CN103678588A - 空间数据化简方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空间数据化简方法和装置，其中，该方法包括设定视图控制参数；以所设定的视图控制参数来确定屏幕当前视图窗口的初始空间数据的化简阈值；以所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选，从而得到化简后空间数据。通过上述技术方案，本发明不但能保证每个任意复杂的空间数据本身化简后的一致性，而且能保证所有经化简后的空间数据之间的空间关系的正确显示。解决了现有技术中空数据化简方法计算量大，效率低的问题，保证了所有经化简后的空间数据之间的空间关系能够正确显示。

Description

空间数据化简方法和装置

技术领域

本发明涉及化简方法和装置，具体地，涉及一种空间数据化简方法和装置。

背景技术

随着测绘、遥感及GIS相关技术的发展，地理信息系统已成为地学研究的有力工具。一方面，人们获取空间数据的数据量以摩尔定律的速度增长，同时随着WebGIS的迅速发展，海量空间数据在目前带宽有限的网络上的传输速度慢的问题越来越突出，因此有必要对空间数据进行压缩。另一方面，目前大多数制图综合的方法是从大比例尺数据中综合得出各种中小比例尺数据信息。这种方法只能提供在服务器端固定好的单一比例尺的空间数据，不能满足用户按照自己的需求对空间信息进行访问、分析、处理和表达。而制图综合的本质是通过地图正确反映地理空间事物的规律性，所以在比例尺变化情况下，如何正确保持空间要素分布特征的一致性、制图综合操作的连续性及可靠性，是目前亟待解决的重要问题。

目前，栅格数据的化简研究比较成熟，空间数据的化简技术还不是很成熟，一是由于空间数据的复杂性。栅格数据结构单一，可以认为是一种结构化数据；空间数据则分为要素和要素集合两个层次。其中，要素又包括几何和属性两部分，几何部分包括点、线、面三种对象类型；几何要素之间也存在显示拓扑关系。二是空间数据的多目标与多层次特征。栅格数据化简后的结果仅需考虑可视化；空间数据的应用包含制图输出和空间分析两种不同的功能，其化简与制图综合问题相关联，不仅涉及单个地理要素的多分辨率组织与化简，还涉及多要素之间化简结果的可视化与逻辑一致性问题。

但由于空间数据在空间分析、地表模拟、检索查询等方面相比栅格数据具有很大的优势，因此地学研究过程中应用的栅格数据如遥感影像、扫描地形图等很多情况下需要进行矢量化处理，空间数据已成为地理信息系统普遍利用的数据结构形式。由地理信息系统对空间数据进行处理和应用、处理空间数据的比例尺发生变化以及作为地理信息系统重要功能的制图综合可知，空间数据压缩十分必要。空间数据化简是从组成曲线的点集合A中抽取一个子集B，B在一定的精度范围内尽可能地反映原数据集A，而子集B的点数应尽可能少。对空间数据能进行化简其本质的原因在于原始数据存在一定的冗余，这种数据冗余一方面是数据采样过程中不可避免产生的；另一方面是由于具体应用变化而产生，比如大比例尺的空间数据用于小比例尺的应用时，就会存在不必要的数据冗余。因此应该根据具体应用来选择合适的空间数据化简算法。空间数据化简的核心是在不扰乱显示拓扑关系的前提下对原始采样数据进行合理的删减。空间数据化简中尤以线要素化简和面要素化简为研究重点，如道格拉斯-普拉格（Douglas-Peucker，DP）算法、角度控制类算法、有角度限值法、而距离计算相对于角度计算在执行效率方面有优势，使得垂距限值法，特别是DP算法的应用较普遍。但是化简后都不能保证空间关系的一致性。

发明内容

本发明的目的是克服了化简后都不能保证空间关系的一致性的问题，提供能够保证空间关系的一致的一种空间数据化简方法和装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间数据化简方法，该方法包括：设定视图控制参数；以所设定的视图控制参数来确定屏幕当前视图窗口的初始空间数据的化简阈值；以所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选，从而得到化简后空间数据。

可选地，所述视图控制参数包括：视图窗口的外包矩形的宽度和视图窗口的外包矩形的高度。

可选地，确定屏幕当前视频窗口的所述初始空间数据的化简阈值步骤包括：根据所述视图控制参数按照如下公式确定横向比例和纵向比例：

横向比例：dRadioX=(nViewWidth/rcMapBound.Width())，

纵向比例：dRadioY=(nViewHeight/rcMapBound.Height())，

其中，dRadioX表示在视图窗口中X轴方向所述初始空间数据的放大比例，dRadioY表示在视图窗口中Y轴方向所述初始空间数据的放大比例；nViewWidth表示视图窗口的宽度，nViewHeight表示视图窗口的高度，rcMapBound表示视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围，.Width（）表示获得视图窗口的宽度，.Height（）表示获得视图窗口的高度；以dRadioX和dRadioY中的以下任意一个值作为所述初始空间数据的放大比例：最小值、最大值以及平均值；以及以所述发达比例的倒数作为所述初始空间数据的化简阈值。

可选地，所述视图控制参数还包括：在所述视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围。

可选地，所述视图控制参数还包括：视点参数和投影参数。

可选地，所述视图参数包括：视点在世界坐标系中的位置、视点所观察的目标位置以及虚拟照相机向上的向量；以及所述投影参数包括：正交投影参数和透视投影参数。

可选地，所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选的方法包括：计算所述初始空间数据的各点到连接所述初始空间数据的首点和尾点的直线的距离；将计算出的最长距离与预设的阈值相比较，若该最长距离大于该阈值，则保留离该直线距离最大的点为第一保留点；分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述尾点的首点，重复进行上述两个步骤，得到第二保留点；分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述第二保留点的首点，将所述第二保留点设为所述尾点的首点，重复进行前两个步骤，直到得到所有保留点；以及以所述首点、所述尾点和所得到的所有保留点作为化简后空间数据。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种空间数据化简装置，该装置包括：设定视图控制参数的装置，以所设定的视图控制参数来确定屏幕当前视图窗口的初始空间数据的化简阈值装置；以所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选，从而得到化简后空间数据装置。

可选地，所述视图控制参数包括：视图窗口的外包矩形的宽度和视图窗口的外包矩形的高度。

可选地，所述视图控制参数还包括：在所述视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围。

可选地，所述视图控制参数还包括：视点参数和投影参数。

可选地，所述视图参数包括：视点在世界坐标系中的位置、视点所观察的目标位置和虚拟照相机向上的向量；以及所述投影参数包括：正交投影和透视投影。

可选地，该装置还包括：计算所述初始空间数据的各点到连接所述初始空间数据的首点和尾点的直线的距离的装置；将计算出的最长距离与预设的阈值相比较，若该最长距离大于该阈值，则保留离该直线距离最大的点为第一保留点的装置；以及分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述尾点的首点，重复进行上述两个步骤，得到第二保留点的装置；分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述第二保留点的首点，将所述第二保留点设为所述尾点的首点，重复进行前两个步骤，直到得到所有保留点的装置；以及以所述首点、所述尾点和所得到的所有保留点作为化简后空间数据的装置。

通过上述技术方案，本发明空间数据的处理方法是以空间数据的各个坐标点在视图中显示的比例尺与所需要绘制的化简阈值间的相互关系为依据，这种方法提高了处理过程的效率和准确率，不但能保证每个任意复杂的空间数据本身化简后的一致性，而且能保证所有经化简后的空间数据之间的空间关系的正确显示。解决了现有技术中空数据化简方法计算量大，效率低的问题，保证了所有经化简后的空间数据之间的空间关系能够正确显示。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的一种空间数据的化简方法流程图；以及

图2（a）-图2（d）是本发明提供的道格拉斯-普拉格算法示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明提供的一种空间数据的化简方法流程图；以及图2（a）-图2（d）是本发明提供的道格拉斯-普拉格算法示意图。如图1所示：本发明提供的一种空间数据化简方法，该方法包括：S101，设定视图控制参数；S102，以所设定的视图控制参数来确定屏幕当前视图窗口的初始空间数据的化简阈值；S103，以所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选，从而得到化简后空间数据。

其中，通过S101，给视图设定一个控制参数，方便后面的化简阈值的选取；通过S102，确定化简阈值，成为点筛去或者保留的一个基点；通过S103，对原始坐标点进行筛选，从而得到化简后的空间数据。

优选地，所述视图控制参数包括：视图窗口的外包矩形的宽度和视图窗口的外包矩形的高度，使得化简阈值可以进行计算。

优选地，确定屏幕当前视频窗口的所述初始空间数据的化简阈值步骤包括：S201，根据所述视图控制参数按照如下公式确定横向比例和纵向比例：

横向比例：dRadioX=(nViewWidth/rcMapBound.Width())；

纵向比例：dRadioY=(nViewHeight/rcMapBound.Height())；或者

横向比例：double dRadioX=double(nViewWidth/rcMapBound.Width())；

纵向比例：double dRadioY=double(nViewHeight/rcMapBound.Height())；

其中，double（双精度）表示数据精度至少为小数点后十位；dRadioX表示在视图窗口中X轴方向所述初始空间数据的放大比例，dRadioY表示在视图窗口中Y轴方向所述初始空间数据的放大比例；nViewWidth表示视图窗口的宽度，nViewHeight表示视图窗口的高度，rcMapBound表示视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围，.Width（）表示获得视图窗口的宽度，.Height（）表示获得视图窗口的高度；S202，以dRadioX和dRadioY中的以下任意一个值作为所述初始空间数据的放大比例：最小值、最大值以及平均值；S203，以及以所述发达比例的倒数作为所述初始空间数据的化简阈值。

其中，使用这种方法计算阈值的原因包括：我们看到的计算机上显示的地图的大小和信息多少是由当前计算机的屏幕分辨率决定的，显示分辨率就是当前屏幕上显示的像素个数，也就是通过水平和垂直像素来进行衡量。当屏幕分辨率低时，像素的数目少，在屏幕上显示的信息少，但尺寸比较大；当屏幕分辨率高时，像素数目多，在屏幕上显示的项目多，但尺寸比较小，感应到的图像也越精密。在对空间数据进行绘制时，其顶点间距若是小于当前分辨率下的一个像素大小，则会被绘制在同一个像素上，形成重叠。将这部分顶点舍去对图像显示毫无影响，同时也减少了数据量。因此本次改进的算法，选取空间数据在所显示的当前视图窗口中，一个像素在所述的空间数据的实际坐标系中所代表的长度作为化简阈值的值。

其中，比例尺是表示图上距离比实地距离缩小或扩大的程度。公式为：比例尺=图上距离与实际距离的比。地图按比例尺分为大比例尺地图、中比例尺地图、小比例尺地图三类，这是区别地图内容详略、精度高低、可解决问题程度的一种常用的分类方法。而在计算机显示空间数据的视图窗口中，一个像素在所述的空间数据的实际坐标系中所代表的长度，等于空间数据在所述视图窗口中的放大比例的倒数，由此将化简阈值量化为显示比例尺的倒数值，再进行下一步的计算和判断。另因本算法对化简阈值D的考虑方式，无需再对面要素之间的空间显示拓扑关系的一致性进行特殊考虑，因此我们主要对线要素化简进行研究。

进一步优选地，所述视图控制参数还包括：在所述视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围，使二维视图能够取阈值。

更进一步优选地，所述视图控制参数还包括：视点参数和投影参数。

其中，所述视点参数包括：视点在世界坐标系中的位置、视点所观察的目标位置以及虚拟照相机向上的向量；以及所述投影参数包括：正交投影参数和透视投影参数，使三维视图能够取阈值

在一个实施方式中，所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选的方法包括：计算所述初始空间数据的各点到连接所述初始空间数据的首点和尾点的直线的距离；将计算出的最长距离与预设的阈值相比较，若该最长距离大于该阈值，则保留离该直线距离最大的点为第一保留点；分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述尾点的首点，重复进行上述两个步骤，得到第二保留点；分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述第二保留点的首点，将所述第二保留点设为所述尾点的首点，重复进行前两个步骤，直到得到所有保留点；以及以所述首点、所述尾点和所得到的所有保留点作为化简后空间数据。

其中，可以使用道格拉斯-普拉格算法来实现，道格拉斯-普拉格算法是从整体到局部即由粗到细来确定曲线压缩后需要保留点的过程，具有平移、旋转、不变性，同时具有给定曲线与限差后压缩结果一致的优点。如图2（a）-图2（d）所示，对每一条曲线的首末端点连一条线，求所有点到该直线的距离，并找出最大距离值（以下用dmax表示），用dmax与阈值（以下用D表示）相比：若dmax＜D，这条曲线上的中间点全部舍去；若dmax≥D，保留dmax对应的坐标点，并以该点为界把曲线分为两部分，对这两部分重复使用该方法。算法的详细步骤如下：S301，在曲线首尾两点间虚连一条直线，求出其余各点到该直线的距离，如图2（a）。S302，选其最大者与阈值相比较，若大于阈值，则离该直线距离最大的点保留，否则将直线两端点间各点全部舍去，如图2（b），第4点保留。S303，依据所保留的点，将已知曲线分成两部分处理，重复第1、2步操作，迭代操作，即仍选距离最大者与阈值比较，依次取舍，直到无点可舍去，最后得到满足给定精度限差的曲线点坐标，如图2（c）和图2（d）依次保留第6点和第7点，舍去其他点，即完成线的化简。

在另一个实施方式中，对面要素进行化简过程为，首先进行预处理，生成等效线数据，实际上是数据重组的过程。对于无拓扑数据，由于公共边没有任何特定标识，必须在整个空间数据范围内查找公共边，将其从多边形数据中独立出来，建立元数据。为了准确描述原来的图形，必须建立这些元数据的索引。其基本步骤如下：对于两多边形A、B，首先判断其外接矩形是否相交，若不相交，则不进行以下公共边查找和数据预处理操作。反之，采用深度搜索匹配法，选取多边形A一个种子点，然后寻找多边形B上坐标相同的点，再按照一固定的方向搜索匹配其它的相同点。

其中，面状图形要素由一条或多条线状图形要素围成，其基础也是线状图形要素，可将面要素边界的最左边和最右边作为起始点，将面要素拆分为两条线要素，依据线要素化简算法对两条线要素进行化简，从而实现对面要素的坐标化简。然而在对面要素化简时，如果不考虑空间数据之间的显示拓扑关系，将会导致原有面要素显示拓扑关系被破坏，例如，具有公共边的两个面要素，在化简时没有考虑要素之间的相互关系，压缩时只是按照要素自身的特点将公共边独立处理，因此会出现相邻两个面状目标的边界压缩后不一致的现象，公共边界处出现裂缝，其显示拓扑关系被破坏。

其中，在对面要素化简时，须对多边形的公共边和公共节点采用特殊的处理，以防止以上情况出现。面要素化简的基本思路是：S311，对面要素的预处理过程，提取相邻多边形的公共边，按照一定的逻辑结构生成等效的线数据；S312，利用道格拉斯-普拉格算法对等效线数据进行化简；S313，化简完毕，按照生成等效数据的索引顺序，重建面要素数据，并按照原始的数据格式进行存储。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种空间数据化简装置，该装置包括：设定视图控制参数的装置，以所设定的视图控制参数来确定屏幕当前视图窗口的初始空间数据的化简阈值装置；以所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选，从而得到化简后空间数据装置。

优选地，所述视图控制参数包括：视图窗口的外包矩形的宽度和视图窗口的外包矩形的高度。

进一步优选地，所述视图控制参数还包括：在所述视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围。

更进一步优选地，所述视图控制参数还包括：视点参数和投影参数。

其中，所述视图参数包括：视点在世界坐标系中的位置、视点所观察的目标位置和虚拟照相机向上的向量；以及所述投影参数包括：正交投影和透视投影。

在一个实施方式中，该装置还包括：计算所述初始空间数据的各点到连接所述初始空间数据的首点和尾点的直线的距离的装置；将计算出的最长距离与预设的阈值相比较，若该最长距离大于该阈值，则保留离该直线距离最大的点为第一保留点的装置；以及分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述尾点的首点，重复进行上述两个步骤，得到第二保留点的装置；分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述第二保留点的首点，将所述第二保留点设为所述尾点的首点，重复进行前两个步骤，直到得到所有保留点的装置；以及以所述首点、所述尾点和所得到的所有保留点作为化简后空间数据的装置。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.空间数据化简方法，其特征在于，该方法包括：

设定视图控制参数；

以所设定的视图控制参数来确定屏幕当前视图窗口的初始空间数据的化简阈值；以及

以所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选，从而得到化简后空间数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述视图控制参数包括：视图窗口的外包矩形的宽度和视图窗口的外包矩形的高度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定屏幕当前视频窗口的所述初始空间数据的化简阈值步骤包括：根据所述视图控制参数按照如下公式确定横向比例和纵向比例：

横向比例：dRadioX=(nViewWidth/rcMapBound.Width())，

纵向比例：dRadioY=(nViewHeight/rcMapBound.Height())，

其中，dRadioX表示在视图窗口中X轴方向所述初始空间数据的放大比例，dRadioY表示在视图窗口中Y轴方向所述初始空间数据的放大比例；nViewWidth表示视图窗口的宽度，nViewHeight表示视图窗口的高度，rcMapBound表示视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围，.Width（）表示获得视图窗口的宽度，.Height（）表示获得视图窗口的高度；

以dRadioX和dRadioY中的以下任意一个值作为所述初始空间数据的放大比例：最小值、最大值以及平均值；以及

以所述发达比例的倒数作为所述初始空间数据的化简阈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述视图控制参数还包括：在所述视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述视图控制参数还包括：视点参数和投影参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述视图参数包括：视点在世界坐标系中的位置、视点所观察的目标位置以及虚拟照相机向上的向量；以及

所述投影参数包括：正交投影参数和透视投影参数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选的方法包括：

计算所述初始空间数据的各点到连接所述初始空间数据的首点和尾点的直线的距离；

将计算出的最长距离与预设的阈值相比较，若该最长距离大于该阈值，则保留离该直线距离最大的点为第一保留点；

分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述尾点的首点，重复进行上述两个步骤，得到第二保留点；

分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述第二保留点的首点，将所述第二保留点设为所述尾点的首点，重复进行前两个步骤，直到得到所有保留点；以及

以所述首点、所述尾点和所得到的所有保留点作为化简后空间数据。

8.空间数据化简装置，其特征在于，该装置包括：

设定视图控制参数的装置；

以所设定的视图控制参数来确定屏幕当前视图窗口的初始空间数据的化简阈值装置；以及

以所述化简阈值对所述初始空间数据的原始坐标点进行筛选，从而得到化简后空间数据装置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述视图控制参数包括：视图窗口的外包矩形的宽度和视图窗口的外包矩形的高度。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述视图控制参数还包括：在所述视图窗口中显示出来的所述初始空间数据的矩形范围。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述视图控制参数还包括：视点参数和投影参数。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述视图参数包括：视点在世界坐标系中的位置、视点所观察的目标位置和虚拟照相机向上的向量；以及

所述投影参数包括：正交投影和透视投影。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

计算所述初始空间数据的各点到连接所述初始空间数据的首点和尾点的直线的距离的装置；

将计算出的最长距离与预设的阈值相比较，若该最长距离大于该阈值，则保留离该直线距离最大的点为第一保留点的装置；以及

分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述尾点的首点，重复进行上述两个步骤，得到第二保留点的装置；

分别将所述第一保留点设为所述首点的尾点以及所述第二保留点的首点，将所述第二保留点设为所述尾点的首点，重复进行前两个步骤，直到得到所有保留点的装置；以及

以所述首点、所述尾点和所得到的所有保留点作为化简后空间数据的装置。

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