一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法
【专利摘要】本发明涉及一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法：1，导入具有相同投影坐标系的两份同区域不同比例尺版本的待匹配水网数据，将小比例尺数据设置为匹配层，大比例尺数据设置为参考层；2，分别对匹配层和参考层水网数据进行几何维度一致化处理，使之统一表达为结点—弧段的线状水网结构；3，引入概率松弛模型依据距离关系指标进行结点匹配，4，基于结点匹配关系以及距离、长度指标进行弧段匹配；5，由线状水网结构间的弧段及结点匹配关系，导出原始匹配层水网数据与参考层水网数据间的同名目标匹配关系。本发明克服了不同比例尺版本水网数据目标表达存在维度差异的难点，能够准确高效地建立不同比例尺版本水网数据同名目标匹配关系。
【专利说明】—种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法
【技术领域】
[0001]本发明属于空间数据集成领域，特别是涉及一种新型的跨比例尺矢量地图水网数据间同名目标匹配方法。
【背景技术】
[0002]空间数据集成(spatial data integration)是指将不同来源的空间数据进行匹配、转化和一致性处理，消除其在空间特征、属性特征、尺度特征和时间特征上的差异性，满足从不同角度、不同视点、不同尺度对空间目标及地理现象的认知、分析需求，并获得不同层次不同分辨率下的信息内容，从而实现异源数据间的互操作性。近年来，随着计算资源及互联网技术的迅速发展，涌现出了大量的基础设施空间数据库及各种行业背景的专题数据库。如何通过集成融合技术实现异源数据间的集成分析、实时更新、共享与增值等，已经成为地理信息研究及生产相关领域的核心课题。
[0003]同名目标匹配是空间数据集成的关键技术之一。同一地理实体，出于不同的认知观点或表达形式，在不同的数据库世界可能描述表达为不同状态的要素目标(简称为“同名目标”)。因此，对相同区域不同来源的空间数据实施集成操作，首要步骤是建立不同数据库间同名目标的匹配关系。其中，不同版本矢量地图数据库间的同名目标匹配是该领域研究的重点方向，在GPS车辆定位导航、矢量地图数据实时更新、地图产品质量分析中具有重要意义。
[0004]目前，针对矢量地图数据同名目标匹配的研究主要围绕路网、居民地要素展开，基本思想是分析比较待匹配目标在位置、长度、方向、形状等几何特征及属性特征上的差异，通过相似度计算建立匹配关系。以路网同名目标匹配为例，已有方法可归纳为以下几种类型:(I)基于几何特征的匹配方法，即通过计算距离、长度、方向、形状等几何特征的相似度来进行同名目标的匹配。如比较待匹配道路弧段间的距离关系，认为距离越近，则匹配相似度越高。(2)基于拓扑特征的匹配方法，通过计算待匹配目标的拓扑关系度量作为匹配依据。如依据道路弧段拓扑关联其它弧段的数量作为匹配指标。(3)基于属性特征的匹配方法，即将道路等级、名称、车道数等属性特征作为同名弧段目标的匹配指标。(4)多指标集成的匹配方法，引入概率统计、信息理论等集成几何、拓扑、属性等多种指标，尝试获得局部甚至全局最优匹配结果。相关方法模型包括优势函数模型、概率统计模型、等级规则模型、迭代模型等。
[0005]上述方法相继提出，一定程度上提高了同名目标匹配的自动化水平及准确性，但在实际应用中具有一定的局限性。一方面，已有成果主要针对居民地、路网等人工地物目标，而对水网等自然地物目标，由于其几何形态及空间关系较为复杂，匹配效果并不尽人意。另一方面，上述方法中待匹配数据的比例尺通常相同或相近，对于跨比例尺地图数据间的同名目标匹配显得力不从心。相同比例尺下同名目标表达上的特征差异较小，匹配情形以1:1型为主；而不同比例尺数据由于地图综合等因素的影响，导致同名目标在几何维度、形态特征、语义分类上存在较大差异，同时出现大量1:N型等复杂匹配关系。水网要素作为基础地形框架性数据，是GIS空间分析及地图表达的重要对象。跨比例尺水网数据间的同名目标匹配在地形数据库更新、地形数据集成分析等应用中具有重要意义。结合上文对研究现状的分析，需要研究专门的跨比例尺水网数据同名目标匹配的方法。
【发明内容】
[0006]本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供一种新型的针对不同比例尺版本水网数据间同名目标匹配的方法，该方法有效克服不同比例尺版本水网数据间存在的目标几何维度表达不一致、空间关系复杂等难点，能够准确、高效地建立同名水网目标匹配关系。
[0007]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0008]一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，基于两个不同比例尺版本的数据集，所述两个不同比例尺版本的数据集是基于相同投影坐标系建立，包括以下步骤:
[0009]步骤1，导入同区域不同比例尺版本的两份具有相同投影坐标系的待匹配水网数据，将小比例尺版本数据设置为匹配层，将大比例尺版本数据设置为参考层；
[0010]步骤2，针对步骤I中的匹配层和参考层进行几何维度一致化处理步骤:分别对匹配层和参考层水网数据进行降维处理，使得不同比例尺版本的水网数据统一表达为结点一弧段的线状水网结构；
[0011]步骤3:针对步骤2中建立的线状水网结构进行匹配关系建立:对匹配层和参考层线状水网结构分别构建拓扑图结构，首先引入概率松弛模型依据距离关系指标进行结点匹配，然后基于结点匹配关系以及距离、长度指标进行弧段匹配；
[0012]步骤4:针对步骤3中建立的线状水网结构间的弧段及结点匹配关系进行同名目标匹配关系导出:由线状水网结构间的弧段及结点匹配关系，导出原始匹配层水网数据与参考层水网数据间的同名目标匹配关系。
[0013]在上述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，所述的步骤2基于Delaunay三角网模型，所述Delaunay三角网模型将三角形分为1、I1、III类；I类三角形连接惟一邻近边的中点与其相对的顶点，II类三角形连接两条邻近边的中点，III类三角形连接质心与三边的中点；
[0014]具体操作步骤如下:
[0015]步骤2.1，利用基于Delaunay三角网模型提取骨架中心线方法，将河流、沟渠等狭长型面状目标降维表达为线结构；
[0016]步骤2.2，利用基于Delaunay三角网模型提取中心点方法，将湖泊、水库、池塘面状目标降维表达为点结构；
[0017]步骤2.3，完成步骤2.1和步骤2.2后，对线状水网结构进行拓扑连通性维护。
[0018]在上述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，所述的步骤2.1包括如下步骤:
[0019]步骤2.11，对面状目标边界构建三角网结构，仅考虑内部三角形；
[0020]步骤2.12，区分三种类型三角形，I类三角形只有一边存在邻近三角形，II类三角形两边存在邻近三角形，III类三角形三边均存在邻近三角形；[0021]步骤2.13，骨架中心线结构可表达为由弧段组成的网络结构，由任一 I类或III类三角形出发，按三角形间的邻近关系进行搜索并终止于I类或III类三角形，得到网络的一条边结构；按上述步骤反复执行直至所有I类三角形作为出发或终止搜索过一遍，所有III类三角形作为出发或终止搜索过三遍，最后组织遍历得到的边结构为中心线结构；
[0022]步骤2.14，根据长度指标剔除中心线结构中短小的分支毛刺。
[0023]在上述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，所述步骤2.2包括如下步骤:
[0024]步骤2.21，对多边形目标边界线构建三角网结构，仅考虑内部的三角形；
[0025]步骤2.22，提取所有的III类三角形It1, t2，…，tn}，认为多边形的中心点是某个III类三角形的重心；
[0026]步骤2.23，针对任一III类三角形ti;截取其三条边对应的多边形边界曲线段，对应长度分别为 ln，li2, li3，计算长度方差 δ ^[(^/+1^+1^)-(^:+112+113)731/2 ；
[0027]步骤2.24，方差最小者min { δ/，δ22，……δ η2}所对应的III类三角形，取该三角形的重心为多边形中心点。
[0028]在上述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，所述的步骤3的具体操作步骤如下:
[0029]步骤3.1，引入概率松弛模型依据距离关系指标进行结点匹配；
[0030]步骤3.2，基于结点匹配关系以及距离、长度指标进行弧段匹配；
[0031]在上述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，所述的步骤3.1基于如下定义:
[0032]兼容性函数:对于每个候选匹配对(a?定义其它任一候选匹配对(ah，bk)对其兼容度C(i, j ;h, k);方法如下:将bj平移至ai; bk作同样的平移至bk’, (Iu/表示ah到bk’的距离，dih表示ai到ah的距离，则:
[0033]C(i, j;h, k) =1/(1+σ2)
[0034]σ =ClhkVdih
[0035]具体操作步骤如下:
[0036]步骤3.11，匹配概率矩阵初始化:定义匹配层结点集A={a1; a2，…，am}，参考层结点集B=Ib1A2,…，bj，将任一匹配层结点％和任一参考层结点bj组合为候选匹配对(ai;bp，依次计算初始匹配概率pu并构建匹配概率矩阵:
[0037]
【权利要求】
1.一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，基于两个不同比例尺版本的数据集，所述两个不同比例尺版本的数据集是基于相同投影坐标系建立，包括以下步骤: 步骤1，导入同区域不同比例尺版本的两份具有相同投影坐标系的待匹配水网数据，将小比例尺版本数据设置为匹配层，将大比例尺版本数据设置为参考层； 步骤2，针对步骤I中的匹配层和参考层进行几何维度一致化处理步骤:分别对匹配层和参考层水网数据进行降维处理，使得不同比例尺版本的水网数据统一表达为结点一弧段的线状水网结构； 步骤3:针对步骤2中建立的线状水网结构进行匹配关系建立:对匹配层和参考层线状水网结构分别构建拓扑图结构，首先引入概率松弛模型依据距离关系指标进行结点匹配，然后基于结点匹配关系以及距离、长度指标进行弧段匹配； 步骤4:针对步骤3中建立的线状水网结构间的弧段及结点匹配关系进行同名目标匹配关系导出:由线状水网结构间的弧段及结点匹配关系，导出原始匹配层水网数据与参考层水网数据间的同名目标匹配关系。
2.根据权利要求1所述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，所述的步骤2基于Delaunay三角网模型，所述Delaunay三角网模型将三角形分为1、Π、ΙΙΙ类；I类三角形连接惟一邻近边的中点与其相对的顶点，II类三角形连接两条邻近边的中点，III类三角形连接质心与三边的中点； 具体操作步骤如下: 步骤2.1，利用基于Delaunay三角网模型提取骨架中心线方法，将河流、沟渠等狭长型面状目标降维表达为线结构；` 步骤2.2，利用基于Delaunay三角网模型提取中心点方法，将湖泊、水库、池塘面状目标降维表达为点结构； 步骤2.3，完成步骤2.1和步骤2.2后，对线状水网结构进行拓扑连通性维护。
3.根据权利要求2所述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，所述的步骤2.1包括如下步骤: 步骤2.11，对面状目标边界构建三角网结构，仅考虑内部三角形； 步骤2.12，区分三种类型三角形，I类三角形只有一边存在邻近三角形，II类三角形两边存在邻近三角形，III类三角形三边均存在邻近三角形； 步骤2.13，骨架中心线结构可表达为由弧段组成的网络结构，由任一 I类或III类三角形出发，按三角形间的邻近关系进行搜索并终止于I类或III类三角形，得到网络的一条边结构；按上述步骤反复执行直至所有I类三角形作为出发或终止搜索过一遍，所有III类三角形作为出发或终止搜索过三遍，最后组织遍历得到的边结构为中心线结构； 步骤2.14，根据长度指标剔除中心线结构中短小的分支毛刺。
4.根据权利要求2所述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，所述步骤2.2包括如下步骤: 步骤2.21，对多边形目标边界线构建三角网结构，仅考虑内部的三角形； 步骤2.22，提取所有的III类三角形Itpt2,…，tn}，认为多边形的中心点是某个III类三角形的重心；步骤2.23，针对任一III类三角形ti，截取其三条边对应的多边形边界曲线段，对应长度分别为 ln，li2, li3，计算长度方差 S i2= [ (1η2+1?22+1?32)-(1π+1?2+1?3)2/3]/2 ； 步骤2.24，方差最小者π?η?δ/，δ22，……δη2}所对应的III类三角形，取该三角形的重心为多边形中心点。
5.根据权利要求1所述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，所述的步骤3的具体操作步骤如下: 步骤3.1，引入概率松弛模型依据距离关系指标进行结点匹配； 步骤3.2，基于结点匹配关系以及距离、长度指标进行弧段匹配。
6.根据权利要求5所述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，所述的步骤3.1基于如下定义: 兼容性函数:对于每个候选匹配对(ai;bp，定义其它任一候选匹配对(ah，bk)对其兼容度C(i，j;h, k);方法如下:将bj平移至ai; bk作同样的平移至bk’，dhk’表示ah到bk’的距尚，dih表不aj到ah白勺距尚，则:
C(i, j;h, k) =1/(1+σ2)
σ =dhk’/dih 具体操作步骤如下: 步骤3.11，匹配概率矩阵初始化:定义匹配层结点集A={a1; a2，…，affl}，参考层结点集B=Ib1, b2，…，bj，将任一匹配层结点％和任一参考层结点bj组合为候选匹配对(ai; bj),依次计算初始匹配概率Pu并构建匹配概率矩阵:
7.根据权利要求5所述的一种跨比例尺矢量地图水网数据同名目标匹配方法，其特征在于，所述的步骤3.2的具体操作步骤如下: 步骤3.21，弧段预匹配:定义匹配层弧段集E=Ie1, e2,…，em}，参考层弧段集S= Is1,S2,…，sn}，针对每个匹配层弧段ei，作半径为ε的缓冲区，由落入缓冲区范围的参考层弧段构成ei的候选匹配弧段集Ci={sk，...}; 步骤3.22，依次遍历每个匹配层弧段ei;若ei的候选匹配弧段集Ci包含的参考层弧段数量大于等于1，并且ei的两个首尾结Aax、ay在参考层中均存在对应匹配结点bh、bk，则进行下一步骤；否则，标记ei不存在与之匹配的参考层弧段，然后重复本步骤处理下一匹配层弧段ei+1 ； 步骤3.23，1:1型匹配关系判断:若弧段ei对应候选匹配对象中存在弧段连接结点bh和bk，则ei和构成1:1匹配关系，转步骤3.22处理下一匹配层弧段ei+1 ;若弧段力对应候选匹配对象中不存在连接结点bh和bk的弧段，则进行下一步骤； 步骤3.24，I:N型匹配关系判断:满足以下两个条件:(I) bh、bk均与ei某一候选匹配弧段连接，(2)在ei的候选匹配弧段集中存在由bh出发至bk的拓扑连接弧段组合； 则取其中总长度与ei长度差异最小的组合作为ei的匹配对象，得到1:N的匹配关系，并转步骤3.22处理下一匹配层弧段ei+1 ;若以上两个条件中的任意一个不满足，则进行下一步骤； 步骤3.25，标记ei不存在与之匹配的参考层弧段，转步骤3.22处理下一匹配层弧段ei+1 ;直至所有匹配层弧段处`理完毕后进行步骤4的处理。
【文档编号】G06F17/30GK103699654SQ201310736712
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】艾廷华, 杨敏, 禹文豪, 张翔, 张柠 申请人:武汉大学