基于屬性匹配及空間位置約束的橋梁變更表生成方法

袁勝古，盛光曉，鄧曾，徐昊，李迪龍，孫曦，孫曉月

(1.中國交通通信信息中心，北京 100011； 2.國交空間信息技術(北京)有限公司，北京 100011；3.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079)

1 引 言

隨著中國路網的逐步完善，大面積的公路建設時期成為過去時，養(yǎng)護與管理將是現(xiàn)在式與將來的核心[1]。統(tǒng)計管理是公路養(yǎng)護管理的一種方法，具有高效和低成本的特點。統(tǒng)計方法主要是對實際數(shù)據(jù)進行收集，基于統(tǒng)計學進行分析和研究，進而發(fā)現(xiàn)和解決問題。統(tǒng)計管理方法具有較強靈活性和廣泛性，能有效提高決策質量和控制成本、預防問題出現(xiàn)等作用。相關資料顯示，全國公路養(yǎng)護里程將接近500萬千米，養(yǎng)護比例達97.6%。公路養(yǎng)護管理工作進入周期性高峰期，公路養(yǎng)護投資成本非常大，工程量多且施工進度慢。在公路養(yǎng)護管理中應用統(tǒng)計方法對相關資料進行分析和指導已經顯得非常必要[2～7]。

為準確和全面了解全國公路基本情況，滿足各級政府及交通管理部門制定行業(yè)政策和發(fā)展規(guī)劃需要，需加強公路行業(yè)管理和公眾出行信息服務工作，根據(jù)《中華人民共和國統(tǒng)計法》、《中華人民共和國公路法》有關規(guī)定，制定了公路養(yǎng)護統(tǒng)計報表制度。此報表制度中所有報表均為年報，年報調查截止日期為統(tǒng)計年度的12月31日，報部截止日期為次年的1月31日[8]。橋梁變更表目前還不在《公路養(yǎng)護統(tǒng)計報表制度》中，但是每年公路養(yǎng)護年報報送過程中，都要求上報橋梁變更表。橋梁是重要的公路基礎設施，其安全關系到整個公路交通的安全，截至2016年底，中國已經建成公路橋梁約80.53萬座，隨著時間推移，橋梁結構會出現(xiàn)不同程度的損傷和病害，需要定期進行檢測和維護，會造成橋梁相應屬性的變化。橋梁變更表反映的是橋梁狀況每年的變更情況，橋梁變更表的上報有利于交通運輸部及時掌握橋梁的變更信息和橋梁最新的狀態(tài)，及時對全國的橋梁總體情況進行相關評估[9]。傳統(tǒng)的橋梁變更表一般是以人工核查方式進行，效率比較低，對于非路網調整年，其工作量比較小，人工核查方式可滿足需求；但對于路網調整年，由于橋梁變更的數(shù)據(jù)量比較大，傳統(tǒng)人工核查方式的橋梁變更表生成方法不能滿足實際需求。

為此，本文提出一種基于屬性匹配及空間位置約束的橋梁變更表生成方法，此方法的核心是不同年份橋梁數(shù)據(jù)的精確匹配。此方法首先進行空間位置約束，從而確定待匹配的候選橋梁，然后在候選橋梁中進行屬性匹配，并對匹配結果的可靠性進行評分形成匹配可靠性評價，最后根據(jù)交通運輸部對變更表的格式要求生成最終的橋梁變更表。

2 原理及方法

橋梁變更表的核心是確定不同年份橋梁的匹配關系。在實際工作中，特別是在路網調整年，由于路線編碼調整及路段序列號的調整，兩個年份的橋梁編碼會發(fā)生變化，根據(jù)公路領域國家標準，橋梁編碼組成格式為：所屬路段編碼+L+橋梁序列號，其中L為公路系統(tǒng)中橋梁編碼中專有標識，由于橋梁編碼為公路基礎數(shù)據(jù)系統(tǒng)中橋梁的唯一標識，因此，在路網調整年，直接基于橋梁編碼很難將兩年橋梁進行對應。為此，本文提出一種基于屬性匹配及空間位置約束的橋梁變更表生成方法，方法流程圖如圖1所示。

圖1 本文提出的橋梁變更表生成方法流程圖

本文提出的橋梁變更表生成方法，首先以上年橋梁數(shù)據(jù)為基準數(shù)據(jù)，在當年橋梁數(shù)據(jù)中使用空間約束找備選的可能匹配橋梁，然后使用評分的機制，結合屬性匹配(橋梁編碼、橋梁名稱、建設單位名稱和通車日期)對兩年的橋梁進行匹配可靠性評價，最后按照相關要求生成最終的橋梁變更表。

2.1 空間約束匹配

橋梁變更表的關鍵是找到兩年橋梁之間的匹配關系，結合實際情況，能匹配上的橋梁一般兩者的距離大多會在一定的范圍內，基于此條件，為了提高匹配的效率并排除相關干擾因數(shù)，只對距離處于一定范圍的橋梁進行匹配。對于具體的橋梁尋找匹配橋梁時，直接通過計算兩者之間的距離來判斷其是否處于一定距離范圍內是最簡單直接的方法，但是其計算量極大，對于某省總量四萬多的橋梁，整個匹配過程就要花費十幾個小時。為了提高效率，本文使用C++中的Multiset數(shù)據(jù)類型來解決這一問題。

C++語言中，Multiset是Set庫中一個非常有用的類型，Set的含義是集合，它是一個有序的容器，里面的元素都已經做了排序，此數(shù)據(jù)類型支持插入、刪除、查找等操作。所有操作的時間復雜度都為Log(n)，效率比較高。Set和Multiset的區(qū)別是：Set插入的元素不能相同，但是Multiset可以相同，由于橋梁匹配存在非一對一的關系，本文選擇Multiset數(shù)據(jù)類型。

本文根據(jù)橋梁匹配需要用到的屬性及空間字段，構造了如圖2中的結構體Bridge，其中將橋梁的經度、緯度、橋梁編碼、橋梁名稱、建設單位名稱、通車日期和橋梁FID作為結構體中的元素。為了對Multiset中的Bridge實例進行排序，構造了兩個用于比較Bridge的類，如圖3所示，圖3(a)使用經度進行排序，圖3(b)使用緯度進行排序，由于公路基礎數(shù)據(jù)庫中的坐標系為WGS84坐標系，為了便于計算，將經度和緯度分別乘以100，再存儲于Multiset中，由于在赤道上1度約是 110 000 m，也就是距離小于 1 100 m的橋梁會被放到一個Multiset值中，利用其自動排序功能將距離在一定范圍的橋梁做了歸類，從而避免了耗時的距離計算或緩沖區(qū)分析運算，極大提高了橋梁匹配效率。圖4展示了分別以經度和緯度為比較構造的兩個類。

圖2 Bridge結構體源代碼

圖3 構造的兩個比較類

2.2 橋梁相似性評價

對橋梁進行空間約束后，需要結合橋梁屬性進行相似性評價對橋梁進行匹配，并對匹配的可靠性進行評分，滿分100分，分值越高表示其匹配的可靠性越高，具體的匹配屬性值及權重評分如表1所示，其中，若橋梁編碼相同，加20分；若橋梁名稱相同，加30分；若建設單位名稱相同，加10分，若通車日期相同，加10分，若是在空間約束范圍內，加30分。

匹配權值分配 表1

2.3 部分匹配結果人工核實

橋梁相似性評價后，對于得分較高的匹配，比如大于80分的匹配結果，可以認為其沒有問題，不需要進行人工核實。但是對于匹配評分較低匹配結果(例如小于80分)或存在多對一的情況，需要進行人工核實，確定正確的匹配關系。人工核實，需要疊加兩年的橋梁矢量圖層，對自動匹配可靠性較低和多對一的情況進行一一核實。對于特殊情況，還需要疊加合適遙感影像輔助核查。

2.4 變更表生成

部分匹配結果人工核實后，可以認為橋梁兩年的匹配關系已經精確地建立，接下來只需要按照此匹配關系生成橋梁變更表即可，根據(jù)交通運輸部對橋梁變更表的要求，按照固定格式生成橋梁變更表，橋梁變更表包含具體內容如表2所示：

橋梁變更表包含內容及說明 表2

其中對于變更類型，變更定義為兩年的橋梁能對應上，只是部分屬性數(shù)據(jù)發(fā)生變更；刪除定義為上一年有此座橋梁，但是今年未找到對應橋梁；新增定義為今年的橋梁在上一年橋梁數(shù)據(jù)中找不到對應的橋梁。變更原因分為具體五種情況，其中，變更分為橋梁編碼變更和重新調查后調整兩種情況；新增包括漏采，今年補采和新建兩種情況；刪除只有橋梁廢棄一種情況，變更原因根據(jù)實際情況進行具體填寫。

3 實驗結果及分析

使用某省兩年的橋梁數(shù)據(jù)作實驗，其中上年有 37 716座橋梁，當年有 38 117座橋梁，該省在當年進行了大規(guī)模的路網調整，大部分橋梁編碼發(fā)生了變化，單看橋梁名稱等屬性很難準確將兩年橋梁之間關系對應上，疊加兩年橋梁數(shù)據(jù)進行人工核查是最準確的方法，但是比較耗時，全省4萬多座橋梁，人工核對工作量非常大。使用本文方法，可以先進行兩年橋梁的自動匹配，并對匹配可靠性進行評分，按照不同的分值，匹配統(tǒng)計如表3所示：

匹配結果統(tǒng)計表 表3

由表3結果統(tǒng)計結果可知，上年的大部分橋梁都可以通過自動化匹配找到當年的橋梁，匹配比例高達75.81%，且其匹配分值在100分，對于這種情況不需要進行人工核查。對于如何認定多少分值可以不用人工核查，需結合實際要求、工作量與人力資源情況進行確認，本文建議選擇90分，人工核查的主要工作是核對匹配分值小于90分的匹配關系是否正確，尤其是對于存在非一對一的匹配關系，需要一一核對，對于特殊情況還需要結合遙感影像進行綜合判斷。圖5～圖9對于不同的分值分別選取典型的例子進行截圖，(a)圖為兩年橋梁疊加的效果圖，其中紅色大圓圈代表當年橋梁點位，黑色點和高亮點代表上年橋梁點位，紅色字體按照空格分別標記當年橋梁的相關屬性信息，依次為FID、橋梁編碼、橋梁名稱和匹配分值，黑色字體按照空格分別標記上年橋梁的相關屬性信息，依次為匹配上當年橋梁的FID、橋梁編碼、橋梁名稱和匹配分值；(b)圖是在(a)圖基礎上疊加遙感影像后的效果圖。圖5選取了一個匹配分值100的例子；圖6選取了一個匹配分值80的例子，可以判斷此匹配關系正確；圖7選取了一個匹配分值60的例子，可以判斷此匹配關系正確；圖8選取了一個匹配分值30的例子，可以判斷此匹配關系不正確，需要根據(jù)影像和周邊橋梁的情況選擇與其匹配的橋梁；圖9選取了一個匹配分值30的，且存在上年一個橋梁對應多個當年橋梁的例子，圖中顯示當年FID為33831、33832、33833、33834的4座橋梁都對應上年此座橋梁。

圖5匹配分值為100示意圖

圖6 匹配分值為80示意圖

圖7 匹配分值為60示意圖

圖8 匹配分值為30示意圖

圖9 存在非一對一匹配關系示意圖

經過自動匹配和人工核查確定兩年橋梁的準確匹配關系后，根據(jù)對橋梁變更表的相關要求，生成最終的橋梁變更表，圖10為最終生成的橋梁變更表部分截圖。

圖10生成的橋梁變更表

4 結 論

綜上所述，基于屬性匹配及空間位置約束的橋梁變更表生成方法，充分利用部分相對穩(wěn)定的橋梁屬性與空間位置約束對兩年橋梁數(shù)據(jù)進行匹配并評價匹配的可靠性，最后對可靠性評價較低的橋梁進行人工核查，在盡量減少人工核實的前提下提高橋梁變更表的生成效率。本文提出的方法應用于省級橋梁變更表的快速生成，實際應用證明其能在保證準確性的前提下有效提高橋梁變更標的生成效率。本文系統(tǒng)需要少量的人工干預，下一步需要研究如何更進一步減少人工干預量，提高橋梁變更表的生成效率。