一種興趣點與道路網(wǎng)的自動配準方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種興趣點與道路網(wǎng)的自動配準方法，該方法充分利用興趣點和道路網(wǎng)中道路的屬性相關性來糾正不同來源興趣點與道路網(wǎng)間的系統(tǒng)偏差；通過構建道路網(wǎng)骨架圖和興趣點骨架圖，挖掘興趣點與道路網(wǎng)的幾何模式對應關系，將興趣點與道路間的點與線的同名控制點識別問題轉換為骨架圖的匹配問題，基于骨架圖的交叉點匹配關系進行不同來源興趣點與道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的位置偏差自動糾正。極大的提高了各空間數(shù)據(jù)的相對位置精度，減少了人工干預，實現(xiàn)了興趣點與道路網(wǎng)的自動精準匹配。
【專利說明】
-種興趣點與道路網(wǎng)的自動配準方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及地理信息技術領域，特別設及一種興趣點與道路網(wǎng)的自動配準方法。
【背景技術】
[0002] 隨著傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，用戶可通過智能終端和開放地圖平臺參與 地理空間數(shù)據(jù)的發(fā)布和生產(chǎn)，運種由用戶生成的空間數(shù)據(jù)稱為眾源地理空間數(shù)據(jù)（或志愿 者地理信息）。與專業(yè)測繪數(shù)據(jù)相比，眾源地理空間數(shù)據(jù)在幾何表達、精度、尺度、數(shù)據(jù)質量 等方面差異較大，導致不同來源空間數(shù)據(jù)間存在重復采集而信息共享困難等問題。在導航 與移動位置服務領域，興趣點(Point of Interest,P0I)和道路網(wǎng)是主要的數(shù)據(jù)內(nèi)容，不同 來源的興趣點與道路網(wǎng)數(shù)據(jù)直接疊加存在一定位置偏差，直接使用存在偏差的興趣點和道 路網(wǎng)數(shù)據(jù)導致錯誤的規(guī)劃路徑和用戶行為分析結果。因此，不同采集方式獲取的興趣點與 道路數(shù)據(jù)在投入出行應用前需要進行幾何配準，W保證興趣點與道路網(wǎng)數(shù)據(jù)間的相對位置 和空間關系的準確和一致性。相關文獻：Sester ,Μ . ,Arsanjani , J . J Klammer , R , Burghardt,D.,and Haunert,J.Η.,2014.Integrating and generalising volunteered geographic information[A]. In:Burghardt,D.,Duch有ne,C.,and Mackaness,W.(eds.) ? Abstracting geographic information in a data rich world[M]. Switzerland: Springer International Publishing, 119-155。傳統(tǒng)的地圖匹配方法利用GPS軌跡點的位 置坐標與道路網(wǎng)的幾何特征等將軌跡點匹配到對應路段，但是興趣點并不落在道路區(qū)域， 地圖匹配方法無法建立興趣點與道路網(wǎng)的匹配關系。基于路網(wǎng)匹配的配準方法利用道路網(wǎng) 的匹配關系，將其中一份道路網(wǎng)的附屬興趣點配準到另一份道路網(wǎng)中，但該方法需要參考 路網(wǎng)作為中介，而實際應用中很難獲取興趣點的參考路網(wǎng)數(shù)據(jù)。相關文獻:Chen, B.，化an, Η.,Li,Q.,Lam,W.Η.K.,Shaw,S.,and Yan,K.,2014.Map-matching algorithm for large- sc曰le low-frequency floating car d曰t曰[J]. Intern曰tion曰1 Journal of Geographical Information Science ,28(1):22-38;Zhang,M.,2009.Methods and implementations of road-network matching[D]:Germany:Technical University of Munich.現(xiàn)有方法無法解決不同來源興趣點與道路網(wǎng)間同名控制點的自動識別問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明利用興趣點與道路網(wǎng)的幾何模式相關性，提供了一種興趣點與道路網(wǎng)的自 動配準方法，有效解決不同來源興趣點與道路網(wǎng)的位置偏差糾正問題。該方法綜合考慮興 趣點與道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的屬性內(nèi)容和幾何位置，識別和提取道路鏈模式和興趣點聚類模式，自 動識別兩者的同名控制點對，進行興趣點與道路網(wǎng)的幾何配準。
[0004] 盡管興趣點與道路網(wǎng)之間存在不可預測的非剛性偏差，但不同來源的興趣點與關 聯(lián)的道路之間具有一定的幾何模式相關性，運種幾何模式相關性對興趣點與道路網(wǎng)的自動 配準具有重要的借鑒意義。
[0005] -種興趣點與道路網(wǎng)的自動配準方法，該方法包括W下步驟，
[0006] 步驟1:提取興趣點所在的道路信息，與道路網(wǎng)進行第一次配準；
[0007] 提取興趣點地址屬性中包含的道路信息，與道路網(wǎng)中道路信息進行判斷，確認道 路兩邊關聯(lián)的興趣點，消除興趣點與道路網(wǎng)的系統(tǒng)誤差；
[0008] 比較興趣點地址信息與道路名稱屬性的公共字符串，將興趣點與道路劃分至兩兩 對應的集合；
[0009] 統(tǒng)計所有道路稱，遍歷每個道路名rn，將"地址屬性包含rn"的興趣點Pi與"名稱屬 性等于rn"的道路rj分別劃分至相互對應的興趣點集合set_poi和道路集合set_;road。通過 道路名 rn, 8θ?_ρ?? 與 set-road--對應；
[0010] 根據(jù)最小二乘算法將各個興趣點集合set_poi擬合為直線段line_poi。由于興趣 點集合set_poi與擬合直線段line_poi--對應，而根據(jù)步驟1.1，興趣點集合set_poi又與 道路集合set_;road--對應，則可推出line_poi與set_;road也是--對應，即擬合直線段 line_poi與道路集合set_;road也通過道路名稱相互關聯(lián)起來；
[0011] 識別相互關聯(lián)的線性特征line_poi與道路集合set_road的兩兩交叉點，W此作為 控制點集，建立仿射變換模型，求解變換參數(shù)，將興趣點粗配準至目標道路網(wǎng)，消除系統(tǒng)偏 差；
[0012]步驟2:識另雌路網(wǎng)中道路鏈，構建道路骨架圖；
[0013] 道路網(wǎng)中方向連續(xù)道路相互連接構成道路鏈(S化oke)，按道路連接夾角之和最大 生成單線道路鏈，通過構建緩沖區(qū)識別和簡化平行道路鏈，最后W單線道路鏈和平行道路 鏈簡化結果為邊，構建道路骨架圖；
[0014] 道路鏈是由方向連續(xù)的道路連接后構成；
[0015] 步驟3:將興趣點與道路骨架圖中的道路鏈進行匹配；
[0016] 利用基于劃分的空間聚類方法，根據(jù)興趣點到鄰近道路鏈的投影矢量，將興趣點 劃分至不同的道路鏈或空道路鏈，生成與道路鏈對應的興趣點聚類；
[0017] 步驟4:擬合興趣點聚類的主曲線，構建興趣點骨架圖；
[0018] 對步驟3得到的任一興趣點聚類，W最小二乘擬合直線段為初始主曲線，通過迭代 添加頂點和優(yōu)化頂點位置兩個過程確定各興趣點聚類的擬合主曲線，最后W擬合主曲線為 邊構建興趣點骨架圖；
[0019] 步驟5:利用興趣點聚類與道路鏈的匹配關系，尋找興趣點骨架圖與道路網(wǎng)骨架圖 的匹配控制點，進行興趣點與道路的精配準。
[0020] 所述步驟2的具體過程如下：
[0021] 步驟2.1，遍歷所有道路結點，選擇與道路結點連接的道路夾角之和最大的兩兩道 路連接組合，對連接的道路進行道路鏈編號；
[0022] 步驟2.2,將道路鏈編號相同的道路進行首尾連接，得到初始單線道路鏈；
[0023] 步驟2.3,構建單線道路鏈的40米緩沖區(qū)，計算與緩沖區(qū)內(nèi)鄰近道路鏈的角度差異 和長度比值，將角度差異和長度比值在給定闊值范圍內(nèi)的道路鏈識別為平行道路鏈，對各 組平行道路鏈構建40米緩沖多邊形，提取緩沖多邊形的中屯、線，簡化原有平行道路鏈；
[0024] 步驟2.4，在簡化后的中屯、線道路鏈與其他鄰近道路鏈在相交處打斷，相交處的結 點添加到道路結點集合;遍歷與簡化前平行道路鏈相連接的道路鏈，判斷與簡化后中屯、線 道路鏈是否連接，若連接，則刪除懸掛邊，若不連接，則延長中屯、線道路鏈使之連接。
[0025] 所述步驟3的具體過程如下：
[0026] 步驟3.1，計算興趣點與道路鏈的投影矢量興趣點Pi到道路鏈&的投影點 PJ'與W構成的矢量，初始化k化為道路鏈條數(shù))個聚類及其中屯、cj，聚類參數(shù)λοΚ及分配矩 陣叫；
[0027] k個聚類與步驟2提取的k條道路鏈對應；
[002引步驟3.2,將每個興趣點劃分至最鄰近道路鏈，興趣點與道路鏈的鄰近程度由兩者 的投影矢量與道路鏈對應聚類中屯、的歐氏距離計算得到：I xu-cj I，若該值最小，則uu = 1;
[0029] 步驟3.3,按照下式重新計算各道路鏈對應的聚類中屯、C神日聚類參數(shù)λ:
[0030]
[00川其中，Uij為分配函數(shù)，叫=1表示興趣點Pi分配到道路鏈Sj，iHj = 0表示Pi不分配到 Sj，m為興趣點個數(shù)；
[0032] 步驟3.4，重新將各興趣點劃分至最鄰近的道路鏈或空道路鏈；
[0033] 對興趣點pi，若其與最鄰近道路鏈&的聚類中屯、的歐氏距離I XI廣CjI小于聚類參數(shù) 入，則該興趣點將被劃分至道路鏈&，即uu = l，否則被劃分至空道路鏈，即ι?υ = 0〇' = 1··Α;
[0034] 步驟3.5，重復步驟3.3和3.4，重新計算聚類中屯、和重新分配興趣點，直到兩次迭 代間聚類中屯、的變化量小于給定闊值。迭代后，根據(jù)分配矩陣UU將所有興趣點劃分至k條道 路鏈或空道路鏈。
[0035] 所述步驟4的具體過程如下：
[0036] 步驟4.1:通過步驟3的分配函數(shù)UU得到與道路鏈對應的k個興趣點聚類，逐一遍歷 各興趣點聚類PS={pr-pq}，q為該聚類中興趣點個數(shù)，通過最小二乘擬合將聚類中興趣點 擬合成直線段，W擬合直線段為該聚類的主曲線的初始值f，f={vr··V?！ぁvn}，VJ為f的頂 點，vn為頂點個數(shù)，此時vn = 2;
[0037] 步驟4.2:將聚類PS中所有興趣點投影到f的頂點V域邊VW+1上，選擇投影點個數(shù) 最多的邊，計算該邊的中點，并將計算得到的中點添加到主曲線f中，此時vn = vn+l;
[003引步驟4.3:利用梯度下降法，^主曲線中每個頂點乂^^' = 1...乂11)的局部懲罰誤差 函數(shù)最小為目標逐一優(yōu)化主曲線f的各頂點位置；
[0039] 步驟4.4:重復步驟4.2和4.3,迭代添加新的頂點和優(yōu)化主曲線頂點位置，直到頂 點個數(shù)大于給定闊值，返回4.1擬合下一興趣點聚類，直到擬合完所有的興趣點聚類，獲得 興趣點骨架圖81?516扣11_口〇1 =陽|^' = 1。韋}龍為第*個興趣點聚類擬合得到的主曲線；
[0040] 所述步驟4.3中主曲線的頂點vパj = l...vn)的局部懲罰誤差函數(shù)如下：
[0041]
[0042] ① Aq(vj)為投影到頂點V域其鄰邊vrw，vw+i的興趣點到主曲線f的投影距離平 方和，計
[0043] 算公式為：
[0044]
[0045] 其中，Vj和Sj-i、Sj-汾別為投影到頂點vj和鄰邊Vj-iVj，VjVj+止的興趣點集合，d(pi, f)為興趣點Pi到f的投影距離；
[0046] ②化nalty(vj)為主曲線f本身的形狀懲罰因子，計算公式為：
[0047]
[004引其中，u(Vj) = [d(Vj,Vj-i)]2,JT(vj)=r2(l+c〇s 丫 j)，丫 j為主曲線f在頂點Vj處的夾 角，d(vj，vj-i)為頂點vj，vj-i的距離平方，r為聚類PS中所有興趣點到中屯、點的最大距離； [0049]③η為懲罰系數(shù)，計算公式為：
[(Κ)加 ]
[0051] 其中，Aq(f)為聚類PS中所有興趣點到主曲線f的投影距離平方的均值，no為初始 懲罰系數(shù)，設為0.4。
[0052] 所述步驟5的具體過程如下：
[0053] 步驟5.1，根據(jù)步驟3得到的興趣點聚類與道路鏈對應關系，確定道路和興趣點骨 架圖的對應交叉點；
[0054] 逐一遍歷道路骨架圖中所有道路鏈，尋找與之相交的道路鏈及其交點p=(xp，yp)， 確定與該道路鏈及相交道路鏈對應的興趣點骨架圖中的主曲線，計算運些主曲線的交點P' =(xp，，yp，），構成一對對應交叉點，其中P'為源控制點，P為目標控制點，相應位置偏差為 (dxp，dyp)，dxp = xp-xp'，dyp = yp-yp'，繼續(xù)尋找下一條相交道路鏈，直至Ij所有道路鏈均被遍 歷；
[0055] 步驟5.2, W道路骨架圖與興趣點骨架圖的對應交叉點作為同名控制點對，對同名 控制點對中的源控制點構建Ξ角網(wǎng)，每個興趣點將落在Ξ角網(wǎng)的某個Ξ角形中，則該興趣 點的位置偏差可通過Ξ角形Ξ個頂點所對應的位置偏差加權得到，權重由該興趣點到Ξ角 形Ξ個頂點的距離確定，根據(jù)各興趣點的位置偏差將興趣點糾正到原始目標道路網(wǎng)中，完 成精配準。
[0化6]有益效果
[0057]本發(fā)明提供了一種興趣點與道路網(wǎng)的自動配準方法，該方法充分利用興趣點和道 路網(wǎng)中道路的屬性相關性來糾正不同來源興趣點與道路網(wǎng)間的系統(tǒng)偏差;通過構建道路網(wǎng) 骨架圖和興趣點骨架圖，挖掘興趣點與道路網(wǎng)的幾何模式對應關系，將興趣點與道路間的 點與線的同名控制點識別問題轉換為骨架圖的匹配問題，基于骨架圖的交叉點匹配關系進 行不同來源興趣點與道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的位置偏差自動糾正。極大的提高了各空間數(shù)據(jù)的相對位 置精度，減少了人工干預，實現(xiàn)了興趣點與道路網(wǎng)的自動精準匹配。
【附圖說明】
[005引圖1為本發(fā)明實施例的流程示意圖；
[0059] 圖2為本發(fā)明實施例的粗配準過程示意圖；
[0060] 圖3為本發(fā)明實施例的單線道路鏈連接規(guī)則示意圖；
[0061 ]圖4為本發(fā)明實施例的平行道路鏈識別示意圖；
[0062] 圖5為本發(fā)明實施例的平行道路鏈簡化示意圖；
[0063] 圖6為本發(fā)明實施例的主曲線擬合示意圖；
[0064] 圖7為本發(fā)明實施例的匹配控制點確定示意圖；
[0065] 圖8為本發(fā)明實施例的興趣點位置偏差計算示意圖。
【具體實施方式】
[0066] 下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
[0067] 圖1為本發(fā)明實施例的興趣點與道路網(wǎng)自動配準流程，該發(fā)明實施例首先通過比 較兩份興趣點與道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的屬性信息，將興趣點粗配準至目標道路網(wǎng)；然后提取道路網(wǎng) 中的道路鏈模式，構建道路骨架圖（skeleton_road);之后通過基于劃分的空間聚類方法建 立興趣點與道路鏈的匹配關系，生成與道路鏈對應的興趣聚類;在此基礎上，提取興趣點聚 類的主曲線特征，構建興趣點骨架圖（skeleton_poi);最后基于興趣點聚類與道路鏈的匹 配關系，確定興趣點骨架圖與道路骨架圖的匹配控制點，建立幾何變換模型將興趣點準確 配準至目標路網(wǎng)中。
[0068] W下分步驟詳細說明實現(xiàn)過程。假設興趣點集合表達為P={pi|pi = (vi，addri， aii.'.ais)= ，道路集合表達為R= {rj |；Tj = (plinej，namej，bji...bjt)，j = l...n}，其中 點Vi和折線p 1 inej為興趣點與道路的幾何特征，道路間通過結點集N = {nh I ri η r j = nh，ri E Κ，；ΠΕΚ，1ι = 1···κ}連通，ad化功興趣點Pi的地址屬性，namej為道路rj的名稱屬性，ail與bji 等為除地址、道路名稱外的其他相關屬性，如興趣點類別，道路寬度等。
[0069] 本發(fā)明可W通過計算機軟件編程實現(xiàn)自動配準流程，本發(fā)明的具體配準過程如 下：
[0070] 步驟1，提取興趣點所在的道路信息，與道路網(wǎng)進行第一次配準；
[0071] 步驟1.1，統(tǒng)計道路數(shù)據(jù)的所有道路名稱，遍歷每一個道路名rn，按包含的道路名 稱rn將興趣點與道路劃分為--對應的不同集合set_poi = {pi I ? = 1···ηι，3(Μη n；rn = ;rn} 和set_road= (rj I j = l-..n,namej = rn}，其中set_poi與set_road通過道路名稱rn--對 應，即rn: set_joiwset_road。如圖2中，黑色和白色的圓點分別為兩個興趣點集合set_poi 1 和set_poi2。通過道路名稱rnl和;τη2，它們分別與道路集合set_;roadl和set_;road2--對 應。
[0072] 步驟1.2,通過最小二乘線性擬合將集合set_poi中的興趣點擬合為直線段line, poi，則直線段line_poi與興趣點集合set_poi對應的道路集合set_;road也--對應，即步 驟1.1得到①：scl_poi 一 sd,_r〇ad且步驟1.2直線段擬合得到②：setjjoi W化:6_|)姑，則可推 出③:set_road W Iinc_poi。如圖2中，兩條黑色和灰色的虛線分別為興趣點集合Set_po i 1和 set_poi2擬合的線段line_poil和line_poi2，它們與興趣點集合對應的道路集合set_ roadl和set_;road2也--對應，且具有相似的幾何形狀。
[0073] 步驟1.3,分別計算擬合的直線段及所對應道路的對應交叉點對，如圖2中，計算兩 條相交的直線段line_poil和line_poi2的交點P，同時計算其對應的道路集合set_;roadl和 set_road2的交叉點，若存在多個道路交叉點，取其中屯、點，如圖2中點P '，則對應交叉點對 (P，P'）構成一對控制點，同理尋找其他控制點對，建立仿射變換模型，求解變換參數(shù)，消除 興趣點與道路數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差。
[0074] 步驟2,提取道路鏈模式，根據(jù)連接道路間夾角提取單線道路鏈模式，通過中屯、線 生成算法將平行道路鏈簡化為單線道路鏈，得到k條道路鏈組成的道路骨架圖skeleton, road;
[0075] 步驟2.1，按與結點連接的道路條數(shù)從大到小逐一遍歷道路結點，計算與之連接的 兩兩道路夾角，選擇夾角大于給定闊值且兩兩連接夾角之和最大的連接組合，按該組合進 行道路鏈編號標識。
[0076] 步驟2.1.1，所有道路的道路鏈編號屬性stroke id初始化為-1，設cu;rrent_id = 1〇
[0077] 步驟2.1.2,按與結點連接的道路條數(shù)從大到小遍歷道路結點，計算與之連接的兩 兩道路夾角，選擇道路夾角大于120°且兩兩夾角總和最大的連接組合。如遍歷圖3中道路結 點nq，計算兩兩道路連接夾角，如ri與Γ4的夾角α，選擇兩兩夾角之和最大的連接組合，即 (π,Γ4),(γ2,Γ5),(γ3,Γ6)〇
[007引步驟2.1.3，對最大連接組合中任一對連接道路(a，b)，按W下規(guī)則進行道路鏈編 號標識：
[00巧]若a與b的stroke id皆為-1，則a與b的stroke id皆賦為cu;rrent_id，cu;rrent_id 自加1;
[0080]若a與b的stroke id皆不為-1，分別為sa和sb，不妨設s_max=max(sa,sb)，s_min =min(sa,sb)，則將所有stroke id為s_min的道路修改為s_max;
[0081 ] 若a與b的stroke id有且僅有一個為-1，不妨設a的stroke id為-l，b的stroke id 為sb，則將a的stroke id賦為sb。
[0082] 步驟2.2,將步驟2.1生成的具有相同編號的道路進行首尾連接，生成初始單線道 路鏈。
[0083] 步驟2.2.1，逐一遍歷所有道路，如r，判斷其是否已經(jīng)生成道路鏈，若生成則繼續(xù) 遍歷下一道路，否則，初始化隊列Q，添加 r到隊列Q，Wr為初始道路鏈S，轉步驟2.2.2。
[0084] 步驟2.2.2,彈出隊列Q的當前元素 q，尋找與q連接的鄰接道路中具有相同編號的 未連接道路next_;r，連接S與next_;r得到新的道路鏈S，添加 next_;r到隊列Q中。如此不斷遍 歷隊列Q中的元素，直到Q中元素為空，返回步驟2.2.1遍歷下一條道路。
[0085] 按步驟2.1和2.2提取的道路鏈中存在平行多車道形式道路鏈模式，執(zhí)行步驟2.3 對平行道路鏈進行識別和簡化。
[0086] 步驟2.3,構建單線道路鏈的40米緩沖區(qū)，計算與緩沖區(qū)內(nèi)鄰近道路鏈的角度差異 和長度比值，將角度差異和長度比值在給定闊值范圍內(nèi)的道路鏈識別為平行道路鏈，對各 組平行道路鏈構建40米緩沖多邊形，提取緩沖多邊形的中屯、線，簡化原有平行道路鏈；
[0087] 步驟2.3.1，對步驟2.1和2.2生成的單線道路鏈，按道路鏈長度從大到小逐一遍 歷，如Si。W40米為半徑建立緩沖區(qū)，捜索Si鄰近的道路鏈，如Pj。如圖4所示，若Pr落在Si緩沖 區(qū)內(nèi)的長度1 與Si，Pj本身長度h，l2 滿足① l/min{h，l2}〉0.8;@l/max{h，l2}〉0.2;@S^ Pj的角度差異θ<30%則門為Si的平行道路鏈。按此規(guī)則選取與Si平行的道路鏈。
[0088] 步驟2.3.2，構建與Si平行的道路鏈的40米緩沖區(qū)多邊形，對該緩沖多邊形的所有 頂點構建Delaunays角網(wǎng)，根據(jù)鄰近Ξ角形個數(shù)，將所有Ξ角形分為Ξ種類型。如圖5所示， I型Ξ角形僅與一個Ξ角形相鄰，具有1條公共邊；II型Ξ角形與兩個Ξ角形相鄰，具有2條 公共邊;III型Ξ角形與Ξ個Ξ角形相鄰，具有Ξ條公共邊。
[0089] 步驟2.3.3,對步驟2.3.2得到的Ξ種類型的Ξ角形按W下規(guī)則進行連接，得到該 緩沖區(qū)多邊形的中屯、線。如圖5所示，對I型Ξ角形，連接唯一的公共邊中點與公共邊所對的 Ξ角形頂點;對II型Ξ角形，連接兩條公共邊的中點;對III型Ξ角形，分別連接Ξ角形外屯、 與Ξ條公共邊的中點。按W上規(guī)則生成的多邊形中屯、線可能包含不止一條路徑，本發(fā)明選 取路徑最長的作為平行道路鏈的中屯、線，如圖5中粗黑線。
[0090] 步驟2.4,在簡化后的中屯、線道路鏈與鄰近道路鏈在相交處打斷，相交處的結點添 加到道路結點集合;遍歷與簡化前平行道路鏈連接的道路鏈，判斷與簡化后中屯、線道路鏈 是否連接，若連接，則刪除懸掛邊，若不連接，則延長中屯、線道路鏈使之連接。
[0091 ]步驟2.4.1，對簡化后的中屯、線道路鏈與鄰近道路鏈在相交處進行一一打斷，相交 處的交叉點添加到道路結點集合。
[0092] 步驟2.4.2,遍歷與簡化前平行道路鏈連接的道路鏈，若該道路鏈與簡化后的中屯、 線道路鏈連接，則去除懸掛邊;若與簡化后的中屯、線道路鏈不連接，則延長末節(jié)點至中屯、線 道路鏈。
[0093] 步驟3,興趣點與道路鏈匹配，利用基于劃分的空間聚類將興趣點劃分至不同聚 類，生成k個興趣點聚類與k條道路鏈對應，剩余興趣點與空道路鏈對應；
[0094] 步驟3.1，計算興趣點與道路鏈的投影矢量，初始化k個聚類、聚類中屯、和聚類參 數(shù)。首先計算興趣點與道路鏈的投影矢量XU，設Pi'為興趣點Pi到100米范圍內(nèi)的鄰近道路 鏈&的投影點，貝販影矢量XI柳為投影點pi'與興趣點P速成的矢量，然后初始化k個聚類中 屯、為cj = (0，0)，j = 1 · · 'k，設定聚類參數(shù)λ〇 = 1.5，初始化分配矩陣lUj = 0，i = 1 · ·'m，j = 1 · · · k，m為興趣點個數(shù)，k為步驟2生成的道路鏈條數(shù)。
[00%]步驟3.2,按公式（1)將所有興趣點劃分至最鄰近的道路鏈，使投影矢量與聚類中 屯、的歐氏距離最小，分配矩陣中uu = l表示將第i個興趣點劃分至第j條道路鏈，否則uij = 0。
[0096]
(1)
[0097] 步驟3.3,按公式(2)重新計算聚類中屯、和聚類參數(shù)。
[009引
（2；
[0099] 步驟3.4,將所有興趣點重新分配至最鄰近的道路鏈或空道路鏈。對某一興趣點Pi 與最鄰近道路鏈&，若滿足I W-Cj I小于聚類參數(shù)λ，則該興趣點將被重新劃分至道路鏈Sj， 否則，該興趣點將重新匹配至空道路鏈。
[0100] 步驟3.5,如此重復執(zhí)行步驟3.3和3.4,直到兩次迭代期間所有聚類中屯、的變化量 cb+i>-cW|皆小于給定闊值。迭代結束后，根據(jù)分配矩陣UU可確定每條道路鏈對應的興趣 點聚類為{pi |uij = l= ，j = l...k。
[0101] 步驟4,主曲線擬合，將步驟3得到的與道路鏈對應的興趣點聚類中的興趣點分別 擬合為主曲線，運樣每個興趣點聚類擬合的主曲線也與道路鏈一一對應，并構成興趣點骨 架圖skeleton_poi;
[0102] 步驟4.1，初始化主曲線，逐一遍歷步驟3得到的k個興趣點聚類，不妨設遍歷某一 興趣點聚類為PS={pr-pq}，該聚類包含q個興趣點，利用最小二乘算法將PS中興趣點擬合 為直線段，W擬合直線段為興趣點聚類PS的主曲線的初始值，f={vr··V?！ぁvn}，V功f的頂 點，vn為頂點個數(shù)，此時vn = 2。
[0103] 步驟4.2,添加新的頂點到主曲線f，將所有興趣點投影到主曲線f的頂點或邊上， 選擇投影點個數(shù)最多的線段，計算其中點，添加到f中，此時vn = vn+1。
[0104] 步驟4.2.1，按公式(3)將PS中的所有興趣點投影至f的各邊sfvw+i和頂點vj，其 中d(pi，vj)表示興趣點Pi到頂點vj的歐氏距離，d(pi，sj)或d(pi，f)分別表示該點到邊sj或主 曲線f的投影距離，Vj表示投影到主曲線f的頂點vj上的興趣點集合，&表示投影到主曲線f 的邊Sj上的興趣點集合。
[0105]
(3)
[0106] 若興趣點Pi到f的投影距離等于該點到主曲線f的頂點Vj的歐氏距離，則興趣點Pi 添加到集合Vj，如圖6中興趣點Pb。
[0107] 若興趣點Pi到f的投影距離等于該點到主曲線f的邊Sj的投影距離，則興趣點Pi添 加到集合Sj，如圖6中興趣點Pa。
[010引步驟4.2.2,對主曲線f中的vn-1條邊，選擇投影的興趣點個數(shù)最多（即|Sj|最大） 的邊Sj = VjVj+i，計算Sj的中點V，將V添加至化中，此時vn = vn+l。
[0109] 步驟4.3，優(yōu)化主曲線f的各頂點vパj = l…vn)，使局部懲罰誤差最小。
[0110] 步驟4.3.1，逐一遍歷主曲線f的各頂點，如Vj。按公式(4)計算頂點Vj處的局部懲罰 誤差目標函數(shù)。
[0111]
^4)
[01切其中，往
，(1(91，門為興趣點91到主曲線巧勺投影距離， Sj-i，&和￥汾別為投影到主曲線f的邊vwvj，VW+謝頂點V撕興趣點集合(見步驟4.2.1)。
[0113] ②Penalty(vj)為f本身的形狀懲罰因子，按公式（5)計算得到，其中，u(vj) = [d (Vj，Vj-l)]2,JT(Vj)=r2(l+c〇S 丫 j)，丫 j為f在頂點Vj處的夾角，d(Vi，Vj-l)為主曲線f 中頂點Vi 和Vj-1間距離。
[0114]
巧）
[011引③η為懲罰系數(shù)，巧=端礦"31，A q(f)為PS中各點至Ijf的投影距離平 方的均值，η日設為0.4。
[0116] 步驟4.3.2,采用梯度下降法迭代尋求各頂點的局部懲罰誤差函數(shù)Gq(vj)最小來優(yōu) 化該頂點V北勺位置。返回步驟4.3.1繼續(xù)遍歷和優(yōu)化下一頂點VW，直到所有頂點皆已優(yōu)化。
[0117] 步驟4.4,重復步驟4.2和4.3不斷添加新的頂點和優(yōu)化各頂點位置，直到主曲線頂 點個數(shù)大于給定闊值(本發(fā)明設為30)。返回步驟4.1遍歷下一興趣點聚類，直到k個興趣聚 類皆被擬合為主曲線，構成興趣點骨架圖sekleton_poi = {ft I ^' = 1··Α}，ft為第t個興趣點 聚類擬合得到的主曲線。
[0118] 步驟5,根據(jù)步驟3建立的興趣點聚類與道路鏈的匹配關系，提取道路骨架圖 skeleton_;road與興趣點骨架圖sekleton_poi的對應交叉點，進行興趣點與道路網(wǎng)的精配 準。
[0119] 步驟5.1，根據(jù)步驟3得到的興趣點聚類與道路鏈對應關系，確定道路和興趣點骨 架圖的對應交叉點。具體地，逐一遍歷所有道路鏈，尋找與之相交的道路鏈及其交點p = (xp，yp)，確定與該道路鏈及相交道路鏈對應的興趣點主曲線，計算運些主曲線的交點P' = (xp'，yp'），構成一對對應交叉點，計算該對應交叉點的位置偏差(dxp，dyp)，dxp = xp-xp'，dyp =yp-yp'。如圖7所示，道路鏈Si與對應的興趣點聚類所擬合的主曲線fi也對應，同樣地，S2與 f2，S3與f3也一一對應。我們尋找Si與S3的交點p，fl與f3的交點P'，兩者構成一對對應交叉點 (P，P'），同樣可W確定S2與S3的交點q，f2與f3的交點q'，構成另一對對應交叉點（q，q'）。按 W上規(guī)則依次繼續(xù)尋找興趣點骨架圖與道路骨架圖的對應交叉點。
[0120] 步驟5.2, W道路骨架圖與興趣點骨架圖的對應交叉點作為同名控制點對(如(P, P'）中P為目標控制點，P'為源控制點），對所有源控制點構建控制Ξ角網(wǎng)，每個興趣點將落 在Ξ角網(wǎng)的某個Ξ角形中，則該興趣點的位置偏差可通過Ξ角形Ξ個頂點所對應的位置偏 差加權得到，根據(jù)各興趣點的位置偏差將興趣點糾正到原始目標道路網(wǎng)中。
[0121] 為便于理解本發(fā)明實施過程，下面舉例說明幾何精配準過程。如圖8中，興趣點P落 在控制Ξ角網(wǎng)的某個Ξ角形，其位置偏差(dx，dy)通過Ξ角形Ξ個頂點對應的目標控制點 與源控制點的位置偏差加權得到，本發(fā)明可采用面積加權和反距離加權兩種方法，W此位 置偏差進一步將興趣點糾正到相應位置。
[0122] W上所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域 的技術人員在不脫離本發(fā)明實施例所述原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些 改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種興趣點與道路網(wǎng)的自動配準方法，其特征在于:該方法包括以下步驟， 步驟1:提取興趣點所在的道路信息，與道路網(wǎng)進行第一次配準； 提取興趣點地址屬性中包含的道路信息，與道路網(wǎng)中道路信息進行判斷，確認道路兩 邊關聯(lián)的興趣點，消除興趣點與道路網(wǎng)的系統(tǒng)誤差； 步驟2:識別道路網(wǎng)中道路鏈，構建道路骨架圖； 道路網(wǎng)中方向連續(xù)道路相互連接構成道路鏈，按道路連接夾角之和最大生成單線道路 鏈，通過構建緩沖區(qū)識別和簡化平行道路鏈，最后以單線道路鏈和平行道路鏈簡化結果為 邊，構建道路骨架圖； 步驟3:將興趣點與道路骨架圖中的道路鏈進行匹配； 利用基于劃分的空間聚類方法，根據(jù)興趣點到鄰近道路鏈的投影矢量，將興趣點劃分 至不同的道路鏈或空道路鏈，建立興趣點與道路鏈對應關系； 步驟4:擬合興趣點聚類的主曲線，構建興趣點骨架圖； 對任一興趣點聚類，以最小二乘擬合直線段為初始主曲線，通過迭代添加頂點和優(yōu)化 頂點位置兩個過程確定任一興趣點聚類的擬合主曲線，最后以擬合主曲線為邊，構建興趣 點骨架圖； 步驟5:利用步驟3確定的興趣點與道路鏈匹配關系，尋找興趣點骨架圖與道路網(wǎng)骨架 圖的匹配控制點，進行興趣點與道路的精配準。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2的具體過程如下： 步驟2.1，遍歷所有道路結點，選擇與道路結點連接的道路夾角之和最大的兩兩道路連 接組合，對連接的道路進行道路鏈編號； 步驟2.2，將道路鏈編號相同的道路進行首尾連接，得到初始單線道路鏈； 步驟2.3,構建單線道路鏈的40米緩沖區(qū)，計算與緩沖區(qū)內(nèi)鄰近道路鏈的角度差異和長 度比值，將角度差異和長度比值在給定閾值范圍內(nèi)的道路鏈識別為平行道路鏈，對各組平 行道路鏈構建緩沖區(qū)多邊形，提取緩沖區(qū)多邊形的中心線，簡化原有平行道路鏈； 步驟2.4,在簡化后的中心線道路鏈與鄰近道路鏈在相交處打斷，相交處的結點添加到 道路結點集合;遍歷簡化前道路鏈連接的道路鏈，判斷與簡化后中心線道路鏈是否連接，若 連接，則刪除懸掛邊，若不連接，則延長中心線道路鏈使之連接。3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3的具體過程如下： 步驟3.1，計算興趣點與道路鏈的投影矢量X小Xlj為興趣點？1到道路鏈&的投影點p/與 構成的矢量，初始化k(k為道路鏈條數(shù))個聚類及其中心以=(0,0)，聚類參數(shù)λ〇=1.5以 及分配矩陣ι?υ = 0; k個聚類與步驟2提取的k條道路鏈對應； 步驟3.2,將每個興趣點劃分至最鄰近道路鏈，興趣點與道路鏈的鄰近程度由兩者的投 影矢量與道路鏈對應聚類中心的歐氏距離計算得到：I |，若該值最小，則ι?υ = 1; 步驟3.3,按照下式重新計算各道路鏈對應的聚類中心和聚類參數(shù)λ:其中，m溈分配函數(shù)，Ulj = l表示興趣點pi分配到道路鏈S^m產(chǎn)0表示?1不分配到Sj，m 為興趣點個數(shù)； 步驟3.4，重新將各興趣點劃分至最鄰近的道路鏈或空道路鏈； 對興趣，若其與最鄰近道路鏈&的聚類中心的歐氏距離| Xlj-Cj |小于聚類參數(shù)λ，則 該興趣點將被劃分至道路鏈&，即叫=1，否則被劃分至空道路鏈，即m尸0，j = 1'"k; 步驟3.5，重復步驟3.3和3.4，重新計算聚類中心和重新分配興趣點，每次迭代后，根據(jù) 分配矩陣將所有興趣點劃分至k條道路鏈或空道路鏈，直到兩次迭代間聚類中心的變化 量小于給定閾值。4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4的具體過程如下： 步驟4.1:通過步驟3的分配函數(shù)1?得到與道路鏈對應的k個興趣點聚類，逐一遍歷各興 趣點聚類PS={pr^pq}，q為該聚類中興趣點個數(shù)，通過最小二乘擬合將聚類中興趣點擬合 成直線段，以擬合直線段為該興趣點聚類的主曲線f，f = {νι···νΓ··ννη}，vj為f的頂點，vn為 頂點個數(shù)，此時vn = 2; 步驟4.2:將所有興趣點投影到f的頂點或邊VjVj+1上，選擇投影點個數(shù)最多的邊，計算 該邊的中點，并將計算得到的中點添加到主曲線f中，此時vn = vn+1; 步驟4.3:利用梯度下降法，以主曲線中每個頂點的局部懲罰誤差函數(shù)最小為目標逐 一優(yōu)化主曲線f的各頂點位置； 步驟4.4:重復步驟4.2和4.3,迭代添加新的頂點和優(yōu)化主曲線頂點位置，直到頂點個 數(shù)大于給定閾值，返回4.1擬合下一興趣點聚類，直到擬合完所有的興趣點聚類，獲得興趣 點骨架圖skeleton_poi = {ft |」= 1···1?}，ft為第t個興趣點聚類擬合得到的主曲線。5. 根據(jù)權利要求4任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟4.3中主曲線f中頂點^的 局部懲罰誤差函數(shù)如下：① q為興趣點聚類PS中包含的興趣點個數(shù)，為投影到頂點^或其鄰邊 的興趣點到主曲線f的投影距離平方和，計算公式為：其中，Vj和Sj-i、Sj-i分別為投影到頂點Vj和鄰邊Vj-iVj，VjVj+i上的興趣點集合，d(pi，f)為 興趣點pjl」f的投影距離； ② Penalty (Vj)為f本身的形狀懲罰因子，計算公式為：其中，u(vj) = [d(vj，vj-i)]2,3i(vj)=r2(l+cos γ j)，γ j為主曲線f在頂點vj處的夾角，d (Vj，vh)為頂點的距離平方，r為聚類PS中所有興趣點到中心點的最大距離； ③ η為懲罰系數(shù)，計算公式為：其中，A q(f)為聚類PS中所有興趣點到f的投影距離平方的均值，％為初始懲罰系數(shù)，設 為 0.4。6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5的具體過程如下： 步驟5.1，根據(jù)步驟3得到的興趣點聚類與道路鏈對應關系，確定道路和興趣點骨架圖 的對應交叉點； 逐一遍歷所有道路鏈，尋找與之相交的道路鏈及其交點p= (xP，yP)，確定與該道路鏈及 相交道路鏈對應的興趣點主曲線，計算主曲線的交點P' =(xp'，yP，），構成一對對應交叉點， 其中P'為源控制點，P為目標控制點，相應位置偏差為(dx P，dyP)，dxP = xP-xP'，dyP = yP-yP'， 繼續(xù)尋找下一條相交道路鏈，直到所有道路鏈均被遍歷； 步驟5.2，以道路骨架圖與興趣點骨架圖的對應交叉點作為同名控制點對，對同名控制 點對中源控制點構建三角網(wǎng)，每個興趣點將落在三角網(wǎng)的某個三角形中，則該興趣點的位 置偏差可通過三角形三個頂點所對應的位置偏差加權得到，權重由該興趣點到三角形三個 頂點的距離確定，根據(jù)各興趣點的位置偏差將興趣點糾正到原始目標道路網(wǎng)中，完成精配 準。
【文檔編號】G06T7/00GK105825510SQ201610154747
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】張云菲, 鄧敏
【申請人】中南大學