摘 要

道路是我国的一项重要的基础设施，道路的建成在人们的日常工作出行以及区域经济的发展中也起到至关重要的作用。对道路数据的数字化是对道路实体的抽象画表示，在此基础上才可以组建地理信息数据库，同时其应用自然也涉及到车辆导航、快递物流、灾害救援等方面，并且也与衣食住行密切联系在一起。随着科学技术的进步与社会经济的发展，我国的公共道路总里程数也在急剧增加，路网也发生着巨大的变化。在国家统计局统计年鉴中可以看出，2010年至2014年的5年间，我国各类等级的公路里程数在逐年增加，而同时在等级外的乡村道路也正在被改造升级。在我国“十三五”规划草案中也指出我国“十三五”时期的交通建设重点工程。我国公共交通网络在飞速发展，路网形态也是日新月异，而道路空间数据的更新无法跟上现实世界中路网形态的更新。目前提取轨迹数据也成为研究热点，利用众源gps轨迹更新道路数据在几何数据与属性数据上的更新，可以提取道路的形态信息。VGI数据由用户提供，信息广泛及时更新，自然也成为研究要点。

本文主要是利用VGI数据的开放性、动态性获得地区不同时期的数据，通过分析除去错误数据进而提高精度，生成路网信息。将自发式地理信息数据提高精度用于专业的路网分析，通过GIS分析方法，找出路网变化的位置，分析出路网变化类型为道路建成、道路加长、道路缩短、道路局部消失或变化、道路空间位置发生偏移等，同时对道路的变化数目及类型进行总结。实验中选取了武汉市的gps轨迹数据，验证了本文方法的有效性。

论文主要研究了自发地理信息数据作为专业应用中存在的质量问题，并基于拓扑、几何、语义方面对数据进行处理，提高数据质量，将其与高分辨率遥感影像相结合，分析提取城市路网变化区域。

关键词：自发式地理信息；路网变化；拓扑关系；高分辨率遥感影像；数据清洗

Abstract

Road is an important infrastructure in China, and the construction of roads plays a vital role in the daily work of people and the development of regional economy. The digitalization of road data is an abstract painting of road corpses. On the basis of this, geographic information database can be formed. At the same time, its application is also related to vehicle navigation, express logistics, disaster relief and so on. Its application is closely related to the nature of our life. Along with the progress of science and technology and the development of social economy, the total mileage of public roads in our country is also increasing sharply, and the road network has also undergone tremendous changes. In the statistical yearbook of the National Bureau of statistics, we can see that in the 5 years from 2010 to 2014, the number of road mileages of various grades in China increased year by year, while the rural roads outside the grade were also being upgraded. In China's "13th Five-Year plan" draft, we also point out the key traffic construction projects during the "13th Five-Year" period. With the rapid development of public transport network in China, the form of road network is changing with each passing day, and the updating of road space data can not be more updated in the real world. At present, the extraction of trajectory data is also a hot topic. Using the path of public GPS to update the road data on the geometric data and the attribute data, the road information can be extracted. VGI data is provided by users, and information is widely updated in a timely manner.

The main purpose of this paper is to use the open and dynamic data of VGI data to obtain data from different periods of the region. By analyzing the error data, the accuracy is improved and road network information is generated. To improve the accuracy of the spontaneous geographic information data for professional road network analysis, the location of the change of the outlet network is found through the GIS analysis method, and the change types of the outlet network are the road construction, the road lengthening, the road shortening, the partial disappearance or change of the road, the displacement of the road space and so on, and the number of changes in theroad. And summarize the types. The GPS trajectory data of Wuhan were selected to verify the effectiveness of the proposed method.

This paper mainly studies the quality problems of the spontaneous geographic information data as a professional application, and processes the data on the basis of topology, geometry and semantics to improve the data quality, and combines it with high resolution remote sensing images to analyze and extract the change area of urban road network.

Key Words：Volunteered Geographic Information；Change Of Road Network；Topology Relationship; High Resolution Remote Sensing Image; Data Cleaning

目录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 自发地理信息研究现状 2

1.2.2 路网变化检测研究现状 3

1.2.3 OSM数据质量 3

1.3 研究目标与研究内容 4

1.3.1研究目标 4

1.3.2 研究内容 4

1.3.3 技术路线 5

1.4 论文的组织结构 6

第2章 OSM数据获取与数据清理 6

2.1OSM数据获取 6

2.2数据清理 7

2.3本章小结 7

第3章 道路数据变化特征分析 8

3.1 道路数据变化原因分析 8

3.1.1道路数据变化的客观原因 8

3.1.2道路数据变化的主观原因 9

3.2 道路数据变化类型 10

3.3矢量与遥感影像的配准 13

3.3.1矢量数据提取特征 13

3.3.2影像数据提取特征 13

3.3.3变化区域提取 14

3.4本章小结 14

第四章 实验分析 15

4.1 实验数据来源 15

4.1.1 OpenStreetMap的矢量道路网数据 15

4.1.2 Google Earth的高分辨率遥感影像图 17

4.2路网变化的识别与分析 18

4.3本章小结 20

第5章 总结与展望 20

5.1 研究成果总结 20

5.2 研究展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

道路是我国的一项重要的基础设施，道路的建成在人们的日常工作出行以及区域经济的发展中也起到至关重要的作用。对道路数据的数字化是对道路实体的抽象画表示，在此基础上才可以组间地理信息数据库，同时其应用自然也涉及到车辆导航、快递物流、灾害救援等方面，其应用与衣食住行密切联系。随着时代与经济的发展与科技的进步，我国的公共道路总里程数也在急剧增加，路网也发生着巨大的变化。在国家统计局统计年鉴中可以看出，2010年至2014年的5年间，我国各类等级的公路里程数在逐年增加，而同时在等级外的乡村道路也正在被改造升级。在我国“十三五”规划草案中也指出我国“十三五”时期的交通建设重点工程。我国公共交通网络在飞速发展，路网形态也是日新月异，而道路空间数据的更新无法更上现实世界中路网形态的更新。目前提取轨迹数据也成为研究热点，利用众源轨迹更新道路数据在几何数据与属性数据上的更新，可以提取道路的形态信息。VGI数据由用户提供，信息广泛及时更新，自然也成为研究要点。

本文主要是利用VGI数据的开放性、动态性获得地区不同时期的数据，通过分析除去错误数据进而提高精度，生成路网信息。通过GIS分析方法，对路网进行分析，找出路网变化的位置，分析出路网变化类型为道路建成、道路加长、道路缩短、道路局部消失或变化、道路空间位置发生偏移等，同时对道路的变化数目及类型进行总结。

在城市化快速发展过程中，道路系统往往需要局部结构重构，这一过程不断的对原规划路网造成冲击，出现如部分干路衔接不畅、畸形交叉、相邻片区间路网不对接等问题，需对原规划路网进行优化调整进而对路网变化进行研究，运用于交通管理与城市规划的实施。实时的城市道路数据是提供导航等公共服务与实现目前流行的智能公交系统的基础与核心。然而随着科技与经济的发展，外来人口的涌入，使得城市人口急剧增加，人民生活水平不断提高，一个城市不论是公共交通车辆还是个人私驾车辆都急剧增加，同时城市路网每天都在变化，不及时加以管理，只会加剧交通问题，极大的影响城市正常运作速度。因此如何获取路网变化的研究成为目前的研究热点。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自发地理信息研究现状

随着科学技术与互联网技术的发展，促进了自发式地理信息应用于地理科学领域，目前学术界主要针对VGI数据的质量与可靠性、VGI数据的获取与管理存储等方面。VGI作为新数据来源，具有实时更新、获取方便、数据质量较好，也逐渐被应用于灾害应急、资源配置等方面。

自发式地理信息于2007年Goodchild^[5]首次提出，也将地理信息数据的提供者与使用者结合在一起。2009年李德仁^[10]结合新时期时代特征，提出VGI方式会将服务对象扩散到大众用户中，同时这种方式也涉及到隐私共享、空间数据组织无序等问题。2010年Christopher J.Parker^[4]对VGI中用户的角色进行深入分析，确定公众的定位并对VGI模式中的利益关系进行了探讨，使得公众对于VGI的模式有着更为深刻的认识。

在 VGI 数据质量方面， VGI 模式的数据采集与制作不同于传统专业数据，使得 VGI 数据质量与可靠性研究成为研究中的一个核心问题。2007 年 Jain 、 Sieber ^[3]等提出针对 VGI 信息的特点重新建立 VGI 数据的有效性、可靠性的理论。 2007 年 Davis 和 Fonseca ^[2]对从非严格格式的地理编码中提取空间信息并分析了其可靠性： 2007 年 Sieber 提出通过将元数据融合到 VGI 模式中来实现 VGI 数据质量的控制； 2008 年 Lakshmi Narayana和Mummidi John Krumm ^[4]借助数据挖掘算法 VGI范例上的 POI 属性进行分析，以完成对于 VGI 信息的处理； 2008 年 Mummidi ^[13]等研究了自发地理标注中获取兴趣点的准确和可靠性；Haklay基于 openstreetMap 数据考察了 VGI 数据质量与可靠性^[8]，认为 OSM 数据拥有和专业测绘数据相似的. 2009 年 Aamer Ather ^[6]对OSM和OS数据的几何精度进行了评估，认为 OSM 其有较好的几何精度; 2010 年 Dennis Zielstra^[13]等利用研究区域内路网总长度作为数据完备性指标对OSM 数据和 TeleAtlas 数据进行了评估: 2012 年 Pau Arago^[8]等选取了7个GIS数据质量中适合 VGI 数据的评价因子对OSM数据进行了评价; 2012 年MaythmAl-Bakri^[13]等对 0S数据和 OSM 数据的语义相似性进行了评价，认为 VGI 数据增加数据贡献者的数据、进行更为严格的数据审核机制等能够提高相似性。目前的研究主要集中在影响 VGI 数据的因素、现有 VGI 数据质量的评估和如何提高 VGI 数据质量等几个方面．普遍认为 VGI 数据具有相对理想的数据质量。

在自发地理信息的获取方面，基于目前快速发展的互联网技术，由互联网用户在线协作为特色，数据基础来源手持GPS设备、高分辨率遥感影像，对地理信息进行创建、更新与实时共享。但也由于这一方面的特性，使得地理信息的实际质量得不到保证。自发的地理信息数据来源于公众贡献，具有不可靠性，如何提高其数据精度与质量也是需要研究的一个问题，目前主要停留在旧的GIS专题和矢量数据与新影响进行叠加分析，人工或者半人工判别变化区域的阶段，缺少知识导引的变化检测方法。因此，自发地理信息空间数据采集过程中首要的是解决存在的数据质量的问题，因此如何对自发地理信息数据更新的及时性与真实性的实现是目前自发地理信息技术研究的主要方面。

1.2.2 路网变化检测研究现状

当前对道路网变化的检测更称主要分为两个部分，首先是道路网匹配，其次是道路变化检测。目前国内外在这两部分的研究方面已经取得了优异的成效。在道路线要素匹配的研究主要包括四个方向：基于局部几何特征相似度的匹配算法、基于大粒度层次结构相似度的匹配算法、基于数学模型的匹配算法如多元logistic回归的算法、基于属性的匹配算法。矢量数据变化检测主要研究基于地理实体变化事件驱动和基于地理实体特征变化信息驱动。其主要成果包括沙玉坤在2012年^[6]提出的基于图形差、图形被差以及图形交的三元组变化检测模型实现对线要素变化的自动检测，张旗升在2016年^[7]提出了集成要素属性特征与几何特征的实体匹配模型^[10]，计算各因子是否达标，以此检测判断变化类型。目前的研究方法中仍存在着一些问题：要素匹配中各特征因子权值设定，由于不同数据的采样精度不同，使得同一个匹配特征也会有不同的权值，而人工设定权值的方法也自然会在精度上有所偏差，进而导致最终结果的问题。同时，在道路网变化检测中的多指标权重与阈值也需要多次实验得出，人工设定的误差依旧会很大。因此，目前在道路网数据更新中的准确率的提高也是国内外的研究热门。

1.2.3 OSM数据质量

当前VGI是一种全新的数据获取的方式，将数据的使用者与提供者联系在一起，充分发挥了公众参与性，解决了地理数据采集不足的问题，同时具有现势性高、细节丰富、获取免费等功能。OpenStreetMap(OSM)作为最为成功的VGI平台，有着极大的用户群体，OSM数据具有以下几个特点：

1）OSM数据中包含大量的道路数据，而相对缺少其他数据类型，道路数据中也缺少道路名、道路节点等属性信息，但将OSM数据用来做路网分析也是可行的。

2）OSM数据中的道路数据分成了不同的等级，其中包括了一级道路、二级道路、居民道路、高速路、人行道等。

3）OSM数据中的道路类型的数据既有单线表示的也有双线表示的。

4）OSM数据中通常会使用一个要素来表示一条道路，用它来和专业的测绘数据相比，需要提取出节点信息。

目前，国内外专家也对OSM数据质量上做了很多研究，对比了OSM数据与其他各种类型的专业测绘数据，比较他们之间的优劣性。OSM数据与Google地图数据相比，优势在于数据的涵盖范围高于Google地图数据。Jean-Francois Girres使用法国的BD Topo数据集和OSM数据进行了比较分析，研究结果发现OSM数据有着较高的精度；Zielstra将OSM数据与德国的TeleAtlas导航数据进行比较，发现OSM数据在人口密集的城市地区数据量超过了TeleAtlas，而在人口密度小的乡村地区，其数据覆盖量明显不足；Mooney等人研究科林地、土壤、水体等自然要素在OSM中的表的方法，发现分辨率也会影响数据的质量，如果采样点的分辨率过低，则空间数据的质量将受到很大的影响。

由于OSM起源于西方国家，在我国的发展也比较晚，数据的质量数量都需要提高，OSM空间数据也还在完善阶段，其数据优势在我国也没有得到充分的体现。目前对于OSM数据的应用实例也比较少，绝大多数研究也仅限于试验阶段，对于数据质量的研究也较为不足。因此，我国很多地区缺少足够的空间数据、矢量数据，在地理数据上的要求也非常迫切，因此，将OSM数据转化为规范的地理数据也对我国的经济发展有着重要的意义。

1.3 研究目标与研究内容

1.3.1研究目标

基于自发式地理信息在数据质量上存在的问题，需要进行数据质量的提高。通过研究VGI数据的数据变化检测方法，使用基于高分辨率遥感影像的变化数据检测方法。在矢量要素匹配算法的基础上使用路网匹配算法，实现道路网快速精确的匹配和变化检测，将各变化类型统计总结。

1.3.2 研究内容

基于VGI的路网变化研究内容主要分为VGI数据获取与处理和gis分析两个部分，具体内容如下：

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