CN101593457A - 基于区域划分的屏幕饱和度实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区域划分的屏幕饱和度实现方法及装置，用于地理信息图像显示系统，该基于区域划分的屏幕饱和度实现方法包括以下步骤：空间目标自适应聚类步骤，用于进行空间自适应聚类以获取空间目标的空间疏密分布；基于拓扑网络的区域划分步骤，用于根据预设要素构建面拓扑，并将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，以形成新的区域；针对划分区域的屏幕饱和度获取步骤，用于获取划分区域的屏幕饱和度，并将获取到的各个划分区域的屏幕饱和度值与设定阀值进行比较，以判断显示数量的合理性。

Description

基于区域划分的屏幕饱和度实现方法及装置

技术领域

本专利涉及地理信息系统空间信息可视化和空间信息合理化显示技术，特别涉及一种基于区域划分的屏幕饱和度实现方法及装置。

背景技术

随着电子地图系统研究的逐渐深入和各种空间信息产品的市场化，人们发现电子屏幕上地图显示是否合理美观，用户能否依据屏幕上的显示快速获取有用信息已经成为用户选择产品的一个重要评价标准。空间信息可视化问题已经不仅仅是研究空间信息如何能显示的问题，而是研究空间信息如何合理化，适应人的显示问题。

现有技术的屏幕显示方法主要集中在图像显示设备本身的改善方面，如：申请号为200510077822.0的专利文献揭露的一种饱和度自适应图像改善装置和方法；申请号为00124405.1的专利文献揭露的一种显示多国字符、图形、符号于屏幕的方法；申请号为98111842.9的专利文献公开的一种电视屏幕上显示特定字符或图像的方法，都是提高和改善图像设备中像素显示的质量，而没有涉及屏幕中显示要素的大小，显示内容的多少的问题。

空间信息合理化显示亟需解决的首要问题就是显示多少，即屏幕饱和度计算。屏幕一般具有固定的显示范围，在此范围中，如果显示空间要素过多，难免会造成空间要素间的大量压盖，图面不清，用户难以获取信息；如果显示空间要素过少，则很可能造成图面信息量过少，用户无法获取足够的信息。在以往的研究中，人们对屏幕饱和度计算往往延用传统纸质地图的面积负载量计算方法，即将地图内所有要素和注记所占面积与图幅总面积相比。

综上分析，现有技术主要存在以下不足：

一是由于屏幕显示有漫游等操作，用户看到的始终是当前屏幕显示，因此以图幅为单位进行计算浪费计算资源；

二是对于图面上空间要素分布稀疏不均匀情况，如果采用总量进行计算，有可能因为稀疏地区对密集地区的分担，计算结果是屏幕显示未达到饱和度，而实际显示却造成大量压盖；

三是计算过程中未考虑空间要素的区域分布，不能指定具体的需要制图综合处理区域，为计算机决定屏幕下一步显示什么的处理奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于区域划分的屏幕饱和度实现方法及装置，解决现有屏幕饱和度计算模型浪费计算资源，计算结果与实际有时不符等问题。

为达到上述目的，本发明提供了的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，用于地理信息图像显示系统，其特征在于，该基于区域划分的屏幕饱和度实现方法包括以下步骤：

S10：空间目标自适应聚类步骤，用于进行空间自适应聚类以获取空间目标的空间疏密分布；

S20：基于拓扑网络的区域划分步骤，用于根据预设要素构建面拓扑，并将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，以形成新的区域；

S30：针对划分区域的屏幕饱和度获取步骤，用于获取划分区域的屏幕饱和度，并将获取到的各个划分区域的屏幕饱和度值与设定阀值进行比较，判断显示数量的合理性。

上述基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述空间目标自适应聚类步骤S10是借鉴物理学中的万有引力定理根据空间目标之间的相互作用关系进行自适应分类，该步骤S10进一步包括以下步骤：

步骤S101，建立格网索引，获取空间目标与其相邻格网内所有目标之间的最小距离；

步骤S102，将大于预设限差的目标各自单独作为一类，对剩余的目标进行自适应分类；

步骤S103，根据预设的邻域选取规则，获取每个目标对应的相邻格网内的目标之间的相互作用关系；

步骤S104，根据获取到的空间目标之间的相互作用关系进行空间目标自适应分类。

上述基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述基于新建拓扑网络的区域划分步骤进一步包括以下步骤：

步骤S201，在系统内存中建立相应的拓扑数据缓存，以生成空间数据几何副本；

步骤S202，根据所述空间数据几何副本构建拓扑关系，生成拓扑面；

步骤S203，将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，形成进行屏幕饱和度计算的新区域。

上述基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，在所述针对划分区域的屏幕饱和度获取步骤S30中，是通过下式计算获取的屏幕保护度的：

${\mathrm{Sreen}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ji}}/S_j,$

其中，Sreen_j表示划分区域j的屏幕饱和度计算结果，

S_j表示划分区域j的图面面积，

表示划分区域j中所有空间目标的显示面积之和，

n表示划分区域中空间目标的数量。

上述基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，在所述基于拓扑网络的区域划分步骤S20中根据预设要素构建面拓扑是将镜界、高等级水系、高等级道路联合构建面拓扑。

上述基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述目标之间的相互作用以集合Set(p)表达，其中：

其中，p_i是目标p邻域中的目标；U_ε(p)表示目标P的领域；表示目标p_i和p之间的作用力；表示其余各目标对目标P的合力；θ表示与

之间的夹角。

上述基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述目标p_i和p之间的作用力及表示其余各目标对目标P的合力

分别以下式表达：

$\stackrel{\→}{f_i}(P,P_i)=\frac{k}{d^2(p,p_i)}\⊗\frac{(\stackrel{\→}{p_i}-\stackrel{\→}{p})}{d(p,p_i)},$

$\stackrel{\→}{f_{\mathrm{\ϵ}}}\left(P\right)=\underset{P_i\∈U_{\mathrm{\ϵ}}\left(P\right)}{\mathrm{\Σ}}\stackrel{\→}{f_i}(P,P_i)$

其中，

求取力的方向；d表示目标p与其邻域中目标p_i之间的距离；k为正数，取值为1。

本发明还提供了一种实现方法的装置，用于地理信息图像显示系统，其特征在于，该基于区域划分的屏幕饱和度实现装置包括：

空间目标自适应聚类模块，用于进行空间自适应聚类以获取空间目标的空间疏密分布；

基于拓扑网络的区域划分模块，用于根据预设要素构建面拓扑，并将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，以形成新的区域；

针对划分区域的屏幕饱和度获取模块，用于获取划分区域的屏幕饱和度，并将获取到的各个划分区域的屏幕饱和度值与设定阀值进行比较，小于设定的阀值认为满足屏幕饱和度要求。

与现有技术相比，本发明将整个可见区域按照空间目标的疏密分布，地理实际区域划分为不同的小区域，然后针对划分后的小区域进行进一步屏幕饱和度计算，有效弥补了传统屏幕饱和度计算模型的不足：

1)针对可见划分小区域进行计算，弥补了原方法针对整个图幅进行计算，计算资源浪费的问题；

2)划分小区域由于采用自适应空间聚类方法，弥补了原方法整个图幅进行计算时，由于疏密不均，稀疏地区对密集地区的分担，造成屏幕饱和度计算结果不超过阀值，实际密集地区却过于拥挤的问题；

3)针对划分小区域进行计算，当计算结果超过阀值时，进入自动制图综合流程时能更有效缩小需要自动综合区域范围。

本发明的提出不仅能够用于科学实验，同时更重要的是能够用于实际的空间信息合理化显示实践中。

附图说明

图1为本发明基于区域划分的屏幕饱和度实现方法的流程图；

图2为作用于目标P上的力的示意图；

图3为目标P相邻格网图示意图；

图4a为待计算屏幕饱和度区域示意图；

图4b为采用本发明待计算饱和度区域聚类结果示意图；

图5为对密集地区进行拓扑面的划分示意图；

图6为本发明基于区域划分的屏幕饱和度实现装置示意框图。

具体实施方式

以下结合附图对本明进行详细的描述，以更进一步说明本发明的目的、方案及功效，但并非作为对本发明所附权利要求保护范围的限制。

参考图1，为本发明基于区域划分的屏幕饱和度实现方法的流程图，本发明的提出基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，用于地理信息图像显示系统，该基于区域划分的屏幕饱和度实现方法包括以下步骤：

S10：空间目标自适应聚类步骤，用于进行空间自适应聚类以获取空间目标的空间疏密分布。该步骤中，具体是对屏幕上除境界、水系和道路网络以外的其它要素进行目标的自适应聚类，以获取目标的基本空间分布和密度对比。

S20：基于拓扑网络的区域划分步骤，用于根据预设要素构建面拓扑，并将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，以形成新的区域。该步骤中，是利用境界、水系和道路网生成拓扑网络，对经过聚类的区域进行划分，形成待计算屏幕饱和度的不同区域。

S30：针对划分区域的屏幕饱和度获取步骤，用于获取划分区域的屏幕饱和度，并将获取到的各个划分区域的屏幕饱和度值与设定阀值进行比较，以判断显示数量是否合理。

在上述步骤S10中，空间聚类，一般是给定一个聚类距离后进行操作。基于区域划分的屏幕饱和度计算模型进行空间聚类的目的是获取空间目标的空间疏密分布，聚类距离难以给定，因此需要采用的是空间目标的自适应聚类。借鉴物理学中的万有引力定理，我们可以将目标之间的关系类比于万有引力，将目标之间的关系类比于作用力：即目标之间的距离越近，其相互之间的作用力越大；目标之间的距离越远，其相互之间的作用力也越远。如图2所示，作用于目标P上的力的示意图，目标P与目标P₁，P₂，P₃，P₄在同一类别是比较合理的，而目标P₅与目标P之间的距离较远，其对目标P的作用力可忽略不计。

因此在进行空间目标自适应聚类时，首先将目标之间的相互作用力简单地看成与它们之间的距离成反比，当两目标之间的距离很大时，相互作用可忽略不计。对每一个目标可规定一个邻域，不在其邻域中的目标可认为与该目标没有作用力，从而可求出对该目标的各分作用力和合力，具体公式如下：

$\stackrel{\→}{f_i}(P,P_i)=\frac{k}{d^2(p,p_i)}\⊗\frac{(\stackrel{\→}{p_i}-\stackrel{\→}{p})}{d(p,p_i)}...\left(1\right)$

$\stackrel{\→}{f_{\mathrm{\ϵ}}}\left(P\right)=\underset{P_i\∈U_{\mathrm{\ϵ}}\left(P\right)}{\mathrm{\Σ}}\stackrel{\→}{f_i}(P,P_i)...\left(2\right)$

其中p_i是目标p邻域中的目标，U_ε(p)表示目标P的领域，

表示目标p_i和p之间的作用力，

表示其余各目标对目标P的合力，

求取力的方向，实际就是求取单位矢量的方向，k为正数，类似于是一个简单的比率参量，可直接取值为1。

从力学角度来讲，目标P所受作用力的方向一般指向其局部的一个中心，如果f_i(P，P_i)与f_ε(P)之间的夹角是锐角，则目标p_i和P应该分为同一类。因此，对于目标P，集合Set(P)定义为：

集合Set(P)提供了目标之间的相互作用关系，可以根据Set(P)进行自适应分类。考虑到地图上目标分布密度一般是变化的，如果对于所有样本点，邻域大小是固定的，分类的结果将不能很好地保持其密度分布特点。因此，将采取设置ε(ε表示邻域集合)的方法进行分类。对于一些特殊的目标，例如与周围目标距离比较远的目标将自行分为一类。

上述空间目标自适应聚类步骤S10的具体工作步骤如下：

①建立格网索引，求取目标P与其相邻格网内(见图3)所有目标的距离，求取最小距离D(P)，其中D(P)＝min{d(P，P_i)}，其中P_i为相邻8邻域格网内的点；

②将所有的D(P)进行排序，将D(P)大于一定限差的目标各自单独作为一类，对剩下的点进行自适应分类；

③根据邻域选取规则，根据设定的ε和上述公式(1)、(2)、(3)计算每个目标对应的集合Set(P)；

④设当前类别数目i＝0，设置C_i＝φ，其中C_i表示已经得到的分类；

⑤如果存在未处理的样本点，则选取新类别的种子点P_i，C_i＝{P_i}，否则转⑦；

⑥如果 $\∃P_j\∈U$ (其中U表示不属于任何已经进行分类的点的集合)，满足条件： $\∃P_k\∈C_i$ 并且P_j∈Set(P_k)，则C_i＝C_i∪{P_j}，继续搜索；

⑦分类结束。

上述基于新建拓扑网络的区域划分步骤S20的具体工作流程如下：：

①生成空间数据几何副本

通常空间数据的组织都是按照不同的要素层进行，因此构建拓扑关系也是在同一要素层中进行。要将境界，高等级水系，高等级道路联合构建拓扑直接对某一层进行操作已经不能满足需要，值得一提的是，此处联合构建拓扑的作用是为了生成屏幕饱和度区域(如图4a所示)，是中间数据，因此，采用的解决方法是在内存中建立相应的拓扑数据缓存，然后逐层查询，依据其属性选择境界，高等级水系，高等级道路，最后建立其几何属性副本，添加到数据缓存中。此时的数据缓存就是需要建立拓扑关系的空间数据几何副本。

②生成拓扑面

与水系建立拓扑关系是为了表达岛屿，道路建立拓扑关系是为了进行路径分析所不同，此处建立的拓扑关系是缺乏实际地理意义与空间分析意义的。因此，境界，高等级水系，高等级道路联合构建拓扑关系不需要考虑岛屿等问题，因此没有嵌套面，只有单面。针对这一特点，对上述步骤①所产生的副本，采用经典的拓扑构建算法，可快速构建拓扑关系，生成拓扑面。

③叠置分析拓扑面与聚类结果

叠置分析是GIS中最常用的提取空间隐含信息的手段之一。叠置的直观概念就是将两幅或多幅图形重叠在一起，产生新多边形和新多边形范围内的属性。为了将聚类结果按照图面网络区域进行划分，显然采用叠置分析是可行的。通过一般通用的叠置分析算法，能快速将聚类结果进行划分，形成新的小区域。图5是图4b中密集地区利用拓扑面进行划分的区域结果。此时形成的区域就是即将进行屏幕饱和度计算的区域。

上述针对划分区域的屏幕饱和度获取步骤S30中，针对划分区域的屏幕饱和度采用如下公式计算获取：

${\mathrm{Sreen}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ji}}/S_j,$

其中Sreen_j表示划分区域j的屏幕饱和度计算结果，S_j表示划分区域j的图面面积，

表示划分区域j中所有空间目标的显示面积之和，n表示划分区域中空间目标的数量。

根据上述模型计算获取各个划分区域的屏幕饱和度，与设定阀值进行比较，以判断显示数量是否合理，大于设定阀值，判断为显示数量不合理，小于设定阀值，判断显示数量合理。当显示数量合理时显示输出；当显示数量不合理时，对空间目标的显示数量进行调整处理。

图4a～图5分别给出了本发明中待计算屏幕饱和度区域示意图、待计算饱和度区域聚类结果示意图，及对密集地区进行拓扑面的划分示意图；

本发明还提供了一种实现上述方法的装置，用于地理信息图像显示系统，如图6所示，本发明提供的基于区域划分的屏幕饱和度实现装置60包括：空间目标自适应聚类模块601，用于进行空间自适应聚类以获取空间目标的空间疏密分布；基于拓扑网络的区域划分模块602，用于根据预设要素构建面拓扑，并将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，以形成新的区域；针对划分区域的屏幕饱和度获取模块603，用于获取划分区域的屏幕饱和度，并将获取到的各个划分区域的屏幕饱和度值与设定阀值进行比较，以判断显示数量的合理性。其中，基于拓扑网络的区域划分模块602是将境界，高等级水系，高等级道路联合构建面拓扑，然后将联合构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，形成新的区域。针对划分区域的屏幕饱和度获取模块603中的屏幕饱和度计算模型为： ${\mathrm{Sreen}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ji}}/S_j,$ 其中Sreen_j表示划分区域j的屏幕饱和度计算结果，S_j表示划分区域j的图面面积，

表示划分区域j中所有空间目标的显示面积之和，n表示划分区域中空间目标的数量。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，用于地理信息图像显示系统，其特征在于，该基于区域划分的屏幕饱和度实现方法包括以下步骤：

S10：空间目标自适应聚类步骤，用于进行空间自适应聚类以获取空间目标的空间疏密分布；

S20：基于拓扑网络的区域划分步骤，用于根据预设要素构建面拓扑，并将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，以形成新的区域；

S30：针对划分区域的屏幕饱和度获取步骤，用于获取划分区域的屏幕饱和度，并将获取到的各个划分区域的屏幕饱和度值与设定阀值进行比较，以判断显示数量的合理性。

2、根据权利要求1所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述空间目标自适应聚类步骤S10是借鉴物理学中的万有引力定理根据空间目标之间的相互作用关系进行自适应分类，该步骤S10进一步包括以下步骤：

步骤S101，建立格网索引，获取空间目标与其相邻格网内所有目标之间的最小距离；

步骤S102，将大于预设限差的目标各自单独作为一类，对剩余的目标进行自适应分类；

步骤S103，根据预设的邻域选取规则，获取每个目标对应的相邻格网内的目标之间的相互作用关系；

步骤S104，根据获取到的空间目标之间的相互作用关系进行空间目标自适应分类。

3、根据权利要求1所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述基于新建拓扑网络的区域划分步骤进一步包括以下步骤：

步骤S201，在系统内存中建立相应的拓扑数据缓存，以生成空间数据几何副本；

步骤S202，根据所述空间数据几何副本构建拓扑关系，生成拓扑面；

步骤S203，将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，形成进行屏幕饱和度计算的新区域。

4、根据权利要求1所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，在所述针对划分区域的屏幕饱和度获取步骤S30中，是通过下式计算获取的屏幕保护度的：

${\mathrm{Sreen}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ji}}/S_j,$

其中，Sreen_j表示划分区域j的屏幕饱和度计算结果，

S_j表示划分区域j的图面面积，

表示划分区域j中所有空间目标的显示面积之和，

n表示划分区域中空间目标的数量。

5、根据权利要求1所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，在所述基于拓扑网络的区域划分步骤S20中根据预设要素构建面拓扑是将镜界、高等级水系、高等级道路联合构建面拓扑。

6、根据权利要求2所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述目标之间的相互作用以集合Set(p)表达，其中：

其中，p_i是目标p邻域中的目标；U_ε(p)表示目标P的领域；

表示目标p_i和p之间的作用力；表示其余各目标对目标P的合力；θ表示

与

之间的夹角。

7、根据权利要求6所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法，其特征在于，所述目标p_i和p之间的作用力及表示其余各目标对目标P的合力

分别以下式表达：

${\stackrel{\→}{f}}_i(P,P_i)=\frac{k}{d^2(p,p_i)}\⊗\frac{({\stackrel{\→}{p}}_i-\stackrel{\→}{p})}{d(p,p_i)},$

${\stackrel{\→}{f}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(P\right)=\underset{P_i\∈U_{\mathrm{\ϵ}}\left(P\right)}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{\→}{f}}_i(P,P_i)$

其中，

求取力的方向；d表示目标p与其邻域中目标p_i之间的距离；k为正数，取值为1。

8、一种实现上述权利要求1～7中任一项所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现方法的装置，用于地理信息图像显示系统，其特征在于，该基于区域划分的屏幕饱和度实现装置包括：

空间目标自适应聚类模块，用于进行空间自适应聚类以获取空间目标的空间疏密分布；

基于拓扑网络的区域划分模块，用于根据预设要素构建面拓扑，并将构建的拓扑面与空间目标自适应聚合的结果进行叠置分析，以形成新的区域；

针对划分区域的屏幕饱和度获取模块，用于获取划分区域的屏幕饱和度，并将获取到的各个划分区域的屏幕饱和度值与设定阀值进行比较，以判断显示数量的合理性。

9、根据权利要求8所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现系统，其特征在于，所述针对划分区域的屏幕饱和度获取模块是通过下式计算获取屏幕饱和度的：

${\mathrm{Sreen}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ji}}/S_j,$

其中，Sreen_j表示划分区域j的屏幕饱和度计算结果，

S_j表示划分区域j的图面面积，

表示划分区域j中所有空间目标的显示面积之和，

n表示划分区域中空间目标的数量。

10、根据权利要求8所述的基于区域划分的屏幕饱和度实现系统，其特征在于，所述基于拓扑网络的区域划分模块根据预设要素构建面拓扑是将镜界、高等级水系、高等级道路联合构建面拓扑。

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