基于多约束优化方法的建筑物与道路空间冲突探测与处理研究

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地图制图综合是在地图用途、比例尺和制图区域地理特点等条件下,通过对地图内容的选取、化简、概括和关系协调,建立能反映区域地理规律和特点的新的地图模型的一种制图方法,它的目标在于为用户提供内容适宜、形式精美的可视化效果。而随着网络信息技术的快速发展、众源数据的日益丰富以及用户个性化需求不断增长,地图服务面临空间信息内容更泛、要素关系更复杂、图形可视化更丰富,所有这些特征都将会导致地图空间的冲突更严重,需要更有效的探测、移位、处理策略解决该问题,新时代地图综合面临新的挑战。本论文为应对该挑战,开展地图空间冲突处理的专门研究。移位是解决空间冲突最常用的上下文相关的综合算子,在移位过程中,不仅要顾及冲突要素本身的几何和语义特征,还要考虑其邻域内其他要素的影响以及移位的传播效应。因此,移位可以看作是满足多种制图约束条件的多因素决策过程,故可以利用最优化技术解决。移位操作的应用前提是冲突要素周围有多余的移位空间,若移位空间不足,此时仅利用移位操作仍无法解决要素之间的空间冲突,就需要考虑联合其他的综合算子处理空间冲突。利用最优化技术解决要素之间的空间冲突是自动化综合和智能化综合的发展趋势,故本文以地图上两类最重要要素建筑物与道路之间的空间冲突为研究对象,探究如何利用最优化移位方法以及联合多个综合算子处理它们之间的空间冲突。论文的主要研究内容如下:(1)本研究总结了当前解决空间冲突的相关移位方法并对比了最优化移位方法的优缺点,系统阐述了支持要素空间冲突处理的相关理论基础,包括地图制图综合理论和移位操作理论。最后详细介绍了标准遗传算法和模拟退火算法的基本原理并分析其缺陷,在此基础上描述了其改进的多种群遗传算法和遗传模拟退火算法的实现流程。(2)针对要素之间复杂多变的空间冲突类型,提出了顾及几何和语义特征的空间冲突分类标准。由于移位是多要素不同几何维数目标间的关系处理,冲突对象涉及相同类型的要素和不同类型的要素,冲突要素之间具有内外力不同的作用效应。因此,本文根据要素的几何和语义特征确定不同冲突类型中冲突对象的移位距离和移位方向。同时,由于移位的传播效应,冲突对象的移动不仅会影响到其邻域内的其他要素,而且邻域内的要素也会对冲突对象产生作用,这都会影响冲突对象移位距离和移位方向的变化,进而影响移位原则的确定。(3)针对要素之间空间冲突的探测,利用基于空间场邻域表达思想建立了空间冲突探测及冲突区域形式化表达模型。该模型以约束Delaunay三角网的连接表示要素之间的邻接关系,定义特定的功能函数探测冲突对象之间的冲突区域,即满足特定条件的约束Delaunay三角形集合。论文采用可视化的方式展示冲突探测的效果以及冲突区域,结果表明该模型可以有效探测不同冲突类型中的冲突区域,具有普适性。(4)针对由于街区内道路扩宽所产生的空间冲突问题,提出了基于多种群遗传算法的建筑物移位方法,该方法以空间场模型探测要素之间的冲突区域并计算冲突个数,以建筑物总的移位距离和剩余空间冲突个数为优化控制条件,同时考虑了要素之间的相对位置关系和排列模式等制图约束条件,进而获得街区内建筑物的最佳移位位置。实验部分讨论了多种群遗传算法在建筑物移位方面的性能,使用城市街区建筑物数据验证了该移位方法的有效性,并定性和定量地评价了移位结果;同时与其他两种组合优化方法进行了比较。(5)针对仅利用移位操作无法解决高密度街区内要素之间空间冲突的问题,提出了多综合算子联合的启发式空间冲突的处理策略。该模型利用渐进式选取操作降低街区内建筑物的密度,利用遗传模拟退火算法实现建筑物的移位,最后对剩余冲突建筑物进行聚合操作得到最终的结果。本文以城市高密度街区数据验证该模型的有效性,并进行定量和定性分析。结果表明,联合多个综合算子可以解决复杂的冲突类型,且可以考虑更多的制图约束条件。本研究针对地图综合过程中建筑物与道路之间的空间冲突问题,提出了基于智能优化方法的建筑物移位方法以及多综合算子联合处理空间冲突的策略,对实现地图制图综合领域中空间冲突自动化和智能化处理有突出贡献作用。本研究的不足在于仅仅只研究了建筑物和道路之间的空间冲突解决方法,以后将进一步研究智能优化方法在其他要素空间冲突解决中的应用。
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