CN103106254B - 多边形矢量数据文件的并行拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多边形矢量数据文件的并行拼接方法，步骤如下：系统生成管理进程和多个拼接进程，管理进程读取多边形矢量文件，并将多边形矢量文件分成需要拼接的矢量文件和不需要拼接的矢量文件；管理进程对需要拼接的矢量文件排序，将相邻且成对的需要拼接的矢量文件分配给各拼接进程；拼接进程接收从管理进程传递的需要拼接的矢量文件名，遍历需要拼接的矢量文件中的多边形，找到需要拼接的多边形并对多边形进行拼接，并将拼接后的矢量文件名传递回管理进程；重复执行以上步骤，直到管理进程的矢量文件拼接序列为空。该方法能够有效地解决基于行划分的栅格矢量化并行算法的结果出现多边形被切分的问题，且提高了矢量文件的拼接效率。

Description

多边形矢量数据文件的并行拼接方法

技术领域

本发明涉及一种多边形矢量数据文件的并行拼接方法，属于地理信息处理技术领域。

背景技术

地理信息系统是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。高性能地理计算指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计算资源操作）的计算系统和环境。矢量结构和栅格结构是地理信息系统中两种主要的数据结构形式。地理信息系统采用的矢量数据结构模型，是将空间地质实体抽象成点、线、面三种几何要素，矢量数据结构通过优化拓扑结构表达空间实体的相关关系，为空间数据库建立基本框架。栅格数据结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格数据结构，是将平面划分为m×n个正方形小方格，每个小方格用(x,y)坐标标识，即自然地理实体的位置和形状用它们所占据的栅格行列号来定义。

并行计算技术是现代科学研究、工程技术开发和大规模数据处理的关键支撑技术，并行计算技术的发展水平已经成为衡量一个国家科技发展水平的重要指标。因此，无论是国际上还是国内，并行计算技术一直都是研究的热点和重点。并行计算技术以及并行计算在空间信息科学领域中的应用又来已久，尤其是在遥感和航测栅格影像数据的并行处理方面，国内外已有大量的研究成果和应用系统。在空间信息科学领域中并行计算技术和方法的研究主要包括图像数据的并行处理、矢量数据的并行存取与处理、高性能和高可用GIS研究以及大规模地理空间数据的并行处理等。

对于矢量数据的拼接，国内已经有较多研究。1994年，汪西莉在期刊《西安电子科技大学学报》第21卷第4期发表“矢量化地图中线的自动拼接”一文，通过分析线的各种情况，提出了一种全新的方法用以解决线的自动拼接问题；2004年，程治国等在期刊《计算机应用研究》第12期发表“一种数字地图自动生成系统及其拼接技术”一文，介绍了以后总数字地图自动生成系统的功能原理及实现形式，同时详细研究了大幅数字地图自动拼接问题；2010年，张赢等在期刊《计算机工程与设计》第31卷第16期发表“数字地图图幅接边的虚拼接算法”一文，提出了基于矢量ID映射的“虚拼接”算法来进行拼接。

然而这些研究都是针对图幅中的线矢量的拼接，而在实际应用中面矢量割裂的问题也广泛存在，目前还没有成熟的方法解决这一问题。

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种多边形矢量数据文件的并行拼接方法，能够有效地解决基于行划分的栅格矢量化并行算法的结果出现多边形被切分的问题，并且大大提高了矢量文件的拼接效率。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种多边形矢量数据文件的并行拼接方法，包括以下步骤：

第一步、系统初始化，生成管理进程和多个拼接进程，所述管理进程读取多边形矢量文件，并将多边形矢量文件分成两类，一类为需要拼接的矢量文件，另一类为不需要拼接的矢量文件；

第二步、所述管理进程对需要拼接的矢量文件进行排序，形成矢量文件拼接序列，将相邻且成对的需要拼接的矢量文件的文件名分配给各拼接进程，同时将所述成对的需要拼接的矢量文件名从管理进程的矢量文件拼接序列中删除；

第三步、所述拼接进程接收从管理进程传递的成对的需要拼接的矢量文件名并从硬盘读取矢量文件，依次遍历需要拼接的矢量文件中的多边形，找到需要拼接的多边形；

第四步、所述拼接进程对第三步找到的需要拼接的多边形进行拼接，从而完成所述成对矢量文件的拼接，并将拼接后的矢量文件存入硬盘，拼接后的矢量文件名传递回管理进程，如果拼接后的矢量文件仍需要进行拼接，则由管理进程将相应的矢量文件名按顺序插入到矢量文件拼接序列中；

第五步、转至第二步，直到管理进程的矢量文件拼接序列为空，即完成对所有矢量文件的拼接，管理进程最终得到所有不需要拼接的矢量文件。

本发明的创新点在于：本发明的多边形矢量数据文件的并行拼接算法是通过管理进程进行合理地调度，将有跨界问题的矢量数据文件的多边形按照属性值相同和有交界的原则进行分类，结合多边形位置关系的多种情形进行合并，最终形成完整的矢量文件。

本发明中采用主从式方式进行消息传递，将多个待拼接的临时矢量文件合理分配给各拼接进程，每个拼接进程负责相邻上下两块矢量文件的拼接，最终形成完整的矢量文件。

本发明提供了一种将多边形矢量文件分成需要拼接的矢量文件和不需要拼接的矢量文件的方法，具体如下：如果该矢量文件跨界则为需要拼接的矢量文件，否则为不需要拼接的矢量文件。

本发明在第二步中，所述管理进程对需要拼接的矢量文件进行排序的方法如下：根据需要拼接的矢量文件下边界线对应的屏幕纵坐标将各需要拼接的矢量文件按从小到大的顺序进行排序。

本发明在第三步中，提供了一种拼接进程将多多边形分成需要拼接的多边形和不需要拼接的多边形的方法，具体如下：如果多边形与矢量文件边界的交点个数大于1则为需要拼接的多边形，否则为不需要拼接的多边形。

本发明在第四步中提供了一种对需要拼接的多边形进行拼接的方法，具体如下：将成对的需要拼接的矢量文件分为上方矢量文件和下方矢量文件，并将上方矢量文件中需要拼接的多边形点集存入第一待拼接点集，下方矢量文件中需要拼接的多边形点集存入第二待拼接点集，第一待拼接点集与第二待拼接点集中的点集根据多边形相对位置关系进行匹配，完成多边形的拼接。

本发明在第四步中提供了一种对相邻且成对的需要拼接的矢量文件进行拼接的方法，具体如下：以下方矢量文件中的多边形为基准按照预定的属性值进行遍历，在每一次遍历中，将下方矢量文件中的多边形与上方矢量文件中的多边形根据属性值相等和边界有重合两个必要条件按照独立多边形、一对一、一对多或多对多的位置关系进行组合，完成所有多边形的组合匹配，将每一个组合中的各个多边形点集进行拆分与合并，最终完成所有多边形组合的拼接。

本发明带来的有益效果是：

1）本发明解决了基于行划分的栅格矢量化并行算法的结果出现多边形被切分的问题。本发明在考虑将现有多边形栅格数据矢量化算法并行化的过程中出现的最终目标矢量文件多边形被切分现状的基础上，增加了多边形矢量数据文件的并行拼接算法，有效地解决了基于行划分的栅格矢量化并行算法中形成的多边形因跨界而导致被切分的问题。

第二，本发明在很大程度上提升多边形矢量数据文件拼接的效率，缩短了拼接的时间，在海量数据处理方面尤其明显。本发明充分利用现有的多核处理器和计算机集群，并行处理多边形矢量数据的拼接问题，采用主从式的调度，对待拼接的临时矢量文件建立堆栈数据结构的调度序列，可以合理有效地对任意多个需要拼接的矢量文件进行拼接，从而在保证矢量文件多边形拓扑关系正确的基础之上形成一个完整的矢量文件。

综上，本发明将多边形矢量数据文件拼接算法与并行处理技术结合，采用主从式的并行模式，实现了多边形矢量数据文件的并行拼接，在一定程度上解决了多个矢量数据文件中的多边形因跨界而导致多边形被切分的问题。本发明充分利用多核处理器等新型架构的计算机设备，能够快速有效地实现多个多边形矢量数据文件的并行拼接。实践证明，该方法具有较高的并行性，可以解决数据行划分引起的多边形跨界问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的多边形矢量数据文件的并行拼接方法作进一步说明。

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的待拼接矢量数据文件示意图。

图3是本发明实施例的矢量文件拼接原理示意图

图4是本发明实施例的矢量文件拼接过程多边形分类情形示意图。

图5是本发明实施例的拼接后的矢量数据文件示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例采用图2所示的Shapefile格式的某地6个待拼接矢量数据文件，其拼接的原理如图3所示，空间参考系为1980西安坐标系。程序运行的环境为IBMSystemX系列服务器环境下的6台WindowsXPSP3系统组成的MPI并行计算集群环境，处理器为8核。本实施例具体实施在MicrosoftVisualStudio2010开发平台下采用标准C++编程语言，结合MPI并行环境与开源地理数据格式转换类库GDAL1.80实现。

本实施例的多边形矢量数据文件的并行拼接方法，如图1所示，包括以下步骤：

第一步、系统初始化，生成管理进程和多个拼接进程，所述管理进程（利用GDALOpen方法）读取多边形矢量文件，并将多边形矢量文件分成两类，一类为需要拼接的矢量文件（Incomplete文件），另一类为不需要拼接的矢量文件（Completed文件）。

本实施例中如果该矢量文件跨界则为需要拼接的矢量文件，否则为不需要拼接的矢量文件。

本实施例中，将不需要拼接的临时矢量文件中的多边形矢量数据直接写入目标矢量文件，对所有需要拼接的临时矢量文件按从下至上的顺序利用堆栈的数据结构形成调度序列。

第二步、所述管理进程对需要拼接的矢量文件进行排序，形成矢量文件拼接序列，将相邻且成对的需要拼接的矢量文件的文件名分配给各拼接进程，同时将所述成对的需要拼接的矢量文件名从管理进程的矢量文件拼接序列中删除。

本实施例中根据需要拼接的矢量文件下边界线对应的屏幕纵坐标将各需要拼接的矢量文件按从小到大的顺序进行排序。

第三步、所述拼接进程接收从管理进程传递的成对的需要拼接的矢量文件名并（使用OGROpen方法）从硬盘读取矢量文件，依次遍历需要拼接的矢量文件中的多边形，找到需要拼接的多边形。

本实施例中如果多边形与矢量文件边界的交点个数大于1则为需要拼接的多边形，否则为不需要拼接的多边形。

第四步、所述拼接进程对第三步找到的需要拼接的多边形进行拼接，从而完成所述成对矢量文件的拼接，并将拼接后的矢量文件存入硬盘，拼接后的矢量文件名传递回管理进程，如果拼接后的矢量文件仍需要进行拼接，则由管理进程将相应的矢量文件名按顺序插入到矢量文件拼接序列中。

程序中，首先在矢量数据集中利用OGR的CreatLayer方法创建新的临时待拼接矢量文件，其次根据上下两块矢量文件的多边形点集进行拼接。最后将拼接完成的点集写入新的临时待拼接矢量文件中。

本实施例将成对的需要拼接的矢量文件分为上方矢量文件和下方矢量文件，并将上方矢量文件中需要拼接的多边形点集存入第一待拼接点集，下方矢量文件中需要拼接的多边形点集存入第二待拼接点集，第一待拼接点集与第二待拼接点集中的点集根据多边形相对位置关系进行匹配，完成多边形的拼接。

对相邻且成对的需要拼接的矢量文件进行拼接的方法如下：

以下方矢量文件中的多边形为基准按照预定的属性值进行遍历，在每一次遍历中，将下方矢量文件中的多边形与上方矢量文件中的多边形根据属性值相等和边界有重合两个必要条件按照独立多边形、一对一、一对多或多对多的位置关系进行组合，如图4所示，从而完成所有多边形的组合匹配，将每一个组合中的各个多边形点集进行拆分与合并，最终完成所有多边形组合的拼接。

针对矢量文件拼接，本发明在程序中的具体实现方法如下：

（1）读取矢量文件，遍历所有多边形，判断当前多边形是否需要拼接，判断的方法是是否该多边形是否与边界线相交，如果没有相交，则该多边形完全处于当前数据块内，是不需要拼接的多边形；如果相交，则该多边形是需要拼接的多边形。将不需要拼接的多边形点集存储NoNeedMatch数组中；将需要拼接的上方矢量文件点集存储至UpPolygon数组中，下方矢量文件点集存储至DownPolygon数组中。

（2）遍历下方矢量文件的多边形的属性值，并对属性值进行归类，存入属性值数组ValueList中。

（3）按照属性值的不同对下方矢量文件的多边形进行遍历。在每一次遍历中，将上方矢量文件的多边形属性值为当前属性值的所有多边形的点集存储至数组UpPolygonMatch中；将下方矢量文件的多边形属性值为当前属性值的所有多边形的点集存储至数组DownPolygonMatch中。

（4）遍历数组UpPolygonMatch和DownPolygonMatch，分别求出多边形与边界线相交的所有点，即遍历点集中的点，找到与边界线的Y值相同的点，找出其中X值最小和最大的两个点记为（MinX，BoundryY），（MaxX，BoundryY）并进行存储。

（5）将数组UpPolygonMatch和DownPolygonMatch中存放的多边形的点按照MinX值从小到大的顺序进行排序，排序完毕后首先对上、下方矢量文件的多边形分别从0开始进行编号，其次进行第一次的多边形剔除操作，被剔除的多边形满足以下条件：该多边形的MinX大于前一个多边形的MinX，但MaxX小于前一个多边形的MaxX；即剔除的多边形完全位于另外一个多边形内部。剔除完毕后对多边形编号进行更新。

（6）对所有多边形的点集以点(MinX,BoundryY)作为起始点并按照逆时针顺序进行重组.遍历下方矢量文件的多边形，找出上方矢量文件的多边形中与下方矢量文件中每一个多边形有交界且属性值相同的多边形，并将上方矢量文件的多边形的序号存入Polygon数组。

（7）遍历Polygon数组对多边形的拼接组合按照独立多边形、一对一、一对多和多对多进行分类，并建立拼接组合的索引（多边形分类情形示意图参见附图4）。

（8）根据已经确定的拼接组合索引进行遍历并分别进行点集的拆分与合并，对当前多边形是否已经处理完毕进行识别（0代表待拼接，1代表已拼接）。点集的拆分和合并分为三种层次：一是将多边形中存在的独立洞存入独立洞数组；二是找出所有的洞,并将洞分为作为独立洞和归入外环点集的情形,将确认为独立洞的点集存入独立洞数组;三是将二中归入外环点集的洞的点集归入外环点集数组。具体步骤如下：

①首先遍历该拼接组合中上、下方矢量文件的多边形,并将已经存在的独立洞的点集存入独立洞数组IndependentHole中。

②找出上、下方矢量文件中所有的洞分别进行从0开始的编号，以下方矢量文件的洞为优先，找出上方矢量文件的洞中与当前洞有交界的所有洞，再进行独立洞、一对一、一对多和多对多的组合匹配。将独立洞存入独立洞数组IndependentHole中；对其他组合的多边形首先进行点集的拆分和合并形成一个完整的洞，其次判断在拼接后该洞属于独立洞还是属于外环中的一部分，判断的方法是：若该洞与对面块多边形外环完全没有交界则属于外环中的一部分，反之则属于独立洞；若独立洞则存入独立洞数组IndependentHole中；若是属于外环中的一部分，则遍历当前洞的对面块中的多边形，找出与当前洞距离最近的多边形，并将该洞的点集与该多边形点集进行拆分与合并。

③首先从左至右遍历下方矢量文件的多边形，对于每个多边形将（MinX，BounrdyY）与（MaxX，BourndryY）之间边界线上的点剔除，保留剩下的点，依次存入OutRing数组中；其次从右至左遍历上方矢量文件的多边形，对于每个多边形将（MinX，BourndryY）与（MaxX，BourndryY）之间边界上的点剔除，保留剩下的点，并依次存入OutRing数组中。

④分别将OutRing点集与IndependentHole点集写入目标矢量文件。

（9）将NoNeedMatch数组中的点集写入目标矢量文件。

第五步、转至第二步，直到管理进程的矢量文件拼接序列为空，即完成对所有矢量文件的拼接，管理进程最终得到所有不需要拼接的矢量文件。本实施例最终得到拼接后的矢量文件如图5所示。

本实施例将多边形矢量数据文件拼接算法与并行处理技术结合，采用主从式的并行模式，实现了多边形矢量数据文件的并行拼接，在一定程度上解决了多个矢量数据文件中的多边形因跨界而导致多边形被切分的问题。本实施例充分利用多核处理器等新型架构的计算机设备，能够快速有效地实现多个多边形矢量数据文件的并行拼接。实践证明，该方法具有较高的并行性，可以解决数据行划分引起的多边形跨界问题。

本发明的多边形矢量数据文件的并行拼接方法不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种多边形矢量数据文件的并行拼接方法，包括以下步骤：

第一步、系统初始化，生成管理进程和多个拼接进程，所述管理进程利用GDALOpen方法读取多边形矢量文件，并将多边形矢量文件分成两类，一类为需要拼接的矢量文件，另一类为不需要拼接的矢量文件，其中如果该矢量文件跨界则为需要拼接的矢量文件，否则为不需要拼接的矢量文件；

第二步、所述管理进程根据需要拼接的矢量文件下边界线对应的屏幕纵坐标将各需要拼接的矢量文件按从小到大的顺序进行排序，形成矢量文件拼接序列，将相邻且成对的需要拼接的矢量文件的文件名分配给各拼接进程，同时将所述成对的需要拼接的矢量文件名从管理进程的矢量文件拼接序列中删除；

第三步、所述拼接进程接收从管理进程传递的成对的需要拼接的矢量文件名并使用OGROpen方法从硬盘读取矢量文件，依次遍历需要拼接的矢量文件中的多边形，找到需要拼接的多边形，其中如果多边形与矢量文件边界的交点个数大于1则为需要拼接的多边形，否则为不需要拼接的多边形；

第四步、所述拼接进程对第三步找到的需要拼接的多边形进行拼接，从而完成所述成对矢量文件的拼接，并将拼接后的矢量文件存入硬盘，拼接后的矢量文件名传递回管理进程，如果拼接后的矢量文件仍需要进行拼接，则由管理进程将相应的矢量文件名按顺序插入到矢量文件拼接序列中；

本步骤中，首先在矢量数据集中利用OGR的CreatLayer方法创建新的临时待拼接矢量文件，其次根据上下两块矢量文件的多边形点集进行拼接，最后将拼接完成的点集写入新的临时待拼接矢量文件中；将成对的需要拼接的矢量文件分为上方矢量文件和下方矢量文件，并将上方矢量文件中需要拼接的多边形点集存入第一待拼接点集，下方矢量文件中需要拼接的多边形点集存入第二待拼接点集，第一待拼接点集与第二待拼接点集中的点集根据多边形相对位置关系进行匹配，完成多边形的拼接；

对相邻且成对的需要拼接的矢量文件进行拼接的方法是：以下方矢量文件中的多边形为基准按照预定的属性值进行遍历，在每一次遍历中，将下方矢量文件中的多边形与上方矢量文件中的多边形根据属性值相等和边界有重合两个必要条件按照独立多边形、一对一、一对多或多对多的位置关系进行组合，完成所有多边形的组合匹配，将每一个组合中的各个多边形点集进行拆分与合并，最终完成所有多边形组合的拼接；

第五步、转至第二步，直到管理进程的矢量文件拼接序列为空，即完成对所有矢量文件的拼接，管理进程最终得到所有不需要拼接的矢量文件。