CN103312335A - 移动gis技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动GIS技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法，在移动终端的空间矢量中，以最近保留的两个点构成的矢量为偏移初始方向，以第四个点为参照，判断第三个点是否为累积变向点和累积变向拐点，在第三个点为非弯曲极值点时进一步通过距离偏移累积量来判断其偏移程度，或当第三个点为弯曲极值点或距离偏移临界点时，将第三个点作为有效点进行保留，否则作为冗余点舍弃，本发明针对基于移动定位终端进行空间线路矢量数据的定时采集、实时压缩、同步网络上传应用需求，提出并实现了基于累积变向和累积偏移思想的空间线路矢量数据累积偏移实时压缩算法，通过方向感知和距离感知的结合实现了线路数据的高效压缩，具有广阔的应用前景。

Description

移动GIS技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法

技术领域

本发明涉及一种移动GIS技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法，属于空间矢量数据实时压缩方法的技术领域。

背景技术

移动GIS技术是在3G网络和无线设备蓬勃发展的背景下发展起来的，该技术集成了无线网络传输技术、空间定位技术、电子地图技术等。该技术具有灵活性强、使用范围广等优势。虽然移动GIS技术具有自身独特的优势，但是由于移动设备的计算能力普遍有限、存储能力不足，而且无线网络的传输速度一般较慢。因此在移动终端空间矢量数据采集过程中，须要尽量减少空间矢量数据的传输量并且使之简洁化，这样也就涉及到空间矢量数据压缩的问题。对采集的数据进行实时压缩以达到降低数据冗余来减少数据的传输量，以达到提高终端空间位置信息采集效率的目的。传统的空间矢量数据实时压缩方法主要有垂距法、角度法、光栏法、分段道格拉斯-普克法(subsectionDouglas-Peucker)等。

现有技术的所有缺点：垂距法容易将曲线的弯曲极值点丢失而失真，并且当曲线缓慢转弯时该方法的处理效果不理想。角度法和光栏法的缺点是不能解决小角度折线的问题。分段道格拉斯—普克法有相应的技术缺陷，小分段计算量较大，且不支持实时压缩，无法满足空间线路矢量数据的实时压缩应用需求。垂距法从曲线上依次取出三个点，计算中间点到其它两点的连线的垂直距离d，然后通过比较与限差距离D之间的大小对中间点进行取舍；角度法基本思想是顺序取出曲线上的三个点，通过比较其夹角α是否大于阈值A对中间点进行取舍；光栏法则是定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点是否在扇形区域之内来决定点的取舍。道格拉斯-普克法(Douglas-Peucker)的方法流程是计算曲线上所有的点到曲线首尾两点连线的距离并保存距离最大的值d，如果距离d小于限差距离D，则舍弃中间全部点，否则利用类似二分法方法分别计算出起点到该点和该点到终点的最大值，进行迭代取舍判断。小波压缩法是一种全新的思维，概括地说该方法的思想是尽量去掉曲线中的线性部分，保留曲线中的非线性部分。

由垂距法的压缩压缩原理可以得知垂距法适合空间矢量数据实时压缩，但是垂距法存在以下缺点：可能删除偏差大于限差距离的点即不能对对大角度折线转弯的情况进行处理，并且如果曲线缓慢转弯该方法的处理效果不理想。角度法和光栏法的实现相对简单，也满足空间矢量数据实时压缩的要求但是缺点是不能解决小角度折线的问题。道格拉斯—普克法是目前针对空间矢量数据压缩非常常用的方法。该方法的总体方法是由粗到细，从整体到局部来确定曲线压缩后那些点需要保留，具有旋转、平移、不变性的优点，但缺点是该压缩方法没有考虑矢量数据(曲线上各点)之间存在拓扑关系，压缩前需要对公共边进行处理，否则压缩结果错误；另外该压缩方法适合于对大量数据的压缩，在移动终端边采集边压缩的情况下，该方法的优势将会全部消失，最后降低到和垂距法一样的压缩效果。利用小波技术对空间矢量数据进行压缩具有方法实现的效率高，而且有较好的效果，但也有一些缺点存在。该压缩方式需要在压缩前对数据继续预处理即首先提取曲线中的线性部分，等待压缩完成之后再降预提取数据插入，这样压缩的效果会更好，但是这种大大增加大压缩的复杂度；采用多级变换压缩矢量数据时则会产生相应的误差积累，这样将导致压缩结果不理想，呈现效果可能会严重失真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动GIS技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法，能够满足空间线路矢量数据实时采集与同步压缩需求，基于方向累积偏移关键点（累积变向点、累积变向拐点）和距离累积偏移临界点对冗余数据进行实时过滤，在高压缩率下仍能保持很低的失真度。

本发明采用如下技术方案实现：

一种移动GIS技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法，其特征在于，在移动终端的空间矢量中，以最近保留的两个点构成的矢量为偏移初始方向，以第四个点为参照，判断第三个点是否为累积变向点和累积变向拐点，在第三个点为非弯曲极值点时，进一步通过距离偏移累积量来判断其偏移程度，或：当第三个点为弯曲极值点或距离偏移临界点时，将第三个点作为有效点进行保留，否则作为冗余点舍弃，其中：

所述累积变向点是：给定空间坐标点p₁,p₂,…,p_j，若

有且则称点p_j相对于

的累积变向点，p₂为变向拐点；

所述累积变向拐点是：给定点p₁,p₂,…,p_j,p_j+1,若

则称点p_j为相对于

的累积变向拐点；

所述距离偏移临界点是：给定点p1,p2,…,pj，距离偏移限差阀值T，若

则称点pj相对于向量

的距离偏移临界点。

本发明具备的有益技术效果是：

累积偏移压缩算法创新性提出四点关系法实现弯曲极值点和距离偏移临界点的快速发现，实现冗余数据的快速过滤，算法时间复杂度为O(N)，空间复杂度则为常数级的O(C)。与垂距法和道格拉斯法相比其突出特点在于能有效发现各种弯曲极值点，并对方向的累积变化更加敏感，在高限差阀值下可体现出对于摇摆偏移的高压缩性和对于连续偏移的高保真性，在大限差阀值下仍能确保算法具有良好的压缩率和很低的失真度。

附图说明

图1是矢量距离。

图2是变向。

图3是累积变向点。

图4是累积变向拐点。

图5是距离偏移临界点。

图6是累积偏移实时压缩方法示意图。

图7（a）是累积偏移法压缩效果图。

图7（b）是道格拉斯法压缩效果图。

图7（c）是垂距法压缩效果图。

图8是矢量数据累积偏移压缩方法和垂距压缩方法的距离偏移计算示意图。

图9（a）是连续摇摆的特殊曲线。

图9（b）是采用垂距法进行压缩后的轨迹。

图9（c）是采用道格拉斯压缩后的轨迹。

图9（d）是采用累积偏移法压缩后的轨迹。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

一种移动GIS技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法，其特征在于，在移动终端的空间矢量中，以最近保留的两个点构成的矢量为偏移初始方向，以第四个点为参照，判断第三个点是否为累积变向点和累积变向拐点，在第三个点为非弯曲极值点时，进一步通过距离偏移累积量来判断其偏移程度，或：当第三个点为弯曲极值点或距离偏移临界点时，将第三个点作为有效点进行保留，否则作为冗余点舍弃，其中：

所述累积变向点是：给定空间坐标点p₁,p₂,…,p_j，若

有

且

则称点p_j相对于

的累积变向点，p₂为变向拐点；

所述累积变向拐点是：给定点p₁,p₂,…,p_j,p_j+1,若

则称点p_j为相对于

的累积变向拐点；

所述距离偏移临界点是：给定点p1,p2,…,pj，距离偏移限差阀值T，若

则称点pj相对于向量

的距离偏移临界点。

累积偏移压缩算法创新性提出四点关系法实现弯曲极值点和距离偏移临界点的快速发现，实现冗余数据的快速过滤，算法时间复杂度为O(N)，空间复杂度则为常数级的O(C)。与垂距法和道格拉斯法相比其突出特点在于能有效发现各种弯曲极值点，并对方向的累积变化更加敏感，在高限差阀值下可体现出对于摇摆偏移的高压缩性和对于连续偏移的高保真性，在大限差阀值下仍能确保算法具有良好的压缩率和很低的失真度。

定义：

偏移距离：给定空间点p1、p2、p3，点p3到由p1、p2构成直线的垂直距离为p3到矢量

的偏移距离，记为

变向：给定由三个空间点p1(x1,y1)、p2(x2,y2)、p3(x3,y3)，以表示两个向量的夹角，若

则代表点p3相对于向量

发生了变向，其中p2为变向拐点，p3为变向点，并给出变向判断公式如下：

若v_dir为True，则点p3是变向点；若v_dir为FALSE，则点p3相对于向量

没有变向。

累积变向点：给定空间坐标点p1,p2,…,pj，若

有

且

则称点pj相对于的累积变向点，p2为变向拐点。

累积变向拐点：给定点p1,p2,…,pj,pj+1,若

则称点pj为相对于的累积变向拐点。注意，点pj+1相对于

不必然为变向点。

定理1：基准矢量

与下一个累积变向拐点pj间的任何点px必不为变向点。

证明：假设存在点py为变向点，由变向点定义可知

从而有

由累积变向拐点定义知，py为累积变向拐点，这与假设设定的py不为累积变向拐点相矛盾。

定理得证。

距离偏移临界点：给定点p1,p2,…,pj，距离偏移限差阀值T，若

则称点pj相对于向量

的距离偏移临界点。

冗余点：由时间序列空间矢量数据点构成的曲线L中，去掉起始点、第二点、方向偏移关键点（累积变向点、累积变向拐点）、距离偏移临界点、终点后的点为压缩冗余点，压缩算法需要找出并过滤掉所有冗余点，从而尽量保持曲线的原始形状。

压缩率：给定由N个空间矢量数据构成的曲线L＝{a₁，a₂，a₃...，a_n}，经过压缩去掉冗余点后，形成由M个点构成的压缩曲线L′＝{a₁,a₂,a₃...，a_m}(M<N)，则算法压缩率为冗余点数量与原始点数量的比值，记为 $\mathrm{\&eta;}\left(L^{\&prime;}\right)=\frac{N-M}{N}\&times;100.$

失真度：由N个点组成的原始曲线L，经过压缩后形成由M个点组成的压缩曲线L’，则L’相对于L的失真度为 其中X为在压缩曲线L’上连续两点pi，pi+1之间的冗余数据点数量。

表1：累积偏移实时压缩算法

给定图6所示初始曲线L，其累积偏移压缩进行采集有各阶段分析如图所示，其中虚线为原始轨迹，红色线为各压缩阶段的偏移基准向量，红色点为当前处置点。图7给出了三种压缩算法对于O字型线路和Z字型线路的压缩效果图，其中各算法距离限差阀值的设置为T(垂距法)<T(道格拉斯法)<T(累积偏移法)，由图直观可见，累积偏移压缩算法在大限差阀值条件下仍能过滤掉大量冗余点，压缩效果明显，且在失真度方面比道格拉斯压缩方法更好还原了曲线的轨迹。

累积偏移压缩算法创新性提出四点关系法实现弯曲极值点和距离偏移临界点的快速发现，实现冗余数据的快速过滤，算法时间复杂度为O(N)，空间复杂度则为常数级的O(C)。与垂距法和道格拉斯法相比其突出特点在于能有效发现各种弯曲极值点，并对方向的累积变化更加敏感，在高限差阀值下可体现出对于摇摆偏移的高压缩性和对于连续偏移的高保真性，在大限差阀值下仍能确保算法具有良好的压缩率和很低的失真度。

矢量数据累积偏移压缩算法和垂距压缩算法的距离偏移计算示意图如图8所示，由图可以得知累积偏移压缩算法的距离偏移d₁和传统垂距法的距离偏移d₂的关系为d₁>d₂。

针对图9(a)所示的连续摇摆的特殊曲线，采用垂距法、道格拉斯法、累积偏移法进行压缩后的曲线分别如图(b)、(c)、(d)所示。

通过以上分析，累积偏移法与传统的垂距法、道格拉斯法相比有如下优点：第一，相对于垂距法、道格拉斯法等传统压缩算法，在累积偏移法中，距离偏移不再是压缩的唯一依据，通过增加对运动变向的判断，实现了各种弯曲极值点的快速发现，保证压缩后的路径不会丢失关键点，确保压缩后运动线路的高可还原性；第二，相对于道格拉斯法，累积偏移压缩算法保留了路径中线与线之间的拓扑位置关系，不需要考虑公共边在算法中的影响。这注定了累积偏移压缩算法在路径的变化上，特别是短距离的路径、地形较复杂环境下的线路采集与同步压缩具有很强的优越性。

本发明提出四点关系法实现弯曲极值点和距离偏移临界点的快速发现，实现冗余数据的快速过滤，算法时间复杂度为O(N)，空间复杂度则为常数级的O(C)。与垂距法和道格拉斯法相比其突出特点在于能有效发现各种弯曲极值点，并对方向的累积变化更加敏感，在高限差阀值下可体现出对于摇摆偏移的高压缩性和对于连续偏移的高保真性，在大限差阀值下仍能确保算法具有良好的压缩率和很低的失真度。

本发明针对基于移动定位终端进行空间线路矢量数据的定时采集、实时压缩、同步网络上传应用需求，提出并实现了基于累积变向和累积偏移思想的空间线路矢量数据累积偏移实时压缩算法，通过方向感知和距离感知的结合实现了线路数据的高效压缩，具有广阔的应用前景。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，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可以根据本发明做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 (1)

1.一种移动GIS技术的空间路线矢量数据累积偏移实时压缩方法，其特征在于，在移动终端的空间矢量中，以最近保留的两个点构成的矢量为偏移初始方向，以第四个点为参照，判断第三个点是否为累积变向点和累积变向拐点，在第三个点为非弯曲极值点时，进一步通过距离偏移累积量来判断其偏移程度，或：当第三个点为弯曲极值点或距离偏移临界点时，将第三个点作为有效点进行保留，否则作为冗余点舍弃，其中：

所述累积变向点是：给定空间坐标点p₁,p₂,…,p_j，若

有

且

则称点p_j相对于

的累积变向点，p₂为变向拐点；

所述累积变向拐点是：给定点p₁,p₂,…,p_j,p_j+1,若

则称点p_j为相对于

的累积变向拐点；

所述距离偏移临界点是：给定点p1,p2,…,pj，距离偏移限差阀值T，若

则称点pj相对于向量

的距离偏移临界点。

Images