基于通過率信息的全地形矢量路網(wǎng)生成

趙芊　何楓　張舒　王曉玲

【 摘 要 】 論文以建立野外環(huán)境的數(shù)字路網(wǎng)為目的，提出了一種將多個對全地形或特種車輛的地表通行能力產(chǎn)生影響的地理圖層進(jìn)行疊加，從而得到地表通過率圖層，并在此基礎(chǔ)上生成野外矢量路網(wǎng)的方法。利用ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)了多個地理圖層的數(shù)據(jù)采集及處理、圖層疊加以及矢量路網(wǎng)的生成并可以渲染展示。最終的野外道路地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以用來為野外作業(yè)的全地形或特種車輛進(jìn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。

【 關(guān)鍵詞 】 全地形；矢量路網(wǎng)；圖層；ArcGIS Engine

【 Abstract 】 Aim to build a digital road network of the wild area， in this paper， a method by using a surface traffic capacity layer， which is generated by the overlap of multiple geographic layers that have influence on the surface traffic capacity of all-terrain vehicles or special vehicles， is proposed. With the use of ArcGIS Engine， the data collection and processing of multiple layers， the overlap of multiple layers， and the generation and rendering of vector road network， are realized. A data structure， which represents the road of wild area， is finally generated， and can be used for the route planning of the all-terrain vehicles or the special vehicles.

【 Keywords 】 all-terrain； vector road network； layer； arcgis engine

1 引言

近年來，全地形車輛以其良好的環(huán)境適應(yīng)能力和功能的多樣性，在軍事作戰(zhàn)、農(nóng)林作業(yè)、公安消防等領(lǐng)域正在被廣泛應(yīng)用。鑒于全地形車輛的應(yīng)用環(huán)境大多在野外復(fù)雜條件下，所處地形多變，地質(zhì)種類多樣，為了保證全地形車輛的有效工作，需要對車輛行駛路徑進(jìn)行規(guī)劃。而導(dǎo)航路徑的選取可以由陸地表面特征、道路可通行狀況等車輛所處環(huán)境信息所決定。

隨著我國智慧城市發(fā)展進(jìn)程的加快，各大中型城市已經(jīng)建成了用于反映城市道路和建筑信息的數(shù)字化地圖。而在諸如野外等惡劣環(huán)境下，也應(yīng)當(dāng)形成比較明確的數(shù)字化的道路路網(wǎng)信息。由此，當(dāng)全地形車輛或者其他特種車輛在野外行駛時，可以依靠此路網(wǎng)提供的導(dǎo)航信息，沿規(guī)劃路徑行駛。因此本文針對野外復(fù)雜地形，依托ArcGIS平臺，基于地理數(shù)據(jù)模型，將多個反映了地理空間信息，并且對車輛的通行情況產(chǎn)生影響的地理信息圖層進(jìn)行了疊加，從而生成車輛的通過率（代表地面的可通行性）圖層，并基于通過率圖層最終生成野外矢量路網(wǎng)，為野外路徑規(guī)劃和導(dǎo)航提供基礎(chǔ)支撐。

2 基于通過率信息的矢量路網(wǎng)生成方法

2.1 通過率圖層生成

2.1.1圖層通過率值估計

在GIS系統(tǒng)中，不同種類的地理信息是由不同圖層來保存的。其中，地表和地質(zhì)信息一般以矢量圖的方式。如水井、橋梁等等多以點(diǎn)（Point）這種矢量要素的形式存儲在矢量圖層中；另外一些如道路、水網(wǎng)等多以線（Polyline）這種矢量要素的形式存儲在矢量圖層中；而如地質(zhì)信息，植被覆蓋信息等多以多邊形（Polygon）這種矢量要素的形式存儲在矢量圖層中。其他一些信息則保存在柵格圖層中，如高程信息。

矢量圖層在保存某一類地理信息的同時又包含許多屬性。例如道路圖層，它的屬性包括道路等級、道路寬度、道路長度等，以此來存儲某條道路的全部信息。而對于某一屬性，會用不同的數(shù)值來描述其含義。如道路圖層中的道路等級屬性分別有1、2、3、4這四個取值，則道路等級，即道路質(zhì)量也由1～4來表示從高到低。

而為了得到某一圖層的通過率值，需要結(jié)合該矢量圖層的各屬性值并進(jìn)行估計，然后通過圖層的矢量向柵格轉(zhuǎn)化，來得到保存了通過率值的柵格圖層，以便用于后續(xù)進(jìn)行多柵格圖層的疊加。而對于某些類型的圖層，如反應(yīng)地形高程值的地理信息圖層等，其本身就是柵格圖層，因此可直接用于后續(xù)疊加計算，而不需要進(jìn)行圖層類型轉(zhuǎn)換。

本文中根據(jù)某一矢量圖層的不同屬性，對該圖層所反映的地面可通過率進(jìn)行了估計。也就是說，對于一個含有m個屬性的圖層，其通過率為這m個屬性分別在其值域范圍內(nèi)取得某一值后進(jìn)行組合的結(jié)果。這個結(jié)果，也就是通過率的估計值可以采用一個表的形式來描述。例如地質(zhì)圖層中的地質(zhì)類型屬性有1、2、3、4、5五個取值（分別表示石灰?guī)r地、耕地、沙地、細(xì)粒土壤及水沼），滲水性能屬性有1、10兩個取值（分別表示強(qiáng)和弱），則地質(zhì)圖層的通過率信息值將有10個取值。具體情況如圖1所示。

2.1.2柵格圖層疊加

為了使通過率圖層能夠全面反映各方面的地理因素，我們需要將多個圖層進(jìn)行疊加，從而將多個圖層的地面可通行能力進(jìn)行統(tǒng)一考慮。

在多個柵格圖層疊加為通過率圖層的過程中，可能出現(xiàn)通過率圖層某一格網(wǎng)中只存在一個柵格圖層的可通過率值的情況，則該格網(wǎng)的通過率值即為這一個柵格圖層的可通過率值。即通過率，其中為格網(wǎng)處某一柵格圖層的通過率值。而在很多情況下，會出現(xiàn)通過率圖層某一格網(wǎng)中包含了多個柵格圖層的可通過率值的情況，因此需要對該格網(wǎng)的通過率值進(jìn)行估計。

本文中對出現(xiàn)這一情況時的通過率值的估計提出了兩種方法。其一是對于疊加了m個柵格圖層得到的通過率圖層中的某一格網(wǎng)，其通過率值取m個圖層通過率值中的最小值，即通過率，其中為格網(wǎng)處某一柵格圖層的通過率值。其二是對于疊加了m個柵格圖層得到的通過率圖層中的某一格網(wǎng)，令其通過率值為m個圖層通過率值加權(quán)后的總和，即通過率，其中為格網(wǎng)處某一柵格圖層的通過率值，而為權(quán)值。通常情況下，權(quán)值為格網(wǎng)中第j個圖層所占面積的比重，即其中為格網(wǎng)中第j個圖層的面積，為整個格網(wǎng)的面積。若圖層所占面積發(fā)生重合的情況，則還需根據(jù)具體情況分配圖層所占比重。此外，選取還需要根據(jù)車輛自身屬性，如引擎、載重、輪胎等，視具體情況而定。

2.2 矢量路網(wǎng)生成

2.2.1柵格數(shù)據(jù)二值化

為了以通過率信息為基礎(chǔ)生成矢量路網(wǎng)，首先需要將通過率信息柵格圖層中的數(shù)據(jù)提取出來并進(jìn)行二值化。

由于通過率圖層包含了地圖上每一個格網(wǎng)的通過率信息，即用一個浮點(diǎn)數(shù)值來表示每個格網(wǎng)對于車輛的可通過程度，但這不能夠直觀的反映是否可作為行駛路徑，因此，采用二值化的方式，限定格網(wǎng)的通過率數(shù)值在大于0.1時為可通過狀態(tài)，置為1；限定格網(wǎng)的通過率數(shù)值在小于等于0.1時為不可通過狀態(tài)，置為0。由此得到一個可以用來進(jìn)行矢量路網(wǎng)生成的二值化的柵格圖層。而在精簡之前的通過率圖層同樣要保存下來，其中的通過率值可以作為本文最終生成的路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中邊的權(quán)值。

2.2.2基于通過率圖層的路網(wǎng)生成

將上一步得到的二值化后的柵格數(shù)據(jù)提取出來，并將這些數(shù)據(jù)以像素集為單位掃入數(shù)組中。像素集是指在二值化的柵格矩陣中，依次掃描數(shù)據(jù)的每一行，在掃描過程中，若遇到有若干個相鄰的值為1（假設(shè)可通過點(diǎn)值為1，不可通過點(diǎn)值為0）的像素，則將這若干個像素視為一個像素集（即像素的集合）。則水平方向的像素集用集合的形式可表示為：S={（x0，x1，y） | x0 ≤x≤x1，p（x，y）=1且p（x0 -1，y）=p（x1 +1，y）=0}，其中為像素的值。如圖2所示。

接下來對包含了全部像素集的數(shù)組進(jìn)行操作，以生成全體圖形要素數(shù)組。圖形要素是指根據(jù)上一階段得到的各像素集，以及它們之間的連通關(guān)系，從而將相鄰像素集連接起來形成的圖形（即像素集的集合）。方法是在二維柵格矩陣中以像素集為單位沿垂直方向搜索，尋找與當(dāng)前像素集相連接的其他像素集，像素集相連接的定義為：，或，或，或，其中，和，分別為1、2兩個像素集起始和終止坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值。如圖3所示。如果搜索到某一像素集，沿其垂直方向任意一側(cè)有一個以上的相鄰像素集時，即停止搜索。

然后是掃描全體圖形要素數(shù)組，將其中保存的圖形要素區(qū)分為直線、交點(diǎn)以及水平直線。依據(jù)的原則是首先在掃描某一圖形要素時，如果圖形要素所包含的某一像素集的寬度與相鄰像素集的寬度差值發(fā)生劇烈變化，那么可以認(rèn)為接下來的像素集將屬于水平直線，并將這樣的圖形要素標(biāo)記為水平直線。其次要區(qū)別出交點(diǎn)。首先交點(diǎn)一定不是水平直線，且如果該圖形要素的頭部或尾部有一個以上的相鄰像素集，可以認(rèn)為該圖形要素是交點(diǎn)。而剩下的圖形要素則為直線。如圖4所示。

最后，還需要提取這些直線、交點(diǎn)和水平直線，將其識別為基本的路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。若路網(wǎng)地圖，V表示路網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)集合，它包括所有的交點(diǎn)圖形要素，直線圖形要素中無鄰接圖形的一端，以及水平直線要素與其相鄰圖形的鄰接部分。E表示路網(wǎng)中的道路集合，它包括直線圖形要素以及水平直線圖形要素。如圖5所示。其中道路的權(quán)值，由通過率圖層中保存的道路各像素點(diǎn)通過率值求和得到。

3 算法驗(yàn)證

基于上述算法，利用ArcGIS Engine為平臺對算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。通過調(diào)用ArcGIS Engine提供的接口和用于空間分析的Spatial Analyst組件，采用模擬數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)一個通過多圖層疊加，以生成反映地面可通行性的通過率信息圖層，并對此圖層進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡、提取、處理，最終得到全地形矢量路網(wǎng)的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的主要功能包括：（1）模擬地理數(shù)據(jù)信息的讀取并顯示；（2）實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽、縮放、空間查詢、緩沖區(qū)分析、圖層渲染、矢量圖層轉(zhuǎn)換為柵格圖層等基本功能；（3）柵格圖層疊加；（4）實(shí)現(xiàn)柵格圖層數(shù)據(jù)的提取及處理，并生成矢量路網(wǎng)。

3.1 矢量圖層屬性融合

由于本文的目的是說明一種由各類地理信息圖層疊加從而生成路網(wǎng)信息的方法，因此反映地理信息的各圖層數(shù)據(jù)，為同一地理坐標(biāo)系下的模擬數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中選取了兩個矢量圖層，簡單道路圖層和地質(zhì)圖層；以及一個柵格圖層，高程圖層。

使用ArcGIS Engine提供的IFeatureClass、IFeature、IFieds、IFieldEdit、IClass等接口。首先使用IClass的AddField方法為矢量圖層添加通過率值作為新的屬性，其次使用IFeature的getValue方法讀取出原屬性的值，并根據(jù)如圖1所示的取值情況找到相應(yīng)的通過率值，最后使用IFieldEdit的setValue方法將值填寫進(jìn)矢量圖層屬性中。寫入矢量圖層后的結(jié)果如圖6所示。

3.2 柵格圖層疊加

使用ArcGIS中提供的RasterMathOps和RasterMapAlgebraOp對象，將柵格圖層進(jìn)行疊加。疊加過程如圖7、圖8所示。實(shí)驗(yàn)中對圖層左上角部分進(jìn)行了疊加，得到的結(jié)果如圖9所示，且不同的顏色表示不同的通過率值，顏色越深可通行性越高。

3.3 柵格圖層數(shù)據(jù)提取

柵格化的通過率圖層的通過率信息直接存儲于柵格格網(wǎng)中，讀取柵格格網(wǎng)值主要是通過IRaster接口的Read方法，在柵格上讀取指定位置的像素塊PixelBlock，然后再通過IPixelBlock接口的GetVal方法獲取該位置的像素值。

3.4 矢量路網(wǎng)生成

將提取出的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化，并采用上文提出的路網(wǎng)生成方法，將路網(wǎng)以圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，并在主界面中顯示出來。如圖10所示，紅線圈出部分為矢量化后的結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文提出了一種野外復(fù)雜地形環(huán)境下的矢量路網(wǎng)生成方法，通過綜合多個地理信息圖層形成通過率圖層，在此基礎(chǔ)上生成柵格路網(wǎng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為矢量路網(wǎng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示通過率圖層的疊加可以反映出實(shí)際的情況，一副地圖可通行和不可通行的地方被用不同的顏色渲染。基于通過率圖層得到的矢量路網(wǎng)也可以在地圖中顯示出來，全地形車輛的路徑規(guī)劃可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉南，劉仁義.地理信息系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] Won-Ik Park，Do-Jong Kim，Ho-Joo Lee. Terrain Trafficability Analysis for Autonomous Navigation： A GIS-based Approach[J].International Journal of Control， Automation， and Systems，2013，11（2）：354-361.

[3] 石暢.道路矢量地圖的生成及在WAP上的應(yīng)用[D].天津：南開大學(xué)，2000：1-37.

[4] 芮小平，于雪濤.基于C#語言的ArcGIS Engine開發(fā)基礎(chǔ)與技巧[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

作者簡介：

趙芊（1991-），男，碩士研究生；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：平臺軟件開發(fā)。

何楓（1984-），男，工程師；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)。

張舒（1989-），男，工程師；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：平臺軟件開發(fā)。

王曉玲（1970-），女，研究員；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：軟件工程。