A Road Network Similarity Calculation Method Based on Graph Convolutional Autoencoder

SU Fengshan; LU Xiaomin; YE Yunhui; LI Jing

doi:10.13203/j.whugis20230303

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A Road Network Similarity Calculation Method Based on Graph Convolutional Autoencoder

Cartography and GIS | 更新时间：2026-11-05

- A Road Network Similarity Calculation Method Based on Graph Convolutional Autoencoder
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 51, Issue 2, Pages: 391-402(2026)
- 作者机构：
  
  1.兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃兰州，730070
  2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，甘肃兰州，730070
  3.甘肃省地理国情监测工程实验室，甘肃兰州，730070
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20230303
  CLC： P208
- Received：20 November 2024，
  
  Published：05 February 2026
- 稿件说明：
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苏峰山,禄小敏,叶云会，等.基于图卷积自编码器的道路网相似度计算方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(2):391-402.

SU Fengshan,LU Xiaomin,YE Yunhui,et al.A Road Network Similarity Calculation Method Based on Graph Convolutional Autoencoder[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(2):391-402.
苏峰山,禄小敏,叶云会，等.基于图卷积自编码器的道路网相似度计算方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(2):391-402. DOI：10.13203/j.whugis20230303

SU Fengshan,LU Xiaomin,YE Yunhui,et al.A Road Network Similarity Calculation Method Based on Graph Convolutional Autoencoder[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(2):391-402. DOI：10.13203/j.whugis20230303

摘要

道路网空间相似关系计算在空间数据匹配与查询、空间数据多尺度表达与评价及地图综合质量评价等领域均有广泛应用。现有方法存在对空间信息利用不足且特征因子权重设定过于主观等问题，因此引入图卷积自编码器，通过自监督训练尽可能实现原始输入图的重构，克服传统方法局限，进一步提升相似度计算的准确性。基于图卷积自编码器的道路网相似度计算方法，首先进行道路网图建模及节点特征提取，通过交点转边、边转节点的方式建立道路网的对偶图，在此基础上遵循结构的整体与部分关系原则，从全局、局部及连接特征3个方面将道路网空间特征信息赋予对偶图节点，获取道路网图结构的定量化表达；然后进行图自编码器学习，利用图卷积自编码器对道路网图的节点特征和结构信息进行聚合与更新，形成对道路网的深度认知，进而获取道路网空间信息的特征编码，实现道路网结构的量化表征；最后计算道路网相似度，通过平均池化将复杂的高维度特征空间映射至低维易度量空间，生成一组特征向量，并采用余弦相似度计算其相似性。试验结果表明，所提模型输出的相似度具有较高的敏感性与一致性，与道路网实际变化情况吻合度较好，且其评价结果与人类的空间认知规律较为吻合。

Abstract

Objectives

The calculation of spatial similarity relationship of road networks has wide applications in the fields of spatial data matching and querying

spatial data multi-scale expression and evaluation

and quality evaluation of cartographic generalization. However

the existing similarity calculation methods of road networks have the problems of insufficient utilization of spatial information and subjective setting of the weights of feature factors.

Methods

This paper proposes a road network similarity calculation model based on graph convolutional autoencoder (GCAE). The proposed model employs a self-supervised training strategy to achieve end-to-end learning and strives to reconstruct the original input graph as accurately as possible. As a result

it effectively mitigates the limitations of conventional methods and further improves the accuracy of similarity computation. First

a dual graph of the road network is constructed by converting intersections to edges and edges to nodes. Following the principle of whole-part structural relationships

spatial feature information of the road network is assigned to the dual graph nodes from three aspects

including global

local

and connectivity features

thereby obtaining a quantitative representation of the road network graph structure. Then

GCAE is employed to aggregate and update the node features and structural information of the road network graph

forming a deep understanding of the road network. This process yields a feature encoding of the spatial information

achieving a quantifiable representation of the road network structure. Finally

the complex high-dimensional feature space is mapped by average pooling to a low-dimensional

easily measurable space

generating a set of feature vectors. Cosine similarity is then applied to compute the similarity between road networks.

Results

The experimental results demonstrate that the similarity values generated by the proposed model exhibit high sensitivity and consistency

align closely with actual road network changes

and correspond well with human spatial cognitive patterns.

Conclusions

The proposed model offers a high degree of automation and yields intuitive

well-founded results

effectively mitigating the need for handcrafted features and rule-based designs in road network similarity calculation.

关键词

Keywords

references

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