王守芬

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道路交通轉(zhuǎn)彎標(biāo)注自動識別與生成技術(shù)研究

王守芬

上海市測繪院，上海 200000

道路交通轉(zhuǎn)彎限制信息在路徑規(guī)劃、導(dǎo)航以及地圖制圖等領(lǐng)域都有著重要的基礎(chǔ)作用。目前，交通行政部門提供的轉(zhuǎn)彎限制信息一般為Excel形式的表格數(shù)據(jù)，實際應(yīng)用中需要將表格數(shù)據(jù)匹配融合到對應(yīng)的空間道路上，傳統(tǒng)的人工比對及繪制的方式在生產(chǎn)效率以及數(shù)據(jù)的更新維護上都存在很大的局限性?；诖?，介紹了一種基于路口識別和矢量繪制的轉(zhuǎn)彎標(biāo)注生成技術(shù)，并通過Arc GIS提供的接口編寫程序工具實現(xiàn)了道路交通轉(zhuǎn)彎標(biāo)注的自動識別和自動生成。經(jīng)實驗，這種方法有效實用、效果理想，效率很高。

道路交通；轉(zhuǎn)彎標(biāo)注；自動識別；矢量繪制；Arc GIS

引言

道路交通是支撐社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是一座城市的命脈。交通信息的獲取和使用與每個人的生活息息相關(guān)，它描述了現(xiàn)實世界空間中特定尺度上有關(guān)交通地理實體的管制規(guī)則，是道路交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。目前，交通行政管理部門提供的交通限制信息一般為Excel格式的數(shù)據(jù)，在路徑規(guī)劃、導(dǎo)航算法以及地圖制圖等實際的應(yīng)用中，通常需要將這些表格交通信息與空間道路關(guān)聯(lián)，生成對應(yīng)的交通地理數(shù)據(jù)，基于此進行算法設(shè)計和制圖表達等。傳統(tǒng)的作業(yè)模式一般是結(jié)合已有的道路數(shù)據(jù)，通過人工判斷、匹配的方式進行道路交通地理數(shù)據(jù)的制作。一方面，人工判斷和制作的工作量大，效率有待提高；另一方面，數(shù)據(jù)的可重用性以及更新、維護等管理上都存在一定的局限性[1-3]。

因此，如何將采集的交通信息與矢量的道路數(shù)據(jù)進行空間的自動匹配和融合是一個關(guān)鍵問題。交通信息中轉(zhuǎn)彎限制信息的處理尤為復(fù)雜繁瑣，涉及路口位置的定位、路口形態(tài)的識別以及轉(zhuǎn)彎方向的判別等問題。本文以交通轉(zhuǎn)彎限制數(shù)據(jù)為目標(biāo)，通過研究轉(zhuǎn)彎標(biāo)注的識別和自動生成方法，識別和標(biāo)注禁止轉(zhuǎn)彎的交通限制信息，生成包含拓撲關(guān)系的交通轉(zhuǎn)彎空間數(shù)據(jù)，這些拓撲關(guān)系對于路徑規(guī)劃、導(dǎo)航算法、交通圖等禁止轉(zhuǎn)彎標(biāo)志的自動繪制以及相關(guān)專題圖的進一步符號化、可視化等應(yīng)用都具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)模型

本文所研究的道路交通轉(zhuǎn)彎標(biāo)注自動識別與生成技術(shù)，主要通過采集的道路路口的禁止轉(zhuǎn)彎交通信息和矢量道路數(shù)據(jù)，在對應(yīng)空間位置自動生成矢量轉(zhuǎn)彎標(biāo)注數(shù)據(jù)，涉及的數(shù)據(jù)主要包括交通數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和禁止轉(zhuǎn)彎模型。

目前，交通行政部門采集的交通表格數(shù)據(jù)涵蓋了禁止轉(zhuǎn)彎的起止道路名，禁止措施（如禁止左轉(zhuǎn)、禁止右轉(zhuǎn)、禁止掉頭、禁止直行等），禁止方向（如南向西，南向東，北向北，東向西等）和其他限制信息，如禁止轉(zhuǎn)彎的車輛類型，禁止轉(zhuǎn)彎的時間限制等。

本文采用矢量線來存儲實際的道路，對于雙向道路則抽象為雙線。相應(yīng)的路口便存在簡單路口和復(fù)合路口的情況。為了便于存儲和應(yīng)用，采用有向線存儲和標(biāo)繪道路交通禁止轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，轉(zhuǎn)彎線的具體設(shè)計如圖1和2所示：

圖1 簡單路口限制轉(zhuǎn)彎描畫

圖2 復(fù)合路口限制轉(zhuǎn)彎描畫

由于實際的道路情況復(fù)雜，存在單線、雙線和三線的情況，因此形成的路口形態(tài)也復(fù)雜多樣，本文對路口及轉(zhuǎn)彎模型進行總結(jié)和設(shè)計（圖3），這里以“南向西左轉(zhuǎn)”為例，存在的一般轉(zhuǎn)彎形態(tài)包括以下9種類型（圖4）：

圖3 路口模型識別流程設(shè)計

圖4 路口轉(zhuǎn)彎模型設(shè)計

2 算法思路

2.1 路口識別

路口識別包括位置匹配和模型識別。根據(jù)路名提取的同一條道路由很多段矢量線組成，因此路口位置匹配主要通過路段間的拓撲關(guān)系進行匹配計算。首先根據(jù)道路名字提取起止兩條道路的路段要素集，通過對各線段進行拓撲相交運算，得到路口處的路段要素和兩條道路的交點。對于路口模型的識別，這里主要通過依次匹配起止兩條道路空間形態(tài)的方式。由于道路空間形態(tài)復(fù)雜，為提高識別的準(zhǔn)確度，本文通過各線段之間的空間拓撲關(guān)系判斷，并在判斷的過程中采用不斷修正的方式，同時將異常判斷和過濾貫穿始終。首先，以其中一條道路段為基礎(chǔ)，通過拓撲相交運算，分別向兩側(cè)搜索相連的同名路段，依次連接。若不能串聯(lián)所有路段，那么能夠初步判斷道路非單線；如果所有路段能依次串聯(lián)，則繼續(xù)通過道路始末點距離與道路長度的比值以及交點個數(shù)來判斷道路是否為單線。初步判斷兩條道路的空間形態(tài)后，接下來就是路口模型的精準(zhǔn)匹配和修正的過程。對轉(zhuǎn)彎模型的各線段以及其與周圍線段之間的空間關(guān)系和拓撲關(guān)系依次判斷和核對，并進行特殊道路和異常數(shù)據(jù)的判斷，直至匹配到正確的轉(zhuǎn)彎模型。

2.2 矢量繪制

在繪制矢量轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)時，采用取點連線的方法，取點的方式如上圖1和2所示。首先在起始方向上取一點，然后依次在交點處以及兩個交點之間取點，最后再在終止方向上取一點。

由于實際道路情況的復(fù)雜性，除上述列出的9種常見路口模型外，還會存在很多特殊模型甚至是異常情況，如斷頭路等。因此，轉(zhuǎn)彎線的繪制主要采用模板匹配的方法，取點的過程中不斷判斷和匹配相應(yīng)的路口模型，按照對應(yīng)模型依次取點，并進行異常判斷，直至取點完成，對于未成功匹配的數(shù)據(jù)，返回異常原因。最后將自動識別和生成結(jié)果信息寫入文件，同時對識別和生成結(jié)果進行匯總統(tǒng)計。

同樣以“南向西”，“左轉(zhuǎn)”為例。通過判斷起止道路的空間狀態(tài)，如果存在單線，那么轉(zhuǎn)彎線的取點時從單線開始尋找，比如起始道路為單線，則從南側(cè)尋找；終止道路為單線，則從西側(cè)開始尋找。如果兩條道路都為非單線道路，則在主道路中尋找最東側(cè)路線（靠右行駛規(guī)則），再在最東側(cè)道路中從路口路段的南側(cè)開始取點。找到轉(zhuǎn)彎線的首點后，根據(jù)對應(yīng)路口模型不斷尋找交點和交點間的中點，直至找到轉(zhuǎn)彎線的尾點。路口匹配的過程中需要不斷判斷特殊路口形態(tài)和道路異常情況，返回異常原因，以保證轉(zhuǎn)彎路線的正確繪制[4]。

3 實驗與分析

為了驗證文中所提方法，選取2015年上海市交警總隊采集的交通信息Excel表格數(shù)據(jù)和上海市全市的道路數(shù)據(jù)，采用組件式GIS開發(fā)方式，以ArcGIS Engine+ visual studio為搭建環(huán)境，開發(fā)轉(zhuǎn)彎線自動標(biāo)注和生成工具。

首先指定要處理的交通信息表格數(shù)據(jù)，選取并加載道路數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)彎圖層空文件，通過匹配計算的過程，工具會在轉(zhuǎn)彎圖層上自動繪制生成禁止轉(zhuǎn)彎矢量線，同時寫入關(guān)聯(lián)的交通限制屬性信息。工具的界面和功能設(shè)計如圖5。

圖5 轉(zhuǎn)彎線繪制工具

工具對用戶指定的交通數(shù)據(jù)逐記錄與空間道路進行匹配。對于匹配成功的記錄，則在對應(yīng)路口處按前述轉(zhuǎn)彎線的設(shè)計取點，繪制對應(yīng)轉(zhuǎn)彎線；對未匹配成功的記錄，判斷異常原因，包括實際道路不存在、兩道路不存在相交關(guān)系、所給方向與實際路口不符的數(shù)據(jù)錯誤，以及特殊道路（如斷頭路、環(huán)狀路）等情況，便于作業(yè)人員有針對性地進行數(shù)據(jù)的進一步核實。處理完畢后，工具會對處理結(jié)果進行統(tǒng)計和匯總顯示。本實驗中，共處理交通信息記錄644條，成功匹配428條，其中特殊道路不超過32條，其余為數(shù)據(jù)因素，有待作業(yè)人員進一步檢核。

生成的轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)如圖6所示。其中粗線為根據(jù)前述轉(zhuǎn)彎線的設(shè)計而在相應(yīng)路口位置繪制的禁止轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線，同時，工具寫入和標(biāo)注了其屬性信息，實驗結(jié)果達到預(yù)期目標(biāo)。

圖6 禁止轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線繪制結(jié)果

4 結(jié)語

道路交通數(shù)據(jù)的有效表達和存儲在很大程度上關(guān)系著交通領(lǐng)域路徑規(guī)劃、導(dǎo)航、地圖制圖等其他方面的應(yīng)用和發(fā)展。傳統(tǒng)的基于人工比對和繪制的交通信息標(biāo)注是一項繁重的工作，尤其是在數(shù)據(jù)量大、工期要求緊的情況下。文中以基于路口的轉(zhuǎn)彎線設(shè)計模型為基礎(chǔ)，提出了一種基于路口識別定位和矢量繪制的轉(zhuǎn)彎標(biāo)注自動生成方法，并通過程序工具實現(xiàn)了這種算法。通過這種作業(yè)方法，完成了上海市2015年600多條道路禁轉(zhuǎn)交通數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)彎標(biāo)注自動識別和生成處理。在實際工作中，筆者將本方法與傳統(tǒng)方法進行了對比應(yīng)用。本方法的生產(chǎn)實施證明，以上的作業(yè)方法是切實可行的，既保證了作業(yè)的精度，又大幅提高了作業(yè)生產(chǎn)效率，縮短了數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期，結(jié)果可靠，實用性強，值得在道路、交通、規(guī)劃等相關(guān)部門推廣應(yīng)用。同時，文中的研究有利于交通數(shù)據(jù)的可視化、交互分析與共享，也對交通信息技術(shù)應(yīng)用、交通信息服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分析研究具有一定的促進作用[5-6]。

[1]譚峰.交通地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].湖南交通科技，2003（2）：109-110.

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[6]丘健妮，陳少沛.基于統(tǒng)一語義表達的交通地理數(shù)據(jù)特征模型[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2014（5）：248-252.

Research on Automatic Recognition and Generation of Road Traffic Marking

Wang Shoufen

Shanghai Surveying and Mapping Institute, Shanghai 200000

Road traffic turning restriction information plays an important role in path planning, navigation and cartography. At present, the turning traffic information provided by the administrative department of general table data in Excel form, the application will need to form data to the corresponding road space matching fusion, compared with the traditional artificial way and drawing has great limitations in production efficiency and data update and maintenance.This paper introduces a kind of intersection recognition and vector drawing turn based on label generation technology, and programming tools provided by ArcGIS interface to realize the automatic identification and automatic generation of road traffic marking the turn of the experiment this method is effective in practical, ideal effect, high efficiency.

road traffic; turn marking; automatic identification; vector rendering; Arc GIS

TP391.41

A

1009-6434（2017）02-0135-03