路网拓扑重建专题 (1) 矢量路网获取

交通和城市研究中经常使用道路网络作为出图背景或研究对象，美观的出图和精细化的研究通常需要可编辑的矢量路网作为支撑。本基础专题（3篇小文章）将从当前矢量路网主流获取方法入手，结合个人科研经验推荐可行的路网拓扑重建方法，主要包括矢量路网获取和拓扑图生成两个步骤。

本文将首先分析矢量路网的基础获取方法，对大体过程进行示意性介绍。目前，基础矢量路网的获取主要有四种方法：基于遥感影像的道路网提取^[1]、卫星影像数字化^[2]、轨迹数据提取^[3]以及基于众源地理数据的提取^[4]。

基于遥感影像的道路信息提取深受遥感图像分辨率的影响^[5]。其自动提取主要针对遥感图像中道路的几何特征、灰度特征、拓扑特征、关联特征等进行图像处理，剔除非道路区域，保留道路区域，实现道路网信息的自动识别^[6]。但高分辨率遥感图像的获取需要一定的费用，图像处理算法技术门槛也较高。

图 1 测试遥感图像提取道路实验结果

卫星影像数字化是目前较为常用的方法。另外，许多城市规划图是由AutoCAD绘制，可将CAD文件中的各元素转换为GIS文件。

图 2 卫星地图数字化

由轨迹数据提取，以充足的出行轨迹数据为前提，一般需要根据轨迹点聚类探测交叉口，然后依据一定条件确定道路的存在^{[7, 8]}。一般基于出租车轨迹数据^[3]和步行轨迹数据^[9]进行提取。

图 3 基于轨迹数据的路网提取过程

众源地理数据是由大量非专业人员志愿获取并通过互联网向大众或相关机构提供的一种开放地理空间数据^[10]。OpenStreetMap（简称OSM，http://www.openstreetmap.org）是一个网上地图协作计划，目标是创造一个内容自由且能让所有人编辑的世界地图。有众源地理数据质量研究^[11]，指出通过OpenStreetMap Toolbox可以将OSM网站下载的地图文件导入至ArcGIS中进行编辑与分析。也有基于java开发的可编辑OSM数据的JOSM软件。目前有OSM与卫星地图合成^[4]的研究，也需要和图形识别算法结合合成路网。但其提供的原始路网为互联网用户自发绘制，所以存在误差、错误甚至存在较多地区没有路网的情况。最近Boeing的研究指出，与实际路网相比开源数据存在更多的人工中断点，会造成交叉口数量被高估、平均路段长度被低估、连通性不合理表达等误差^[12]。

图 4 某电子地图下载器界面

本文首先分析了矢量路网的基础获取方法，对大体过程进行了示意性介绍。接下来将结合个人科研经验推荐可行的路网拓扑重建方法，主要包括非精细化研究的矢量路网提取方法、路网拓扑图生成两篇小文章。

参考文献

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