專利名稱：一種基于柵格數(shù)據(jù)的空間成本距離計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間數(shù)據(jù)處理方法，是一種通過規(guī)定的數(shù)據(jù)形式輸入表示 空間信息的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)描述了空間通行的成本信息，然后在此輸入基礎(chǔ)上，計 算得到空間內(nèi)任意位置到達(dá)另一空間位置所需要的最小空間成本距離值及路徑 的方法。
背景技術(shù)：
常用的空間距離計算方法包括基于直接計算兩點間的歐氏距離和考慮通過 不同空間單元需要不同成本付出的空間成本距離?？臻g成本距離計算是空間距 離計算的一種形式，用來分析從空間中某個位置到達(dá)另一個位置所需要的包括 時間、油料、金錢在內(nèi)的某種成本的消耗。常用的空間成本距離計算方法包括基于矢量數(shù)據(jù)的計算方法與基于柵格數(shù) 據(jù)的計算方法1. 基于矢量數(shù)據(jù)的計算方法通過構(gòu)建矢量網(wǎng)絡(luò)，用結(jié)合點和線段來描述空 間中不同路徑的片段及其交點，每條確定的線段上有相應(yīng)的屬性來描述通過它 所需要的成本值，通過在該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集上使用最短路徑算法，可以計算由網(wǎng)絡(luò) 上任意點到達(dá)另一個位置所需要的最小成本值及對應(yīng)路徑。2. 現(xiàn)有基于柵格數(shù)據(jù)的空間成本距離計算方法使用柵格數(shù)據(jù)來描述成本信 息。柵格數(shù)據(jù)將一定空間范圍劃分為多個空間單元，使用一個屬性數(shù)值來表示 通過每個空間單元所需要的成本值。通過某個柵格單元的成本距離累計值(D) 的計算方法為= kx C * L其中，k由不同的通過方向決定，C為柵格單元的數(shù)值，L為一系數(shù)，與柵 格的大小有關(guān)，在將空間等分的柵格數(shù)據(jù)集上，L為常數(shù)。在正方形格網(wǎng)組成的 柵格數(shù)據(jù)中，每個柵格單元(Cell)呈正方形，通過該單元有從左至右，從右 至左，從上至下，從下至上，從左上至右下，從右下至左上，從左下至右上和 從右上至左下共8種方式，其中，從左至右，從右至左，從上至下和從下至上 四種計算累計成本距離時，k二l，其余4種情況下，k=V^， ！^正方形柵格的邊長。 基于柵格的計算方法可以計算空間上每一個單元到目標(biāo)單元的最小成本距離?？臻g成本距離計算經(jīng)常被應(yīng)用于地理空間分析及與其相關(guān)的工程項目中， 具有很高的實踐價值。現(xiàn)有基于矢量數(shù)據(jù)的空間成本距離計算難以對矢量網(wǎng)絡(luò) 之外空間位置進(jìn)行計算分析，現(xiàn)有基于柵格數(shù)據(jù)的計算方法將通過一個柵格單 元的成本值進(jìn)行統(tǒng)一化考慮，僅根據(jù)不同通過方向所經(jīng)過空間歐氏距離的差別 乘以系數(shù)，總體上假設(shè)一個空間單元的不同通過方向的成本消耗情形是近似的， 與通過方式(方向)無關(guān)，這種假設(shè)使得其在分析實際問題時具有較大局限。發(fā)明內(nèi)容1. 發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種利用柵格數(shù)據(jù)的，計算結(jié)果可以覆蓋整個空間 的成本距離計算方法，其在計算過程中，能充分考慮到每個空間單元的不同通 過方向具有顯著不同的成本消耗，輸入數(shù)據(jù)簡單，容易獲取和處理，結(jié)果是接 近現(xiàn)實的近似，能夠在諸如坡地、半封閉公路等情形下進(jìn)行分析。2. 技術(shù)方案為了克服技術(shù)背景中所述現(xiàn)有基于柵格數(shù)據(jù)的空間成本距離計算方法的缺 陷，達(dá)到發(fā)明目的中所述的效果，本發(fā)明的技術(shù)方案包括建立特殊的柵格數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)，并在此數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行成本描述和距離計算的方法。1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參見附圖1，本發(fā)明將當(dāng)前成本距離計算方法中使用的成本柵格圖(Cost Raster)進(jìn)行了改進(jìn)和增強(qiáng)。通過將一個柵格值擴(kuò)展為9個，可以在不改變中 心網(wǎng)格對應(yīng)空間位置的基礎(chǔ)上，描述其到周邊其它網(wǎng)格的成本關(guān)系，如圖所示， 網(wǎng)格A到其上方(北)網(wǎng)格的成本值為Cw，到其左上方(西北)網(wǎng)格的成本值 為CA,，到其左側(cè)(西)網(wǎng)格的成本值為(V，，到其左下側(cè)(西南)網(wǎng)格的成本 值為CA-sw，到其下方(南)網(wǎng)格的成本值為CA-s，到其右下側(cè)(東南)網(wǎng)格的成本值為CA—se，到其右側(cè)(東)網(wǎng)格的成本值為CA-e，到其右上側(cè)(東北)網(wǎng)格的成本值為Ca-ne。在相鄰的網(wǎng)格間，如附圖2所示，由網(wǎng)格A到網(wǎng)格B的成本有其之間但屬 于A的子網(wǎng)格值所決定，為CA-e;網(wǎng)格B到網(wǎng)格A的成本由其之間的屬于B的子網(wǎng)格值所決定，為CVw。
CA-e與Cw為兩個不同的值，可以相等也可以不相等。上述c值均表示在柵格圖上的單位平面距離所需要的成本值。在計算累計 成本時，相鄰兩個柵格間通行時的累計成本距離CC=kXCXL。其中，L表示正方形柵格的邊長。當(dāng)兩個柵格水平或垂直相鄰時(如附圖2中的A與B網(wǎng)格)， k二l，其它情況下h VI。每9個為一組的柵格單元里的中心網(wǎng)格的值(D)不表示成本值，用來存儲 計算所的的空間成本距離值，0值用來表示計算目標(biāo)點(起始點)，還未計算得 到最短空間成本距離值的用空值(NoData)或者其它標(biāo)記(如負(fù)值)表示。2) 空間成本值的描述如附圖3所示的一塊地面，左側(cè)為一段平地，右側(cè)為一段坡地，當(dāng)在平地 上行進(jìn)時，往返各方向速度差別不大，時間消耗也近似，而在坡地上行進(jìn)時， 一方面，上下坡會有較大的差異，另一方面，在斜坡方向上與在斜坡正交方向 上行走所付出的成本也不相同。為表達(dá)這種差異，假設(shè)上坡、平地與下坡的行 進(jìn)速度為3:4:6，則相應(yīng)的相同距離下所消耗的時間成本比例4:3:2。取上述3、 4、 5數(shù)值為成本值為例(量綱為比例)，考慮斜坡所帶來的距離變化后(如附圖 4所示)，在15度坡下，最終設(shè)置各個網(wǎng)格的成本值設(shè)置為類似附圖5的形式 上坡的成本最大，為4. 14,平地與在坡上水平方向上行進(jìn)的成本消耗次之，為 3.00，下坡的成本值為2.07;平坡交匯處網(wǎng)格間的成本值取平底與坡地相應(yīng)值 的中間值，右平地上坡取3.57，右坡地下到平地取2. 54;各斜向相鄰網(wǎng)格間的 成本值根據(jù)實際情況設(shè)定，可通達(dá)的設(shè)置為對應(yīng)的成本值。當(dāng)網(wǎng)格間不可通達(dá) 時，成本值設(shè)置為0或其它特殊標(biāo)記(如負(fù)值)。3) 距離計算的方法。在距離計算時，首先選定"往"、"返"兩種類型。"往"型的計算尋找由空 間中的位置到達(dá)目標(biāo)點的最短成本距離和路徑，"返"型的計算尋找由目標(biāo)點到 達(dá)空間中其它位置的最短成本距離和路徑。計算采用最短路徑算法，由計算目 標(biāo)點開始，取目標(biāo)點所包括的點集為Pl，另設(shè)定一空點集P2，再設(shè)定一點集P3， 初始元素與Pl相同。循環(huán)運行以下過程，該計算當(dāng)Pl的元素數(shù)不再增加時停 止。a) 搜索P3內(nèi)的每一個點Pi，遍歷其所相鄰的所有點b) 對找到的每一個點Pj，若Pj不屬于P1，則計算其累計成本距離值。當(dāng)"往"型(計算其它點到目標(biāo)點的空間成本距離)計算時Da=DPi+Cp一Pi; 當(dāng)"返"型(計算其它點到目標(biāo)點的空間成本距離)計算時D^Dpi+Cpi鄰j。c) 若該點原來沒有D值(或D值為0),則令D^Da;若該點已有D值，則如 D>Da，則令D^Da，若D〈Da，則不改變D值，同時將pj放入點集P2。d) 搜索P2中D值最小的點pk，將其從P2中刪除，同時放入P1，再清空P3，增加Pk為P3的元素 3.有益效果通過將本發(fā)明所描述的基于柵格數(shù)據(jù)的空間成本距離計算方法應(yīng)用于實踐，可獲得以下有益效果1) 可以描述地形起伏地區(qū)不同方向的通行的距離差異。山區(qū)或其它地形起 伏較大的地區(qū)由于地面呈傾斜狀，柵格圖像上的每一個網(wǎng)格單元的不同 方向的邊界間的實際距離存在顯著不同。應(yīng)用本計算方法可以描述并處 理這種情形。2) 降低了數(shù)據(jù)輸入的難度。相對矢量數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)的運算規(guī)則更加簡單 明了，輸入數(shù)據(jù)也更容易由其它的原始數(shù)據(jù)處理獲得。3) 能夠處理半封閉道路的情形。對類似城市內(nèi)部出現(xiàn)的半封閉道路能夠進(jìn) 行有效的描述，道路邊界隔離欄處不可通行的情況，車流人流的主要方 向等情形，均能通過本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，并進(jìn)行成本距離 計算。4) 可以表達(dá)相同一對空間單元之間的連接中，兩個相反方向成本值的差異， 可以用來描述單行線、兩側(cè)隔離的封閉道路等較為復(fù)雜的通行情況，使 得成本距離計算的結(jié)果更加貼近實際，滿足實際應(yīng)用的需要。


附圖l:柵格數(shù)據(jù)中針對某個空間位置的柵格數(shù)據(jù)組織示意圖，中間值為該網(wǎng)格的D值，周邊8個值表示由本網(wǎng)格到往周邊8個網(wǎng)格時的成本值描述附圖2:兩個相鄰網(wǎng)格間往返的成本描述示意圖 附圖3:示例場景l(fā)示意圖附圖4:針對示例場景1的柵格成本描述數(shù)據(jù)附圖5:示例場景2示意圖附圖6:描述示例場景2的柵格輸入數(shù)據(jù)附圖7:示例計算結(jié)果，從左下方目標(biāo)點到往空間其它位置的最短路徑和空 間成本距離(50X50米格網(wǎng))附圖8:示例計算結(jié)果，從空間其它位置到往左下方目標(biāo)點的最短路徑和空 間成本距離(50X50米格網(wǎng))具體實施方案下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。在此實例中，假設(shè)在道路上采 用的交通方式為汽車，道路外為步行，忽略等車時間，汽車可以在道路旁任意 位置停車上下客(類似出租汽車)。成本值以時間作為所考慮的成本。正方形柵格為50米，在平地上汽車時速36千米，步行時速3. 6千米，即汽車每行進(jìn)1 米需要0. 1秒，步行每行進(jìn)1米需要1秒，對應(yīng)的成本值為0. 1與1. 0。考慮的 場景如附圖5所示，與附圖3的情形類似，但是增加了兩條道路。最左下方為 目標(biāo)點。圖中目標(biāo)點的上方為出口，不可進(jìn)入；右方為入口，不可從右方離開。1) 首先建立如技術(shù)方案中所述之輸入數(shù)據(jù)集，如附圖6所示，該輸入數(shù)據(jù) 共包括5X5=25個空間單元，用以示意性描述附圖5所示之地理空間。2) 每個單元周邊的8個子網(wǎng)格用以描述其到周邊其它單元的成本消耗值， 亦如技術(shù)方案中所述。最終的輸入數(shù)據(jù)如附圖6所示，其中，中央單元 格值為0的網(wǎng)格表示計算的目標(biāo)點(左下角)，即求算其它網(wǎng)格到該網(wǎng) 格的最小成本距離。3) 根據(jù)技術(shù)方案所述，分別計算由空間中其它位置到往目標(biāo)點的空間成本 距離("往"型)即從目標(biāo)點出發(fā)到空間其它位置的空間成本距離("返" 型)。計算結(jié)果如附圖7及附圖8所示，中心網(wǎng)格的值表示是該處網(wǎng)格 與目標(biāo)點之間的的空間最短距離值。因此本例中成本值為單位距離的時 間秒數(shù)，故此距離數(shù)值亦為時間距離秒數(shù)。圖中虛線箭頭表示了最短距 離所通過的路徑。4) 以圖中右上方網(wǎng)格點為例，當(dāng)從其出發(fā)到左下方的目標(biāo)點時，最短(最 快)的路徑如圖8中所示，是先步行向左(延坡下坡)直至公路，并延 公路乘車到達(dá)目標(biāo)點右側(cè)入口并進(jìn)入，時間距離(總消耗時間)為136. 3 秒；當(dāng)從左下方目標(biāo)點出發(fā)回到該點時，最短路徑如圖7中所示，是從 目標(biāo)點上方出口出來至公路，乘車向右上坡直至終點正下方，然后拐彎 向上步行直至抵達(dá)，時間距離(總時間消耗)為179.8秒。5) 從此例中可以發(fā)現(xiàn)，相同的兩個點間往返時不僅成本距離有所差異，所 通過的路徑亦有所不同，能夠較好地體現(xiàn)真實的情況，達(dá)到了設(shè)計效果。
權(quán)利要求
1.一種空間成本距離計算方法，用于在一定的電子數(shù)據(jù)上確定空間兩點之間的成本距離，其特征在于通過柵格圖層數(shù)據(jù)描述成本信息，方便地得到任意兩點間的成本距離值。
2. 如權(quán)利要求1所述的空間成本距離計算方法，其特征在于成本距離值被設(shè) 定為空間中兩點間通過一系列數(shù)值代表成本值的柵格之后所有數(shù)值的累計 值，所得最終空間成本距離為有可能的數(shù)值中的最小值。
3. 如權(quán)利要求1所述的空間成本距離計算方法，其特征在于用來描述空間成 本信息的柵格數(shù)據(jù)包括且僅包括一個圖層，該柵格數(shù)據(jù)集的行數(shù)和列數(shù)均 為3的倍數(shù)。
4. 如權(quán)利要求2所述的空間成本距離計算方法，其特征在于在獲取最小成本 距離數(shù)值的同時可以同時獲取取得該成本距離的路徑。
5. 如權(quán)利要求2所述的空間成本距離計算方法，其特征在于計算累計成本值 時所經(jīng)過的柵格是連續(xù)的，即柵格之間是相鄰的(包括橫向、縱向與斜向 相鄰)，不會出現(xiàn)跳躍的情況。
6. 如權(quán)利要求2所屬的空間成本距離方法，其特征在于可以同時計算空間中 所有點到空間中某一點的空間成本距離值。
7. 如權(quán)利要求3所述的空間成本距離計算方法，其特征在于所使用的柵格信 息可以描述包括空間單向通行在內(nèi)的通行方向受限制情況下的成本值。
8. 如權(quán)利要求3所述的空間成本距離計算方法，其特征在于所使用的柵格信 息可以描述空間上某一單元中，不同通過方向成本值不同的情況。
9. 如權(quán)利要求1所述的城市規(guī)劃數(shù)字報建軟件系統(tǒng)，其特征在于可應(yīng)用于GIS 系統(tǒng)，直^使用GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，所得結(jié)果支持輸出為GIS柵格數(shù)據(jù)集(柵格圖)。
全文摘要
提供一種基于柵格空間數(shù)據(jù)的空間成本距離計算方法。該方法是一種通過規(guī)定的數(shù)據(jù)形式輸入表示空間信息的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)描述了空間通行的成本信息。然后在此輸入基礎(chǔ)上，計算得到空間內(nèi)任意位置到達(dá)另一空間位置所需要的最小空間成本距離值及路徑的方法。通過將一個柵格值擴(kuò)展為9個，可以在不改變中心網(wǎng)格對應(yīng)空間位置的基礎(chǔ)上，直觀地描述其到周邊其它網(wǎng)格的成本關(guān)系。本方法可以描述地形起伏地區(qū)不同方向的通行的距離差異，應(yīng)用本計算方法可以描述并處理包括山區(qū)、半封閉道路、單向行駛道路等情形，能夠使得柵格成本距離計算結(jié)果更貼近實際，滿足實際應(yīng)用的需要。
文檔編號G01C21/00GK101403625SQ20081019481
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者宗躍光, 翔 張, 璐 徐, 徐建剛, 毅 祁 申請人:南京大學(xué)