道路网信息层次度量方法

Original 2017-07-03 姜晓琴，田坤瑞 测绘科学

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摘要

针对目前以信息熵度量道路网信息方法存在的不合理、不准确的问题，该文提出一种基于空间认知的道路网信息层次度量方法。从地图空间信息产生的本质出发，结合空间信息认知的层次性特点，将道路网空间信息划分为3个层次：元素层次道路要素的几何形态信息，邻域层次邻接道路的空间关系信息，整体层次道路分布信息。依据各层次空间特征的多样性，分别建立3个层次空间特征的定量描述指标，计算基于各指标的几何形态信息、空间关系信息、道路分布信息。最后，通过试验分析验证了该方法的合理性。

引用格式

引用格式：姜晓琴，田坤瑞，闫浩文，等.道路网信息层次度量方法[J].测绘科学,2017,42(6):71-75,103.

正文

地图作为空间信息的图形语言，是地理空间信息的载体和传递工具。地图空间信息的定量计算不仅可为地图设计、分析评价提供依据，同时也能为制图综合提供选取标准和评价指标，因此成为相关研究人员关注的焦点。道路网作为地图上普遍存在的一个重要要素，其负载信息的度量也为学者关注。

有关空间信息度量方法方面的研究成果很多。文献[7]首次将信息论引入制图学领域，提出了符号类型信息熵度量方法，该方法考虑了地图上每种符号出现的比率，故亦称为统计信息熵。文献[11]从地图符号邻近关系的角度，提出了度量地图符号多样性的拓扑信息熵，但是缺乏考虑分布特征等信息。文献[12]将地图信息分为拓扑信息、几何信息、位置信息3类，用来描述地图符号邻近关系分布位置以及分布顺序多样性、差异性产生的信息量。文献[13]提出了Voronoi区域几何信息熵、Voronoi区域拓扑邻近信息熵和专题邻近类型信息熵，用以度量地图几何信息、拓扑信息和专题信息。对于道路的信息量算，文献[8]在街道信息量算中量算了街区的几何信息、拓扑信息。文献[10]从统计信息、几何信息、拓扑信息和专题信息4个方面，研究了道路数据信息的度量。但以上方法均基于熵的概念并沿用经典信息熵模型，而忽略了地图信息传递的具体表现形式^[5]。近年来，有学者经研究发现地图空间信息来源于地图空间差异性，而这种差异性是通过地图上空间目标的几何形态和排列分布来表达的。因此，要准确、合理地度量地图信息量，需要研究产生信息量的空间差异性，并且能量化描述各类空间差异。

道路网作为一个复杂的线网状分布要素，从空间认知的角度，人们通常按照由粗到精、从整体到局部再到个体的循序渐进的层次来识别道路网。在不同层次上，人们对道路分布的理解可能存在差异性，由此会产生不同的信息量。据此，本文提出一种基于层次法的道路网信息度量方法。依据产生空间差异性的位置层次不同，本文将复杂的道路网空间信息分为3个层次：一是基于单条道路信息度量层次即元素层次；二是基于邻近道路信息度量层次即为邻域层次；三是基于整体道路网信息度量层次即整体层次。从信息产生的本质出发，针对3个层次分别定义相应的特征描述指标，并建立定量度量方法。

从空间认知的角度，阅读一幅地图，通常会按照由粗到精、从整体到邻域再到个体的循序渐进的层次来进行。对于一幅道路网地图，人们首先从整体感知路网分布特征，比如某个道路网是密集分布还是稀疏分布，或者是部分密集，部分稀疏等；随后在邻域层次，人们会关注道路之间的空间关系；最后人们关注到更为细节的信息即单条道路几何形态特征。

由不同层次的各个空间特征的差异性、多样性，产生道路网信息。在元素层，每条道路在整个路网中重要性不同，其重要程度常通过自身几何形态、等级属性等特征来表达。由于几何形态的差异，产生了几何信息量。在邻域层次，道路的非均匀分布产生道路要素之间复杂的空间关系。道路要素之间的空间关系主要表现为拓扑邻接关系，由于拓扑邻接关系的多样性产生了拓扑关系信息量。在整体层次，不同地理区域的道路网具有不同的分布特征，主要表现为不同的密度分布特征，道路网密度分布的差异使其产生整体层信息量。

综上所述，道路网信息量度量的关键是要分别在3个层次选取能够表达地图目标空间差异性的特征指标，然后计算各个特征指标的标准化值，在此基础上计算道路网包含的信息量。

本文从地图空间信息产生的本质出发，运用层次划分的思想，从元素、邻域、整体3个层次分别定量度量地图上道路网信息，提出一种道路网信息定量度量的层次化方法。分别建立各层次上道路网空间特征的定量描述指标，计算各指标信息量作为该层道路网信息量值。实验结果表明本文提出的方法具有较好的合理性。该方法能度量静态地图所载负的信息量或地图操作过程中地图信息的传递量，一方面可为地图设计、地图制作提供依据；另一方面可以度量地图在综合过程中的信息传递量，从而为地图综合地物选取、综合质量的评价提供有效方法。本文中信息量的大小完全基于空间特征划分和量化，特征的合理性与完备性还有待进一步优化。进一步的研究工作主要集中在以下两个方面：①进一步优化选取空间特征、完善度量方法，并通过与现有经典方法对比评测验证所提方法的实用性；②将本文方法应用到地图自动综合中，指导综合过程中要素选取、综合结果优劣的评判。

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