一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法
一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数据提取和计算机图形处理的技术领域，特别是涉及一种基于 AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法。
【背景技术】
[0002] 交通路网是智能交通各研宄领域的基础，交通设施智能化管理、交通信息服务系 统和交通仿真都需要路网数据库的支持。城市道路交叉口是城市道路系统的重要组成部 分，是道路网络的结点所在，是管理、组织道路各类交通的控制点。道路能否畅通，在很大程 度上取决于交叉口的交通状况。在整个道路网中，交叉口成为了通行能力与交通安全上的 卡口。因此，交叉口的合理建模对道路网的形式及道路交通的影响是非常重大的。交叉口 的建模方法种类繁多，使用的数据源也多种多样。有学者从航空、遥感影像图上提取交叉口 数据，包含交叉口的位置、连接路段和路段方向等数据。有学者基于大量GPS车辆路径数据 提取、更新交叉口数据。也有学者结合道路矢量数据和数字表面模型实现立交数据模型的 构建。
[0003] 道路交通设计以及规划运用的主要设计软件是AutoCAD。AutoCAD具有丰富的 绘图指令和强大的图形编辑功能，能够详尽地描述路网元素，包括各种路面标线。另外， AutoCAD平面交叉口工程图资源丰富且容易获取。为了充分利用其来丰富交叉口建模的方 法，有必要构建平面交叉口的数据模型并从图中提取数据构建数据库。目前，从AutoCAD 工程图中提取路网数据构建路网数据库的方法包括用对象组织数据来建立CAD系统工程 数据库；提取以道路中心线为主线的集成道路并以Access作为CAD系统的核心数据库；从 DXF文件中提取数据并在仿真平台上重构路网等。然而，这些方法获取的都是路网的几何拓 扑数据，不包含逻辑拓扑数据，也不能表达交叉口处的转向规则。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于AutoCAD平面交叉口 工程图的拓扑数据提取方法，能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则，丰富 交叉口建模的方法。
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下： 一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，包含以下步骤： 51. 提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组； 52. 遍历路段数组Segment集合每一个元素Segment，提取该路段车行道边缘线、导向 箭头，判断该路段是否为双向行驶路段，当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流 分隔设施和路段车行道分界线，当该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据 提取的信息生成几何拓扑子路段Link; 53. 根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的 北偏角NorthAngle; 54. 生成逻辑拓扑有向子路段Arc; 55. 生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头； S6?生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector ; Link是指路网在交通组织发生变化处打断后得到的路段部分； Node是Link的端点； Arc是由不同的交通流向将Link划分而得； Lane是路网中车辆行驶所依附的最小载体，每条车道能有不同的转向； LaneConnector是记录不同路段间或路段内部每对车道之间的连通关系。
[0006] 优选地，步骤S1是使用基于密度和距离的聚类算法对线条形路面标线聚类形成 路段数组，根据输入的数据计算获取得到输出数据，其中： 输入的数据是由提取的线条形路面标线的中点坐标组成的数组，数组中每个点的初始 状态包括：所属簇的编号为0,没有被处理过，不是核心点； 输出的数据是多个簇，其中每一个簇代表一条路段，每一个簇包含多个中点坐标，一个 中点代表了该路段内的一条标线； 具体过程方式为： 1) 遍历数组，以得到的第一个核心点作为聚类中心开始聚类，从距离该核心点最近的 点开始判断是否将点加入该簇，若该点在核心点的E领域内，则加入簇，同时修改点的属性 为已被处理过，标记上簇的标号，否则，判断下一个点，即次近的点； 2) 当点被加入簇以后，使用递归的方法，判断该点是否为核心点，若为核心点，以该点 作为新的核心点，重复上述判断过程；若不是核心点，则判断下一个点，即次近的点； 3) 若所有的点都被判断过，则该簇的聚类完成； 4) 重新搜索一个未被加入已有簇的核心点，开始新簇的聚类；直到所有的中点都被加 入某个簇或者不被加入任何一个簇，不被加入任何一个簇的点标记为噪声点，算法结束； 上述步骤中含有两个全局变量，分别为构成E领域的最小样本点数MinPts和E领域的 半径Eps，Eps的值由MinPts-dist图确定； MinPts-dist图的横坐标为所有的中点，纵坐标为每个点与它的第MinPts个最邻近的 点之间的距离，距离按从大到小的顺序排列，上述MinPts-dist图中的第一个凹陷，即阈值 点所对应的MinPts-dist的值是Eps的值。
[0007] 优选地，步骤S2中，路段的车行道边缘线为路段中所有纵向线条形路面标线中的 最外侧的标线，通过将路段内纵向线条形路面标线的横坐标或者纵坐标按照升序或者降序 排列提取出最外侧的车行道边缘线； 根据提取的车行道边缘线构建多边形，提取多边形内的导向箭头，计算导向箭头的类 型和数字化方向； 通过路段编号将导向箭头与路段进行关联，判断路段是否双向行驶； 当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流分隔设施和路段车行道分界线；当 该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据提取的信息生成几何拓扑子路段 Link〇
[0008] 优选地，步骤S2中，根据导向箭头的类型为填充Hatch这一特性提取导向箭头，计 算导向箭头的类型和数字化方向的过程如下： 读取填充环线上所有凸点的坐标，使用基于堆栈的扫描法构建最小凸包； 构建凸包的外接矩形，以凸包的最短边作为凸包外接矩形的下侧边； 判断外接矩形边上的凸点是否是尖点；计算导向箭头的编码和数字化方向； 其中，尖点定义为：若凸点前后相邻4个点在同一条直线上，则该凸点是一个尖点； 导向箭头的编码是包含〇和1的四位数字，每一个位置上的数字1或〇代表边上有或 者没有尖点；四条边的排列依次为上侧边、下侧边、左侧边、右侧边； 根据导向箭头外接矩形的长边的矢量方向计算导向箭头的数字化方向；如果外接矩形 的长边构成的向量点乘路段的正方向向量结果大于0,说明导向箭头指向进入交叉口的方 向，即导向箭头的数字化方向的数值为1，反之，为-1 ; 通过路段编号将导向箭头关联到路段。
[0009] 优选地，上述路段内存在数字化方向值为-1的导向箭头的路段为双向行驶路段； 两条车行道边缘线之间的距离为一条车道宽度的路段为仅有一条车道的单向行驶路 段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离小于一条车道宽度的路段为 有多条车道的单向行驶路段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离大于一条车道宽度的路段为 双向行驶路段。
[0010] 优选地，对于双向行驶路段，对向行驶交通流分隔设施的提取依据为路面交通标 线，包括线条形路面交通标线和路面导向箭头，距离最左侧的数字化方向为1的导向箭头 最近或次近的标线即为对向行驶交通流分隔设施； 对于单向行驶路段，提取由车行道边缘线构建的多边形内的标线，根据坐标及相互之 间的位置关系提取车行道边缘线； 对于双向行驶路段，提取由车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施构建的两个多边 形内的标线，根据坐标和相互之间的位置关系提取车行道边缘线。
[0011] 优选地，几何拓扑子路段Link的生成依赖于车行道边缘线或者对向行驶交通流 分隔设施； 若路段单向行驶，则以两条车行道边缘线的中心线作为Link， 若路段双向行驶，则以对向行驶交通流分隔设施或者其中心线作为Link; 优选地，步骤S3中，Node的生成依赖于Link，结点Node的坐标为所有任意两条子路段Link之间交点坐标的平均值，连接Node和每条Link的终点形成线段；从正北向开始，按照 顺时针的顺序记 录每条线段的北偏角，路段之间的转向关系可以根据两条线段之间的北偏 角之差进行判断。
[0012] 优选地，步骤S4中，单向行驶路段有一条有向子路段Arc，数字化方向数值为1 ; 双向行驶路段有两条有向子路段Arc，数字化正方向数值为1，反之，为-1 ; 逻辑拓扑有向子路段Arc的提取依据是车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施。对 于单向行驶路段，有向子路段Arc与子路段Link相同， 对于双向行驶路段，有向子路段为每一交通流向的车行道边缘线和对向行驶交通流分 隔设施的中心线。
[0013] 优选地，步骤S5中，逻辑拓扑车道Lane的提取依据为车行道边缘线、对向行驶交 通流分隔设施和车行道分界线。
[0014] 其中，车行道分界线包括同向可跨越车行道分界线和导向车道线；在单向行驶路 段中，对于最左侧和最右侧的车道，以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane ;其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane ; 对于双向行驶路段，最内侧的车道以对向行驶交通流分隔设施和临近的车行道分界线 的中心线作为Lane，最外侧的车道以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane，其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane。在每一条车道上根据标线构建 一个多边形，提取多边形内的导向箭头，将车道与导向箭头进行关联； 根据导向箭头的类型即可计算车道允许的转向。
[0015] 优选地，步骤S6中，车道连接器LaneConnector的生成依赖于车道Lane和导向 箭头；导向箭头代表了车道之间的连通关系，根据北偏角之差可计算路段之间的转向关系， 根据车道允许的转向描述车道之间的连通关系；默认规则下，掉头车道连接另一交通流向 的最内侧车道，左转车道连接左侧路段所有离开交叉口方向的车道，直行车道连接前方路 段对应位置的离开交叉口方向的车道，右转车道连接右侧路段离开交叉口方向的最外侧车 道。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：是一种直接从AutoCAD平面交叉口工程 图中提取交叉口拓扑数据的方法，能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则， 丰富了交叉口建模的方法。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的提取交叉口拓扑数据的总流程图。
[0018] 图2是本发明的实施例AutoCAD平面交叉口工程图的路面标线图层示意图。
[0019] 图3是本发明的MinPts-dist图。
[0020] 图4是本发明的聚类算法的总流程图。
[0021] 图5是本发明的形成一个簇的递归算法的流程图。
[0022] 图6是本发明的直行箭头的最小凸包和外接矩形示意图。
[0023] 图7是本发明的导向箭头的示意图。
[0024] 图8是本发明的计算导向箭头类型和数字化方向的流程图。
[0025] 图9是本发明的判断路段是否双向行驶的流程图。
【具体实施方式】
[0026] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制； 为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺 寸； 对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0027] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所 描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028] 为了克服现有关于根据AutoCAD平面交叉口工程图提取交叉口拓扑数据构建交 叉口数据库方法的缺点和不足，提供一种基于AutoCAD平面交叉口工程图提取交叉口拓扑 数据的方法，能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则，丰富了交叉口建模的 方法。
[0029] 如图1，一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，包括以下步 骤： 51. 提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组Segment集合； 52. 遍历路段数组Segment集合每一个元素Segment，提取该路段车行道边缘线，构 建多边形，再提取多边形内导向箭头，计算类型和数字化方向，判断该路段是否为双向行驶 路段，当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流分隔设施和路段车行道分界线，当 该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据提取的信息生成几何拓扑子路段 Link； 判断是否已遍历路段数组Segment集合所有的元素Segment，当遍历结束，则跳转到步 骤S3,否则跳转到步骤S2; 53. 根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的 北偏角NorthAngle; 54. 生成逻辑拓扑有向子路段Arc; 55. 生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头； S6?生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector。
[0030] 上述方案中，以AutoCAD平面交叉口工程图中路面标线层内的数据作为输入数 据。AutoCAD平面交叉口工程图能够详尽地描述路网元素，包括车行道边缘线、车行道分 界线、停止线、对向行驶交通流分隔设施、导向箭头等路面交通标线。图中线条形路面交 通标线的类型应为多段线（Polyline)或者直线（Line)，路面导向箭头的类型应为填充 (Hatch)。全文所指的数字化正方向为进入交叉口的交通流向，取值为1;反之，为-1。提 取的交叉口拓扑包括几何拓扑子路段Link、几何拓扑结点Node、逻辑拓扑有向子路段Arc、 逻辑拓扑车道Lane和逻辑拓扑车道连接器LaneConnector。Link指路网在交通组织发生 变化处打断后得到的路段部分。Node即为Link的端点。Arc是由不同的交通流向将子 路段划分而得。Lane是路网中车辆行驶所依附的最小载体，每条车道可以有不同的转向。 LaneConnector记录不同路段间或路段内部每对车道（一对一）之间的连通关系。
[0031] 具体实施例： 本实施例的输入数据AutoCAD平面交叉口工程图的路面标线图层如图2所示，图中的 对向行驶交通流分隔设施为双黄线。
[0032] 步骤一：从AutoCAD平面交叉口工程图的路面标线图层中提取线条形标线。使用 一种基于密度和距离的聚类算法对线条形路面标线进行聚类形成路段。输入的数据是由提 取的线条形路面标线的中点坐标组成的数组。数组中每个点的初始状态包括：所属簇的编 号为〇,没有被处理过，不是核心点。
[0033] 本实施例中，构成E领域的最小样本点数MinPts=4。Eps的值由MinPts-dist图 确定，MinPts-dist图如图3所示。基于密度和距离的聚类算法的流程如图4所示，形成一 个簇的递归算法如图5所示。图4中的d为距离的阈值，超过该阈值，点不被加入簇内。算 法的输出数据为4个簇，每一个簇代表一条路段。每个簇中包含纵向的车行道边缘线、车行 道分界线、对向行驶交通流分隔设施和横向的停止线。
[0034] 步骤二：从聚类形成的每一条路段中提取车行道边缘线、导向箭头，判断路段是否 双向行驶，提取行驶交通流分隔设施、车行道分界线，生成几何拓扑子路段Link。
[0035] 首先，在所有纵向标线中提取最外侧的两条标线作为车行道边缘线。根据提取的 车行道边缘线构建多边形。
[0036] 其次，根据导向箭头的类型为填充（Hatch)这一特性提取图中的导向箭头。根据 导向箭头的填充环线上所有凸点坐标的平均值是否在多边形内提取出多边形内的导向箭 头，将提取出的导向箭头标记上路段的编号。根据导向箭头的几何特征计算其类型。以直 行箭头为例，如图6所示，直行箭头的编码为1000。《道路交通标志和标线KGB5768-2009) 列出的各种类型的导向箭头如图7所示。图7(a)表示直行，图7(b)表示左转，图7(c)表 不右转，图7(d)表不掉头，图7(e)表不道路有左弯或向左合流，图7(f)表不道路有右弯或 向右合流，图7(g)表示直行和左转，图7(h)表示直行和右转，图7 (i)表示左转和掉头，图 7(j)表 示直行和掉头，图7(k)表示左转和右转，计算导向箭头类型和数字化方向的流程如 图8所示。
[0037] 计算导向箭头的类型和数字化方向的过程如下：读取填充环线上所有凸点的坐 标，使用基于堆栈的扫描法构建最小凸包；构建凸包的外接矩形，以凸包的最短边作为凸包 外接矩形的下侧边；判断外接矩形边上的凸点是否是尖点；计算导向箭头的编码和数字化 方向。其中，将尖点定义为这样一种凸点：若凸点前后相邻4个点在同一条直线上，则该凸 点是一个尖点。导向箭头的编码是包含0和1的四位数字。每一个位置上的数字1或0代 表边上有或者没有尖点。四条边的排列顺序为上侧边、下侧边、左侧边、右侧边。根据导向 箭头外接矩形的长边的矢量方向计算导向箭头的数字化方向。如果外接矩形的长边构成的 向量点乘路段的正方向向量结果大于〇,说明导向箭头指向进入交叉口的方向，即导向箭头 的数字化方向的数值为1。反之，为-1。导向箭头的类型和对应的编码如表1所示。通过 路段编号将导向箭头关联到路段。
[0038] 表1导向箭头类型及编码
然后，判断路段是否双向行驶。判断流程如图9所示。其中，Dir=l表示路段单向行驶，Dir=2表示路段双向行驶。dl和d2为一条车道宽度的下限和上限，d为一条车道的宽度。 本实施例中，因为4条路段中最左侧的导向箭头到左侧车行道边缘线的距离都远大于一条 车道的宽度，所以4条路段都是双向行驶。然后，提取对向行驶交通流分隔设施，在本实施 例中即为双黄线。提取箭头左侧最邻近的标线，该标线即为第一条双黄线。再提取该双黄 线左侧最邻近的标线，该标线即为第二条双黄线。然后，提取车行道分界线。对于本实施例 中的双向路段，根据车行道边缘线和双黄线构建两个多边形，提取多边形内的标线作为车 行道分界线，并依据坐标和相互之间的位置关系确定每条车行道分界线的具体位置。
[0039] 最后，生成几何拓扑子路段Link。在本实施例中，以双黄线的中心线作为每条路段 的Link，数字化正方向为进入交叉口的方向。
[0040] 步骤三：生成几何拓扑结点Node，几何拓扑结点Node的生成依赖于Link。结 点Node的坐标为所有任意两条子路段Link延长线的交点坐标的平均值。连接Node和 每条Link的终点形成线段。从正北向开始，按照顺时针的顺序记录每条线段的北偏角 NorthAngle。路段之间的转向关系可以根据两条线段之间的北偏角之差进行判断。如Link a的北偏角比Linkb大90°，则从a到b为右转。
[0041] 往交叉口方向延伸步骤二中生成的4条Link，获取每两条Link的交点。取所有交 点坐标的平均值作为结点Node的坐标的值。连接Node与4条Link的终点形成4条线段。 从正北向开始，计算并记录每条线段的北偏角NorthAngle。路段之间的转向关系可以根据 两条线段之间的北偏角之差进行判断。如本实施例中，公园西路南路段比同茂路东路段的 北偏角大90°，如图2所示，则从公园西路南路段到同茂路东路段为右转。
[0042] 步骤四：生成逻辑拓扑有向子路段Arc，单向行驶路段有一条有向子路段Arc，数 字化方向数值为1。双向行驶路段有两条有向子路段Arc，数字化正方向数值为1，反之， 为-1。逻辑拓扑有向子路段Arc的提取依据是车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施。 对于单向行驶路段，有向子路段Arc与子路段Link相同。而对于双向行驶路段，有向子路 段为每一交通流向的车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施的中心线。
[0043] 本实施例中，每条路段有两条有向子路段Arc。以进入交叉口方向这一侧的车行道 边缘线和双黄线的中心线作为第一条Arc，其数字化方向的值为1 ;以离开交叉口方向这一 侧的车行道边缘线和双黄线的中心线作为第二条Arc，其数字化方向的值为-1。
[0044] 步骤五：生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头。逻辑拓扑车道Lane的 提取依据为车行道边缘线、对向行驶交通流分隔设施和车行道分界线。本实施例中，对于 各条路段的每一交通流向，最内侧的车道以对向行驶交通流分隔设施和临近的车行道分界 线的中心线作为Lane，最外侧的车道以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane，其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane。在每一条车道上根据标线构建 一个多边形，提取多边形内的导向箭头，将车道与导向箭头进行关联。根据导向箭头的类型 即可计算车道允许的转向。如本实施例公园西路南路段中，如图2所示，进入交叉口的流向 上，最外侧车道上的导向箭头的类型为右转，所以该车道允许的转向为右转。
[0045] 车道连接器LaneConnector的生成依赖于车道Lane和导向箭头。导向箭头代表 了车道之间的连通关系。根据步骤S3中所述的北偏角之差可计算路段之间的转向关系，根 据步骤S5中计算的车道允许的转向即可描述车道之间的连通关系。
[0046] 步骤六：生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector，LaneConnector的生成依赖于 车道Lane和导向箭头，导向箭头代表了车道之间的连通关系。根据步骤三中所述的北偏角 之差可计算路段之间的转向关系，根据步骤五中计算的车道允许的转向即可描述车道之间 的连通关系。如两条双向行驶路段a和b，若Linka的北偏角比Linkb大90°，则从a到 b为右转。若路段a进入交叉口方向的最外侧车道上有指示右转的导向箭头，则该车道与路 段b离开交叉口方向的最外侧车道之间存在连通关系。默认规则下，掉头车道连接另一交 通流向的最内侧车道，左转车道连接左侧路段所有离开交叉口方向的车道，直行车道连接 前方路段对应位置的离开交叉口方向的车道，右转车道连接右侧路段离开交叉口方向的最 外侧车道。
[0047] 或者如本实施例中，从公园西路南路段到同茂路东路段为右转，公园西路南路段 中进入交叉口的流向上，最外侧车道允许的转向为右转，如图2所示，所以该车道与同茂路 东路段离开交叉口方向最外侧车道之间存在连通关系。
[0048] 相同或相似的标号对应相同或相似的部件； 附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制； 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发 明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特征在于，包含以下 步骤：51. 提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组；52. 遍历路段数组Segment集合每一个元素Segment，提取该路段车行道边缘线、导向 箭头，判断该路段是否为双向行驶路段，当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流 分隔设施和路段车行道分界线，当该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据 提取的信息生成几何拓扑子路段Link;53.根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的 北偏角NorthAngle ;54. 生成逻辑拓扑有向子路段Arc;55. 生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头； S6?生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector ; Link是指路网在交通组织发生变化处打断后得到的路段部分； Node是Link的端点； Arc是由不同的交通流向将Link划分而得； Lane是路网中车辆行驶所依附的最小载体，每条车道能有不同的转向； LaneConnector是记录不同路段间或路段内部每对车道之间的连通关系。2. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，步骤Sl是使用基于密度和距离的聚类算法对线条形路面标线聚类形成路段数组， 根据输入的数据计算获取得到输出数据，其中： 输入的数据是由提取的线条形路面标线的中点 坐标组成的数组，数组中每个点的初始 状态包括：所属簇的编号为0,没有被处理过，不是核心点； 输出的数据是多个簇，其中每一个簇代表一条路段，每一个簇包含多个中点坐标，一个 中点代表了该路段内的一条标线； 具体过程方式为： 1) 遍历数组，以得到的第一个核心点作为聚类中心开始聚类，从距离该核心点最近的 点开始判断是否将点加入该簇，若该点在核心点的E领域内，则加入簇，同时修改点的属性 为已被处理过，标记上簇的标号，否则，判断下一个点，即次近的点； 2) 当点被加入簇以后，使用递归的方法，判断该点是否为核心点，若为核心点，以该点 作为新的核心点，重复上述判断过程；若不是核心点，则判断下一个点，即次近的点； 3) 若所有的点都被判断过，则该簇的聚类完成； 4) 重新搜索一个未被加入已有簇的核心点，开始新簇的聚类；直到所有的点都被加入 某个簇或者不被加入任何一个簇，不被加入任何一个簇的点标记为噪声点，算法结束； 上述步骤中含有两个全局变量，分别为构成E领域的最小样本点数MinPts和E领域的 半径Eps，Eps的值由MinPts-dist图确定； MinPts-dist图的横坐标为所有的中点，纵坐标为每个点与它的第MinPts个最邻近的 点之间的距离，距离按从大到小的顺序排列，上述MinPts-dist图中的第一个凹陷，即阈值 点所对应的MinPts-dist的值是Eps的值。3. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，步骤S2中，路段的车行道边缘线为路段中所有纵向线条形路面标线中的最外侧的 标线，通过将路段内纵向线条形路面标线的横坐标或者纵坐标按照升序或者降序排列提取 出最外侧的车行道边缘线； 根据提取的车行道边缘线构建多边形，提取多边形内的导向箭头，计算导向箭头的类 型和数字化方向； 通过路段编号将导向箭头与路段进行关联，判断路段是否双向行驶； 当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流分隔设施和路段车行道分界线；当 该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据提取的信息生成几何拓扑子路段 Link04. 根据权利要求3所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，根据导向箭头的类型为填充Hatch这一特性提取导向箭头，计算导向箭头的类型 和数字化方向的过程如下： 读取填充环线上所有凸点的坐标，使用基于堆栈的扫描法构建最小凸包； 构建凸包的外接矩形，以凸包的最短边作为凸包外接矩形的下侧边； 判断外接矩形边上的凸点是否是尖点；计算导向箭头的编码和数字化方向； 其中，尖点定义为：若凸点前后相邻4个点在同一条直线上，则该凸点是一个尖点； 导向箭头的编码是包含〇和1的四位数字，每一个位置上的数字1或〇代表边上有或 者没有尖点；四条边的排列依次为上侧边、下侧边、左侧边、右侧边； 根据导向箭头外接矩形的长边的矢量方向计算导向箭头的数字化方向；如果外接矩形 的长边构成的向量点乘路段的正方向向量结果大于0,说明导向箭头指向进入交叉口的方 向，即导向箭头的数字化方向的数值为1，反之，为-1 ; 通过路段编号将导向箭头关联到路段。5. 根据权利要求4所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，上述路段内存在数字化方向值为-1的导向箭头的路段为双向行驶路段； 两条车行道边缘线之间的距离为一条车道宽度的路段为仅有一条车道的单向行驶路 段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离小于一条车道宽度的路段为 有多条车道的单向行驶路段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离大于一条车道宽度的路段为 双向行驶路段。6. 根据权利要求3所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，对于双向行驶路段，对向行驶交通流分隔设施的提取依据为路面交通标线，包括线 条形路面交通标线和路面导向箭头，距离最左侧的数字化方向为1的导向箭头最近或次近 的标线即为对向行驶交通流分隔设施； 对于单向行驶路段，提取由车行道边缘线构建的多边形内的标线，根据坐标及相互之 间的位置关系提取车行道边缘线； 对于双向行驶路段，提取由车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施构建的两个多边 形内的标线，根据坐标和相互之间的位置关系提取车行道边缘线。7. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，几何拓扑子路段Link的生成依赖于车行道边缘线或者对向行驶交通流分隔设施； 若路段单向行驶，则以两条车行道边缘线的中心线作为Link， 若路段双向行驶，则以对向行驶交通流分隔设施或者其中心线作为Link; Node的生成依赖于Link，结点Node的坐标为所有任意两条子路段Link之间交点坐标 的平均值，连接Node和每条Link的终点形成线段；从正北向开始，按照顺时针的顺序记录 每条线段的北偏角，路段之间的转向关系可以根据两条线段之间的北偏角之差进行判断。8. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，单向行驶路段有一条有向子路段Arc，数字化方向数值为1 ; 双向行驶路段有两条有向子路段Arc，数字化正方向数值为1，反之，为-1 ; 逻辑拓扑有向子路段Arc的提取依据是车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施； 对于单向行驶路段，有向子路段Arc与子路段Link相同， 对于双向行驶路段，有向子路段为每一交通流向的车行道边缘线和对向行驶交通流分 隔设施的中心线。9. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，逻辑拓扑车道Lane的提取依据为车行道边缘线、对向行驶交通流分隔设施和车行 道分界线； 其中，车行道分界线包括同向可跨越车行道分界线和导向车道线；在单向行驶路段中， 对于最左侧和最右侧的车道，以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为Lane; 其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane; 对于双向行驶路段，最内侧的车道以对向行驶交通流分隔设施和临近的车行道分界线 的中心线作为Lane，最外侧的车道以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane，其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane; 在每一条车道上根据标线构建一个多边形，提取多边形内的导向箭头，将车道与导向 箭头进行关联； 根据导向箭头的类型即可计算车道允许的转向。10. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，车道连接器LaneConnector的生成依赖于车道Lane和导向箭头；导向箭头代表了 车道之间的连通关系，根据北偏角之差可计算路段之间的转向关系，根据车道允许的转向 描述车道之间的连通关系；默认规则下，掉头车道连接另一交通流向的最内侧车道，左转车 道连接左侧路段所有离开交叉口方向的车道，直行车道连接前方路段对应位置的离开交叉 口方向的车道，右转车道连接右侧路段离开交叉口方向的最外侧车道。
【专利摘要】本发明公开一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，包括以下步骤：提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组；遍历路段数组元素，提取车行道边缘线、导向箭头，判断路段是否双向行驶，提取对向行驶交通流分隔设施（双向行驶路段）、车行道分界线，生成几何拓扑子路段Link；根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的北偏角NorthAngle；生成逻辑拓扑有向子路段Arc；生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头；生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector。能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则，丰富了交叉口建模的方法。
【IPC分类】E01C1/02, G06F17/50
【公开号】CN104899357
【申请号】CN201510240665
【发明人】黄敏, 张旭, 郑健, 潘嘉杰, 张学强
【申请人】中山大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日
【技术领域】
[0001] 本发明属于数据提取和计算机图形处理的技术领域，特别是涉及一种基于 AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法。
【背景技术】
[0002] 交通路网是智能交通各研宄领域的基础，交通设施智能化管理、交通信息服务系 统和交通仿真都需要路网数据库的支持。城市道路交叉口是城市道路系统的重要组成部 分，是道路网络的结点所在，是管理、组织道路各类交通的控制点。道路能否畅通，在很大程 度上取决于交叉口的交通状况。在整个道路网中，交叉口成为了通行能力与交通安全上的 卡口。因此，交叉口的合理建模对道路网的形式及道路交通的影响是非常重大的。交叉口 的建模方法种类繁多，使用的数据源也多种多样。有学者从航空、遥感影像图上提取交叉口 数据，包含交叉口的位置、连接路段和路段方向等数据。有学者基于大量GPS车辆路径数据 提取、更新交叉口数据。也有学者结合道路矢量数据和数字表面模型实现立交数据模型的 构建。
[0003] 道路交通设计以及规划运用的主要设计软件是AutoCAD。AutoCAD具有丰富的 绘图指令和强大的图形编辑功能，能够详尽地描述路网元素，包括各种路面标线。另外， AutoCAD平面交叉口工程图资源丰富且容易获取。为了充分利用其来丰富交叉口建模的方 法，有必要构建平面交叉口的数据模型并从图中提取数据构建数据库。目前，从AutoCAD 工程图中提取路网数据构建路网数据库的方法包括用对象组织数据来建立CAD系统工程 数据库；提取以道路中心线为主线的集成道路并以Access作为CAD系统的核心数据库；从 DXF文件中提取数据并在仿真平台上重构路网等。然而，这些方法获取的都是路网的几何拓 扑数据，不包含逻辑拓扑数据，也不能表达交叉口处的转向规则。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于AutoCAD平面交叉口 工程图的拓扑数据提取方法，能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则，丰富 交叉口建模的方法。
[0005] 为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下： 一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，包含以下步骤： 51. 提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组； 52. 遍历路段数组Segment集合每一个元素Segment，提取该路段车行道边缘线、导向 箭头，判断该路段是否为双向行驶路段，当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流 分隔设施和路段车行道分界线，当该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据 提取的信息生成几何拓扑子路段Link; 53. 根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的 北偏角NorthAngle; 54. 生成逻辑拓扑有向子路段Arc; 55. 生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头； S6?生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector ; Link是指路网在交通组织发生变化处打断后得到的路段部分； Node是Link的端点； Arc是由不同的交通流向将Link划分而得； Lane是路网中车辆行驶所依附的最小载体，每条车道能有不同的转向； LaneConnector是记录不同路段间或路段内部每对车道之间的连通关系。
[0006] 优选地，步骤S1是使用基于密度和距离的聚类算法对线条形路面标线聚类形成 路段数组，根据输入的数据计算获取得到输出数据，其中： 输入的数据是由提取的线条形路面标线的中点坐标组成的数组，数组中每个点的初始 状态包括：所属簇的编号为0,没有被处理过，不是核心点； 输出的数据是多个簇，其中每一个簇代表一条路段，每一个簇包含多个中点坐标，一个 中点代表了该路段内的一条标线； 具体过程方式为： 1) 遍历数组，以得到的第一个核心点作为聚类中心开始聚类，从距离该核心点最近的 点开始判断是否将点加入该簇，若该点在核心点的E领域内，则加入簇，同时修改点的属性 为已被处理过，标记上簇的标号，否则，判断下一个点，即次近的点； 2) 当点被加入簇以后，使用递归的方法，判断该点是否为核心点，若为核心点，以该点 作为新的核心点，重复上述判断过程；若不是核心点，则判断下一个点，即次近的点； 3) 若所有的点都被判断过，则该簇的聚类完成； 4) 重新搜索一个未被加入已有簇的核心点，开始新簇的聚类；直到所有的中点都被加 入某个簇或者不被加入任何一个簇，不被加入任何一个簇的点标记为噪声点，算法结束； 上述步骤中含有两个全局变量，分别为构成E领域的最小样本点数MinPts和E领域的 半径Eps，Eps的值由MinPts-dist图确定； MinPts-dist图的横坐标为所有的中点，纵坐标为每个点与它的第MinPts个最邻近的 点之间的距离，距离按从大到小的顺序排列，上述MinPts-dist图中的第一个凹陷，即阈值 点所对应的MinPts-dist的值是Eps的值。
[0007] 优选地，步骤S2中，路段的车行道边缘线为路段中所有纵向线条形路面标线中的 最外侧的标线，通过将路段内纵向线条形路面标线的横坐标或者纵坐标按照升序或者降序 排列提取出最外侧的车行道边缘线； 根据提取的车行道边缘线构建多边形，提取多边形内的导向箭头，计算导向箭头的类 型和数字化方向； 通过路段编号将导向箭头与路段进行关联，判断路段是否双向行驶； 当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流分隔设施和路段车行道分界线；当 该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据提取的信息生成几何拓扑子路段 Link〇
[0008] 优选地，步骤S2中，根据导向箭头的类型为填充Hatch这一特性提取导向箭头，计 算导向箭头的类型和数字化方向的过程如下： 读取填充环线上所有凸点的坐标，使用基于堆栈的扫描法构建最小凸包； 构建凸包的外接矩形，以凸包的最短边作为凸包外接矩形的下侧边； 判断外接矩形边上的凸点是否是尖点；计算导向箭头的编码和数字化方向； 其中，尖点定义为：若凸点前后相邻4个点在同一条直线上，则该凸点是一个尖点； 导向箭头的编码是包含〇和1的四位数字，每一个位置上的数字1或〇代表边上有或 者没有尖点；四条边的排列依次为上侧边、下侧边、左侧边、右侧边； 根据导向箭头外接矩形的长边的矢量方向计算导向箭头的数字化方向；如果外接矩形 的长边构成的向量点乘路段的正方向向量结果大于0,说明导向箭头指向进入交叉口的方 向，即导向箭头的数字化方向的数值为1，反之，为-1 ; 通过路段编号将导向箭头关联到路段。
[0009] 优选地，上述路段内存在数字化方向值为-1的导向箭头的路段为双向行驶路段； 两条车行道边缘线之间的距离为一条车道宽度的路段为仅有一条车道的单向行驶路 段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离小于一条车道宽度的路段为 有多条车道的单向行驶路段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离大于一条车道宽度的路段为 双向行驶路段。
[0010] 优选地，对于双向行驶路段，对向行驶交通流分隔设施的提取依据为路面交通标 线，包括线条形路面交通标线和路面导向箭头，距离最左侧的数字化方向为1的导向箭头 最近或次近的标线即为对向行驶交通流分隔设施； 对于单向行驶路段，提取由车行道边缘线构建的多边形内的标线，根据坐标及相互之 间的位置关系提取车行道边缘线； 对于双向行驶路段，提取由车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施构建的两个多边 形内的标线，根据坐标和相互之间的位置关系提取车行道边缘线。
[0011] 优选地，几何拓扑子路段Link的生成依赖于车行道边缘线或者对向行驶交通流 分隔设施； 若路段单向行驶，则以两条车行道边缘线的中心线作为Link， 若路段双向行驶，则以对向行驶交通流分隔设施或者其中心线作为Link; 优选地，步骤S3中，Node的生成依赖于Link，结点Node的坐标为所有任意两条子路段Link之间交点坐标的平均值，连接Node和每条Link的终点形成线段；从正北向开始，按照 顺时针的顺序记 录每条线段的北偏角，路段之间的转向关系可以根据两条线段之间的北偏 角之差进行判断。
[0012] 优选地，步骤S4中，单向行驶路段有一条有向子路段Arc，数字化方向数值为1 ; 双向行驶路段有两条有向子路段Arc，数字化正方向数值为1，反之，为-1 ; 逻辑拓扑有向子路段Arc的提取依据是车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施。对 于单向行驶路段，有向子路段Arc与子路段Link相同， 对于双向行驶路段，有向子路段为每一交通流向的车行道边缘线和对向行驶交通流分 隔设施的中心线。
[0013] 优选地，步骤S5中，逻辑拓扑车道Lane的提取依据为车行道边缘线、对向行驶交 通流分隔设施和车行道分界线。
[0014] 其中，车行道分界线包括同向可跨越车行道分界线和导向车道线；在单向行驶路 段中，对于最左侧和最右侧的车道，以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane ;其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane ; 对于双向行驶路段，最内侧的车道以对向行驶交通流分隔设施和临近的车行道分界线 的中心线作为Lane，最外侧的车道以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane，其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane。在每一条车道上根据标线构建 一个多边形，提取多边形内的导向箭头，将车道与导向箭头进行关联； 根据导向箭头的类型即可计算车道允许的转向。
[0015] 优选地，步骤S6中，车道连接器LaneConnector的生成依赖于车道Lane和导向 箭头；导向箭头代表了车道之间的连通关系，根据北偏角之差可计算路段之间的转向关系， 根据车道允许的转向描述车道之间的连通关系；默认规则下，掉头车道连接另一交通流向 的最内侧车道，左转车道连接左侧路段所有离开交叉口方向的车道，直行车道连接前方路 段对应位置的离开交叉口方向的车道，右转车道连接右侧路段离开交叉口方向的最外侧车 道。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：是一种直接从AutoCAD平面交叉口工程 图中提取交叉口拓扑数据的方法，能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则， 丰富了交叉口建模的方法。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明的提取交叉口拓扑数据的总流程图。
[0018] 图2是本发明的实施例AutoCAD平面交叉口工程图的路面标线图层示意图。
[0019] 图3是本发明的MinPts-dist图。
[0020] 图4是本发明的聚类算法的总流程图。
[0021] 图5是本发明的形成一个簇的递归算法的流程图。
[0022] 图6是本发明的直行箭头的最小凸包和外接矩形示意图。
[0023] 图7是本发明的导向箭头的示意图。
[0024] 图8是本发明的计算导向箭头类型和数字化方向的流程图。
[0025] 图9是本发明的判断路段是否双向行驶的流程图。
【具体实施方式】
[0026] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制； 为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺 寸； 对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0027] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所 描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028] 为了克服现有关于根据AutoCAD平面交叉口工程图提取交叉口拓扑数据构建交 叉口数据库方法的缺点和不足，提供一种基于AutoCAD平面交叉口工程图提取交叉口拓扑 数据的方法，能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则，丰富了交叉口建模的 方法。
[0029] 如图1，一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，包括以下步 骤： 51. 提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组Segment集合； 52. 遍历路段数组Segment集合每一个元素Segment，提取该路段车行道边缘线，构 建多边形，再提取多边形内导向箭头，计算类型和数字化方向，判断该路段是否为双向行驶 路段，当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流分隔设施和路段车行道分界线，当 该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据提取的信息生成几何拓扑子路段 Link； 判断是否已遍历路段数组Segment集合所有的元素Segment，当遍历结束，则跳转到步 骤S3,否则跳转到步骤S2; 53. 根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的 北偏角NorthAngle; 54. 生成逻辑拓扑有向子路段Arc; 55. 生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头； S6?生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector。
[0030] 上述方案中，以AutoCAD平面交叉口工程图中路面标线层内的数据作为输入数 据。AutoCAD平面交叉口工程图能够详尽地描述路网元素，包括车行道边缘线、车行道分 界线、停止线、对向行驶交通流分隔设施、导向箭头等路面交通标线。图中线条形路面交 通标线的类型应为多段线（Polyline)或者直线（Line)，路面导向箭头的类型应为填充 (Hatch)。全文所指的数字化正方向为进入交叉口的交通流向，取值为1;反之，为-1。提 取的交叉口拓扑包括几何拓扑子路段Link、几何拓扑结点Node、逻辑拓扑有向子路段Arc、 逻辑拓扑车道Lane和逻辑拓扑车道连接器LaneConnector。Link指路网在交通组织发生 变化处打断后得到的路段部分。Node即为Link的端点。Arc是由不同的交通流向将子 路段划分而得。Lane是路网中车辆行驶所依附的最小载体，每条车道可以有不同的转向。 LaneConnector记录不同路段间或路段内部每对车道（一对一）之间的连通关系。
[0031] 具体实施例： 本实施例的输入数据AutoCAD平面交叉口工程图的路面标线图层如图2所示，图中的 对向行驶交通流分隔设施为双黄线。
[0032] 步骤一：从AutoCAD平面交叉口工程图的路面标线图层中提取线条形标线。使用 一种基于密度和距离的聚类算法对线条形路面标线进行聚类形成路段。输入的数据是由提 取的线条形路面标线的中点坐标组成的数组。数组中每个点的初始状态包括：所属簇的编 号为〇,没有被处理过，不是核心点。
[0033] 本实施例中，构成E领域的最小样本点数MinPts=4。Eps的值由MinPts-dist图 确定，MinPts-dist图如图3所示。基于密度和距离的聚类算法的流程如图4所示，形成一 个簇的递归算法如图5所示。图4中的d为距离的阈值，超过该阈值，点不被加入簇内。算 法的输出数据为4个簇，每一个簇代表一条路段。每个簇中包含纵向的车行道边缘线、车行 道分界线、对向行驶交通流分隔设施和横向的停止线。
[0034] 步骤二：从聚类形成的每一条路段中提取车行道边缘线、导向箭头，判断路段是否 双向行驶，提取行驶交通流分隔设施、车行道分界线，生成几何拓扑子路段Link。
[0035] 首先，在所有纵向标线中提取最外侧的两条标线作为车行道边缘线。根据提取的 车行道边缘线构建多边形。
[0036] 其次，根据导向箭头的类型为填充（Hatch)这一特性提取图中的导向箭头。根据 导向箭头的填充环线上所有凸点坐标的平均值是否在多边形内提取出多边形内的导向箭 头，将提取出的导向箭头标记上路段的编号。根据导向箭头的几何特征计算其类型。以直 行箭头为例，如图6所示，直行箭头的编码为1000。《道路交通标志和标线KGB5768-2009) 列出的各种类型的导向箭头如图7所示。图7(a)表示直行，图7(b)表示左转，图7(c)表 不右转，图7(d)表不掉头，图7(e)表不道路有左弯或向左合流，图7(f)表不道路有右弯或 向右合流，图7(g)表示直行和左转，图7(h)表示直行和右转，图7 (i)表示左转和掉头，图 7(j)表 示直行和掉头，图7(k)表示左转和右转，计算导向箭头类型和数字化方向的流程如 图8所示。
[0037] 计算导向箭头的类型和数字化方向的过程如下：读取填充环线上所有凸点的坐 标，使用基于堆栈的扫描法构建最小凸包；构建凸包的外接矩形，以凸包的最短边作为凸包 外接矩形的下侧边；判断外接矩形边上的凸点是否是尖点；计算导向箭头的编码和数字化 方向。其中，将尖点定义为这样一种凸点：若凸点前后相邻4个点在同一条直线上，则该凸 点是一个尖点。导向箭头的编码是包含0和1的四位数字。每一个位置上的数字1或0代 表边上有或者没有尖点。四条边的排列顺序为上侧边、下侧边、左侧边、右侧边。根据导向 箭头外接矩形的长边的矢量方向计算导向箭头的数字化方向。如果外接矩形的长边构成的 向量点乘路段的正方向向量结果大于〇,说明导向箭头指向进入交叉口的方向，即导向箭头 的数字化方向的数值为1。反之，为-1。导向箭头的类型和对应的编码如表1所示。通过 路段编号将导向箭头关联到路段。
[0038] 表1导向箭头类型及编码
然后，判断路段是否双向行驶。判断流程如图9所示。其中，Dir=l表示路段单向行驶，Dir=2表示路段双向行驶。dl和d2为一条车道宽度的下限和上限，d为一条车道的宽度。 本实施例中，因为4条路段中最左侧的导向箭头到左侧车行道边缘线的距离都远大于一条 车道的宽度，所以4条路段都是双向行驶。然后，提取对向行驶交通流分隔设施，在本实施 例中即为双黄线。提取箭头左侧最邻近的标线，该标线即为第一条双黄线。再提取该双黄 线左侧最邻近的标线，该标线即为第二条双黄线。然后，提取车行道分界线。对于本实施例 中的双向路段，根据车行道边缘线和双黄线构建两个多边形，提取多边形内的标线作为车 行道分界线，并依据坐标和相互之间的位置关系确定每条车行道分界线的具体位置。
[0039] 最后，生成几何拓扑子路段Link。在本实施例中，以双黄线的中心线作为每条路段 的Link，数字化正方向为进入交叉口的方向。
[0040] 步骤三：生成几何拓扑结点Node，几何拓扑结点Node的生成依赖于Link。结 点Node的坐标为所有任意两条子路段Link延长线的交点坐标的平均值。连接Node和 每条Link的终点形成线段。从正北向开始，按照顺时针的顺序记录每条线段的北偏角 NorthAngle。路段之间的转向关系可以根据两条线段之间的北偏角之差进行判断。如Link a的北偏角比Linkb大90°，则从a到b为右转。
[0041] 往交叉口方向延伸步骤二中生成的4条Link，获取每两条Link的交点。取所有交 点坐标的平均值作为结点Node的坐标的值。连接Node与4条Link的终点形成4条线段。 从正北向开始，计算并记录每条线段的北偏角NorthAngle。路段之间的转向关系可以根据 两条线段之间的北偏角之差进行判断。如本实施例中，公园西路南路段比同茂路东路段的 北偏角大90°，如图2所示，则从公园西路南路段到同茂路东路段为右转。
[0042] 步骤四：生成逻辑拓扑有向子路段Arc，单向行驶路段有一条有向子路段Arc，数 字化方向数值为1。双向行驶路段有两条有向子路段Arc，数字化正方向数值为1，反之， 为-1。逻辑拓扑有向子路段Arc的提取依据是车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施。 对于单向行驶路段，有向子路段Arc与子路段Link相同。而对于双向行驶路段，有向子路 段为每一交通流向的车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施的中心线。
[0043] 本实施例中，每条路段有两条有向子路段Arc。以进入交叉口方向这一侧的车行道 边缘线和双黄线的中心线作为第一条Arc，其数字化方向的值为1 ;以离开交叉口方向这一 侧的车行道边缘线和双黄线的中心线作为第二条Arc，其数字化方向的值为-1。
[0044] 步骤五：生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头。逻辑拓扑车道Lane的 提取依据为车行道边缘线、对向行驶交通流分隔设施和车行道分界线。本实施例中，对于 各条路段的每一交通流向，最内侧的车道以对向行驶交通流分隔设施和临近的车行道分界 线的中心线作为Lane，最外侧的车道以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane，其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane。在每一条车道上根据标线构建 一个多边形，提取多边形内的导向箭头，将车道与导向箭头进行关联。根据导向箭头的类型 即可计算车道允许的转向。如本实施例公园西路南路段中，如图2所示，进入交叉口的流向 上，最外侧车道上的导向箭头的类型为右转，所以该车道允许的转向为右转。
[0045] 车道连接器LaneConnector的生成依赖于车道Lane和导向箭头。导向箭头代表 了车道之间的连通关系。根据步骤S3中所述的北偏角之差可计算路段之间的转向关系，根 据步骤S5中计算的车道允许的转向即可描述车道之间的连通关系。
[0046] 步骤六：生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector，LaneConnector的生成依赖于 车道Lane和导向箭头，导向箭头代表了车道之间的连通关系。根据步骤三中所述的北偏角 之差可计算路段之间的转向关系，根据步骤五中计算的车道允许的转向即可描述车道之间 的连通关系。如两条双向行驶路段a和b，若Linka的北偏角比Linkb大90°，则从a到 b为右转。若路段a进入交叉口方向的最外侧车道上有指示右转的导向箭头，则该车道与路 段b离开交叉口方向的最外侧车道之间存在连通关系。默认规则下，掉头车道连接另一交 通流向的最内侧车道，左转车道连接左侧路段所有离开交叉口方向的车道，直行车道连接 前方路段对应位置的离开交叉口方向的车道，右转车道连接右侧路段离开交叉口方向的最 外侧车道。
[0047] 或者如本实施例中，从公园西路南路段到同茂路东路段为右转，公园西路南路段 中进入交叉口的流向上，最外侧车道允许的转向为右转，如图2所示，所以该车道与同茂路 东路段离开交叉口方向最外侧车道之间存在连通关系。
[0048] 相同或相似的标号对应相同或相似的部件； 附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制； 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发 明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特征在于，包含以下 步骤：51. 提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组；52. 遍历路段数组Segment集合每一个元素Segment，提取该路段车行道边缘线、导向 箭头，判断该路段是否为双向行驶路段，当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流 分隔设施和路段车行道分界线，当该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据 提取的信息生成几何拓扑子路段Link;53.根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的 北偏角NorthAngle ;54. 生成逻辑拓扑有向子路段Arc;55. 生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头； S6?生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector ; Link是指路网在交通组织发生变化处打断后得到的路段部分； Node是Link的端点； Arc是由不同的交通流向将Link划分而得； Lane是路网中车辆行驶所依附的最小载体，每条车道能有不同的转向； LaneConnector是记录不同路段间或路段内部每对车道之间的连通关系。2. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，步骤Sl是使用基于密度和距离的聚类算法对线条形路面标线聚类形成路段数组， 根据输入的数据计算获取得到输出数据，其中： 输入的数据是由提取的线条形路面标线的中点 坐标组成的数组，数组中每个点的初始 状态包括：所属簇的编号为0,没有被处理过，不是核心点； 输出的数据是多个簇，其中每一个簇代表一条路段，每一个簇包含多个中点坐标，一个 中点代表了该路段内的一条标线； 具体过程方式为： 1) 遍历数组，以得到的第一个核心点作为聚类中心开始聚类，从距离该核心点最近的 点开始判断是否将点加入该簇，若该点在核心点的E领域内，则加入簇，同时修改点的属性 为已被处理过，标记上簇的标号，否则，判断下一个点，即次近的点； 2) 当点被加入簇以后，使用递归的方法，判断该点是否为核心点，若为核心点，以该点 作为新的核心点，重复上述判断过程；若不是核心点，则判断下一个点，即次近的点； 3) 若所有的点都被判断过，则该簇的聚类完成； 4) 重新搜索一个未被加入已有簇的核心点，开始新簇的聚类；直到所有的点都被加入 某个簇或者不被加入任何一个簇，不被加入任何一个簇的点标记为噪声点，算法结束； 上述步骤中含有两个全局变量，分别为构成E领域的最小样本点数MinPts和E领域的 半径Eps，Eps的值由MinPts-dist图确定； MinPts-dist图的横坐标为所有的中点，纵坐标为每个点与它的第MinPts个最邻近的 点之间的距离，距离按从大到小的顺序排列，上述MinPts-dist图中的第一个凹陷，即阈值 点所对应的MinPts-dist的值是Eps的值。3. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，步骤S2中，路段的车行道边缘线为路段中所有纵向线条形路面标线中的最外侧的 标线，通过将路段内纵向线条形路面标线的横坐标或者纵坐标按照升序或者降序排列提取 出最外侧的车行道边缘线； 根据提取的车行道边缘线构建多边形，提取多边形内的导向箭头，计算导向箭头的类 型和数字化方向； 通过路段编号将导向箭头与路段进行关联，判断路段是否双向行驶； 当该路段为双向行驶路段，则提取对向行驶交通流分隔设施和路段车行道分界线；当 该路段为单向行驶路段，则提取路段车行道分界线；根据提取的信息生成几何拓扑子路段 Link04. 根据权利要求3所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，根据导向箭头的类型为填充Hatch这一特性提取导向箭头，计算导向箭头的类型 和数字化方向的过程如下： 读取填充环线上所有凸点的坐标，使用基于堆栈的扫描法构建最小凸包； 构建凸包的外接矩形，以凸包的最短边作为凸包外接矩形的下侧边； 判断外接矩形边上的凸点是否是尖点；计算导向箭头的编码和数字化方向； 其中，尖点定义为：若凸点前后相邻4个点在同一条直线上，则该凸点是一个尖点； 导向箭头的编码是包含〇和1的四位数字，每一个位置上的数字1或〇代表边上有或 者没有尖点；四条边的排列依次为上侧边、下侧边、左侧边、右侧边； 根据导向箭头外接矩形的长边的矢量方向计算导向箭头的数字化方向；如果外接矩形 的长边构成的向量点乘路段的正方向向量结果大于0,说明导向箭头指向进入交叉口的方 向，即导向箭头的数字化方向的数值为1，反之，为-1 ; 通过路段编号将导向箭头关联到路段。5. 根据权利要求4所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，上述路段内存在数字化方向值为-1的导向箭头的路段为双向行驶路段； 两条车行道边缘线之间的距离为一条车道宽度的路段为仅有一条车道的单向行驶路 段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离小于一条车道宽度的路段为 有多条车道的单向行驶路段； 路段中最左侧的导向箭头到左侧的车行道边缘线的距离大于一条车道宽度的路段为 双向行驶路段。6. 根据权利要求3所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，对于双向行驶路段，对向行驶交通流分隔设施的提取依据为路面交通标线，包括线 条形路面交通标线和路面导向箭头，距离最左侧的数字化方向为1的导向箭头最近或次近 的标线即为对向行驶交通流分隔设施； 对于单向行驶路段，提取由车行道边缘线构建的多边形内的标线，根据坐标及相互之 间的位置关系提取车行道边缘线； 对于双向行驶路段，提取由车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施构建的两个多边 形内的标线，根据坐标和相互之间的位置关系提取车行道边缘线。7. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，几何拓扑子路段Link的生成依赖于车行道边缘线或者对向行驶交通流分隔设施； 若路段单向行驶，则以两条车行道边缘线的中心线作为Link， 若路段双向行驶，则以对向行驶交通流分隔设施或者其中心线作为Link; Node的生成依赖于Link，结点Node的坐标为所有任意两条子路段Link之间交点坐标 的平均值，连接Node和每条Link的终点形成线段；从正北向开始，按照顺时针的顺序记录 每条线段的北偏角，路段之间的转向关系可以根据两条线段之间的北偏角之差进行判断。8. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，单向行驶路段有一条有向子路段Arc，数字化方向数值为1 ; 双向行驶路段有两条有向子路段Arc，数字化正方向数值为1，反之，为-1 ; 逻辑拓扑有向子路段Arc的提取依据是车行道边缘线和对向行驶交通流分隔设施； 对于单向行驶路段，有向子路段Arc与子路段Link相同， 对于双向行驶路段，有向子路段为每一交通流向的车行道边缘线和对向行驶交通流分 隔设施的中心线。9. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，逻辑拓扑车道Lane的提取依据为车行道边缘线、对向行驶交通流分隔设施和车行 道分界线； 其中，车行道分界线包括同向可跨越车行道分界线和导向车道线；在单向行驶路段中， 对于最左侧和最右侧的车道，以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为Lane; 其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane; 对于双向行驶路段，最内侧的车道以对向行驶交通流分隔设施和临近的车行道分界线 的中心线作为Lane，最外侧的车道以车行道边缘线和临近的车行道分界线的中心线作为 Lane，其余的则以每两条车行道分界线的中心线作为Lane; 在每一条车道上根据标线构建一个多边形，提取多边形内的导向箭头，将车道与导向 箭头进行关联； 根据导向箭头的类型即可计算车道允许的转向。10. 根据权利要求1所述的基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，其特 征在于，车道连接器LaneConnector的生成依赖于车道Lane和导向箭头；导向箭头代表了 车道之间的连通关系，根据北偏角之差可计算路段之间的转向关系，根据车道允许的转向 描述车道之间的连通关系；默认规则下，掉头车道连接另一交通流向的最内侧车道，左转车 道连接左侧路段所有离开交叉口方向的车道，直行车道连接前方路段对应位置的离开交叉 口方向的车道，右转车道连接右侧路段离开交叉口方向的最外侧车道。
【专利摘要】本发明公开一种基于AutoCAD平面交叉口工程图的拓扑数据提取方法，包括以下步骤：提取路面标线层内所有线条形路面标线，聚类生成路段数组；遍历路段数组元素，提取车行道边缘线、导向箭头，判断路段是否双向行驶，提取对向行驶交通流分隔设施（双向行驶路段）、车行道分界线，生成几何拓扑子路段Link；根据所有Link延长线的交点的平均值生成几何拓扑结点Node，计算每条Link的北偏角NorthAngle；生成逻辑拓扑有向子路段Arc；生成逻辑拓扑车道Lane，关联车道与导向箭头；生成逻辑拓扑车道连接器LaneConnector。能够获得交叉口完整的几何拓扑、逻辑拓扑和转向规则，丰富了交叉口建模的方法。
【IPC分类】E01C1/02, G06F17/50
【公开号】CN104899357
【申请号】CN201510240665
【发明人】黄敏, 张旭, 郑健, 潘嘉杰, 张学强
【申请人】中山大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日
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