基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法

1.本发明涉及城市道路路网时效性能评估与分析的技术领域，尤其是指一种考虑交通负荷和几何条件的基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法。


背景技术：

2.路网的时效性能是路网在时间维度承载交通流能力的体现，是路网规划设计和管理的重要评价参数。交通等时线是从路网中某点出发，行程时间相等的所有点相连形成的闭合曲线，是交通网络上行程时间在空间分布状态的反映，是研究路网空间时效性能的重要手段。将路网离散成散点是生成等时线的重要环节，其离散密度的选择往往关系着等时线的生成时间和精度。离散密度太大了，可以提高精度但获取数据以及后续计算成本和时间也相应的增加了；离散密度小，尽管耗时少，但精度无法保证。已有的离散方法主要有两种，一种是整个研究区域做均匀离散，还有一种是对路网中的道路做均匀离散。这两种方式均忽略了路网中交通状态的差异性，所生成的交通等时线不能很好的反映交通的局部变化，无法得到较高的精度。考虑路网交通状况和路网结构的空间分布差异，在路网中重要的路段或节点离散得到更多的点，同时在普通的路段和节点离散较少的点，可以提高精度并保证计算速度。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，突破已有的交通等时线生成方法在考虑交通影响上的缺失，生成了更能体现路网交通特性和路网时效性能的交通等时线。
4.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，包括以下步骤：
5.1)确定路网目标范围和交通等时线中心点的地理位置；
6.2)根据路网平均离散密度和识别的路网关键点段得到路网目标范围内的离散点，其中由道路不均匀离散得到的是道路线离散点，由地块均匀离散得到的是地块面离散点；
7.3)根据离散点与交通等时线中心点在路网中的连接关系和空间位置关系，为不同离散点赋值，确定各离散点的等时特征值；
8.4)基于离散点的空间位置和等时特征值，利用简单克里金插值法估计得到等时域；
9.5)基于插值结果，将数值相同的点连成闭合曲线，并对曲线作平滑处理，最终输出目标路网的交通等时线。
10.进一步，在步骤2)中，输入路网平均离散密度ρ，即确定了目标路网的离散点总数的大致范围，接下来是分别确定道路线离散点和地块面离散点，具体如下：
11.①
道路不均匀离散：将路网道路区分为路网关键点段(节点和路段)和路网非关键点段，根据输入的路网关键点段密度ρ
l1
和路网非关键点段密度ρ
l2
，在道路的线要素上生成
道路线离散点；
12.②
地块面均匀离散：根据输入的地块离散密度ρ
p
，将研究区域均匀栅格化，栅格的中心即为对应的地块面离散点。
13.进一步，在步骤3)中，等时特征值指的是交通等时线中心点到离散点所需的行程时间，其值的大小会根据交通状况的变化而变化，为各离散点输入的等时特征值能够基于模型计算得到，或是由在线地图服务获取。
14.进一步，在步骤4)中，生成交通等时线时，需要对离散数据作插值处理，从而确定连续空间上未知点的等时特征值，简单克里金插值法适用于空间分布不均匀的离散点的插值处理，其原理如下：
15.设路网目标范围内某一个待插值点为p0，这个待插值点的邻域范围离散点的集合为a0，集合内的n个离散点为ki，其中i＝1,2,...,n，即ki∈a0，zi表示对应ki的等时特征值，则待插值点p0的等时特征值的估计值计算如下：
[0016][0017][0018]
式中，ωi表示a0内第i个离散点ki关于待插值点p0的权重系数，μ表示拉格朗日系数，γ
ij
表示a0内两个离散点ki和kj的半变异函数值，kj表示第j个离散点，j≠i，γ
j0
表示离散点kj与待插值点p0的半变异函数值。
[0019]
进一步，在步骤5)中，基于插值结果，指定等时特征值的某一数值，将同一数值的点连成一条闭合的曲线，再对该曲线做平滑处理，即可输出交通等时线。
[0020]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0021]
1)区别于以往方法的均匀离散，本发明提出的方法区分道路线离散点和地块面离散点，细化了交通等时线的生成过程。
[0022]
2)本发明考虑了路网交通状况和路网结构的空间分布的差异性，对道路做不均匀离散，兼顾了计算速度和准确度。
[0023]
3)本发明使用简单克里金插值法对不均匀的离散点作插值处理，区别于以往同类型方法使用的反距离权重插值法，提高了插值结果的准确度。
附图说明
[0024]
图1为本发明方法的流程图。
[0025]
图2为实施案例路网示意图。
[0026]
图3为案例路网不均匀离散结果示意图。
[0027]
图4为案例路网离散点等时特征值估计结果示意图。
[0028]
图5为案例路网基于简单克里金插值法估计的交通等时域示意图。
[0029]
图6为案例路网最终生成的平滑交通等时线示意图。
具体实施方式
[0030]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0031]
如图1所示，本实施例公开了一种基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，具体步骤如下：
[0032]
1)确定路网目标范围和交通等时线中心点的地理位置。
[0033]
2)根据路网平均离散密度ρ和识别的路网关键点段得到路网目标范围内的离散点，其中由道路不均匀离散得到的是道路线离散点，由地块均匀离散得到的是地块面离散点；
[0034]
输入路网平均离散密度ρ，即确定了目标路网的离散点总数的大致范围。接下来是分别确定道路线离散点和地块面离散点，具体如下：
[0035]
①
道路不均匀离散。将路网道路区分为路网关键点段(节点和路段)和路网非关键点段，根据输入的路网关键点段密度ρ
l1
和路网非关键点段密度ρ
l2
，在道路的线要素上生成道路线离散点；
[0036]
②
地块面均匀离散。根据输入的地块离散密度ρ
p
，将研究区域均匀栅格化，栅格的中心即为对应的地块面离散点。
[0037]
3)根据离散点与交通等时线中心点在路网中的连接关系和空间位置关系，为不同离散点赋值，确定各离散点的等时特征值；等时特征值指的是交通等时线中心点到离散点所需的行程时间，其值的大小会根据交通状况的变化而变化。为各离散点输入的等时特征值可以基于模型计算得到，或是由在线地图服务获取。
[0038]
4)基于离散点的空间位置和等时特征值，利用简单克里金插值法估计得到等时域；
[0039]
生成交通等时线时，需要对离散数据作插值处理，从而确定连续空间上未知点的等时特征值。简单克里金插值法适用于空间分布不均匀的离散点的插值处理，其原理如下：
[0040]
设路网目标范围内某一个待插值点为p0，这个待插值点的邻域范围离散点的集合为a0，集合内的n个离散点为ki，其中i＝1,2,...,n，即ki∈a0。zi表示对应ki的等时特征值。则待插值点p0的等时特征值的估计值计算如下：
[0041][0042][0043]
式中，ωi表示a0内第i个离散点ki关于待插值点p0的权重系数，μ表示拉格朗日系数，γ
ij
表示a0内两个离散点ki和kj的半变异函数值，kj表示第j个离散点，j≠i，γ
j0
表示离散点kj与待插值点p0的半变异函数值。
[0044]
5)基于插值结果，指定等时特征值的某一数值，将同一数值的点连成一条闭合的曲线，再对该曲线做平滑处理，即可输出交通等时线。
[0045]
下面我们选取天河区中心商务区路网作为案例，路网面积为8.56km2。路网重点研究区域北至天河路，南至临江大道，西至广州大道中，东至猎德大道，具体如图2所示。该路网内共有140条路段，其中快速路、主干路、次干路和支路路段占比分别为27.2％、5.7％、35.7％和31.4％。对研究区域的道路条件现状、交叉口现状和信号配时现状情况进行调研，获取并整理基础路网数据与信号配时数据。
[0046]
首先，先确定了如图2所示的路网关键点段，再将路网不均匀离散，得到不均匀的道路线离散点和均匀的地块面离散点，离散结果如图3所示。接着是基于交通等时线中心点与各离散点的路网连接关系和空间位置关系，为不同离散点赋值，如图4所示。对离散点作插值处理，得到如图5所示的等时域。最后生成如图6所示的平滑等时线。本发明方法突破已有的交通等时线生成方法在考虑交通影响上的缺失，生成了更能体现路网交通特性和路网时效性能的交通等时线。
[0047]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定路网目标范围和交通等时线中心点的地理位置；2)根据路网平均离散密度和识别的路网关键点段得到路网目标范围内的离散点，其中由道路不均匀离散得到的是道路线离散点，由地块均匀离散得到的是地块面离散点；3)根据离散点与交通等时线中心点在路网中的连接关系和空间位置关系，为不同离散点赋值，确定各离散点的等时特征值；4)基于离散点的空间位置和等时特征值，利用简单克里金插值法估计得到等时域；5)基于插值结果，将数值相同的点连成闭合曲线，并对曲线作平滑处理，最终输出目标路网的交通等时线。2.根据权利要求1所述的基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，其特征在于：在步骤2)中，输入路网平均离散密度ρ，即确定了目标路网的离散点总数的大致范围，接下来是分别确定道路线离散点和地块面离散点，具体如下：
①
道路不均匀离散：将路网道路区分为路网关键点段和路网非关键点段，根据输入的路网关键点段密度ρ
l1
和路网非关键点段密度ρ
l2
，在道路的线要素上生成道路线离散点；
②
地块面均匀离散：根据输入的地块离散密度ρ
p
，将研究区域均匀栅格化，栅格的中心即为对应的地块面离散点。3.根据权利要求1所述的基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，其特征在于：在步骤3)中，等时特征值指的是交通等时线中心点到离散点所需的行程时间，其值的大小会根据交通状况的变化而变化，为各离散点输入的等时特征值能够基于模型计算得到，或是由在线地图服务获取。4.根据权利要求1所述的基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，其特征在于：在步骤4)中，生成交通等时线时，需要对离散数据作插值处理，从而确定连续空间上未知点的等时特征值，简单克里金插值法适用于空间分布不均匀的离散点的插值处理，其原理如下：设路网目标范围内某一个待插值点为p0，这个待插值点的邻域范围离散点的集合为a0，集合内的n个离散点为k
i
，其中i＝1,2,...,n，即k
i
∈a0，z
i
表示对应k
i
的等时特征值，则待插值点p0的等时特征值的估计值计算如下：计算如下：式中，ω
i
表示a0内第i个离散点k
i
关于待插值点p0的权重系数，μ表示拉格朗日系数，γ
ij
表示a0内两个离散点k
i
和k
j
的半变异函数值，k
j
表示第j个离散点，j≠i，γ
j0
表示离散点k
j
与待插值点p0的半变异函数值。5.根据权利要求1所述的基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，其特征在于：在步骤5)中，基于插值结果，指定等时特征值的某一数值，将同一数值的点连成一条闭合的曲线，再对该曲线做平滑处理，即可输出交通等时线。

技术总结
本发明公开了一种基于不均匀离散路网的交通等时线生成方法，包括：1)确定路网目标范围和交通等时线中心点的地理位置；2)根据路网平均离散密度和识别的路网关键点段得到路网目标范围内的离散点；3)根据离散点与交通等时线中心点在路网中的连接关系和空间位置关系，为不同离散点赋值，确定各离散点的等时特征值；4)基于离散点的空间位置和等时特征值，利用简单克里金插值法估计得到等时域；5)基于插值结果，将数值相同的点连成闭合曲线，并对曲线作平滑处理，最终输出目标路网的交通等时线。本发明突破已有的交通等时线生成方法在考虑交通影响上的缺失，生成了更能体现路网交通特性和路网时效性能的交通等时线。特性和路网时效性能的交通等时线。特性和路网时效性能的交通等时线。


技术研发人员：马莹莹 陈曦 许明朗 谢文艺
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/6/27