專利名稱：數字道路地圖自動生成滾球法的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字道路地圖自動生成滾球法，用于數字道路地圖開發，及GIS地理信息系統開發，屬于計算機信息圖象處理技術領域。
如何理解地像的地理信息并如何從中提取地圖數據的研究探索一直沒有中斷。在道路地圖識別方面，其主要研究包括D.Geman and B.Jedynak，(“AnActive Testing Model for Tracking Roads in Satellite Images”，IEEE Trans.PatternAnalysis and Machine Intelligence，vol.18，No.1，pp.1-14，1996.)和M.Barzoharand D.B.Cooper，(“Automatic Finding ofMain Roads in Aerial Images By UsingGeometric-Stochastic Models and Estimation”，IEEE Trans.Pattern Analysis andMachine Intelligence，vol.18，No.7，pp.707-721，1996.)。這些研究在某種程度上取得了成功并具有一定的理論價值，但其成果尚無法應用到數字地圖的實際生產過程。他們的局限性在于1)都對現實空間的地理模型作了特定的假設，限制了其方法的應用范圍。2)Geman和Baerohar的方法都只檢測地圖的主道路系統，如高速公路。實際上，城市道路網中的精細道路分支才是數字地圖的高密度地理信息部分。
為了適應地圖工業的實際需要，一些研究人員開始研發采用紙面地圖為原始數據的數字地圖自動生成系統。但是，由于數字道路地圖的不規則性和自動生成技術的復雜性，目前自動數字地圖生成技術僅限于房屋地圖，國際上目前尚未有實用的數字道路地圖自動生成系統。
為實現這樣的目的，本發明所提出的數字道路地圖自動生成方法，即滾球法，包括三個基本部分滾球、道路交叉口檢測、道路網絡搜索，采用圖像處理和模式識別技術，將道路地圖的特征識別和矢量化在同一過程中進行，從一個種子點對整個道路網絡進行數字化轉換，實現一個全自動過程。
滾球法所要求的輸入數據是原始道路地圖的圖形表達數據。道路地圖的圖形表達數據可以是以下兩種之一1)紙面地圖骨架圖像的圖形(比例尺小于1∶1000；骨架圖像結構完整)。
2)灰度地圖邊緣圖像的圖形(比例尺小于1∶1000；邊緣圖像結構完整)。
原始二進制圖像經過預處理去除噪聲再進行細化，然后轉換成地形。每一個圖形的節點對應原始圖像中的一個像素。隨后，地形進行主曲線檢測，消除原始地圖中的文字、符號在地形中對應的成分；并對斷裂的道路邊沿曲線進行擬合。接著，處理后的地形被送入數字道路地圖產生器，由滾球法生成數字道路地圖數據。
滾球法包括以下幾個步驟
1、滾球數字道路地圖自動生成的主要過程是“滾球”，即識別并輸出矢量化數字地圖。設想在道路上存在一個半徑和中心位置可以調整的大球，當大球在道路上向前滾動時，大球的球心位置和大球的半徑隨道路的寬窄及曲直調整，以使大球的表面永遠和道路的界墻相切。當大球從道路的一端滾到另一端時，大球球心的軌跡便是道路中線；軌跡中的數據點的位置則給出數字道路地圖數據中的節點坐標；數據節點間的連接則為數字道路地圖向量。
2、道路交叉口檢測當大球滾動到道路交叉口時，道路交叉口檢測器被激活。道路交叉口檢測有兩個目的首先，由于道路各分支在道路交叉口交匯，道路交叉口檢測使大球的滾動從一個分支擴展到與交叉口相連接的其他各分支，維持了滾球法在道路網絡中操作的連續性。其次，道路交叉口檢測可以提供精確的道路交叉口地理位置坐標。道路交叉口坐標是數字地理地圖的最重要數據之一。
道路交叉口檢測原理是在道路交叉口處，將大球的半徑擴大并適當改變球體的形狀，以致大球和交叉口處的每個分支道路相交。分支道路和大球的交面的中點定為該分支道路的滾球起始種子點。該分支道路數字化時，大球將從該種子點向前推進。
道路交叉口的中心位置定義為各分支道路中線的交點。道路交叉口的中心位置坐標是各分支道路中線方程的最小二乘法解。
3.道路網絡搜索控制道路網絡搜索控制器協調滾球和道路交叉口檢測過程交織進行，保證從道路網絡的任一道路入口開始，將滾球法道路地圖矢量化過程貫穿至整個地圖道路網絡。道路網絡搜索應用了標準的橫向優先搜索法(BFS)；即將道路交叉口檢測所獲得的分支道路種子點存放在一個排隊序列中，排隊序列的輸出是下一道路矢量化起始點；大球從該起始點所在的道路上向前滾動，對道路進行矢量化。
本發明的數字道路地圖生成過程中，只有原始地像的掃描是手工過程，從地像的預處理到數字道路地圖數據輸出，完全自動運作。與傳統的手工輸入法比較，本發明的方法所開發的數字道路地圖位置精度高，操作速度快，約為手工操作的10倍，縮短了地圖開發周期并大大降低開發成本，可實現24小時全自動工作，并能隨著計算機技術的發展而受益。
及
具體實施例方式為更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖和實施例作進一步詳細描述。
圖1為數字道路地圖自動生成系統的流程框圖。
如圖所示，原始地圖數據通過掃描轉換成數字圖象，經過預處理去除噪聲再進行圖象細化，然后轉換成地形后進行圖形主曲線檢測，處理后的地形被送入數字道路地圖產生器，采用本發明的核心技術滾球法生成數字道路地圖數據。
圖2為本發明滾球法流程示意圖。
如圖所示，滾球過程從起始種子點開始，進入道路并生成數字道路地圖數據。當大球滾至道路交叉口時，道路交叉口檢測器被激活，檢測與該交叉口相連接的道路分支，并在各道路分支設置滾球種子點。種子點數據被送到道路網絡搜索控制器，在控制器的支配下，從各自的種子點，用滾球法分別對各道路分支進行矢量化。由于道路網絡中的各道路分支相互連接，從而整個道路網絡將得以被矢量化。
圖3為本發明滾球法中滾球參數的預測與調整示意圖。
如圖3所示，本發明中的滾球參數的預測與調整包括大球中心位置和半徑的預測與調整。調整后的大球中心軌跡即道路中線。滾球法允許道路轉彎和道路寬度的改變。圖中，Oi’和ri’分別是在i時刻預測的球心位置和球半徑長度；Oi-1’是i-1時刻的球心預測位置；Oi-1、ri-1、Oi-2、ri-2分別是大球在i-1、i-2時刻的實際(調整后的)球心位置和球半徑長度。
圖4為本發明滾球法中道路交叉口檢測示意圖。
如圖4所示，當大球滾至道路交叉口時，道路交叉口檢測器被激活，使大球膨脹。位置在Oi’的大球從半徑ri膨脹到R，以至與交叉口的各道路分支B1、B2、B3相交。球面在道路分支內部的圓弧中點即該道路分支的矢量化起始種子點(Z1、Z3和Z3)。各道路分支的矢量化過程從各自對應的種子點開始。
圖5為本發明用最小二乘法求解道路交叉口的中心位置示意圖。
如圖所示，在滾球法中，將交叉口各道路分支的中線交點定義為該道路交叉口的中心位置。由于在實際中各道路分支的中線并不一定交匯與一點，在確定路交叉口的中心位置時，用最小二乘法求解。圖中，B0、B1、B2、B3是道路分支序號。
圖6為本發明實施例中原始輸入地圖數據和處理結果的圖形。
其中，圖6a為原始地圖經掃描后的數字圖象；圖6b為經預處理和細化的地形；圖6c為經過主曲線檢測及擬合得到的道路圖形；圖6d給出了滾球過程和道路分支的滾球種子點；圖6e為最后得到的自動生成數字道路地圖。
本實施例以紙面地圖為原始地圖數據。實例系統在Sun170E工作站上實現，本發明的滾球法是該系統的核心過程。實施例處理過程說明如下。
圖6a是1∶1000的原始地圖通過300dpi掃描儀掃描轉換成二進制圖像。經過預處理去除圖像噪聲再經過細化后，轉換成地形，見圖6b。此時的地形與細化后的地圖骨架圖像在結構上并無本質上的差異；地圖骨架圖像中的一個象素對應地形中的一個節點。隨后，地形進行主曲線檢測，消除原始地圖中的文字、符號在地形中對應的成分；并對斷裂的道路邊沿曲線進行擬合，所輸出的是“干凈”的道路邊沿曲線，此時的輸出結果如圖6c所示。接著，處理后的地形被送入數字道路地圖產生器，由滾球法生成數字道路地圖數據。
圖6d中的地圖包含兩個道路網絡。第一個網絡是地圖右上角的單一道路，其余道路屬于第二個道路網絡。我們現在討論第二個道路網絡數字地圖自動生成。滾球法的起始操作點從地圖左上角的零號種子開始。起始種子點可以自動生成，亦可以手工產生。滾球法運行步驟如下1)初始大球形成零號種子點膨脹形成大球，直至球面與道路左右邊沿相切。
2)確定初始滾球方向大球沿道路有兩個滾動方向向左下方向滾動，走出地圖邊界，拋棄所得到的數據；向右上方向滾動成功，該方向為初始道路數據生成的滾球方向。
3)初始道路數據生成按照本發明的方法，進行球心位置和球半徑預測和球心位置和球半徑調整，使球面和道路邊界相切。此時，球心位置就是數字道路地圖的節點數據。大球沿著初始道路數據生成方向滾動，反復球心、球半徑預測調整過程，實現該道路分支的道路矢量化。該道路分支共生成8個節點數據。
4)道路交叉口檢測當大球滾至道路交叉口 處時，道路交叉口檢測器被激活，檢測到兩個道路分支 和 。將該二個種子數據存放入種子隊列儲存器中。
5)分支道路數據生成從隊列儲存器中取出最前面的種子點 采用滾球法生成該道路分支的矢量數據。由于道路終點超出地圖的邊界，沒有新的道路分支種子點產生。
6)分支道路數據生成從隊列儲存器中取出最前面的種子點 ，采用滾球法生成該道路分支的矢量數據。當大球滾至道路交叉口 處時，道路交叉口檢測器被激活，檢測到兩個道路分支 和 將該二個種子數據存放入種子隊列儲存器中。
7)從隊列儲存器中取出最前面的種子點，采用滾球法生成道路分支的矢量數據......，如此反復，直至地圖道路網絡中所有的道路分支被完全矢量化，成為數字地圖。
圖6e是自動生成的數字道路地圖。在數字地圖中，數據節點間的距離為道路寬度的一半，節點位置誤差是一個象素，即掃描儀的精度1/300英寸。
在數字道路地圖生成過程中，只有原始地像的掃描是手工過程，從地像的預處理到數字道路地圖數據輸出，完全自動運作。滾球法中所需要的第一個道路數據點，即起始種子點，可以手工輸入，亦可有系統自動產生。系統的運作速度中，大部分運作時間被圖像細化占有，滾球法僅用一小部分運作時間。在本系統實施例中，圖像細化過程采用軟件實現；若采用硬件進行圖像細化，整個系統的運作時間會大大減少。
權利要求
1.一種數字道路地圖自動生成滾球法，原始地圖數據通過掃描轉換成數字圖象，經預處理除噪聲，進行圖象細化，然后轉換成地形后進行圖形主曲線檢測，其特征在于處理后的地形再采用滾球法生成數字道路地圖數據，分以下幾個步驟進行a、“滾球”設道路上存在一個半徑和中心位置可以調整的大球，大球的球心位置和大球的半徑隨道路的寬窄及曲直調整，使大球的表面和道路的界墻相切，大球球心的軌跡便是道路中線，軌跡中的數據點的位置則給出數字道路地圖數據中的節點坐標，數據節點間的連接則為數字道路地圖向量；b、道路交叉口檢測在道路交叉口處，將大球的半徑擴大并改變球體的形狀，使大球和交叉口處的每個分支道路相交，分支道路和大球的交面的中點定為該分支道路的滾球起始種子點，道路交叉口的中心位置定義為各分支道路中線的交點，其坐標是各分支道路中線方程的最小二乘法解；c、道路網絡搜索控制應用橫向優先搜索法，將道路交叉口檢測所獲得的分支道路種子點存放在一個排隊序列中，排隊序列的輸出是下一道路矢量化起始點，大球從該起始點所在的道路上向前滾動，對道路進行矢量化，道路網絡搜索控制器協調滾球和道路交叉口檢測過程交織進行。
全文摘要
一種數字道路地圖自動生成滾球法,將原始二進制圖像經預處理轉換成地形,進行主曲線檢測后送入數字道路地圖產生器,通過滾球法生成數字道路地圖數據。滾球法中,利用設想的一個半徑和中心位置可以調整的大球,來確定道路中線、數字道路地圖數據中的節點坐標和數字道路地圖向量,道路交叉口檢測可以提供精確的道路交叉口地理位置坐標,道路網絡搜索控制器協調滾球和道路交叉口檢測過程交織進行,保證從道路網絡的任一道路入口開始,將滾球法道路地圖矢量化過程貫穿至整個地圖道路網絡。本發明所開發的數字道路地圖位置精度高,操作速度快,縮短了地圖開發周期并大大降低開發成本,可實現24小時全自動工作。
文檔編號G06T3/20GK1356668SQ01145718
公開日2002年7月3日 申請日期2001年12月30日 優先權日2001年12月30日
發明者劉允才 申請人:上海交通大學