似性和语义相似度计算管点相似性结果，筛选出灯杆匹配集，依据灯杆匹配集确定最终的路灯管线匹配结果；

S50、基于管线数据的匹配结果，建立已匹配的同名综合路灯管线数据与专业路灯管线数据之间的映射关系，根据映射关系对路灯专业管线数据的空间位置进行误差校正。

其中，路灯综合管线空间数据和路灯专业管线空间数据的差异特征包括空间位置差异、分类差异、属性差异和实例差异，其中，空间差异指的是不同数据集中的同名要素在空间位置上存在的偏差，分类差异指的是两类管线数据在数据分层组织方式上存在的差异，属性差异指的是两类管线表达属性信息的方式和内容存在的差异，实例差异指的是两类管线的实例对应关系上存在的差异。

步骤S20中骨架线生成规则为：相连的两个管段之间夹角大于指定阈值，且管径和材质相同。优选地，所述管段夹角的指定阈值为150°。

所述步骤S30中骨架线Hausdorff距离的计算公式为：

H_(A,B)＝max(h_(A,B),h_(B,A))

h_(A,B)＝max(a∈A)min(b∈B)||a-b||

h_(B,A)＝max(b∈B)min(a∈A)||b-a||

其中，A、B分别表示综合管线骨架线和专业管线骨架线，a、b分别为A、B上的点。

骨架线匹配率计算公式为：

分别表示综合管线骨架线方向和专业管线骨架线方向的矢量。

步骤S40中管点结构相似性计算公式为：

其中，a,b分别表示综合管线的管点和专业管线的管点，m为综合管线的管点关联的总的综合管段数量，n为专业管线的管点所关联的总的专业管段数量，v_ij为最优管段相似度。

管点空间相似性计算公式为：

其中，d_j为综合管线的管点a与指定范围内的第j个专业管线的管点b的欧氏距离，d_t为综合管线的管点a与指定范围内的第t个专业管线的管点b的欧氏距离。

管点语义相似度计算公式为：

其中表示综合管线的管点a的语义属性，表示专业管线的管点b的语义属性。

步骤S50包括：

建立已匹配的同名路灯综合管线数据与路灯专业管线数据之间的映射关系；

根据映射关系，对专业管点的空间位置进行空间平移，平移至同名路灯综合管点的空间位置，并保留所有的属性信息；

在专业管点匹配及平移的基础上，对专业管线数据采用仿射变换的操作进行误差校正，并保留所有的属性及拓扑信息。

有益效果：

1、本发明通过应用GIS矢量空间数据匹配方法，建立路灯综合管线数据和路灯专业管线数据之间的匹配关系，依据匹配关系可以有效地对路灯专业管线空间数据的位置精度进行误差校正，形成的高位置精度路灯专业管网数据能够满足路灯管理部门对日常业务管理的需求。

2、本发明通过分析路灯网络整体结构形态特征，在一定程度上改变了传统路灯管线管理模式；将路灯管线的更新合二为一，一次更新，多方使用，节约了成本。

3、本发明对专业管线数据采用仿射变换的操作进行误差校正，并保留所有的属性及拓扑信息。仿射变换不仅能够对路灯管线数据这类矢量数据进行平移变换，同时还能实现拉伸、旋转的功能，更好地完成了路灯专业管线空间数据的误差校正。

附图说明

图1为本发明的方法总体流程图；

图2本发明的实例差异的示例图；

图3为为本发明的数据预处理流程图；

图4为本发明的路灯管网骨架线生成流程图；

图5为本发明的种子管段示例图；

图6为本发明的路灯管网骨架线匹配流程图；

图7为本发明的路灯管网管点相似性计算及误差校正流程图。

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说明。

首先对路灯综合管线数据与路灯专业管线数据的来源、格式以及组织管理进行分析，比较两类路灯管线数据的差异性，基于路灯网络整体形态结构，选取基于路灯网络连通性较高的关键路灯管段和管网Stroke特征生成路灯网络骨架线；然后综合参考Hausdorff和方向进行管网骨架线匹配，依据骨架线匹配结果确定路灯网络关键节点匹配，同时计算管点相似度，形成路灯管点匹配集，结合路灯网络“节点-弧段”特征确定管段匹配集，实现路灯网络空间数据的匹配；最后在路灯网络空间数据匹配结果基础上，对路灯专业管线数据的空间位置进行误差校正。

图1示出了根据本发明实施例的基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法的流程，包括以下步骤：

步骤S10，分析路灯综合管线空间数据和路灯专业管线空间数据的差异特征，并分别对两类管线数据进行数据预处理。

首先，分析路灯综合管线空间数据和路灯专业管线空间数据各自特征，从数据上直观感受两份数据的空间位置存在一定程度的偏差，同时比较两份数据的属性字段和数据结构，总结两类管线共存在4类差异，分别为空间位置差异、分类差异、属性差异和实例差异。空间差异主要指的是不同数据集中的同名要素在空间位置上存在一定的偏差，分类差异主要指的是两类管线数据在数据分层组织方式上存在着差异，属性差异主要指的是两类管线表达属性信息的方式和内容存在着差异，实例差异主要指的是两类管线的实例对应关系上存在着差异。以本实施案例中的路灯综合管线数据和路灯专业管线数据为例，两类管线差异分析如表1。此步骤只需进行一次，形成的路灯专业管线和综合管线分析结果用于之后其他路灯空间数据匹配过程。

表1路灯专业管线和综合管线差异分析表

然后进行数据预处理，如图3所示，包括以下步骤：检查数据中悬挂管线情况并删除，悬挂线指的是一段有管点另一端没有管点的情况；检查数据拓扑错乱情况，即多段折线，并将不符合“灯杆管点-灯杆管段”结构的路灯管线要素打断，生成新的管点和管段；为两类管线创建唯一标识码，并基于唯一标识码创建路灯管段的起点编码和止点编码。此步骤只需进行一次，形成的路灯专业管线和综合管线数据处理结果用于之后其他路灯管线空间数据匹配过程。

步骤S20，叠加路网数据，查找一定数量的路灯管段作为种子管段，顾及路灯管网整体特征，依据骨架线生成规则生成可以表征路灯网络整体结构特征的路灯管网骨架线。

所谓骨架线就是去除了管线数据中细枝末节的、反映出整个管网的形态与结构的管线，类似于图画的骨架，或者道路的主要通道。参照图4，生成路灯管网骨架线包括以下步骤：

步骤①：叠加路网数据，查找所有位于道路交叉口的路灯管段作为种子管段，种子管段为骨架线生成的起始点。种子管段指的是骨架线的生成是从这个管段开始，慢慢地找到空间相接的其他管段，然后进行组合。如图5所示，标粗的四段为种子管段，1、2、3、4分别为四个方向的种子管段，骨架线的生成会按照各自的方向生成。

步骤②：根据骨架线生成规则从种子管段开始判断与其起止管段相连的其他管段能否进行连接。连接的条件包括：相连管段夹角大于指定阈值，管径相同且材质相同，若同时满足上述条件，则将这两个管段连接。

优选地，相连管段夹角的阈值为150°，经过多次实验验证得出，若阈值小于150°，无法满足骨架线平滑的性质，大于150°能保证骨架线的平滑，但是无法保证骨架线良好的连续性。在实施例中，相连管段夹角大于150°且小于180°，同时管径和材质相同的情况下，将其连接。

步骤③：如果存在能够连接的管段，且该管段没有被生成骨架线，则基于自身最大适合策略选择一条最适合的管段与种子管段相连，形成骨架线，并继续步骤②；如果不存在能够连接的管段，则完成一条骨架线的生成。

自身最大适合策略是每条管段与最符合连接规则的管段进行连接，例如：管段a的最佳连接对象是管段b，但是管段b的最佳连接对象是管段c，此时a仍然与b连接。

步骤④：遍历所有的路灯管线，如果还有路灯管线未被查找过，则执行步骤③和步骤④，否则结束骨架线生成。

步骤S30、生成两类管线骨架线的缓冲区，计算两类管线骨架线集合中缓冲区相交的综合与专业骨架线的Hausdorff距离和夹角余弦值作为骨架线的匹配率，按照“每对最优”原则挑选匹配的骨架线。

缓冲区是地理实体的一种影响范围或服务范围，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边。主要是利用缓冲区求得可能具有潜在匹配关系的骨架线。参照图6，具体包括以下步骤：

步骤①：使用10m-15m分别作为缓冲区的半径，经过测试确定12米的缓冲区半径能够覆盖所有的潜在骨架线匹配对，因此以12米为缓冲区半径，生成综合管线骨架线的缓冲区和专业管线骨架线的缓冲区，计算缓冲区相交的综合与专业骨架线之间的Hausdorff距离。对于综合骨架线A上的点集{a₁,…,a_p}与专业骨架线B上的点集{b₁,…,b_q}，它们之间Hausdorff距离的计算公式如下：

H_(A，B)＝max(h_(A，B)，h₍B_，A))

其中，

h_(A，B)＝max(a∈A)min(b∈B)||a-b||

h_(B，A)＝max(b∈B)min(a∈A)||b-a||

得到Hausdorff距离的计算结果。Hausdorff距离主要用来描述欧氏空间中两组点集相似程度的一种度量。Hausdorff距离不仅能够考虑到两组点集之间的距离，而且能考虑到由两组点集组成的线段的相对方向。同时，Hausdorff距离具有对位置敏感的优点，这能够有效地处理骨架线匹配中m：n的匹配关系。

步骤②：在计算骨架线Hausdorff距离的基础上，计算两个骨架线集合中缓冲区存在相交关系的两两骨架线之间的方向夹角余弦值，并根据骨架线匹配率计算公式：

分别表示综合管线骨架线方向和专业管线骨架线方向的矢量，得到骨架线匹配率矩阵。该骨架线匹配率计算公式将综合骨架线与专业骨架线的Hausdorff距离与它们之间的夹角都考虑进来，能够进一步地缩小候选匹配集，完成正确匹配。

步骤③：依据每对最优原则，为每个管线骨架线挑选最优的匹配结果，得到骨架线匹配集。每对最优原则即与某一综合骨架线A相似度最高的专业骨架线为B，那么与B相似度最高的也为A。

步骤④：在管线形态复杂，尤其是存在无法匹配管线的情况时，会出现错误匹配。通过人工验证的方法检验匹配对，查看是否存在错误匹配，并对错误匹配进行修正。

步骤⑤：依据相应关键节点匹配原则，找到骨架线匹配集中存在的所有关键路灯管点匹配对，形成路灯网络关键节点匹配集。关键节点匹配原则为根据骨架线的匹配结果，判断两条综合骨架线相交的管点是否与对应匹配的专业骨架线相交的管点相匹配。

步骤S40、基于路灯管点空间相似性、结构相似性和语义相似性计算管点相似性结果，筛选出管点匹配结果集，依据管点匹配集确定最终的管线匹配结果。

参照图7，包括以下步骤：

步骤①：选取一块区域作为进行人工匹配验证，确认管点间匹配距离的最大值为9.5m。因此以10米为半径选取待匹配管点集。

步骤②：依据管点相似性计算公式，计算待匹配管点集中管点对的结构相似性、语义相似性和空间相似性。其中，管点结构相似性计算方法以二分图最优匹配方法为基础，以待匹配两管点所关联的管段建立二分图，二分图连接边的权重为两个管段相似性大小，计算方法如下：

其中，为该综合管点所关联的其中一个综合管段，为该专业管点所关联的其中一个专业管段。

将二分图连接边的权重转换为相似性矩阵表达，选择每对管段最优匹配管段，得到最优管段相似度v_ij，即该矩阵中相似性最高的元素，直到确定了所有的匹配管段，管点结构相似性计算公式：

m为综合管线的管点关联的总的综合管段数量，n为专业管线的管点所关联的总的专业管段数量。

基于路灯管网管点实体特征，建立路灯综合管线数据与路灯专业管线数据的映射关系，从而得到相应的语义相似性。综合灯杆管点和专业灯杆管点的语义对应关系表如表2所示。

表2灯杆综合管线和专业管线语义对应关系表

路灯专业管线	路灯综合管线
		步道灯	步道灯
高杆灯	高杆灯
		中杆灯	中杆灯
功能灯	射灯、景观灯
		架空灯	其他灯

其他路灯管点的语义对应关系表如表3所示。

表3其他路灯管点语义对应关系表

若路灯综合管点与路灯专业管点的语义属性存在映射关系，则其语义相似性为1，反之为0。语义相似度计算公式为：

其中表示路灯综合管点a的语义属性，表示路灯专业管点b的语义属性。通过先建立语义映射关系表，后根据映射关系计算语义相似度，能够找到语义完全匹配的管点数据作为候选匹配集，增加了匹配的准确性。

选择半径阈值ε，在以ε为半径的圆内选择候选匹配集，计算这些点与待匹配点的空间相似性，计算公式为：

其中，d_j为综合管点a与其阈值范围内的第j个专业管点b的欧氏距离，d_t为综合管点a与其阈值范围内的第t个专业管点b的欧氏距离。传统数据匹配方法中空间相似性多直接采用欧氏距离来计算，只简单考虑到了两个点要素之间的距离。该空间相似性计算公式在考虑了管点要素距离的基础上，同时将管点周围的其他管点加入计算。将传统欧氏距离计算的绝对距离转换为估计周围管点特征的相对距离，增加了匹配的准确率。

步骤③：由于匹配的路灯管点的语义信息应完全相同，结构信息应尽可能相似，同时保证距离相似性不能过小，因此设置结构相似性大于0.9，语义相似性等于1，距离相似性大于0.8为管点匹配筛选规则，最后生成匹配成功管点集。

步骤④：依据管线匹配原则，基于匹配成功管点集生成匹配成功管线集。

管线匹配规则为：假设一条综合管线的两端管点分别与另一条专业管线的两端管点匹配成功，则确定该条综合管线与专业管线匹配。基于成果匹配管点集，找到所有符合管线匹配规则的管线匹配对，形成匹配成功管线集。

步骤S50、基于管线数据的匹配结果，建立已匹配的同名路灯综合管线数据与路灯专业管线数据之间的映射关系，对路灯专业管线数据的空间位置进行误差校正。

包括以下步骤：

步骤①：建立已匹配的同名路灯综合管线数据与路灯专业管线数据之间的映射关系。

步骤②：根据映射关系，对专业管点的空间位置进行空间平移，平移至同名路灯综合管点的空间位置，并保留所有的属性信息。

步骤③：在专业管点匹配及平移的基础上，对专业管线数据采用仿射变换的操作进行误差校正，并保留所有的属性及拓扑信息。仿射变换不仅能够对路灯管线数据这类矢量数据进行平移变换，同时还能实现拉伸、旋转的功能，更好地完成了路灯专业管线空间数据的误差校正。仿射变换的公式如下：

其中，x,y为原始专业管线上的折点，x’,y’为仿射变换后的专业管线上的折点，tx与ty分别为在x轴与y轴上平移的距离，θ为坐标轴顺时针旋转后的角度。本发明将主要用于计算机图形学投影变换中的视角切换和变形方法应用于矢量数据的匹配及误差矫正中，不仅能够对路灯管线数据这类矢量数据进行平移变换，同时还能实现拉伸、旋转的功能，并保留所有的属性及拓扑信息，更好地完成了路灯专业管线空间数据的误差校正。

Claims (10)

1.一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、分析路灯综合管线空间数据和路灯专业管线空间数据的差异特征，并对两类管线数据分别进行数据预处理；

S20、以道路交叉口的路灯管段作为种子管段，顾及路灯网络整体特征，依据骨架线生成规则生成表征路灯网络整体结构特征的路灯网络骨架线；

S30、在两类路灯管线骨架线的缓冲区内，依据骨架线Hausdorff距离和夹角余弦值计算骨架线匹配率，按照每对最优原则挑选匹配的骨架线；

S40、基于路灯灯杆的空间相似性、结构相似性和语义相似度计算管点相似性结果，筛选出灯杆匹配集，依据灯杆匹配集确定最终的路灯管线匹配结果；

S50、基于管线数据的匹配结果，建立已匹配的同名综合路灯管线数据与专业路灯管线数据之间的映射关系，根据映射关系对路灯专业管线数据的空间位置进行误差校正。

2.根据权利要求1所述的基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S10中路灯综合管线空间数据和路灯专业管线空间数据的差异特征包括空间位置差异、分类差异、属性差异和实例差异，其中，空间差异指的是不同数据集中的同名要素在空间位置上存在的偏差，分类差异指的是两类管线数据在数据分层组织方式上存在的差异，属性差异指的是两类管线表达属性信息的方式和内容存在的差异，实例差异指的是两类管线的实例对应关系上存在的差异。

3.根据权利要求1所述的基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S20中骨架线生成规则为：相连的两个管段之间夹角大于指定阈值，且管径和材质相同。

4.根据权利要求3所述的基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述管段夹角的指定阈值为150°。

5.根据权利要求1所述的一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S30中骨架线Hausdorff距离的计算公式为：

H_(A,B)＝max(h_(A,B),h_(B,A))

h_(A,B)＝max(a∈A)min(b∈B)||a-b||

h_(B,A)＝max(b∈B)min(a∈A)||b-a||

其中，A、B分别表示综合管线骨架线和专业管线骨架线，a、b分别为A、B上的点。

6.根据权利要求5所述的一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S30中骨架线匹配率计算公式为：

分别表示综合管线骨架线方向和专业管线骨架线方向的矢量。

7.根据权利要求1所述的一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S40中管点结构相似性计算公式为：

其中，a,b分别表示综合管线的管点和专业管线的管点，m为综合管线的管点关联的总的综合管段数量，n为专业管线的管点所关联的总的专业管段数量，v_ij为最优管段相似度。

8.根据权利要求1所述的一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S40中管点空间相似性计算公式为：

其中，d_j为综合管线的管点a与指定范围内的第j个专业管线的管点b的欧氏距离，d_t为综合管线的管点a与指定范围内的第t个专业管线的管点b的欧氏距离。

9.根据权利要求1所述的一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S40中管点语义相似度计算公式为：

其中表示综合管线的管点a的语义属性，表示专业管线的管点b的语义属性。

10.根据权利要求1所述的一种基于综合管线的路灯专业管线空间数据误差校正方法，其特征在于，所述步骤S50包括：

建立已匹配的同名路灯综合管线数据与路灯专业管线数据之间的映射关系；

根据映射关系，对专业管点的空间位置进行空间平移，平移至同名路灯综合管点的空间位置，并保留所有的属性信息；

在专业管点匹配及平移的基础上，对专业管线数据采用仿射变换的操作进行误差校正，并保留所有的属性及拓扑信息。