一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法：1，導入具有相同投影坐標系的兩份同區(qū)域不同比例尺版本的待匹配水網(wǎng)數(shù)據(jù)，將小比例尺數(shù)據(jù)設置為匹配層，大比例尺數(shù)據(jù)設置為參考層；2，分別對匹配層和參考層水網(wǎng)數(shù)據(jù)進行幾何維度一致化處理，使之統(tǒng)一表達為結點—弧段的線狀水網(wǎng)結構；3，引入概率松弛模型依據(jù)距離關系指標進行結點匹配，4，基于結點匹配關系以及距離、長度指標進行弧段匹配；5，由線狀水網(wǎng)結構間的弧段及結點匹配關系，導出原始匹配層水網(wǎng)數(shù)據(jù)與參考層水網(wǎng)數(shù)據(jù)間的同名目標匹配關系。本發(fā)明克服了不同比例尺版本水網(wǎng)數(shù)據(jù)目標表達存在維度差異的難點，能夠準確高效地建立不同比例尺版本水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配關系。
【專利說明】—種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于空間數(shù)據(jù)集成領域，特別是涉及一種新型的跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)間同名目標匹配方法。
【背景技術】
[0002]空間數(shù)據(jù)集成(spatial data integration)是指將不同來源的空間數(shù)據(jù)進行匹配、轉(zhuǎn)化和一致性處理，消除其在空間特征、屬性特征、尺度特征和時間特征上的差異性，滿足從不同角度、不同視點、不同尺度對空間目標及地理現(xiàn)象的認知、分析需求，并獲得不同層次不同分辨率下的信息內(nèi)容，從而實現(xiàn)異源數(shù)據(jù)間的互操作性。近年來，隨著計算資源及互聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量的基礎設施空間數(shù)據(jù)庫及各種行業(yè)背景的專題數(shù)據(jù)庫。如何通過集成融合技術實現(xiàn)異源數(shù)據(jù)間的集成分析、實時更新、共享與增值等，已經(jīng)成為地理信息研究及生產(chǎn)相關領域的核心課題。
[0003]同名目標匹配是空間數(shù)據(jù)集成的關鍵技術之一。同一地理實體，出于不同的認知觀點或表達形式，在不同的數(shù)據(jù)庫世界可能描述表達為不同狀態(tài)的要素目標(簡稱為“同名目標”)。因此，對相同區(qū)域不同來源的空間數(shù)據(jù)實施集成操作，首要步驟是建立不同數(shù)據(jù)庫間同名目標的匹配關系。其中，不同版本矢量地圖數(shù)據(jù)庫間的同名目標匹配是該領域研究的重點方向，在GPS車輛定位導航、矢量地圖數(shù)據(jù)實時更新、地圖產(chǎn)品質(zhì)量分析中具有重要意義。
[0004]目前，針對矢量地圖數(shù)據(jù)同名目標匹配的研究主要圍繞路網(wǎng)、居民地要素展開，基本思想是分析比較待匹配目標在位置、長度、方向、形狀等幾何特征及屬性特征上的差異，通過相似度計算建立匹配關系。以路網(wǎng)同名目標匹配為例，已有方法可歸納為以下幾種類型:(I)基于幾何特征的匹配方法，即通過計算距離、長度、方向、形狀等幾何特征的相似度來進行同名目標的匹配。如比較待匹配道路弧段間的距離關系，認為距離越近，則匹配相似度越高。(2)基于拓撲特征的匹配方法，通過計算待匹配目標的拓撲關系度量作為匹配依據(jù)。如依據(jù)道路弧段拓撲關聯(lián)其它弧段的數(shù)量作為匹配指標。(3)基于屬性特征的匹配方法，即將道路等級、名稱、車道數(shù)等屬性特征作為同名弧段目標的匹配指標。(4)多指標集成的匹配方法，引入概率統(tǒng)計、信息理論等集成幾何、拓撲、屬性等多種指標，嘗試獲得局部甚至全局最優(yōu)匹配結果。相關方法模型包括優(yōu)勢函數(shù)模型、概率統(tǒng)計模型、等級規(guī)則模型、迭代模型等。
[0005]上述方法相繼提出，一定程度上提高了同名目標匹配的自動化水平及準確性，但在實際應用中具有一定的局限性。一方面，已有成果主要針對居民地、路網(wǎng)等人工地物目標，而對水網(wǎng)等自然地物目標，由于其幾何形態(tài)及空間關系較為復雜，匹配效果并不盡人意。另一方面，上述方法中待匹配數(shù)據(jù)的比例尺通常相同或相近，對于跨比例尺地圖數(shù)據(jù)間的同名目標匹配顯得力不從心。相同比例尺下同名目標表達上的特征差異較小，匹配情形以1:1型為主；而不同比例尺數(shù)據(jù)由于地圖綜合等因素的影響，導致同名目標在幾何維度、形態(tài)特征、語義分類上存在較大差異，同時出現(xiàn)大量1:N型等復雜匹配關系。水網(wǎng)要素作為基礎地形框架性數(shù)據(jù)，是GIS空間分析及地圖表達的重要對象?？绫壤咚W(wǎng)數(shù)據(jù)間的同名目標匹配在地形數(shù)據(jù)庫更新、地形數(shù)據(jù)集成分析等應用中具有重要意義。結合上文對研究現(xiàn)狀的分析，需要研究專門的跨比例尺水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術所存在的技術問題；提供一種新型的針對不同比例尺版本水網(wǎng)數(shù)據(jù)間同名目標匹配的方法，該方法有效克服不同比例尺版本水網(wǎng)數(shù)據(jù)間存在的目標幾何維度表達不一致、空間關系復雜等難點，能夠準確、高效地建立同名水網(wǎng)目標匹配關系。
[0007]本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
[0008]一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，基于兩個不同比例尺版本的數(shù)據(jù)集，所述兩個不同比例尺版本的數(shù)據(jù)集是基于相同投影坐標系建立，包括以下步驟:
[0009]步驟1，導入同區(qū)域不同比例尺版本的兩份具有相同投影坐標系的待匹配水網(wǎng)數(shù)據(jù)，將小比例尺版本數(shù)據(jù)設置為匹配層，將大比例尺版本數(shù)據(jù)設置為參考層；
[0010]步驟2，針對步驟I中的匹配層和參考層進行幾何維度一致化處理步驟:分別對匹配層和參考層水網(wǎng)數(shù)據(jù)進行降維處理，使得不同比例尺版本的水網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一表達為結點一弧段的線狀水網(wǎng)結構；
[0011]步驟3:針對步驟2中建立的線狀水網(wǎng)結構進行匹配關系建立:對匹配層和參考層線狀水網(wǎng)結構分別構建拓撲圖結構，首先引入概率松弛模型依據(jù)距離關系指標進行結點匹配，然后基于結點匹配關系以及距離、長度指標進行弧段匹配；
[0012]步驟4:針對步驟3中建立的線狀水網(wǎng)結構間的弧段及結點匹配關系進行同名目標匹配關系導出:由線狀水網(wǎng)結構間的弧段及結點匹配關系，導出原始匹配層水網(wǎng)數(shù)據(jù)與參考層水網(wǎng)數(shù)據(jù)間的同名目標匹配關系。
[0013]在上述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，所述的步驟2基于Delaunay三角網(wǎng)模型，所述Delaunay三角網(wǎng)模型將三角形分為1、I1、III類；I類三角形連接惟一鄰近邊的中點與其相對的頂點，II類三角形連接兩條鄰近邊的中點，III類三角形連接質(zhì)心與三邊的中點；
[0014]具體操作步驟如下:
[0015]步驟2.1，利用基于Delaunay三角網(wǎng)模型提取骨架中心線方法，將河流、溝渠等狹長型面狀目標降維表達為線結構；
[0016]步驟2.2，利用基于Delaunay三角網(wǎng)模型提取中心點方法，將湖泊、水庫、池塘面狀目標降維表達為點結構；
[0017]步驟2.3，完成步驟2.1和步驟2.2后，對線狀水網(wǎng)結構進行拓撲連通性維護。
[0018]在上述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，所述的步驟2.1包括如下步驟:
[0019]步驟2.11，對面狀目標邊界構建三角網(wǎng)結構，僅考慮內(nèi)部三角形；
[0020]步驟2.12，區(qū)分三種類型三角形，I類三角形只有一邊存在鄰近三角形，II類三角形兩邊存在鄰近三角形，III類三角形三邊均存在鄰近三角形；[0021]步驟2.13，骨架中心線結構可表達為由弧段組成的網(wǎng)絡結構，由任一 I類或III類三角形出發(fā)，按三角形間的鄰近關系進行搜索并終止于I類或III類三角形，得到網(wǎng)絡的一條邊結構；按上述步驟反復執(zhí)行直至所有I類三角形作為出發(fā)或終止搜索過一遍，所有III類三角形作為出發(fā)或終止搜索過三遍，最后組織遍歷得到的邊結構為中心線結構；
[0022]步驟2.14，根據(jù)長度指標剔除中心線結構中短小的分支毛刺。
[0023]在上述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，所述步驟2.2包括如下步驟:
[0024]步驟2.21，對多邊形目標邊界線構建三角網(wǎng)結構，僅考慮內(nèi)部的三角形；
[0025]步驟2.22，提取所有的III類三角形It1, t2，…，tn}，認為多邊形的中心點是某個III類三角形的重心；
[0026]步驟2.23，針對任一III類三角形ti;截取其三條邊對應的多邊形邊界曲線段，對應長度分別為 ln，li2, li3，計算長度方差 δ ^[(^/+1^+1^)-(^:+112+113)731/2 ；
[0027]步驟2.24，方差最小者min { δ/，δ22，……δ η2}所對應的III類三角形，取該三角形的重心為多邊形中心點。
[0028]在上述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，所述的步驟3的具體操作步驟如下:
[0029]步驟3.1，引入概率松弛模型依據(jù)距離關系指標進行結點匹配；
[0030]步驟3.2，基于結點匹配關系以及距離、長度指標進行弧段匹配；
[0031]在上述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，所述的步驟3.1基于如下定義:
[0032]兼容性函數(shù):對于每個候選匹配對(a?定義其它任一候選匹配對(ah，bk)對其兼容度C(i, j ;h, k);方法如下:將bj平移至ai; bk作同樣的平移至bk’, (Iu/表示ah到bk’的距離，dih表示ai到ah的距離，則:
[0033]C(i, j;h, k) =1/(1+σ2)
[0034]σ =ClhkVdih
[0035]具體操作步驟如下:
[0036]步驟3.11，匹配概率矩陣初始化:定義匹配層結點集A={a1; a2，…，am}，參考層結點集B=Ib1A2,…，bj，將任一匹配層結點％和任一參考層結點bj組合為候選匹配對(ai;bp，依次計算初始匹配概率pu并構建匹配概率矩陣:
[0037]
【權利要求】
1.一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，基于兩個不同比例尺版本的數(shù)據(jù)集，所述兩個不同比例尺版本的數(shù)據(jù)集是基于相同投影坐標系建立，包括以下步驟: 步驟1，導入同區(qū)域不同比例尺版本的兩份具有相同投影坐標系的待匹配水網(wǎng)數(shù)據(jù)，將小比例尺版本數(shù)據(jù)設置為匹配層，將大比例尺版本數(shù)據(jù)設置為參考層； 步驟2，針對步驟I中的匹配層和參考層進行幾何維度一致化處理步驟:分別對匹配層和參考層水網(wǎng)數(shù)據(jù)進行降維處理，使得不同比例尺版本的水網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一表達為結點一弧段的線狀水網(wǎng)結構； 步驟3:針對步驟2中建立的線狀水網(wǎng)結構進行匹配關系建立:對匹配層和參考層線狀水網(wǎng)結構分別構建拓撲圖結構，首先引入概率松弛模型依據(jù)距離關系指標進行結點匹配，然后基于結點匹配關系以及距離、長度指標進行弧段匹配； 步驟4:針對步驟3中建立的線狀水網(wǎng)結構間的弧段及結點匹配關系進行同名目標匹配關系導出:由線狀水網(wǎng)結構間的弧段及結點匹配關系，導出原始匹配層水網(wǎng)數(shù)據(jù)與參考層水網(wǎng)數(shù)據(jù)間的同名目標匹配關系。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，所述的步驟2基于Delaunay三角網(wǎng)模型，所述Delaunay三角網(wǎng)模型將三角形分為1、Π、ΙΙΙ類；I類三角形連接惟一鄰近邊的中點與其相對的頂點，II類三角形連接兩條鄰近邊的中點，III類三角形連接質(zhì)心與三邊的中點； 具體操作步驟如下: 步驟2.1，利用基于Delaunay三角網(wǎng)模型提取骨架中心線方法，將河流、溝渠等狹長型面狀目標降維表達為線結構；` 步驟2.2，利用基于Delaunay三角網(wǎng)模型提取中心點方法，將湖泊、水庫、池塘面狀目標降維表達為點結構； 步驟2.3，完成步驟2.1和步驟2.2后，對線狀水網(wǎng)結構進行拓撲連通性維護。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，所述的步驟2.1包括如下步驟: 步驟2.11，對面狀目標邊界構建三角網(wǎng)結構，僅考慮內(nèi)部三角形； 步驟2.12，區(qū)分三種類型三角形，I類三角形只有一邊存在鄰近三角形，II類三角形兩邊存在鄰近三角形，III類三角形三邊均存在鄰近三角形； 步驟2.13，骨架中心線結構可表達為由弧段組成的網(wǎng)絡結構，由任一 I類或III類三角形出發(fā)，按三角形間的鄰近關系進行搜索并終止于I類或III類三角形，得到網(wǎng)絡的一條邊結構；按上述步驟反復執(zhí)行直至所有I類三角形作為出發(fā)或終止搜索過一遍，所有III類三角形作為出發(fā)或終止搜索過三遍，最后組織遍歷得到的邊結構為中心線結構； 步驟2.14，根據(jù)長度指標剔除中心線結構中短小的分支毛刺。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，所述步驟2.2包括如下步驟: 步驟2.21，對多邊形目標邊界線構建三角網(wǎng)結構，僅考慮內(nèi)部的三角形； 步驟2.22，提取所有的III類三角形Itpt2,…，tn}，認為多邊形的中心點是某個III類三角形的重心；步驟2.23，針對任一III類三角形ti，截取其三條邊對應的多邊形邊界曲線段，對應長度分別為 ln，li2, li3，計算長度方差 S i2= [ (1η2+1?22+1?32)-(1π+1?2+1?3)2/3]/2 ； 步驟2.24，方差最小者π?η?δ/，δ22，……δη2}所對應的III類三角形，取該三角形的重心為多邊形中心點。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，所述的步驟3的具體操作步驟如下: 步驟3.1，引入概率松弛模型依據(jù)距離關系指標進行結點匹配； 步驟3.2，基于結點匹配關系以及距離、長度指標進行弧段匹配。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，所述的步驟3.1基于如下定義: 兼容性函數(shù):對于每個候選匹配對(ai;bp，定義其它任一候選匹配對(ah，bk)對其兼容度C(i，j;h, k);方法如下:將bj平移至ai; bk作同樣的平移至bk’，dhk’表示ah到bk’的距尚，dih表不aj到ah白勺距尚，則:
C(i, j;h, k) =1/(1+σ2)
σ =dhk’/dih 具體操作步驟如下: 步驟3.11，匹配概率矩陣初始化:定義匹配層結點集A={a1; a2，…，affl}，參考層結點集B=Ib1, b2，…，bj，將任一匹配層結點％和任一參考層結點bj組合為候選匹配對(ai; bj),依次計算初始匹配概率Pu并構建匹配概率矩陣:

7.根據(jù)權利要求5所述的一種跨比例尺矢量地圖水網(wǎng)數(shù)據(jù)同名目標匹配方法，其特征在于，所述的步驟3.2的具體操作步驟如下: 步驟3.21，弧段預匹配:定義匹配層弧段集E=Ie1, e2,…，em}，參考層弧段集S= Is1,S2,…，sn}，針對每個匹配層弧段ei，作半徑為ε的緩沖區(qū)，由落入緩沖區(qū)范圍的參考層弧段構成ei的候選匹配弧段集Ci={sk，...}; 步驟3.22，依次遍歷每個匹配層弧段ei;若ei的候選匹配弧段集Ci包含的參考層弧段數(shù)量大于等于1，并且ei的兩個首尾結Aax、ay在參考層中均存在對應匹配結點bh、bk，則進行下一步驟；否則，標記ei不存在與之匹配的參考層弧段，然后重復本步驟處理下一匹配層弧段ei+1 ； 步驟3.23，1:1型匹配關系判斷:若弧段ei對應候選匹配對象中存在弧段連接結點bh和bk，則ei和構成1:1匹配關系，轉(zhuǎn)步驟3.22處理下一匹配層弧段ei+1 ;若弧段力對應候選匹配對象中不存在連接結點bh和bk的弧段，則進行下一步驟； 步驟3.24，I:N型匹配關系判斷:滿足以下兩個條件:(I) bh、bk均與ei某一候選匹配弧段連接，(2)在ei的候選匹配弧段集中存在由bh出發(fā)至bk的拓撲連接弧段組合； 則取其中總長度與ei長度差異最小的組合作為ei的匹配對象，得到1:N的匹配關系，并轉(zhuǎn)步驟3.22處理下一匹配層弧段ei+1 ;若以上兩個條件中的任意一個不滿足，則進行下一步驟； 步驟3.25，標記ei不存在與之匹配的參考層弧段，轉(zhuǎn)步驟3.22處理下一匹配層弧段ei+1 ;直至所有匹配層弧段處`理完畢后進行步驟4的處理。
【文檔編號】G06F17/30GK103699654SQ201310736712
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2013年12月26日
【發(fā)明者】艾廷華, 楊敏, 禹文豪, 張翔, 張檸 申請人:武漢大學