CN103903289B - 一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法，利用分形发生器得到起始位置坐标和线段长度确定的横线段，2条以上横线段组成纵向的横线段带状图案，绘制2组以上的纵向的横线段带状图案，从而形成沼泽地花纹图案；其中，所述的分型发生器采用迭代函数系统随机迭代算法。本发明提供的这种随机型沼泽地面状花纹符号生成方法利用了分形理论和随机迭代函数，并结合了随机型地图符号的特点，具有很好的灵活性和可控性，可以自动生成高质量的地理和地质类随机型沼泽地面状符号，并应用于数字地图的填充。

Description

一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法
技术领域
本发明属于数字地图制图领域，尤其涉及一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法。
背景技术
在数字地图制图中，随机型面状符号的自动生成和绘制是一个难点问题。目前随机型沼泽地花纹图案生成还没有成熟的解决方案。这类随机型面状符号具有图案随机变化和边界随机变化的特点，其生成算法受到自身图案形状特征、国家标准等条件约束控制。
将分形几何理论方法应用于地图制图已有一些进展，例如：早在2001年武汉大学毋河海就给出了地图信息的分形描述，龙毅等人于2006年提出地图目标局部分形描述的元分维模型，樊硕等人于2009年也应用分形理论对线状地物要素自动综合算法进行了研究。目前，面状地图符号的绘制方法主要有信息块方法、矩阵图案填充法、线晕符晕瓦晕模板填充法、地图符号全开放式设计以及基于分层的面状地图符号设计方法等。但是还没有看到将分形几何理论应用于随机面状符号自动生成的情形。
地图符号应该符合国家标准才利于信息的交流和传达，这无形中给制图者提出了更高的要求。专题地图反映信息量大而且变化多，随机型地图符号的计算机辅助绘制是难点之一。同时地图符号绘制要求符合国家标准，这也给随机型地图符号的绘制提出了更高的要求。目前，国内外主要的制图软件，例如国外的AutoCAD，ArcGIS，CorelDraw等；国内的MapGIS或者SuperMap等，目前，国内外主要的制图软件虽然已能解决大量的地图符号绘制问题，包括规则符号和部分点状分布的随机型面状符号。然而，国标中存在很多随机型面状地图符号，沼泽地符号就是其中一种。对于具有随机型特点的地图面状符号的自动生成技术尚不成熟，这类随机型面状符号具有图案随机变化和边界随机变化的特点，其生成方法受到较多约束控制。现今对于这类符号的填充大都采用人工绘制，耗时耗力。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法，利用了分形理论和随机迭代函数，并结合了随机型地图符号的特点，具有很好的灵活性和可控性，可以自动生成高质量的地理和地质类随机型面状符号，并应用于数字地图的填充。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法，利用分形发生器得到起始位置坐标和线段长度确定的横线段，2条以上横线段组成纵向的横线段带状图案，绘制2组以上的纵向的横线段带状图案，从而形成沼泽地花纹图案；其中，所述的分型发生器采用迭代函数系统随机迭代算法。
本发明提供的方法具体包括以下步骤：
（1）设置纵向的横线段带状图案的参数，至少包括横线段数量n、水平间距m_X_Grap、纵向间距m_Y_Grap、线段基本长度m_Line_Length、位置随机度m_Derivation_Postion、线长随机度m_Derivation_length；初始化递归下界low为0、递归上界high为n-1；
（2）用数组y[n]表示n条线段起始位置的Y坐标值，初始化y[n]为以m_Y_Grap为间隔的整数；用数组x[n]表示n条线段起始位置的X坐标值，数组la[n]表示n条线段对应的初始线段长度，数组l[n]表示n条线段对应的实际线段长度，调用随机数生成器Random(μ,σ)初始化数组x[n]中的x[0]、x[n-1]和数组la[n]；所述的随机数生成器为标准C++编译环境提供的标准函数std::normal_distribution<>Random(μ,σ)，函数的输入为μ和σ，函数的输出为符合高斯分布的以μ为均值、σ为方差的随机数；调用随机数生成器Random(μ,σ)初始化数组x[n]中的x[0]、x[n-1]和数组la[n]时，各自的输入为预设值；
（3）利用分形发生器得到起始位置坐标和线段长度确定的横线段，所述的分型发生器采用迭代函数系统随机迭代算法，具体地，调用分形迭代函数FractalFunction(low,high)，所述函数的输入为递归下界low和递归上界high，该函数的计算过程为：
若low+1≥high，则跳出迭代过程，进入步骤（5）；否则，通过以下公式计算第i+1条线段的起始位置的X坐标值x[i]和线段长度l[i]：
l[i]=la[i]+Δl[i]............................................................................................（2）
式中，Δp[i]表示第i+1条线段起始位置的X坐标值随机偏移量，la[i]为步骤（2）初始化的数组la[n]中存储的第i+1条线段的初始线段长度，Δl[i]表示第i+1条线段长度的随机偏移量，其中i∈[0,n-1]，i通过以下公式计算得到：
Δp[i]和Δl[i]通过步骤（2）所述的随机数生成器得到：
Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)…………………..（4）
Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)…………………（5）
其中，m_X_Grap、m_Derivation_position、m_Line_Length和m_Derivation_length在步骤（1）中已赋值；
递归调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)；
（4）至此，得到数组x[n]和l[n]；利用x[n]、l[n]和y[n]，生成带状区域的n条线段，得到一个纵向的横线段带状图案；
（5）重复步骤（1）到步骤（4），通过调整步骤（1）所述的纵向的横线段带状图案的参数，得到2组以上不同的纵向横线段带状图案，各纵向的横线段带状图案相互交错，形成完整的随机型沼泽地花纹图案。
步骤（1）所述的横线段的参数，还包括设置是否使纵向的横线段带状图案中的横线段线宽可变；若设置为否，则各横线段粗细一致；若设置为是，则纵向的横线段带状图案中的横线段的粗细不一致。
本发明相比于现有技术具有的有益效果是：
（1）本发明利用分形理论和随机函数，设计并实现了随机型沼泽地花纹图案生成的方法，将分形理论应用在了数字地图制图中随机型面状花纹符号的生成中，能够使图形符合有关国家和行业制图标准的表达要求；
（2）本发明具有很好的灵活性和可控性，灵活性表现在生成图案形态随机，通过参数控制，每次生成的花纹图案都是不同且形态随机变化的，最终可得到更加丰富的随机型沼泽地花纹图案，并从中挑选符合国家地质和地理制图标准的沼泽地花纹图案；
（3）本发明提供的方法可扩展到其它相似形态的随机型图案自动生成中，支持生成高质量的地理和地质类随机型面状符号。
附图说明
图1是基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成流程图；
图2是分形图案构造过程示意图：图2（a）为初始状态，图2（b）为第一次迭代后的状态，图2（c）为第二次迭代后的状态，图2（d）为第三次迭代后的状态；
图3是沼泽地国家标准（GB/T14538-93）花纹符号与本方法生成的花纹图案对比示意图：图3（a）为国家标准（GB/T14538-93）给出的几组不同类型的沼泽地花纹图案示意图，图3（b）为利用本方法生成的花纹图案；
图4是沼泽地花纹图案生成效果和设置界面示意图：图4（a）为设置界面，图4（b）和图4（c）为沼泽地花纹图案生成效果，图4（d）和图4（e）为沼泽地花纹图案符号化效果；
图5中的图5（a）和图5（b）是利用沼泽地花纹图案填充的数字地图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法，利用分形发生器得到起始位置坐标和线段长度确定的横线段，2条以上横线段组成纵向的横线段带状图案，绘制2组以上的纵向的横线段带状图案，从而形成沼泽地花纹图案；其中，所述的分型发生器采用迭代函数系统随机迭代算法。
如图1所示为本发明的流程图。
下面给出一组带状线条绘制的生成实例，结合图2，具体过程如下：
（1）输入X轴向间距m_X_Grap、线条长度m_Line_Length、位置随机度m_Derivation_Postion、线长随机度m_Derivation_length，横线段数量n为9，纵向间距m_Y_Grap为1，则low=0，high=n-1=8；
（2）用数组y[9]表示9条线段起始位置的Y坐标值，初始化y[9]为从0到8的整数列；用数组x[9]表示n条线段起始位置的X坐标值，数组la[9]表示n条线段对应的初始线段长度，数组l[9]表示n条线段对应的实际线段长度，分别预设生成x[0]、x[8]以及数组la[9]时所用的均值和方差，调用随机数生成器Random(μ,σ)初始化数组x[9]中的x[0]、x[8]以及数组la[9]，假设得到第一条线段A的起始位置X坐标x[0]=17、第9条线段B的起始位置X坐标x[8]=23以及一串已知数组la[9]；此时结果如下表所示：
Y坐标 X坐标 线段长
0 17 la[0]+Δl[0]
1
2
3
4
5
6
7
8 23 la[8]+Δl[8]
（3）进入第一次迭代，计算FractalFunction(0,8)：判断low+1≥high不成立，因此由求出i=4，由Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)得到第5条线段C起始位置的X坐标值随机偏移量，设求得的随机量Δp[4]=4；由计算第5条线段C的起始位置的X坐标值为其中x[0]=17，x[8]=23，则算出x[4]=24；由Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)算出第5条线段C长度的随机偏移量Δl[4]，则第5条线段C的线段长度l[4]为la[4]+Δl[4]；分别调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)，即FractalFunction(0,4)、FractalFunction(4,8)；第一次迭代后的结果如下表所示：
Y坐标 X坐标 线段长
0 17 la[0]+Δl[0]
1
2
3
4 24 la[4]+Δl[4]
5
6
7
8 23 la[8]+Δl[8]
（4）进入第二次迭代，计算步骤（3）所述的FractalFunction(0,4)：判断low+1≥high不成立，因此由求出i=2，由Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)得到第3条线段D起始位置的X坐标值随机偏移量，设求得的随机量Δp[2]=7；由计算第3条线段D的起始位置的X坐标值为其中x[0]=17，x[4]=24，Δp[2]=7，则算出x[2]=27；由Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)算出第3条线段D长度的随机偏移量Δl[2]，则第3条线段D的线段长度l[2]为la[2]+Δl[2]；分别调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)，即FractalFunction(0,2)、FractalFunction(2,4)；
计算步骤（3）所述的FractalFunction(4,8)：判断low+1≥high不成立，因此由公式求出i=6，由Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)得到第7条线段E起始位置的X坐标值随机偏移量，设求出的随机量Δp[6]=-5；由计算第7条线段E的起始位置的X坐标值为其中x[4]=24，x[8]=23，Δp[6]=-5，则算出x[6]=18；由Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)算出第7条线段E长度的随机偏移量Δl[2]，则第7条线段E的线段长度l[6]为la[6]+Δl[6]；分别调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)，即FractalFunction(4,6)、FractalFunction(6,8)；
第二次迭代后的结果如下表所示：
Y坐标 X坐标 线段长
0 17 la[0]+Δl[0]
1
2 27 la[2]+Δl[2]
3
4 24 la[4]+Δl[4]
5
6 18 la[6]+Δl[6]
7
8 23 la[8]+Δl[8]
（5）进入第三次迭代，计算步骤（4）所述的FractalFunction(0,2)：判断low+1≥high不成立，因此由求出i=1，由Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)得到第2条线段F起始位置的X坐标值随机偏移量，设求出的随机量Δp[1]=-2；由计算第2条线段F的起始位置的X坐标值为其中x[0]=17，x[2]=27，Δp[1]=-2，则算出x[1]=20；由Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)算出第2条线段F长度的随机偏移量Δl[2]，则第2条线段F的线段长度l[1]为la[1]+Δl[1]；分别调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)，即FractalFunction(0,1)、FractalFunction(1,2)；
计算步骤（4）所述的FractalFunction(2,4)：判断low+1≥high不成立，因此由求出i=3，由Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)得到第4条线段G起始位置的X坐标值随机偏移量，设求出的随机量Δp[3]=5；由计算第4条线段G的起始位置的X坐标值为其中x[2]=27，x[4]=24，Δp[3]=5，则算出x[3]=30；由Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)算出第4条线段G长度的随机偏移量Δl[3]，则第4条线段G的线段长度l[3]为la[3]+Δl[3]；分别调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)，即FractalFunction(2,3)、FractalFunction(3,4)；
计算步骤（4）所述的FractalFunction(4,6)：判断low+1≥high不成立，因此由求出i=5，由Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)得到第6条线段H起始位置的X坐标值随机偏移量，设求出的随机量Δp[5]=-6；由计算第6条线段H的起始位置的X坐标值为其中x[4]=24，x[6]=18，Δp[5]=-6，则算出x[5]=15；由Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)算出第6条线段H长度的随机偏移量Δl[2]，则第6条线段H的线段长度l[5]为la[5]+Δl[5]；分别调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)，即FractalFunction(4,5)、FractalFunction(5,6)；
计算步骤（4）所述的FractalFunction(6,8)：判断low+1≥high不成立，因此由求出i=7，由Δp[i]=Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)得到第8条线段I起始位置的X坐标值随机偏移量，设求出的随机量Δp[7]=1；由计算第8条线段I的起始位置的X坐标值为其中x[6]=18，x[8]=23，Δp[7]=1，则算出x[7]=21；由Δl[i]=Random(m_Line_length,m_Derivation_length)算出第8条线段I长度的随机偏移量Δl[2]，则第8条线段I的线段长度l[7]为la[7]+Δl[7]；分别调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)，即FractalFunction(6,7)、FractalFunction(7,8)；
第三次迭代后的结果如下表所示：
Y坐标 X坐标 线段长
0 17 la[0]+Δl[0]
1 20 la[1]+Δl[1]
2 27 la[2]+Δl[2]
3 30 la[3]+Δl[3]
4 24 la[4]+Δl[4]
5 15 la[5]+Δl[5]
6 18 la[6]+Δl[6]
7 21 la[7]+Δl[7]
8 23 la[8]+Δl[8]
（6）进入第四次迭代，计算步骤（5）所述的FractalFunction(0,1)、FractalFunction(1,2)、FractalFunction(2,3)、FractalFunction(3,4)、FractalFunction(4,5)、FractalFunction(5,6)、FractalFunction(6,7)、FractalFunction(7,8)：各迭代判断low+1≥high均成立，各迭代结束；
（7）经过以上步骤，得到由起始位置分别为（17,0）、（20,1）、（27,2）、（30,3）、（24,4）、（15,5）、（18,6）、（21,7）、（23,8）的9条线段组成的带状区域；
（8）重复以上步骤，通过调整步骤（1）所述的纵向的横线段带状图案的参数，得到2组以上不同的纵向横线段带状图案，各纵向的横线段带状图案相互交错，形成完整的随机型沼泽地花纹图案。每一次调整都会重新绘制纵向的横线段带状图案，由于随机数生成器中每次得到的随机数都是不同的，所以每一次得到的图案形态都是不同的。
设置不同参数值以获得多组随机型沼泽地花纹图案，从中选择形态符合国家标准要求的图案，图3（a）所示为国家标准GB/T14538-93给出的“通过困难的沼泽”、“通过容易的沼泽”、“受降水补给的沼泽”和“受地下水补给的沼泽”这4类花纹图案，图3（b）所示为从通过本方法生成的多组随机型沼泽地花纹图案中挑选出的符合国家标准的沼泽地花纹图案。
本实施例还提供了用户交互控制界面，如图4（a）所示为设置界面。通过界面滚动条调整X轴向间距m_X_Grap、Y轴向间距m_Y_Grap、线条长度m_Line_Length、位置随机度m_Derivation_Postion、线长随机度m_Derivation_length；还可通过“是否使符号纵向线条粗细变化”的开关来控制是否使纵向的横线段带状图案中的横线段线宽可变与否，选择“否”的效果如图4（b）所示，选择“是”的效果如图4（c）所示，这样使生成的花纹图案更加丰富。
将本发明生成的随机型沼泽地花纹图案应用于数字地图，首先需要对其进行符号化：设置生成的沼泽地花纹图案的名称、描述信息、符号标准编号、符号高、符号宽和插入点坐标信息，同时根据国家标准和行业标准对线条进行着色，以使生成的沼泽地花纹图案符号化，设置参数得到不同形态的沼泽地花纹图案并用于数字地图的填充；对图4（b）和图4（c）所示的沼泽地花纹图案进行符号化后的花纹图案如图4（d）和图4（e）所示。
利用本发明所述方法，调整参数获得多组随机型沼泽地花纹图案，从中挑选符合国家标准和行业标准的图案并分别对其符号化，利用符号化后的沼泽地花纹图案对数字地图中不同的区域填充后的数字地图如图5（a）和图5（b）所示，其中图5（a）所示为不勾选“是否使符号纵向线条粗细变化”的填充效果，图5（b）为勾选“是否使符号纵向线条粗细变化”的填充效果，河流和其它规则性符号为现有技术生成的图案。

Claims (2)

1.一种基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法，其特征在于：利用分形发生器得到起始位置坐标和线段长度确定的横线段，2条以上横线段组成纵向的横线段带状图案，绘制2组以上的纵向的横线段带状图案，从而形成沼泽地花纹图案；其中，所述的分型发生器采用迭代函数系统随机迭代算法；该方法具体包括以下步骤：
(1)设置纵向的横线段带状图案的参数，至少包括横线段数量n、水平间距m_X_Grap、纵向间距m_Y_Grap、线段基本长度m_Line_Length、位置随机度m_Derivation_Postion、线长随机度m_Derivation_length；初始化递归下界low为0、递归上界high为n-1；
(2)用数组y[n]表示n条线段起始位置的Y坐标值，初始化y[n]为以m_Y_Grap为间隔的整数；用数组x[n]表示n条线段起始位置的X坐标值，数组la[n]表示n条线段对应的初始线段长度，数组l[n]表示n条线段对应的实际线段长度，调用随机数生成器Random(μ,σ)初始化数组x[n]中的x[0]、x[n-1]和数组la[n]；所述的随机数生成器为标准C++编译环境提供的标准函数std::normal_distribution<>Random(μ,σ)，函数的输入为μ和σ，函数的输出为符合高斯分布的以μ为均值、σ为方差的随机数；调用随机数生成器Random(μ,σ)初始化数组x[n]中的x[0]、x[n-1]和数组la[n]时，各自的输入为预设值；
(3)利用分形发生器得到起始位置坐标和线段长度确定的横线段，所述的分型发生器采用迭代函数系统随机迭代算法，具体地，调用分形迭代函数FractalFunction(low,high)，所述函数的输入为递归下界low和递归上界high，该函数的计算过程为：
若low+1≥high，则进入步骤(4)；否则，通过以下公式计算第i+1条线段的起始位置的X坐标值x[i]和实际线段长度l[i]，其中i∈[0,n-1]：
l[i]＝la[i]+Δl[i]..............................................................................................(2)
式中，Δp[i]表示第i+1条线段起始位置的X坐标值随机偏移量，la[i]为步骤(2)初始化的数组la[n]中存储的第i+1条线段的初始线段长度，Δl[i]表示第i+1条线段长度的随机偏移量，其中i∈[0,n-1]，i通过以下公式计算得到：
Δp[i]和Δl[i]通过步骤(2)所述的随机数生成器得到：
Δp[i]＝Random(m_X_Grap,m_Derivation_position)……………………..(4)
Δl[i]＝Random(m_Line_length,m_Derivation_length)……………………(5)
其中，m_X_Grap、m_Derivation_position、m_Line_Length和m_Derivation_length在步骤(1)中已赋值；
递归调用FractalFunction(low,i)、FractalFunction(i,high)；
(4)至此，得到数组x[n]和l[n]；利用x[n]、l[n]和步骤(2)初始化的y[n]，生成带状区域的n条线段，得到一个纵向的横线段带状图案；
(5)重复步骤(1)到步骤(4)，通过调整步骤(1)所述的纵向的横线段带状图案的参数，得到2组以上不同的纵向横线段带状图案，各纵向的横线段带状图案相互交错，形成完整的随机型沼泽地花纹图案。
2.根据权利要求1所述的基于分形发生器的随机型沼泽地花纹图案生成方法，其特征在于：步骤(1)所述的横线段的参数，还包括设置是否使纵向的横线段带状图案中的横线段线宽可变；若设置为否，则各横线段粗细一致；若设置为是，则纵向的横线段带状图案中的横线段的粗细不一致。
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