面向城市电力专业管线与综合管线的空间数据匹配方法与流程

1.本发明属于地理信息系统技术领域，尤其涉及一种面向城市电力专业管线与综合管线的空间数据匹配方法。


背景技术：

2.城市地下管线是对城市发展的重要作用物质基础之一，担负着传递信息与输送能量的工作，是城市赖以生存与发展的物质基础，被称为城市的“生命线”与“血脉”。随着现代化建设与“智慧城市”的快速发展，城市地下管线数据已成为地下空间信息资源的重要内容，在城市规划设计、应急事件处理、地下空间开发等领域有广泛应用。
3.由于管理模式与应用目的的区别，当前管线数据被分为综合地下管线数据与专业地下管线数据两大类，涉及电力、燃气、给水、排水、通信、热力、工业等多行业。城市综合地下管线数据通常来自规划、建设部门，这些部门往往通过专项管线普查、竣工测量、管线修测等方式，依据《城市地下管线探测技术规程》建立起符合管线探测精度的管线数据库；专业地下管线数据从行业本身出发，由各管线权属单位依据其管网管理需求建立的管线信息系统，这些数据一般通过对管线竣工图的手工数字化方式获得，与综合地下管线数据相比，专业地下管线空间数据的测量精度明显较低，但数据分类更为详尽、属性描述更细致、语义信息丰更富且现势性好。两类管线数据均面向同一区域内的相同管线对象，却由于技术条件、应用需求不同等原因在数据模型、数据精度以及语义内涵等方面具有明显差异。由此，不同类型管线数据的集成、融合以及共享、交换问题在管线数据深层次应用与管线信息化工作中日益突出，“两套数据、两个系统”的现象普遍存在，各个地下管线信息系统成为一个个“信息孤岛”。
4.近年来，城市电力管线空间数据的应用和发展面临着两类尴尬的处境，一是城市规划部门投入大量的资金对电力管网进行管线探测，形成的综合电力管网数据虽拥有较高的空间定位精度，但是缺少相应的管网业务信息，应用领域有限，且数据不能被电力管线权属单位直接用于开发专业管线信息管理系统；二是由电力权属单位管理的专业电力管网数据虽拥有丰富的设备设施及业务信息，但受管线探测的经费投入、技术难度等影响，电力管网空间数据的覆盖范围和时效性差，空间定位精度难以满足管网精细化管理的需求。
5.综合地下管线管理系统与专业地下管线管理系统需按照统一的标准，实现数据的即时交换、共建共享与动态更新。由于缺少整体性的地下管线数据匹配模型、缺少解决大规模空间数据匹配的方法、缺少高效、便捷的管线数据匹配工具，管线相关部门依旧采用效率低下的人工匹配方式进行数据匹配。因此，一种有效、可用且高效的城市地下管线空间数据匹配方法亟待形成。


技术实现要素：

6.针对以上现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向城市电力专业管线与综合管线的空间数据匹配方法，通过先进的gis空间数据匹配方法，结合电力管线空间数据“管
点-管段”的结构特征，实现了电力管网空间数据的匹配，达到了管线空间数据高效准确匹配的目的。
7.为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：一种面向城市电力专业管线与综合管线的空间数据匹配方法，具体包括以下步骤：
8.(1)管线的差异化分析：以电力管网的综合管线空间数据和专业管线空间数据为研究对象，进行分层分析，分别获取综合管线、专业管线在空间位置、分类、属性和具体实例上的差异特征，制定综合管线、专业管线的匹配和融合规则，并分别对综合管线空间数据、专业管线空间数据进行数据预处理，创建唯一标识码；
9.(2)提取管线的骨架线stroke：分析综合管线、专业管线的各类管点连通性，选取连通度最高的一类管点建立种子管段，依据综合管线、专业管线的差异特征，制定综合管线和专业管线的连接规则和连接策略，生成概化的电力管网骨架线stroke；
10.(3)管线的整体匹配：依据综合管线、专业管线的差异特征，设置合理的骨架线缓冲区半径阈值，分别生成综合管线、专业管线的骨架线stroke缓冲区，并计算缓冲区相交的骨架线的面积叠置率矩阵和骨架线的夹角余弦值，计算综合管线、专业管线的骨架线与步骤(2)生成的电力管网骨架线stroke的匹配率，根据连接策略生成最优的骨架线匹配集；
11.(4)管线的局部匹配：基于最优的骨架线匹配集，确认匹配的管点控制点，并进行其余管点的局部匹配，包括：候选匹配集合计算、主干网管点匹配、支网管点匹配以及补充匹配；
12.(5)匹配结果的验证和修正：基于管点和管线的结构、语义和几何相似性，计算综合管线的关键管点匹配集与专业管线的关键管点匹配集中管点相似性，将三类相似性设置相同权重，综合计算得到相似性最高关键管点作为管点匹配结果集，确定最终的管线匹配结果。
13.进一步地，步骤(1)中创建唯一标识码的过程具体为：将综合管线、专业管线的管段中一端有管点，另一端无管点的管线进行删除；检查综合管线、专业管线是否为折线，将折线点按照管点、管段的结构打断，将综合管线、专业管线中的管点生成唯一标识码。
14.进一步地，步骤(2)包括如下子步骤：
15.(2.1)选择骨架线stroke生成起始点：分别对综合管线、专业管线的多通点、转折点以及末端点进行管点个数、管点个数占比、管段长度以及管段长度占比的统计与计算，得出多通点的连通性最高，将多通点作为骨架线的生成起始点，从起始点出发，利用管线差异化分析所确定的连接规则和连接策略，构建管线骨架线；
16.(2.2)寻找相连管段：依据连接规则生成临时的管线骨架线管段集合，如果存在能够连接的管段，且该管段没有被生成骨架线，则基于自身最大适合策略选择一条最适合的管段与种子管段相连，否则完成一条骨架线的生成；
17.(2.3)遍历所有多通点，执行步骤(2.2)，直到所有多通点都被加入骨架线中。
18.进一步地，所述连接规则为：相邻管段的角度大于150
°
，相邻管段的管径相等，相邻管段的材质属性一致。
19.进一步地，步骤(3)包括如下子步骤：
20.(3.1)依据综合管线、专业管线的差异特征，设置骨架线缓冲区半径阈值，生成综合管线骨架线的缓冲区和专业管线骨架线的stroke缓冲区；
21.(3.2)计算综合管线和专业管线骨架线集合之间的缓冲区叠置面积s
叠置面积
和方向夹角余弦值，计算骨架线匹配率得出骨架线匹配率矩阵；其中，代表一条待匹配的综合管线骨架线首尾管点所连成的向量，代表一条待匹配的专业管线骨架线首尾管点所连成的向量；
22.(3.3)选取出骨架线匹配率矩阵中骨架线匹配率最高的综合管线和专业管线骨架线，将骨架线匹配率最高的综合管线和专业管线骨架线的管段进行连接，得到骨架线匹配集。
23.进一步地，步骤(4)包括如下子步骤：
24.(4.1)确认匹配的控制点：骨架线匹配集中的某一根综合管线骨架线有且只有一个综合管点，骨架线匹配集中与之对应的专业管线骨架线也有且只有一个专业管点，将所述综合管点与专业管点作为一对匹配控制点；
25.(4.2)候选匹配集合的计算：以每个综合管点为对象，将综合管点与落在缓冲区内的各个专业管点形成一条候选匹配记录，每条记录包括管点编号、拓扑相似度、语义相似度信息，将所有候选匹配记录的总和作为候选匹配集合；
26.(4.3)干网点匹配：筛选出候选匹配集合中语义相似度为1、拓扑相似度大于0.95，且拓扑相似度满足“每对最优”原则的候选匹配对，作为干网点；
27.(4.4)支网点匹配：在已经匹配的控制点与干网管点基础上，根据支网管点的语义信息、支网管点与干网管点的结构关联进行匹配操作；
28.(4.5)补充匹配：在剩余的候选匹配集合中，若同时满足：该综合管点与可能匹配的各个专业管点的距离最小；该综合管点与可能匹配的各个专业管点的拓扑相似度最大且大于0.9；该综合管点与专业管点的语义不冲突；则也认为管点匹配。
29.进一步地，当存在无法匹配管线的情况时，通过人工验证的方法检验匹配对。
30.与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：
31.(1)通过分析各类管点连通性、生成可以表征电力管网整体结构特征的电力管网骨架线，并基于管点空间、结构和语义相似性进行管线的整体、局部匹配与验证，科学高效地实现了电力综合管线和电力专业管线空间矢量数据之间的自动匹配。依据自动匹配结果可以形成一套兼具高位置精度和丰富语义属性的电力管网空间数据，既能满足城市规划部门的空间定位需求，也能满足权属部门对各自日常业务管理的需求。
32.(2)分析电力管网整体结构形态特征，在一定程度上改变了传统电力管线管理模式；将电力管线的更新合二为一，一次更新，多方使用，节约了财政投入，提高了经费使用效率。
附图说明
33.图1为本发明面向城市电力专业管线与综合管线的空间数据匹配方法的框架图；
34.图2为本发明中唯一标识码创建流程图；
35.图3为本发明中电力管网骨架线生成流程图；
36.图4为本发明中电力管网骨架线匹配流程图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
38.如图1为本发明面向城市电力专业管线与综合管线的空间数据匹配方法的框架图，该空间数据匹配方法具体包括如下步骤：
39.(1)管线的差异化分析：以电力管网的综合管线空间数据和专业管线空间数据为研究对象，进行分层分析，分别获取综合管线、专业管线在空间位置、分类、属性和具体实例上的差异特征，制定综合管线、专业管线的匹配和融合规则，并分别对综合管线空间数据、专业管线空间数据进行数据预处理，创建唯一标识码，提升综合管线和专业管线进行管段的匹配融合的效率。
40.本发明中的空间位置特征差异是不同数据集中的同名素在空间位置上存在一定的偏差，分类特征差异主要指的是两类管线数据在数据分层组织方式上存在着差异，属性特征差异主要指的是两类管线表达属性信息的方式和内容存在着差异，具体实例上的特征差异主要指的是两类管线的实例对应关系上存在着差异。以综合管线数据和专业管线数据为例，两类管线的特征差异分析如表1。
41.表1电力专业管线和综合管线差异分析表
[0042][0043][0044]
如图2，本发明中唯一标识码的创建过程具体为：将综合管线、专业管线的管段中一端有管点，另一端无管点的管线进行删除；检查综合管线、专业管线是否为折线，将折线点按照管点、管段的结构打断，将综合管线、专业管线中的管点生成唯一标识码，此步骤只需进行一次，形成的电力专业管线和综合管线的差异分析结果可用于之后其他电力管线空间数据匹配过程。
[0045]
(2)提取管线的骨架线stroke：分析综合管线、专业管线的各类管点连通性，选取连通度最高的一类管点建立种子管段，依据综合管线、专业管线的差异特征，制定综合管线和专业管线的连接规则和连接策略，生成概化的电力管网骨架线stroke，以简化地下管线形状，同时保持管线形态特征与分布情况；如图3，具体包括如下子步骤：
[0046]
(2.1)选择骨架线stroke生成起始点：分别对综合管线、专业管线的多通点、转折
点以及末端点进行管点个数、管点个数占比、管段长度以及管段长度占比的统计与计算，得出多通点的连通性最高，将多通点作为骨架线的生成起始点，能有效提升匹配算法的效率，从起始点出发，利用管线差异化分析所确定的连接规则和连接策略，构建管线骨架线；
[0047]
(2.2)寻找相连管段：依据连接规则生成临时的管线骨架线管段集合，如果存在能够连接的管段，且该管段没有被生成骨架线，则基于自身最大适合策略选择一条最适合的管段与种子管段相连，否则完成一条骨架线的生成；一般来讲，管段与管段的夹角越接近平角，管段之间的几何连续性越好，而管径和材质是区分不同管段的主要属性字段，故本发明中连接规则为：相邻管段的角度大于150
°
，相邻管段的管径相等，相邻管段的材质属性一致。
[0048]
(2.3)遍历所有多通点，执行步骤(2.2)，直到所有多通点都被加入骨架线中。
[0049]
(3)如图4为本发明中电力管网骨架线匹配流程图，首先进行管线的整体匹配：依据综合管线、专业管线的差异特征，设置合理的骨架线缓冲区半径阈值，分别生成综合管线、专业管线的骨架线stroke缓冲区，并计算缓冲区相交的骨架线的面积叠置率矩阵和骨架线的夹角余弦值，计算综合管线、专业管线的骨架线与步骤(2)生成的电力管网骨架线stroke的匹配率，根据连接策略生成最优的骨架线匹配集；具体包括如下子步骤：
[0050]
(3.1)依据综合管线、专业管线的差异特征，设置骨架线缓冲区半径阈值，生成综合管线骨架线的缓冲区和专业管线骨架线的stroke缓冲区；
[0051]
(3.2)计算综合管线和专业管线骨架线集合之间的缓冲区叠置面积s
叠置面积
和方向夹角余弦值，计算骨架线匹配率得出骨架线匹配率矩阵；其中，代表一条待匹配的综合管线骨架线首尾管点所连成的向量，代表一条待匹配的专业管线骨架线首尾管点所连成的向量；
[0052]
(3.3)选取出骨架线匹配率矩阵中骨架线匹配率最高的综合管线和专业管线骨架线，将骨架线匹配率最高的综合管线和专业管线骨架线的管段进行连接，得到骨架线匹配集。
[0053]
(4)管线的局部匹配：基于最优的骨架线匹配集，确认匹配的管点控制点，并进行其余管点的局部匹配，包括：候选匹配集合计算、主干网管点匹配、支网管点匹配以及补充匹配；具体包括如下子步骤：
[0054]
(4.1)确认匹配的控制点：骨架线匹配集中的某一根综合管线骨架线有且只有一个综合管点，骨架线匹配集中与之对应的专业管线骨架线也有且只有一个专业管点，将所述综合管点与专业管点作为一对匹配控制点；
[0055]
(4.2)候选匹配集合的计算：以每个综合管点为对象，将综合管点与落在缓冲区内的各个专业管点形成一条候选匹配记录，每条记录包括管点编号、拓扑相似度、语义相似度信息，将所有候选匹配记录的总和作为候选匹配集合；
[0056]
(4.3)干网点匹配：筛选出候选匹配集合中语义相似度为1、拓扑相似度大于0.95，且拓扑相似度满足“每对最优”原则的候选匹配对，作为干网点；
[0057]
(4.4)支网点匹配：在已经匹配的控制点与干网管点基础上，根据支网管点的语义信息、支网管点与干网管点的结构关联进行匹配操作；
[0058]
(4.5)补充匹配：在剩余的候选匹配集合中，若同时满足：该综合管点与可能匹配
的各个专业管点的距离最小；该综合管点与可能匹配的各个专业管点的拓扑相似度最大且大于0.9；该综合管点与专业管点的语义不冲突；则也认为管点匹配。
[0059]
管线是宏观的，而管点与管段是微观的，传统匹配方法从局部出发进行空间要素的匹配，只考虑空间实体的自身特征，缺少对其周围要素的综合考量。由局部的管段生成整体的管线骨架线，将匹配的视野由单一的管段、管点上升至整个管线；进行管线骨架线的匹配，即管线的整体匹配，从宏观上匹配了管线的结构，有利于抓住管线的主要特征；在此基础上进行管点的匹配，即局部匹配，使得管点的匹配有据可依。当存在无法匹配管线的情况时，通过人工验证的方法检验匹配对通过检验匹配管点隶属于的管线骨架线是否匹配，并对错误匹配进行人工修正；检验匹配点与各自关联的上层已确定匹配点的关系是否一致。
[0060]
(5)匹配结果的验证和修正：基于管点和管线的结构、语义和几何相似性，计算综合管线的关键管点匹配集与专业管线的关键管点匹配集中管点相似性，将三类相似性设置相同权重，综合计算得到相似性最高的关键管点作为管点匹配结果集，确定最终的管线匹配结果。
[0061]
传统矢量数据主要以几何相似性出发，进行矢量数据的相似性度量。本发明在借鉴传统矢量数据相似性计算模型的基础上，结合地下管线空间数据的特点，提出管线相似性计算模型，综合考虑结构、语义和几何相似性，有效提高匹配率和匹配精度。本发明中电力综合管线和专业管线的语义对应关系表如表2所示。
[0062]
表2电力综合管线和专业管线语义对应关系表
[0063]
电力专业管线电力综合管线弯头弯头分支点、分支箱分支预留口预留口变压器变压器检修井检修井接线端子箱接线箱通风井通风井人孔人孔井配电站配电房变电站变电站开关站箱式开关站控制箱控制柜终端塔电缆终端塔
[0064]
本发明解决了电力综合管线与专业管线两类数据间空间异构的问题，分别保留两类数据的优势，形成了兼具高精度空间位置与丰富属性信息的管线数据成果。同时，建立了高效率、高精度的大规模空间数据匹配的自动化机制，为管线相关部门提供了便捷的管线数据匹配工具，极大减少了人工匹配的工作量。
[0065]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保
护范围。