CN101901489A - 一种面向混合型复杂目标的距离图制图方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向混合型复杂目标的距离图制图方法，属于计算机制图技术领域看，其针对所有点、线、面目标分别建立各距离的独立缓冲区，并将该缓冲区转化为行程表达，然后对行程进行叠合操作，叠合操作时，影响距离较小的行程单元覆盖影响距离较大的行程单元，并将面目标按照扫描线方法生成的行程单元集合插入到对应行的栅格场，从而实现了混合型复杂目标的缓冲区建立。本制图方法将传统纯矢量形式的缓冲区建立方法改进为矢量、栅格并用的方式，且通过行程叠合加快运算速度、提高精度的缓冲区建立方法。本发明不仅能实现点、线、面目标独立类型集合的距离图生成，更重要的是提供一种统一的复杂混合类型空间目标集距离图制图方法。

Description

一种面向混合型复杂目标的距离图制图方法

技术领域

本发明涉及一种面向混合型复杂目标的距离图制图方法，属于计算机制图技术领域。

背景技术

距离图是一种专题地图，它描述了地理空间中地物对周边的影响范围。距离图以点、线、面实体为基础，通过自动建立其周围一定宽度范围内的多边形区域(影响区)，以表示实体对其周围地物的影响情况。其应用相当广泛，如海岸线外一定距离的领海区；城市规划和环境保护中表示某类目标多级影响范围的禁止建设区；地震震源向周围的多级破坏范围等。在制图领域，距离图反映的核心内容是图形要素和“等距离影响区”，影响区表现形式为距离等值线或区域，可能对影响区根据距离大小选择渐变色进行晕渲，或采用分层设色形式来表达。

关于距离图的制作，目前还没有较为简单高效的方法，制图人员普遍借助GIS或制图软件中的缓冲区分析功能来实现，由于GIS缓冲区功能相对单一，主要面向GIS空间数据分析，不是为专业制图而设计的，对于距离图这类应用，使用不是很方便。

而现有的缓冲区生成方法，较成熟的有平行双线法、基元叠合法等。这两类方法都难以避免点、线和面集合在实现缓冲区过程中的多边形合并等复杂运算，效率普遍不高。采用缓冲区生成方法来定制距离图难以满足实际应用需要，一方面制作距离图往往要考虑点、线、面等多类型目标，各目标影响距离、方向参数组合复杂，常见缓冲区生成功能往往只能针对点集合、线集合或者面集合，空间实体类型比较单一，以专业制图软件ArcGIS为例，多级缓冲区的生成主要针对单一图层，即距离图只能为点距离图、线距离图或者面距离图，难以完成复杂混合类型距离图的制作，另外各级影响距离的设置不够灵活，比如难以实现按照某一特定函数赋值输入，或难以提供面的外侧、内侧、双侧的方向性选择；另一方面实际应用中数据量很大，在目标集中包含上百万个点、线、面图形的情形并不鲜见，此时制图时间明显增加成为现有方法的突出问题。一部分相对“成熟”的、已应用于大型GIS平台软件提供的距离图制图功能，有时需要数小时才能完成计算，难以满足实际应用需求。因此，本发明旨在提供一种能快速处理多类型目标、多参数、复杂数据的距离图制图方案，以弥补现有距离图制图功能的不足。

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，提供一种制图过程简单、运算速度快的面向混合型复杂目标的距离图制图方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供的一种面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其步骤包括：

第一步、根据点线面目标集合的地图坐标范围，以及给定的影响距离集合中最大影响距离，确定空间目标距离图的有效坐标范围；

第二步、根据确定的有效坐标范围，建立由预定尺寸精度单元格构成的栅格场；

第三步、对点、线、面目标集合中的每个目标按照给定影响距离集合中的各影响距离分别建立与影响距离对应的独立缓冲区；

第四步、采用扫描线方法将所述的各独立缓冲区分别转化为一组行程单元集合，所述行程单元集合所包含的行程单元标记有位于所在栅格行的始、末列号及影响距离；

第五步、依次将各独立缓冲区所对应的行程单元集合插入栅格场，并进行叠合操作，叠合操作时，影响距离较小的行程单元覆盖影响距离较大的行程单元，并将所有面目标按照扫描线方法生成的行程单元集合插入到对应行的栅格场，插入时覆盖与其有重合的行程单元，最后形成一组叠合后行程单元集合；；

第六步、采用四方向边界追踪法，从该组叠合后行程单元集合所构成的栅格图中提取多边形，生成混合目标集距离图。

本发明针对所有目标建立各距离的缓冲区，并将该缓冲区转化为行程表达，然后对行程进行叠合操作，从而实现了混合型复杂目标的缓冲区建立。本制图方法将传统纯矢量形式的缓冲区建立方法改进为矢量、栅格并用，且通过行程叠合加快运算速度、提高精度的缓冲区建立方法。

进一步的，本发明面向混合型复杂目标的距离图制图方法的第二步中，建立点、线目标的独立缓冲区的方法是：将点、线目标集合中每个目标分别按照给定的各影响距离采用基元叠合法生成与影响距离对应的基元影响区，得到与各影响距离对应的点、线目标基元影响区集合，该点、线目标基元影响区集合即为点、线目标的独立缓冲区。

进一步的，本发明面向混合型复杂目标的距离图制图方法的第二步中，建立面目标的独立缓冲区的方法是：根据用户设定的面目标影响区类型，将面目标集合中的每个目标分别按照给定的各影响距离采用基元叠合法生成与影响距离对应的基元影响区集合，该面目标基元影响区集合即为面目标的独立缓冲区。

所述面目标影响区类型包括面目标外侧、面目标内侧、面目标双侧。

此外，本发明还提供了一种更优化的面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其步骤包括：

第一步、根据点线面目标集合的地图坐标范围，以及给定的影响距离集合中最大影响距离，确定空间目标距离图的有效坐标范围；

第二步、根据确定的有效坐标范围；建立由预定尺寸精度单元格构成的栅格场；

第三步、对点、线、面目标集合中的每个目标按照给定影响距离集合中的各影响距离分别建立与影响距离对应的一组基元多边形；

第四步、采用扫描线方法将所有的基元多边形转化为行程单元集合，并对每个目标所对应的行程单元集合进行叠合操作，形成与影响距离对应的以行程单元集合形式表达的各目标的独立缓冲区，所述行程单元集合所包含的行程单元标记有位于所在栅格行的始、末列号及影响距离；

第五步、依次将各独立缓冲区所对应的行程单元集合插入栅格场，并进行叠合操作，叠合操作时，影响距离较小的行程单元覆盖影响距离较大的行程单元，并将所有面目标按照扫描线方法生成的行程单元集合插入到对应行的栅格场，插入时覆盖与其有重合的行程单元，最后形成一组叠合后行程单元集合；

第六步、采用四方向边界追踪法，从该组叠合后行程单元集合所构成的栅格图中提取多边形，生成混合目标集距离图。

传统基元叠合思想的矢量方法中，需要将基元多边形通过弧段打断重组等完成所有基元多边形的合并运算，处理较为复杂，效率不高。本优化方案中，为完成后续基元多边形的合并，生成有效综合影响区，借助栅格数据压缩思想，将基元多边形以行程单元集合形式表达，则多边形的运算转换为行程单元的运算，提高了运算速度。通过扫描线方法可以将多边形数据实现栅格显示，并进一步压缩为行程编码数据表达。

本发明的有益效果是：

(1)采用栅格思想完成基元的合并与相差，并通过行程编码方法压缩栅格数据，优化了栅格数据的运算效率，并进一步提升了矢量距离图的数据精度。行程编码方法将常见直接栅格编码数据进行压缩，一个行程单元的运算能一次完成栅格条带上多个网格单元的运算，有效提高了栅格运算效率。随着栅格数据量的降低，可以进一步提高栅格场网格行列值数目，提升行程编码方法下的距离图生成结果数据精度。采用本发明实现的混合类型目标集距离图制图结果数据精度能够精确至小数点后2位以上，完全可以满足实际应用需要。

(2)实现基于行程编码数据的空间运算，有效避免了常规距离图生成中多边形合并和相差运算所带来的复杂性。将常见距离图生成中基元影响区多边形的合并和相差过程转换为行程单元的合并和相差运算，而行程单元的运算都限定在各自对应的栅格条带上，其实现方法比常见矢量方法中的多边形运算简单高效。

(3)本发明基于任意复杂的面状多边形要素距离图生成，且提供了外侧、内侧和双侧距离图，能满足现有大部分GIS距离图制图应用需求。常见GIS面要素距离图生成方法多基于简单多边形要素，且主要为面要素的外侧距离图生成。本发明中，面要素的多边形形状可以是带多个复杂的洞和岛结构，在这类复杂情况下，可以实现基于面要素向其外侧、内侧或者双侧距离图生成。

(4)提供了一种实现点线面多类型混合目标的距离图制图方法，有效填补了现有GIS距离图制图功能的不足。现有方法多侧重对某一类型空间目标集合的距离图生成，尤以点目标集合的距离图制图最多。成熟的大型GIS平台提供的常见距离图生成方法主要为基于点图层上点目标集合的距离图生成、基于线图层上线目标集合的距离图生成以及基于面图层上面目标集合的距离图生成，距离图制图功能较为单一，混合目标的距离图制图功能较少见。本发明不仅能实现点、线、面目标独立类型集合的距离图生成，更重要的是提供一种统一的复杂混合类型空间目标集距离图制图方法。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明距离图制图方法流程图。

图2是一个点线面混合类型目标集距离图生成示意图。

图3是两个多边形的行程编码示意图。

图4是两条线要素生成距离图示例。

图5是一条线要素做距离图示例。

图6是面要素通过扫描线方法生成行程单元集合的过程示意图。

图7是两个点要素生成距离图示例。

图8是行程单元叠合操作示意图。

图9是带洞的面要素生成外侧影响区示例。

图10是带洞的面要素生成内侧影响区示例。

图11是带洞的面要素生成双侧影响区示例。

图12是面要素生成外侧影响区且包含原面的示例图。

具体实施方式

实施例1

图1为本发明的流程图，图2提供了在一定影响距离的情况下得到的一个包含点线面混合目标集的距离图示例，图中面要素采用外侧影响区。

本实施例面向混合型复杂目标的距离图制图方法，如图1所示，其步骤包括：

第一步、根据点线面目标集合的地图坐标范围，以及给定的影响距离集合中最大影响距离，确定空间目标距离图的有效坐标范围；

实际应用中，点、线、面目标集合常以图层表达，分为点图层、线图层和面图层。图层的坐标范围可以通过遍历该图层上坐标点的最小最大X、Y坐标求得，然后比较所有图层的坐标范围计算最小最大X、Y坐标得出总体地图坐标范围，因地图边界上地理实体需要做影响区，因此距离图的坐标范围为上述总体地图坐标范围向上、下、左、右各扩展影响距离中最大影响距离得到。

第二步、根据确定的有效坐标范围，建立由预定尺寸精度单元格构成的栅格场；栅格场的行列值可以通过预先给定参数决定(如十万行十万列)。

第三步、对点、线、面目标集合中的每个目标按照给定影响距离集合中的各影响距离分别建立与影响距离对应的独立缓冲区；

分别将点和线目标集合中每个目标按照给定的影响距离采用基元叠合法生成各自的基元影响区，得到基元影响区集合。相比面目标而言，点和线目标的影响区结果比较简单，可以优先处理点和线目标类型。本发明的影响区生成采用基元叠合的思想，具体思路是：单点影响区是一个以该点为圆心，影响距离为半径的圆形；单线影响区则以组成线的所有线段两端点分别构造圆形，以各条线段为中心线分别向两侧做以影响距离为宽度的平行线构成矩形，将生成的圆形和矩形合并即为线影响区。如图5展示了一条线要素及其影响区，该影响区由四个圆形和三个矩形组成，事实上只要能将圆形和矩形合并成一个多边形，该多边形就是本条线要素的综合影响区。

可见，本实施例中，建立点、线目标的独立缓冲区的方法是：将点、线目标集合中每个目标分别按照给定的各影响距离采用基元叠合法生成与影响距离对应的基元影响区，得到与各影响距离对应的点、线目标基元影响区集合，该点、线目标基元影响区集合即为点、线目标的独立缓冲区。

由于面目标的影响区类型包括面目标外侧、面目标内侧、面目标双侧，因此，面目标的缓冲区建立相对于点线目标的缓冲区建立而言较为复杂。

建立面目标的独立缓冲区的方法是：根据用户设定的面目标影响区类型，将面目标集合中的每个目标分别按照给定的各影响距离采用基元叠合法生成与影响距离对应的基元影响区集合，该面目标基元影响区集合即为面目标的独立缓冲区。

面目标影响区类型主要分为外侧、内侧和双侧三种，其中外侧是指以构成面的外边界向区域外做影响区；内侧是指以构成面的内边界向区域外做影响区；而双侧则是指针对构成面的外边界和内边界向区域外做影响区。图9显示了一个带洞的多边形做外侧影响区，图中以横线填充的区域为原多边形区域，白色部分为多边形的洞，以竖线填充的区域为外侧影响区；图10显示了该带洞的多边形做内侧影响区，横线填充的区域为原多边形区域，斜线填充的区域为内侧影响区；图11显示了该带洞多边形实现双侧影响区，图中横线填充的区域为原多边形区域，竖线填充的区域为外侧影响区，斜线填充的区域为内侧影响区。

如图12所示，该图显示了一个做外侧影响区的基元叠合处理手段，在给定的影响距离下，以构成面的外边界线做基元影响区，若将原面多边形与外边界线生成的影响区做相差运算，则可以得到面的外侧影响区，其外侧影响区的内边界正好是原面的外边界。原面多边形与面的内外边界线生成的基元影响区做相差运算可以转换为行程的叠合运算，这一过程在第5步实现。将原面多边形参与运算一方面是为了得到外侧或内侧影响区，另一方面是为了制图美观，即原面不受自身或其他目标生成的影响区的覆盖，这在一般距离图制图中应用较为常见。

面目标外侧影响区生成的运算详细过程为：1)遍历欲做影响区的面要素外边界线上构成线段的所有点，以点为中心，以影响距离为半径做圆形，得到所有点集的圆形基元集合；2)遍历外边界线的各线段，以线段为中心线像两侧分别作宽度为影响距离的平行线，得到所有线段的矩形基元集合。同理，若做内侧影响区，则遍历构成面要素的所有内边界线，分别作点和线段的基元影响结果，若为双侧影响区则对外边界线和内边界线做基元影响区。

第四步、采用扫描线方法将各独立缓冲区分别转化为一组行程单元集合，行程单元集合所包含的行程单元标记有位于所在栅格行的始、末列号及影响距离；

本发明将空间目标影响区转化为行程编码方式表达。行程编码是对全栅格编码数据的一种压缩手段，每个行程单元记录了行程两端位于栅格行中的列值，并采用链表的形式组织栅格行上的行程单元集合，在初始条件下，栅格场上行程单元数为零，因此，每行的行程链表为空。在设计中涉及到三个结构体，栅格场基本信息结构体、行程单元结构体和行程链表结构体，栅格场信息结构体记录了栅格行列值和栅格空间坐标范围；行程单元结构体记录了行程单元的首尾两端位于栅格行的列值；行程链表结构体记录了该栅格行的行程单元个数以及各行程单元。图3显示了两个多边形的行程编码表达，图中黑色条带即是行程单元。图4是两个线要素生成影响区及影响区所对应的行程单元表达示例，图中只给出了四个行程单元(每个黑色矩形区表示一个行程单元)和相应的两个行程链表，栅格场上每个栅格行都有一个链表结构，将该行的行程单元串联起来(在实际应用中栅格行列值比示意图精细得多)。设计中可以给定一个数组，数组大小为栅格场的行数，每个数组元素为行程链表，这样可以从二维上将整个栅格场的行程集合组织起来。

如图6所示，需要进行行程栅格化的面A由一条外边界线C和两条内边界线C1、C2构成，对该面跨越栅格场中对应的各栅格行做扫描线，目标问题可理解为计算出每一行中属于A面的行程单元，或者说计算各行程单元的边界点，并将该点横坐标反算成栅格的列号表示。以图中扫描线n所在的第n栅格行为例，计算该行中心线与面边界曲线的交点P1-P10，不妨称之为断点，它们就是该行全部的行程边界点。依据点-面包含关系判定的射线法原理可知，任一扫描行上断点个数均为偶数。设某行断点数为2n，它们将该行划分为2n+1个彼此相邻的栅格空间，其中属于面A的行程为n个，这些行程间隔地被面A包含。各行程单元的边界点由一对相邻断点组成，其中以奇数序号断点为起始点的行程属于面A，如图中n行上的行程{P1，P2}，{P3，P4}，{P5，P6}，{P7，P8}，{P9，P10}。依据这一原理，只要事先计算出各行的断点并按序排列，即可根据断点序号的奇偶性，快速建立该行的行程集合并组织为链表形式。

第五步、依次将各独立缓冲区所对应的行程单元集合插入栅格场，并进行叠合操作，叠合操作时，影响距离较小的行程单元覆盖影响距离较大的行程单元，并将所有面目标按照扫描线方法生成的行程单元集合插入到对应行的栅格场，插入时覆盖与其有重合的行程单元，最后形成一组叠合后行程单元集合；

图7显示了两个点做影响区后的效果，两个圆形基元部分重叠，各自生成的行程单元在对应栅格行上会出现重叠。因此，完成圆形基元多边形的合并，需要在将行程单元插入总栅格场中完成这种基于行程单元的运算。图8是一段行程单元插入栅格场中某一行行程链表的结果，插入前行程链表中有五段行程单元，在插入时和待插入行程单元会出现部分重叠，其具体运算规则为：查看互相重合的行程单元其影响距离是否相同，若相同表示是同一影响级别的影响区，将行程合并；若不相同，则以待插入的行程替代重叠部分的行程空间，执行行程相差。如图8中结果行程链表中只有四段行程单元，原行程链表中第二段行程尾部所在的列号发生变化，而第三段行程单元则直接被删掉，第四段行程单元与待插入行程单元因为影响距离相同而合并。按照此方法，首先完成点、和线目标集的基元多边形行程化并将得到的所有行程单元插入到步骤三生成的行程链表中。按照外侧、内侧或双侧影响区选项，再将面的外边界线或内边界线生成的基元影响区对应的行程单元插入到行程链表中。最后，将原面自身生成的行程单元插入到行程链表，执行行程相差运算。

本发明将多级影响距离下的距离图按照影响距离划分为简单的多个单级距离图的组合，并通过行程单元运算处理各级影响区的相差问题。本步骤中的叠合操作可参见《地理与地理信息科学》2009，25(3)中名为《一种顾及属性的游程编码″交″运算方法与实验》的论文，本实施例中不再阐述。

第六步、采用四方向边界追踪法，从该组叠合后行程单元集合所构成的栅格图中提取多边形，生成混合目标集距离图。如今，有很多成熟的行程编码数据的矢量多边形生成方法，包括边界追踪过程中的追踪方向确定以及弧段提取等，在此不再赘述。

实施例2

本实施例对基元叠合法生成缓冲区进行了改进，与实施例1的区别在于第三步和第四步。

本实施中的面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其步骤包括：

第一步、根据点线面目标集合的地图坐标范围，以及给定的影响距离集合中最大影响距离，确定空间目标距离图的有效坐标范围；

第二步、根据确定的有效坐标范围，建立由预定尺寸精度单元格构成的栅格场；

第三步、对点、线、面目标集合中的每个目标按照给定影响距离集合中的各影响距离分别建立与影响距离对应的一组基元多边形；

第四步、采用扫描线方法将所有的基元多边形转化为行程单元集合，并对每个目标所对应的行程单元集合进行叠合操作，形成与影响距离对应的以行程单元集合形式表达的各目标的独立缓冲区，所述行程单元集合所包含的行程单元具有始、末列号及影响距离；

第五步、依次将各独立缓冲区所对应的行程单元集合插入栅格场，并进行叠合操作，叠合操作时，影响距离较小的行程单元覆盖影响距离较大的行程单元，并将所有面目标按照扫描线方法生成的行程单元集合插入到对应行的栅格场，插入时覆盖与其有重合的行程单元，最后形成一组叠合后行程单元集合；

第六步、采用四方向边界追踪法，从该组叠合后行程单元集合所构成的栅格图中提取多边形，生成混合目标集距离图。

常见采用基元叠合思想的矢量方法中，是将基元多边形通过弧段打断重组等完成所有基元多边形的合并运算，生成缓冲区。其处理较为复杂，效率不高。本实施例则直接将基元多边形以行程方式表达(栅格化)，然后再进行合并的叠合操作，处理简单、运算速度快。叠合后的行程单元集合即为相应目标的对应影响距离的独立缓冲区，可直接用于缓冲区叠置。在距离图的编辑过程中，欲添加、删除目标时，只需对相应的行程单元集合进行插入或删除操作，灵活方便，运行速度快，可见这种缓冲区的建立方式利于距离图编辑。

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)

1.一种面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其步骤包括：

第一步、根据点线面目标集合的地图坐标范围，以及给定的影响距离集合中最大影响距离，确定空间目标距离图的有效坐标范围；

第二步、根据确定的有效坐标范围，建立由预定尺寸精度单元格构成的栅格场；

第三步、对点、线、面目标集合中的每个目标按照给定影响距离集合中的各影响距离分别建立与影响距离对应的独立缓冲区；

第四步、采用扫描线方法将所述的各独立缓冲区分别转化为一组行程单元集合，所述行程单元集合所包含的行程单元标记有位于所在栅格行的始、末列号及影响距离；

第五步、依次将各独立缓冲区所对应的行程单元集合插入栅格场，并进行叠合操作，叠合操作时，影响距离较小的行程单元覆盖影响距离较大的行程单元，并将所有面目标按照扫描线方法生成的行程单元集合插入到对应行的栅格场，插入时覆盖与其有重合的行程单元，最后形成一组叠合后行程单元集合；

第六步、采用四方向边界追踪法，从该组叠合后行程单元集合所构成的栅格图中提取多边形，生成混合目标集距离图。

2.根据权利要求1所述的面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其特征在于第二步中，建立点、线目标的独立缓冲区的方法是：将点、线目标集合中每个目标分别按照给定的各影响距离采用基元叠合法生成与影响距离对应的基元影响区，得到与各影响距离对应的点、线目标基元影响区集合，该点、线目标基元影响区集合即为点、线目标的独立缓冲区。

3.根据权利要求1所述的面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其特征在于第二步中，建立面目标的独立缓冲区的方法是：根据用户设定的面目标影响区类型，将面目标集合中的每个目标分别按照给定的各影响距离采用基元叠合法生成与影响距离对应的基元影响区集合，该面目标基元影响区集合即为面目标的独立缓冲区。

4.根据权利要求3所示的面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其特征在于：所述面目标影响区类型包括面目标外侧、面目标内侧、面目标双侧。

5.一种面向混合型复杂目标的距离图制图方法，其步骤包括：

第一步、根据点线面目标集合的地图坐标范围，以及给定的影响距离集合中最大影响距离，确定空间目标距离图的有效坐标范围；

第二步、根据确定的有效坐标范围，建立由预定尺寸精度单元格构成的栅格场；

第三步、对点、线、面目标集合中的每个目标按照给定影响距离集合中的各影响距离分别建立与影响距离对应的一组基元多边形；

第四步、采用扫描线方法将所有的基元多边形转化为行程单元集合，并对每个目标所对应的行程单元集合进行叠合操作，形成与影响距离对应的以行程单元集合形式表达的各目标的独立缓冲区，所述行程单元集合所包含的行程单元标记有位于所在栅格行的始、末列号及影响距离；

第五步、依次将各独立缓冲区所对应的行程单元集合插入栅格场，并进行叠合操作，叠合操作时，影响距离较小的行程单元覆盖影响距离较大的行程单元，并将所有面目标按照扫描线方法生成的行程单元集合插入到对应行的栅格场，插入时覆盖与其有重合的行程单元，最后形成一组叠合后行程单元集合；

第六步、采用四方向边界追踪法，从该组叠合后行程单元集合所构成的栅格图中提取多边形，生成混合目标集距离图。

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