[发明专利]一种面向城市供水专业管线与综合管线的空间数据匹配方法

权利要求书

1.一种面向城市供水专业管线与综合管线的空间数据匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以供水综合管线空间数据和供水专业管线空间数据为研究对象，分析其差异特征，并对两类管线数据分别进行数据预处理工作；

(2)分析各类管点的连通性，选取连通度最高的一类管点建立种子管段，顾及供水管网整体Stroke特征，依据相应Stroke生成规则策略，生成可以表征供水管网整体结构特征的供水管网骨架线；

(3)选择一定阈值生成两类管线骨架线的缓冲区，依据缓冲区面积叠置率和夹角余弦值计算骨架线匹配率，按照“每对最优”原则挑选匹配的骨架线；所述步骤(3)中步骤包括：

(3.1)选定缓冲区半径阈值，基于阈值生成综合管线骨架线的缓冲区和专业管线骨架线的缓冲区；

(3.2)计算两个骨架线集合两两骨架线之间的缓冲区叠置面积和方向夹角余弦值，并设计骨架线匹配率计算公式：

和分别表示一条待匹配骨架线首尾管点所连成的向量，基于该公式最终得到骨架线匹配率矩阵；

(3.3)依据每对最优原则，为每个管线骨架线挑选最优的匹配结果，得到骨架线匹配集；

(3.4)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，查看是否存在错误匹配，并对错误匹配进行人工修正；

(3.5)假设两条综合管线骨架线有一个交叉点P1，这两条综合管线骨架线分别与两条专业管线骨架线匹配，且两条专业管线骨架线有一个交叉点P2，则P1与P2形成关键结点匹配；

(3.6)依据步骤(3.5)的规则找到骨架线匹配集中存在的所有关键结点匹配对，形成供水管网关键管点匹配集；

(4)基于管点空间相似性、结构相似性和语义相似性计算管点相似性结果，筛选出管点匹配结果集，依据管点匹配集确定最终的管线匹配结果。

2.根据权利要求1所述的一种面向城市供水专业管线与综合管线的空间数据匹配方法，其特征在于，所述步骤(1)中步骤包括：

(1.1)分析供水综合管线空间数据和供水专业管线空间数据各自特征，总结两类管线共存在4类差异，分别为空间位置差异、分类差异、属性差异和实例差异；

(1.2)检查数据中悬挂管线情况并删除，检查数据拓扑错乱情况，并将不符合“管点管段”结构的管线要素打断，生成新的管点和管段；为两类管线创建唯一标识码，并基于唯一标识码创建管段的起点编码和止点编码。

3.根据权利要求1所述的一种面向城市供水专业管线与综合管线的空间数据匹配方法，其特征在于，所述步骤(2)中步骤包括：

(2.1)计算各类管点的连通性，选取三连通或四连通的多通点作为骨架线生成起始点；

(2.2)计算多通点所连管段两两之间的夹角，选取两两夹角最大且大于150°的两条管段作为骨架线生成的种子管段；

(2.3)设置骨架线生成规则为角度大于150°、管径相同且材质相同，从种子管段开始判断与其起止管段相连的其他管段能否进行连接；

(2.4)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，形成骨架线，并继续步骤(2.4)；如果不存在能够连接的管段，则完成一条骨架线的生成；

(2.5)遍历所有多通点，执行步骤(2.4)和步骤(2.5)，直到所有多通点都被加入骨架线中。

4.根据权利要求1所述的一种面向城市供水专业管线与综合管线的空间数据匹配方法，其特征在于，所述步骤(4)中步骤包括：

(4.1)记管点A为待匹配综合管点，选择半径阈值ε，在以ε为半径的圆内选择共s个专业管点，形成候选匹配集合S＝{z₁,z₂,…,z_s}，在s个候选匹配集中选取一个管点z_t记作管点B，其中1≤t≤s，开始管点A和管点B的相似性计算；

(4.2)管点A关联了m根管段，分别为l_a1,l_a2,…,l_am；管点B关联了n根管段，分别为l_b1,l_b2,…,l_bn；计算弧段l_a1与弧段l_b1之间的相似性算法为计算两根弧段对应向量的相似度，计算方法为：设l_a1比l_b1短，则以B点为起点，在管段l_b1上截取一段长度与l_a1相等的距离，截点为C，令向量的起点为A，终点为l_a1的另一端点；向量起点为B，终点为C，向量的相似度如下所示：

在完成管点A所关联管段与管点B所关联管段的相似性计算的基础上，需要进行最优匹配，使得对应管点对的向量相似度总和最大，以管点A和管点B关联的管段建立二分图，二分图边的权重即为两个管段的相似性大小，二分图中连接边的权重可转换为相似性矩阵表达，如下所示：

相似性矩阵的元素v_ij代表l_ai与l_bj的相似性，最优匹配的过程首先在相似度矩阵T中选取最大元素值v_ij，表示l_ai与l_bj是相匹配的，之后将第i行与第j列的元素全部置为0；循环以上过程，直到确定了min(m,n)对匹配管段，基于此，可以进行管线空间结构相似性的计算，计算公式为：

(4.3)基于供水管网管点实体特征，建立供水综合管线数据与供水专业管线数据的地下管线语义层次树和语义同义词集，并设计语义相似度计算公式为：

公式中，w与v的和为1，分别表示的是控制概念名称相似度与属性相似度在语义相似度计算中的权重，为待匹配综合管点的语义内容，为待匹配专业管点的语义内容，S_synonyms是概念名称相似度，S_features是属性相似度；

(4.4)候选匹配集s个管点与管点A的距离记作d_t，其中管点A与管点B的距离为d_j，其中t和j均为大于等于1且小于等于s的整数，则管点A与管点B的空间相似性计算公式为：

其中α是衰减系数，取值为正实数；

(4.5)设X为管点结构相似性阈值，Y为管点语义相似性阈值和Z为管点空间相似性阈值，综合三个阈值最终确定匹配成功管点集；

(4.6)设置管线匹配规则为：假设一条综合管线的两端管点分别与另一条专业管线的两端管点匹配成功，则确定该条综合管线与专业管线匹配，基于成果匹配管点集，找到所有符合管线匹配规则的管线匹配对，形成匹配成功管线集。