繪製地圖的系統、設備及方法

2023-05-28 21:14:36 1

專利名稱：繪製地圖的系統、設備及方法
技術領域：
一般來說，本發明涉及繪圖法，更具體來說，涉及城市地區的地圖繪製。
背景技術：
具體來說，二十世紀在全球經歷了城市地區的指數增長，在其下半葉，城市周邊的郊區的巨大發展受到高速公路以及以汽車為基礎的社會的主導的推動。例如，大多數北美人現在住進具有低建築密度和人口活動比率的郊區的這種狀況一般無法經濟地維持公共運輸運輸。居住、工作、購物和閒暇不僅密度低和高土地消耗，而且活動一般也是隔離和獨立的。因此，當前存在對於這種依靠汽車的影響的普遍關注-在空氣汙染、極大增加的延誤方面，在成本、時間和得到工作的困難上降低人們生活質量的不斷增加的總旅程方面，以及在其它許多方面。已經推出一系列政策和實踐來處理這種情況，共同發展土地使用和交通運輸的形式，從而節省能源，使汙染物的散發減至最小，鼓勵可達性，同時儘量減少移動性-例如通過在公共運輸節點附近發展密集活動中心。全球若干地區致力於把這些目標轉換為區域策略發展構架。一般來說，隨著全球人口越來越集中在城市地區，任何給定城市地區的生活質量都極大地受到城市地區配備支持本地居民需求的基礎設施的良好程度的影響。城市規劃是用於規劃如何增加、更換和維護這種基礎設施的眾所周知的學科。城市規劃還包含本領域的技術人員會想到的許多其它問題。至少在發達國家，大部分城市地區實現不同程度的城市規劃。此過程往往受到政策因素的極大影響，因為圍繞納稅和財產權的問題必定伴隨著城市規划過程。最近在北美洲，存在朝「瘦身政府」政策的趨勢，其中基於政府的集中城市規劃在很大程度上被放棄，有利於允許城市地區以放任主義方式增長，相信自由市場是區域應當如何增長的最佳決定因素。其它管理機構仍然可能實行更激進的政策，包括大量集中規劃，觀點是政府控制的中央規劃是適應當地居民的需求的最有效方式。當然，任何給定地區採用的方式通常處於這些極端之間。不管所選的方式如何，伴隨先有技術城市地圖繪製和數據採集技術的一個問題在於，極少存在可經過分析而對於如何可以最有效實現城市規劃提供客觀看法的硬數據。當今存在的、在某個地區不一致地收集的硬數據表明，更多數據、而且是正確種類的數據在城市規劃中可能極為有效。例如，在2003年，大家知道多倫多市有地鐵系統，它在很大程度上依靠投幣箱來維持，而極少依靠政府津貼。假設造成這種現象的一個主要因素在於，存在地鐵站附近生活(「居住區」)的大的人口密度，以及在同樣處於地鐵站附近、居民工作(「就業區」)的市區中心存在至少一個集中區域。在紐約可觀察到類似現象。但是，生成支持這種假設的報告所需的工作是巨大、複雜、費時且昂貴的。作為一種方法，該工作可涉及收集多倫多的街道地圖和地鐵地圖，然後在居住和就業區挨家挨戶進行調查以證實人們事實上利用地鐵去上班。最後，挨家挨戶調查所收集的數據可與地圖相關，從而最終得出具有支持該假設的結論的報告。但是，可以注意到，報告僅包含幾組數據點，而並沒有包括可能影響居住區和就業區的簡單密度是否足以支持地鐵路線的其它數據。這種報告也沒有描述支配密度的建築環境的結構。此外，這種報告不易於與其它城市地區如何處理從居住區到就業區的交通的情況進行比較，以便提供對於哪個城市地區最好地處理其交通運輸需求的客觀評估。本領域的技術人員會想到關於特定城市地區如何相對另一個地區進行運作的更複雜問題，並且解答這類問題的報告的生成將面臨相似的障礙和複雜度。如前面所述，先有技術的城市地圖在生成城市規劃實踐的上述類型的報告中是極有用的元素。先有技術的城市地圖主要標識交通運輸路線的物理特徵，並且包括那些地圖上的類似標識符的街道名稱和站名。地圖可包括關於特定區域是否更多地以居住、商業或工業活動為主的指示，但僅此而已。一般來說，這類地圖對於在城市地區中導航很有用，但在嘗試為城市規劃生成複雜報告時只提供有限的信息。更新近的先有技術的城市地圖提供可用於不只是在城市地區中導航的信息。這些地圖至少部分採用從衛星、飛機等獲取的遙感數據來生成。Baltsavia^Emmanuel P.和 A. Gruen.的「解決方案集中用於監測城市的航攝照片、LIDAR和IKONOS的比較」(Remotely Sensed Cities,編者Victor Mesev、Taylor 禾口 Francis, London, 2003 年)("Baltsavias") 是一個先有技術參考文獻，它公開這樣一種城市地圖的實例。Baltsavias包括使用其中包括航空/數字正射成像、雷射探測和測距(「LIDAR」)、IKONOS (每像素4米彩色和每像素 1米黑白光衛星圖)在內的當前高解析度遙感技術來提取例如下列地球空間信息的審查和評估1)數字地形模型(「DTM」，表示消除了自然和人造特徵的地球裸露表面的高程模型)；2)數字表面模型(「DSM」，又稱作「第一表面」模型，其中，在高程模型中捕捉人造和自然特徵)；以及3)諸如建築物、道路、植被等的城市對象的標識，以及諸如建築物等的三維城市對象的重構。Baltsavias描述了開發三維城市模型的要求，並簡述已經開發的兩個商業應用，即InJECT，INPHO GmbH(Stuggard, Germany)的產品，以及 CyberCity AG (Bell ikon, Switzerland)推出的 CyberCityModeler(CC-Modeler)。Baltsavias 描述了原型系統、即 CyberCity空間信息系統(「CC-SIS」)，它是對於把三維城市模型與可能連結到外部地理信息系統(「GIS」)數據的關係資料庫相結合的嘗試。為了標識對象，用戶手動標識屏幕上的點，只有在那時該應用才自動構建包括相關那些點以及標識對象所需的幾何結構的拓撲。該應用要求使用數字正射投影像片，以構建城市模型所需的解析度獲取這些像片是昂貴的。此外，Baltsavias沒有解釋如何取得建築物的用途或類型以及它與其鄰近或者整個城市規模中的其它建築物的關係。該應用不允許用戶評估地區的運作方式或者與其它城市地區進行比較。一般來說，Baltsavias局限於如何提供對城市地區的構成和功能進行描述及可視化。增加的城市地圖複雜性的另一個實例見於Barnsley、MichaelJ.、A.M. Steel和 S. Barr.的「通過分析以LIDAR和多譜圖像數據標識的建築物的空間構成確定城市土地用途」(Remotely Sensed Cities,編者Victor Mesev、Taylor&Francis, London, 2003 年) ("Barnsley") ο Barnsley採用每像素4米彩色衛星圖的IK0N0S以及每平方米0. 4點採樣密度的LIDARO米)圖像數據的組合從其它周圍對象、如樹木或鋪有路面的道路中提取建築物對象的存在。提取的結果與基本數據進行比較以便保證結果的準確度。採用四個測試區域，其中主要土地用途是住宅或工業。給定數據集的限制，幾個門限被施加到數據以改善結果。Barnsley發展了基於圖形的模式識別系統，通過高度和結構配置來推斷土地用途。在Barnsley中用於半自動提取建築物對象以及標識建築物的形態屬性的差異和建築形式模式的結構成分的技術和技巧在區別一般土地使用類型(例如住宅對工業)方面是成功的，但是在識別和表徵這些一般土地使用類型中的獨特模式時存在問題，給定所使用的測量技術，無法表徵不同的住宅和工業模式。一般來說，Barnsley沒有講授如何對不同的住宅和工業用途的獨特建築形式進行分類和描述。提供更複雜的城市地圖的仍未實現的嘗試的一個實例見於Eguchi、Ronald, C. Huyck、B. Houshmand、D. Tralli和Μ. Shinozuka的「採用合成孔徑雷達技術的建築物詳細清單的新應用，，(the 2nd Multi-Lateralfforkshop on Development of Earthquake and Tsunami Disasters Mitigation Technologies and their Integration for the Asia-Pacificregion，2000 年 3 月 1-2 日，Kobe，Japan) ( 「Eguchi」)。採用幹涉測量合成孔徑雷達(IFSAR)航空技術、空中攝影和縣稅收評定數據，Eguchi嘗試根據他們從遙感數據中提取的建築物佔地面積和高度來識別建築物類型，並採用縣稅收評定數據來驗證結果。Eguchi提供了所使用的技術的初步結果以及未來研究計劃，從而打下努力完成他們可從其中測量建築物密度和發展的整個城市規模的建築物詳細清單的基礎。雖然已經打下基礎，但是沒有成功或者如何取得這種成功的指示。另一個實例是Mesev、Victor的「城市土地使用重構從地址點信息的圖像模式識別，，(the International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences Conference, Regensburg, Germany,2003 年 6 月 27-29 日) (「Mesev」)。Mesev檢查英國陸軍測繪局採集的地址點數據的使用，以便檢查英國布里斯托的發展的空間模式。地址點數據包含關於一般土地使用類型、住宅對商業的信息， 以及Mesev嘗試根據各種空間索引/技術、即點的密度與最接近鄰域分析，來識別相同土地使用類型的不同區域、如住宅#1和住宅#2之間的差異。來自這個空間識別系統的這種信息用於告知城市地區的多譜圖像分類。Mesev引入對於稱作Cities Revealed的公司(The GeoInformation Group, Telford House, Fulbourn, Cambridge, CBl 5HB, United KinRdom-http://www. crworld. co. uk)提供的高解析度空中攝影所使用的一些初步結果。 對於大城市地區，Cities Revealed的遙感影像的取得相當昂貴。用於模式識別的數據是英國特有的，但不可用於所有地區，因為英國在很大程度上依賴英國陸軍測繪局。同樣，空間索引對於其它城市土地使用類不是完全成功的，例如對於商業和工業，其中關於建築物特徵的信息將比只是建築物布局更有用。
發明_既述本發明的一個目的是提供一種繪製地圖的新穎方法及系統，它消除或者減少先有技術的上述缺點中的至少一個。本發明的一個方面提供一種城市地區地圖，其中包括第一組標記，表示所述地區的地貌特徵；以及第二組標記，表示位於所述地區內的多個不同類型的建築形式及其位置。 地圖還包括第三組標記，表示與所述地貌特徵和所述建築形式關聯的人類活動的模式。本發明的另一個方面提供一種設備，它包括連接到計算機處理器的遙感設備。遙感設備採集有關城市地區的成像數據。計算機處理器解釋成像數據以產生城市地區地圖， 其中包括標識表示地貌特徵的第一組標記、表示不同類型的建築形式的第二組標記以及表示與地貌特徵和建築形式關聯的人類活動的模式的第三組標記的表示。地圖還可包括第四組標記，表示其它類型的標記中的至少一個出現的強度等級。附圖概述現在參照某些實施例和附圖、僅通過舉例來說明本發明，附圖包括

圖1是包含多個城市地區的地理地域的一部分的表示；圖2是被遙感的圖1的地域中的某個城市地區內的區域的表示；圖3是圖2中執行的遙感的更詳細表示；圖4是圖3中執行的遙感的更詳細表示；圖5是圖2-4中檢測的、輸入到用於根據本發明的一個實施例生成地圖的設備中的數據的表示；圖6是圖5的存儲裝置中存儲的資料庫的表示，它可用於解釋圖2-4中檢測的原始數據；圖7更詳細地說明圖6的資料庫中的對象；圖8是流程圖，說明根據本發明的一個實施例生成地圖的一種方法；圖9說明表示根據圖8的方法的執行被分析的地區內的某個區域的檢測數據；圖10說明圖9所示的區域中的一小塊；圖11說明採用圖8的方法生成的圖10中的塊的地圖；圖12說明為了產生不同的地圖格式而採用圖8的方法的變體生成的圖11的地圖；圖13說明與圖12的地圖相同格式的地圖，其中，地圖表示圖9中的區域；圖14說明與圖13的地圖相同格式、擴展到地區級的地圖；圖15說明根據本發明的另一個實施例用於生成地圖的設備；圖16說明由圖15的設備生成的圖9中的區域的地圖，它描述區域中的住宅密度；圖17表示流程圖，說明根據本發明的另一個實施例生成地圖的方法；以及圖18說明示範圖表，它可在執行圖17中的方法時產生。本發明的描述圖1說明包含多個城市地區44的地域40。在圖1的實例中，地域40是由美國-加拿大邊界大致平分的北美洲的一部分，但要理解，這只是本文的理論可適用的地域的一個實例。因此，地域40中的城市地區44包括各個眾所周知的城市地區，其中包括以41表示的多倫多、以442表示的底特律以及以443表示的紐約-其它區域只用參考標號44表示。應當理解，在本實施例中，區域44並不表示其行政意義，而是在地理意義上表明城市地區。 因此，例如多倫多41的區域表示大多倫多地區或整個「黃金馬蹄」，跨越沿安大略湖的北海岸從漢密爾頓到Bowmanville的市區。類似地，底特律442和紐約443表示其各自的大城市區域。圖1還示出兩個遙感裝置48，即通過地域40上方的飛機48i和衛星482。裝置48包括成像設備，使裝置48能夠用於根據諸如空中攝影、航空/數字正射成像、LIDAR、IK0N0S、 RADAR之類的預期和適當遙感形態來遙感與城市地區44關聯的數據。其它類型的裝置48 及其相應的形態是本領域的技術人員會想到的。圖2說明針對地區44(即多倫多44》內的特定區域52遙感數據的裝置48(即飛機48)。一般來說，裝置48可用於檢測與特定地區44中的多個區域關聯的數據，從而遙感包含整個地區44的數據。因此，要理解，為了說明本發明的各種實施例，作為實例來說明區域52。圖3更詳細地說明區域52，以及在本實施例中，區域52由裝置48感測為照片。區域52 (和/或其部分和/或地區44的其它部分)可按照包括地貌形式、建築形式、活動模式和使用強度的多個標記及其各個等級來表徵。地貌形式包括區域52的自然物理特徵，其中包括景觀和物理對象，諸如地形、樹木、河流和溪流。描述地貌形式的更具體術語方式可見於 Anderson, James R.、Ε· Ε. Hardy、J. Τ. Roach 和 R. Ε. Witmer 1976 年的「與遙感器數據配合使用的土地用途和土地覆蓋分類系統」(Geological Survey Professional Paper 964)， 其內容通過引用結合於本文中。相比之下，建築形式包括在地貌形式之上人工建造的任何事物，諸如道路、房屋、建築物、公園、停車場、紀念碑等。(下表I提供可能的建築形式類型的詳細列表。)活動模式包括區域52中發生的人類活動的性質，並且可包括關於就業、居住、娛樂、工業、商業和/或其組合的信息。最後，使用強度是標識特定活動發生的程度或數量的度量。強度還可包括特定活動或者活動混合的程度，以便描述對於分類方案的活動標記的變化範圍的可能性。下面將更詳細地論述關於這些標記的其它詳細情況。圖4更詳細地說明區域52的一小部分，裝置48通過其上方並感測以樹木56i和溪流5 的形式的地貌形式56、以及以房屋60i、辦公大廈602和公寓大樓603的形式的建築形式60。圖5說明裝置48感測的包括區域52的照片的數據64從裝置48傳送到設備68、 以便根據本發明的一個實施例繪製地圖的傳送。設備68—般可用於解釋數據64，以便至少部分根據上述標記的部分或全部來生成區域52的地圖。在本實施例中，設備68為伺服器， 但也可以是臺式計算機、客戶機、終端、個人數字助理或其它任何計算裝置。設備68包括連接到輸出裝置76以便向用戶提供輸出的塔式機72以及用於接收來自用戶的輸入的一個或多個輸入裝置80。在本實施例中，輸出裝置76是監測器，輸入裝置80包括鍵盤SO1和滑鼠 SO20其它輸出裝置和輸入裝置是本領域的技術人員會想到的。塔式機72還連接到存儲裝置84、如硬碟驅動器或廉價磁碟冗餘陣列(「RAID」)，它包含用於解釋數據64的參考數據， 下面將提供它的更詳細情況。塔式機72通常包含經由總線耦合到隨機存取存儲器的至少一個中央處理器(「CPU」)。在本實施例中，塔式機72還包括網絡接口卡，並連接到根據需要可能是內聯網、網際網路或者用於互連多個計算機的其它任何類型的網絡的網絡88。設備 68可把設備68生成的地圖輸出到網絡88，和/或設備68除了數據64之外還可接收用於至少部分根據上述標記的部分或全部來生成區域52的地圖的數據。圖6說明可存儲在存儲裝置84中以幫助塔式機72中的CPU進行數據64的解釋的資料庫和表的種類的簡化表示。圖6中，存儲裝置84存儲二維表92。表92包括由標記為「原始數據」的左欄96和標記為「解釋」的右欄100組成的建築形式數據。因此，表92中的每個記錄在左欄96中包含與遙感數據64中可得到的原始數據對應的對象104，以及在右欄100中包含標識對象104的相應解釋的對象108。更具體來說，對象KM1對應於房屋，對象1042對應於辦公大廈，以及對象104n對應於公寓大樓。預計從數據64中得到的原始數據將包含多個人工產物和其它唯一標識符，以及表92將包含有關這類標識符的信息，以便為塔式機72中的CPU提供在區分數據64中包含的各種類型的建築形式時使用的附加信息。圖7更詳細地說明對象104，以便提供可與表 92中的每個對象關聯的標識符的種類的實例。例如，注意到，每個對象104包含陰影112。 注意，1122最長，陰影11 比陰影1122更短，以及陰影11 比陰影11 更短。從數據64 中得到的這種陰影長度可用來推斷給定對象104的高度，因而可幫助塔式機72中的CPU來推斷與從數據64中得到的給定對象關聯的建築形式的類型。通過確定數據64中的對象的相對高度，塔式機72中的CPU可進行關於要給予特定對象104的適當解釋的相對判定。在這個實例中，陰影112用來確定給定對象的高度，但應當理解，更複雜的方式可用來推斷高度-例如通過使用LIDAR。因此，當收集數據64時，可能希望採用感測形態、即攝影和LIDAR 的組合，以及組合那種感測數據以便推導關於區域52中的對象的更多信息和標識。這時應當理解，各種不同的標識符可用於塔式機72中的CPU執行的計算操作中， 以便進一步幫助區別區域52中找到的各種建築形式。例如，對象104n的每端上兩個正方形 116的出現表示電梯井的存在，以及對象104n的矩形結合電梯井的存在以及它比對象1042 更短的高度可用來確定對象104n是公寓大樓。作為附加實例，對象KM1包括其頂部的峰線 120，進一步指示對象KM1為房屋。作為標識符的另一個實例，類似對象KM1的數據64中的元素的閉合分組可用於進一步指示這種元素實際上是房屋60lt)作為標識符的又一個實例，在數據64所包含的給定元素附近所檢測的大空地可表示停車場，從而消除了數據64中的給定元素實際上是房屋SO1的可能性。作為附加標識符，在某些地理區域，尤其是在北美洲，存在有限數量的重複建築形式類型。由於這個有限數量，因此，除了諸如以上列示的標識符(或者例如可能時常被確定為有用的其它標識符)之類的標識符之外，還可採用概率公式表達來提高準確確定特定建築形式類型的可能性。表I表示可伴隨可用於存儲裝置84中的資料庫中的每種類型(例如表92)並與塔式機72中運行的軟體結合以便實際區別某些建築形式類型與其它類型的這類建築形式類型和標識符的列表。表 I建築形式類型
權利要求
1.一種城市地區的地圖，包括第一組標記，表示所述地區的地貌特徵；第二組標記，表示位於所述地區內的多個不同類型的建築形式及其位置；以及第三組標記，表示與所述地貌特徵和所述建築形式都關聯的人類活動的模式。
2.如權利要求1所述的地圖，其特徵在於，還包括第四組標記，表示與所述標記組中至少一個關聯的強度等級，表示所述標記出現的程度。
3.一種城市地區的地圖，包含標識至少兩個不同分區的表示，所述分區中的每個包括 第一組標記，表示所述地區的地貌特徵；第二組標記，表示位於所述地區內的至少三種不同類型的建築形式及其位置；第三組標記，表示與所述地貌特徵和所述建築形式都關聯的人類活動的模式。
4.如權利要求3所述的地圖，其特徵在於，還包括第四組標記，表示所述標記組中至少一個出現的強度等級，以及其中所述標記組的所述至少一部分對於所述分區中的每個是不同的。
5.一種生成地圖的方法，包括以下步驟接收表示地貌特徵的城市地區的第一組數據； 接收表示建築形式及其位置的所述城市地區的第二組數據；接收表示與所述地貌特徵和所述建築形式都關聯的人類活動的模式的所述城市地區的第三組數據；為每個所述數據組確定實體的不同類型；以及產生用戶輸出，其中包含關於與所述確定的實體對應的每組數據的標記。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述用戶輸出採取包含多個分區的圖形形式，所述分區中的每個根據具有預定義的一組公共標記的所述地區內的區域來形成。
7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，還包括關聯與每組標記關聯的強度等級的步驟。
8.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述第一組數據和所述第二組數據從遙感數據源獲取。
9.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述第三組數據從人口普查數據中獲取。
10.一種用於生成地圖的設備，包括至少一個輸入裝置，用於接收表示地貌特徵的城市地區的第一組數據、表示建築形式及其位置的所述城市地區的第二組數據、以及表示與所述地貌特徵和所述建築形式都關聯的人類活動的模式的所述城市地區的第三組數據；微處理器，連接到所述輸入裝置，可用於為每個所述數據組確定實體的不同類型；以及用戶輸出裝置，連接到所述微處理器，用於呈現關於與所述實體對應的每組數據的標記。
11.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述標記以包含多個分區的圖形形式來呈現，所述分區中的每個由具有預定義的一組公共標記的所述地區內的區域來定義。
12.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，還包括關聯與每組標記關聯的強度等級的步驟。
13.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述第一組數據和所述第二組數據從遙感數據源獲取。
14.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所述第三組數據從人口普查數據中獲取。
全文摘要
本發明提供一種用於城市地區的地圖繪製的新穎設備及方法。設備包括連接到計算機處理器的遙感設備。遙感設備採集有關城市地區的成像數據。計算機處理器解釋成像數據以生成城市地區地圖，其中包括標識表示地貌特徵的第一組標記、表示不同類型建築形式的第二組標記以及表示與地貌特徵和建築形式關聯的人類活動模式的第三組標記的表示。地圖還可包括第四組標記，表示其它類型的標記中至少一種出現的強度等級。
文檔編號G09B29/00GK102169650SQ201110089090
公開日2011年8月31日 申請日期2004年12月16日 優先權日2003年12月18日
發明者M·L·伯奇菲爾德, T·C·庫姆貝斯, W·蓋爾 申請人:1626628 安大略有限公司