CN101833780A - 一种基于游程表达和运算的地图成图方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于游程表达和运算的地图成图方法，属于计算机制图相关的矢量地图表达技术领域。其成图步骤包括：1、从空间数据库中抽取数据，分层组织形成矢量图层集合；2、矢量图层中各要素的符号化；3、将符号化后各图层中的地图符号转化为由游程单元构成的游程集合；4、按各图层之间的叠合顺序对处于同一地图栅格行上的游程单元进行叠合操作；5、对叠合后游程集合解码完成地图输出。本发明图层中的地图符号用游程表达，占用资源少，叠合运算速度快，出图效率高，并且将各图层转化为多个分别与地图符号一一对应的游程集合，提高了图层中地图符号的访问速度，有利于地图符号的插入和删除操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于游程表达和运算的地图成图方法，属于计算机制图相关的矢量地图表达技术领域。
背景技术
随着GIS应用技术的日益普及，数字地图的应用越来越广泛，相应的计算机制图方法改变了传统的人工制图方法，在数据库支撑下可以满足各种地图需求。矢量面状地图通过记录边界点坐标和边界构成来表示面状地物，可以看做是记录地物轮廓。在制图阶段这种矢量数据必须经符号化后转化为栅格数据并输出。
现有地图成图方法的数据层一般由空间数据库和地图符号库两部分组成，空间数据库作为整个制图方案的数据支撑提供所有制图要素的空间信息和属性信息，支持地图编辑对数据库的访问和存取，并依据地理要素的特点从空间数据库中抽取数据分层组织形成矢量图层集合。地图输出是空间对象符号化的过程，各图层制图要素的符号化依赖于地图符号库，丰富的符号库以可视化的形式表征了制图要素的时空分布、组合和联系，提出的制图方案中，地图符号库作为制图系统的可视化支撑，既提高了地图表现能力，又增强了地图符号的统一编辑能力。目前地图制图时库内存放的符号以全栅格形式插入地图文档，占据较大存储空间且处理速度慢。
地图的输出作为用户与数据交互的中介，将抽象的空间地理数据转化为可视化地图图形，直接使用栅格编码存储地物占用了大量的存储空间，如何应对直接栅格造成的响应速度和处理效率降低，成为地图制图的急需解决的问题。
虽然GIS中地图的输出形式多种多样，如屏幕显示输出、打印机或绘图机纸张输出等，但地图输出的原理是一致的，只是最后保存的格式存在差别，都将符号化后的地图直接以栅格结构存储，栅格结构保存的颜色属性作为地图渲染的信息，因此渲染信息的保存是地图输出的关键。
现有的GIS系统的制图模式为非“可见即可得”，所有制图要素的编辑在编辑状态下完成，制图状态下用不同形状的符号、线型、颜色、图案等表现全部制图要素隐含的特征，其中编辑状态下，地图以矢量形式表达空间信息，而制图状态下所有制图要素表示为栅格数据，这造成存储空间大幅扩大，因此制图要素的压缩表达及相应操作算子成为整个矢量地图的表达的关键。现有的地图制图的研究侧重于地图符号库的设计，这只在一定程度上减少了地图符号设计的工作量，并未延伸到本质的地图表达，地图符号仍以点阵形式存储插入地图文档中。探索一种数据冗余度低且压缩率高的面状地图表达方法是解决该问题的可行方案。
对于GIS中的面状要素，一种简单而有效的压缩方法是游程编码，游程编码是一种重要的栅格数据压缩方法，它广泛应用于GIS空间数据的压缩存储之中，它可达到较高的压缩效率，且数据结构简单，易于操作。常规的游程编码方法以一个二维数组表示游程，每个游程单元以一对数值表达，第一个值表示游程的属性，第二个值表示游程的长度，一行上每个游程的长度相加就等于该栅格场的列数。这种数据结构能够有效的压缩栅格，但是在进行其他操作时相当不方便，游程编码下的定位、插入、删除、合并需要遍历之前的游程单元，使得游程操作的效率很低，同时，游程长度以整数表达，会导致游程表达的精度不高。
发明内容
本发明要解决技术问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种基于游程表达和运算的地图成图方法。
为了解决以上技术问题，一种基于游程表达和运算的地图成图方法，其数据支撑层包括空间数据库、地图符号库，具体成图步骤为：
第一步、从空间数据库中抽取数据，分层组织形成矢量图层集合；
第二步、将地图符号库中的地图符号对应的插入矢量图层中，完成矢量图层中各要素的符号化；
第三步、通过线扫描法将符号化后各图层中的地图符号转化为由游程单元构成的游程集合，图层中的地图符号与游程集合一一对应；
第四步、按各图层之间的叠合顺序对处于同一地图栅格行上的游程单元进行叠合操作，所述叠合操作中位于上层图层的游程单元覆盖下层图层的游程单元后，由上层图层游程单元和下层图层游程单元的未覆盖部分形成叠合后游程集合，最终获得一副由叠合后游程集合表示的地图；
第五步、对叠合后游程集合解码完成地图输出。
本发明将各图层转化为多个分别与地图符号一一对应的游程集合，其目的在于为地图符号的插入和删除提供便捷。如果图层采用单个游程集合的形式表达，那么插入新地图符号后，需要对整个图层重新进行线扫描，删除地图符号同样如此，可见这种方法的处理速度较慢，不可取。而本发明各图层的地图符号采用互相独立的游程集合表达，插入新地图符号后，只需对新插入的地图符号进行游程转化，而删除地图符号操作则只需删除相应的游程集合即可，操作简单处理速度快，有利于地图编辑。并且游程集合形式表达的地图符号提高了各地图符号的访问速度。如果图层采用单个游程集合的形式表达，访问某一个地图符号则需要遍历整个游程集合，效率低下。而本发明可直接访问与地图符号相对应的游程集合，访问速度更快。
本发明第三步中，若图层中同一种地图符号重复出现，则只扫描该种地图符号中的任意一个，将其转化为游程单元集合，剩余相同的地图符号通过各定位点参数确定对应的游程集合。对于图层中同一地图符号出项频率较高的情形，本发明可节约地图符号的转化为游程集合的时间，提高出图速度。
本发明只针对图层中的地图符号进行先扫描游程转化，因此对于地图图号分布较为稀疏的图层而言，只对地图符号覆盖区域进行先扫描，而并非整个图层进行先扫描处理，处理方法更加智能，运算效率更好，提高了出图速度。
为了提高游程单元的访问速度和运算速度，所述游程集合中各游程单元的始、末列号用扫描线与地图符号交点的X坐标反算对应列的实际数值表达，精确至小数点后1位以上。
所述的游程集合、叠合后游程集合均采用游程链表形式存储。
本发明地图成图方法具有如下特点：
(1)矢量数据直接完成游程编码不经历中间转换。以往矢量面状要素的游程编码的建立是通过矢量数据栅格化和中间栅格数据进行游程编码两个步骤来实现的，矢量数据的栅格化需要大量的处理时间，从而降低了游程编码的整体效率，本发明直接用扫描线算法建立矢量地图的无边界实值游程编码，无需经历中间过程，因此提高了效率。
(2)实值编码用实数而不是整数记录游程边界，可以降低数据转换时的精度损失。现有数据结构通常运用整数型变量记录游程单元的位置(起、止列)，这在进行矢量数据栅格化时，必然会降低空间精度。在直接栅格编码中，栅格的位置是通过数组下标隐式表示的，不能通过改变数据类型来提高精度；而游程编码环境下，某行上游程单元的位置在数据结构中有显式的表示，完全可以采用更高精度的实数型数据进行记录，列数值允许为负，此时可表示的空间范围在行方向是无界的。
(3)游程排序方便游程插入、删除、合并、分裂等操作，并且能提高这些操作的效率。在对整个栅格数据进行游程编码时，每一行上的游程会自然按序排列，前一游程单元的终点就是下一游程的起点，此时并不需要单独考虑游程排序的问题；而以面为单元进行游程组织时，同一行上的游程是离散分布的，彼此并不相邻，所有在同一行上的游程需人为排序。
(4)链表结构可以提高游程单元的访问速度。同一行的若干游程组织为数组、指针等形式时，由于难以预期各行中游程单元的数量，会导致动态增加和删除游程、分配和清理内存等方面的困难。链表结构可有效解决该问题，也可提高游程插入、删除等操作的效率。
(5)无边界游程编码的边界信息隐含在游程单元中，提高了游程组织的扩展性。每一行的游程编码只记录具有属性的单元，从有属性的点开始到有属性的点结束，这种结构使它与其他行独立，这样每一行可以方便的延伸；对于每一列，栅格的扩展或收缩时，只要插入或删除一行就可以。
(6)多个图层的叠加操作是地图输出中非常关键的一步，本发明实现了直接利用游程编码完成多个图层的叠加。虽然基于栅格结构的图层叠加非常快捷，但对游程单元解码还原为栅格结构，这无疑丧失了基于游程编码表达地图的优势，直接利用游程单元的叠合操作，保持了整个制图方案的整体感。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明成图方法的框架图。
图2为本发明地图符号库中点状符号游程化示意图。
图3为本发明地图符号库中线状符号游程化示意图。
图4为本发明地图符号库中注记游程化示意图。
图5为本发明游程单元叠合操作示意图。
具体实施方式
本实施例基于游程表达和运算的地图成图方法，如图1所示，基于游程表达和运算的地图成图方法，其数据支撑层包括空间数据库、地图符号库，具体成图步骤为：
第一步、从空间数据库中抽取数据，分层组织形成矢量图层集合；
第二步、将地图符号库中的地图符号对应的插入矢量图层中，完成矢量图层中各要素的符号化；
第三步、通过线扫描法将符号化后各图层中的地图符号转化为由游程单元构成的游程集合，图层中的地图符号与游程集合一一对应；
第四步、按各图层之间的叠合顺序对处于同一地图栅格行上的游程单元进行叠合操作，所述叠合操作中位于上层图层的游程单元覆盖下层图层的游程单元后，由上层图层游程单元和下层图层游程单元的未覆盖部分形成叠合后游程集合，最终获得一副由叠合后游程集合表示的地图；
第五步、对叠合后游程集合解码完成地图输出。
本实施例第三步中，所述游程集合的各游程单元的始、末列号用扫描线与地图符号交点的X坐标反算对应列的实际数值表达，精确至小数点后1位以上。由于采用实数记录行程单元两端所在的网格列值，不对行列号进行取整，能减少算法运算所带来的精度损失，达到矢量方法才能具有的数据精度。全栅格编码方法中，每个网格单元的行列号隐含表达了该网格的空间坐标值，常规的行程编码方法都以整数记录行程两端所属的网格行列值，其数据精度和全栅格编码方法保持一致。本发明采用实数(实际数值)记录行程单元两端所属的网格行列值(如行程两端位于栅格场分别为第6.512列和13.131列)，有效保证了在扫描面要素生成行程单元所带来的精度损失，在将行程两端所在的列号反算为空间坐标时，能有效保持原面要素的空间坐标数据精度。
本发明涉及的地图符号分为点状符号、线状符号、面状符号(其中注记、指北针等辅助要素也可以理解为点状符号)，图层中的各地图符号分别建立对应的游程表达。某个图层包含有3个地图符号，那么该图层可转化为3个游程集合以表达。基于游程编码的多图层输出是将游程集合表达的地图图层转化为可视化形式的地图产品，主要通过基于游程的叠置运算完成。
本发明地图图层中地图符号的无边界实值游程编码具体步骤是：
图层中的地图符号划分为点状符号、线状符号、面状符号，根据地图符号的大小确定地图符号游程表达的范围，在同一栅格场内，逐行扫描图层中的地图符号，计算该行中心线与面边界曲线的所有交点，标记为断点并编号，断点位置通过扫描线与边界弧求交得到，以奇数序号断点为起始点，以偶数序号断点为终止点建立游程单元的链表结构。点状符号游程化：
记当前点状符号跨越的列号ci、cj，行号rm、rn，如图2所示，右边为当前符号放大图，从rm行至rn行逐行扫描，从ci列开始至cj列对符号进行游程表示，记录每个游程单元起止行列号，终止行列号及颜色索引，形成当前符号的游程块Run-A。
其他符号游程表示，可以转化为游程块的平移，以已游程化的符号为参考点，由符号定位点确定平移向量
将Run-A按照向量
移动即为Run-B，新的游程块中各游程单元起始行列号变化，颜色索引维持不变。
a)线状符号游程化：
线状符号由连续且重复的线状图元组成，首先分解线状符号为基本的简单的图元，基于简单图元的游程化与点状符号游程化类似，而简单图元游程块的组合形成最终的线状符号的游程表达。如图3所示为一段铁路的符号，其中的基本图元为黑白图元，记录黑白图元的左下角和右上角栅格坐标，其他段的图元的游程表达依赖于已经游程化单元的图形变化，最好根据定位点拼接完成整个线状符号。
b)注记游程化：
注记的游程化与点状符号游程化有相似之处，单个文字的游程化受字体、大小的影响较大，所以整个图幅中不同文字的游程化表达差异较大，需要实时的游程化实现。基于矢量字库的游程化，依赖于矢量图形的游程表达，基本思想是使用逐行扫描建立游程单元，对整个文字形成游程块，如图4所示。
本发明第四步叠合操作的具体实现步骤如下：
步骤1：初始化一个一维数组，数组大小为地图栅格场行数，各数组元素对应行游程链表，初始状态为空；
步骤2：依图层顺序，从低位向高位，将每个图层中的各游程块的行游程链表依次插入数组，执行游程单元的“update”运算，“update”运算即为覆盖运算，将上层图层的游程单元对下层图层的游程单元覆盖，可参见图5；
步骤3：直至所有图层的游程单元插入完毕。
本发明第五步中，用上述结果数组中存储的游程信息渲染空白地图文档，保存并输出，完成成图。
地图输出的形式可以是多样的，既包括硬拷贝输出也有软拷贝的输出，
接下来讨论中将会以屏幕输出为例说明了游程图层的输出原理。
其中，空间数据库作为整个制图方案的数据支撑提供所有制图要素的空间信息和属性信息，支持地图编辑对数据库的访问和存取，并依据地理要素的特点从空间数据库中抽取数据分层组织形成图层集合。地图输出是空间对象符号化的过程，各图层制图要素的符号化依赖于地图符号库，丰富的符号库以可视化的形式表征了制图要素的时空分布、组合和联系，提出的制图方案中，地图符号库作为制图系统的可视化支撑，既提高了地图表现能力，又增强了地图符号的统一编辑能力。
游程转化层是本文提出的制图方法的基础，以游程操作为基础形成了制图的全新思路。通过地图符号游程化将可视化的图层转化为游程图层，它以游程单元而不再是栅格单元存储，大大节省了内存开销并提高了处理效率。图层的游程化可分解为点状符号、线状符号、面状符号的游程化，根据图层数据特性，选择游程化压缩比较高的图层。
功能层基于游程图层而满足地图制图中需求的一些功能，其中包含基于游程图层的图层管理模块、地图操作模块、地图渲染模块以及地图输出模块，地图操作模块是为制图过程中的各种常用操作设计的、如平移缩放等，这个过程中由于采用游程编码的表达，大大提高了地图的响应速度，可以避免地图要素较多时由于地图重绘而造成较长的等待时间；图层管理子模块主要针对调整图层的顺序、图层新增或删除等；地图渲染子模块主要功能是对地图操作结果实时屏幕输出，根据输出窗口的大小，提取需输出游程，利用边界追踪的方法实现游程单元直接绘制。
本实施例在计算机内存中建立有两块缓存区，其中第一缓存区用于存储所述第三步中多个游程集合形式表达的各图层，第二块缓存区用于储存第四步中叠合操作完成后生成的以叠合后游程集合表示的地图，当用户执行图层顺序调整操作，计算机直接读取第一缓存区内的图层数据，按照调整后的图层叠合顺序执行所述第四步操作，完成后将叠合结果存入第二缓存区。因此，无需重复成图方法中第三步操作，提高了图层管理子模块的运行速度。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于游程表达和运算的地图成图方法，其数据支撑层包括空间数据库、地图符号库，具体成图步骤为：
第一步、从空间数据库中抽取数据，分层组织形成矢量图层集合；
第二步、将地图符号库中的地图符号对应的插入矢量图层中，完成矢量图层中各要素的符号化；
第三步、通过线扫描法将符号化后各图层中的地图符号转化为由游程单元构成的游程集合，图层中的地图符号与游程集合一一对应；
第四步、按各图层之间的叠合顺序对处于同一地图栅格行上的游程单元进行叠合操作，所述叠合操作中位于上层图层的游程单元覆盖下层图层的游程单元后，由上层图层游程单元和下层图层游程单元的未覆盖部分形成叠合后游程集合，最终获得一副由叠合后游程集合表示的地图；
第五步、对叠合后游程集合解码完成地图输出。
2.根据权利要求1所述的基于游程表达和运算的地图成图方法，其特征是：所述第三步中，若图层中同一种地图符号重复出现，则只扫描该种地图符号中的任意一个，将其转化为游程单元集合，剩余相同的地图符号通过各定位点参数确定对应的游程集合。
3.根据权利要求2所示的基于游程表达和运算的地图成图方法，其特征是：所述游程集合中各游程单元的始、末列号用扫描线与地图符号交点的X坐标反算对应列的实际数值表达，精确至小数点后1位以上。
4.根据权利要求3所示的基于游程表达和运算的地图成图方法，其特征是：所述的游程集合、叠合后游程集合均采用游程链表形式存储。
5.根据权利要求4所述的基于游程表达和运算的地图成图方法，其特征是：计算机建立有两块缓存区，其中第一缓存区用于存储所述第三步中多个游程集合形式表达的各图层，第二块缓存区用于储存第四步中叠合操作完成后生成的以叠合后游程集合表示的地图，当用户执行图层顺序调整操作，计算机直接读取第一缓存区内的图层数据，按照调整后的图层叠合顺序执行所述第四步操作，完成后将叠合结果存入第二缓存区。
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- 2010-05-07 CN CN2010101661484A patent/CN101833780B/zh not_active Expired - Fee Related
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