CN106097408B - 一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统 - Google Patents

一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统，其系统包括探测划分模块、匹配模块、分形插值模块和合并模块。探测划分模块探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲；匹配模块对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，得到若干弯曲对；分形插值模块对弯曲对分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；合并模块将分形插值单元曲线顺次连接，得到完整的海岸线分形插值曲线。通过对起止尺度海岸线的可控分形插值可得到起止尺度之间任意目标尺度的海岸线要素，实现对海岸线要素的多尺度表达，既保持了海岸线的分形特征，又很好的顾及了海岸线的地理特征约束。

Description

一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统
技术领域
本发明涉及地理信息测绘技术领域，尤其涉及一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统。
背景技术
线要素连续多尺度表达一直是GIS领域的难题和核心研究问题之一，在空间数据集成与更新、多层次空间分析、在线空间数据渐进式传输、空间认知与导航、自适应动态可视化等方面都有广泛的应用需求。海岸线是一种具有典型分形特征的线状地物，著名的分形理论就源自于美籍法国数学家曼德尔布罗特(B.B.Mandelbrot)对英国海岸线不确定的测量长度问题的思考。其连续多尺度表达方法主要有两种：地图自动综合方式和函数插值方式。由于地图自动综合只采用一个初始数据集，仅能做一端控制，一方面容易产生几何、拓扑等不一致情形，另一方面受综合目的和综合指标等不同因素的影响，其综合结果可能迥异。因此，地图自动综合的连续多尺度表达一直进展缓慢，成为国际上至今没有得到彻底解决的一个难题。函数插值方式实际上是对地图自动综合方式的一个折中，也是目前实际可行的解决方案。其思想是在起止两个关键尺度线要素数据集控制下，通过构造一个插值函数，实现该尺度范围内任意尺度线要素的表达。目前该函数的选择主要采用欧氏连续函数，如Morphing变换函数，傅立叶级数描述函数等。但是这些插值函数原本针对的是欧氏几何描述的对象，对于具有分形特征的自然线要素，容易导致过度的“光滑”和“近似”，产生失真现象。如果采用具备分形建模能力的分形插值函数则能有效的模拟自然线要素的分形特征，只不过现有分形插值方法关注的焦点主要集中在几何层面上形态逼真的分形设计与实现上，无法有效地顾及自然线要素的多层次地理结构特征及空间位置精度等地理特征约束，且分形插值过程不可控，因此难以满足连续多尺度表达的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
依据本发明的一个方面，提供了一种海岸线要素连续多尺度表达方法，包括如下步骤：
步骤1：分别探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征，并根据弯曲特征分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲；
步骤2：对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，得到若干个弯曲对，并以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元；
步骤3:利用改进的一维随机中点移位法对所述分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；
步骤4：将所述分形插值单元曲线顺次进行连接，得到完整的海岸线分形插值曲线。
依据本发明的另一个方面，提供了一种海岸线要素连续多尺度表达系统，包括探测划分模块、匹配模块、分形插值模块和合并模块。
所述探测划分模块用于分别探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征，并根据起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲；所述匹配模块用于对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，得到若干个弯曲对；所述分形插值模块用于以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；所述合并模块用于将所述分形插值单元曲线顺次进行连接，得到完整的海岸线分形插值曲线。
本发明的有益效果是：本发明的一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统，通过对起止尺度海岸线的可控分形插值可以得到起止尺度之间任意目标尺度的海岸线要素，实现了对海岸线要素的多尺度表达，既保持了海岸线的分形特征，又很好的顾及了海岸线的地理特征约束。
附图说明
图1为本发明的一种海岸线要素连续多尺度表达方法流程图；
图2为本发明的一种海岸线要素连续多尺度表达过程示意图；
图3为本发明的一种海岸线要素连续多尺度表达系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例一、一种海岸线要素连续多尺度表达方法，下面将结合图1、2对本实施例的一种海岸线要素连续多尺度表达方法进行详细介绍。
如图1、2所示，一种海岸线要素连续多尺度表达方法，包括如下步骤：
步骤1：分别探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征，并根据弯曲特征分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲；
步骤2：对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，得到若干个弯曲对，并以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元；
步骤3:利用改进的一维随机中点移位法对所述分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；
步骤4：将所述分形插值单元曲线顺次进行连接，得到完整的海岸线分形插值曲线。
本实施例中，所述步骤1的具体实现为：
步骤11：对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线分别构建约束Deluanay三角网，保留内陆一侧的三角形，并对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线陆地侧弯曲部分分别进行探测，识别其中的第Ⅳ类三角形，并根据第Ⅳ类三角形之间的嵌套关系构建弯曲层次结构树；
步骤12：根据起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树中的树节点分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲。
这里，所述步骤11中，由Ⅰ类三角形进入所述弯曲单元内的弯曲区域,删除当前三角形,进入其邻近三角形,反复往前行进直到到达Ⅱ类三角形为止，如果当前考察三角形为Ⅲ类三角形,则行进路线是惟一的；如果当前考察三角形为Ⅳ类三角形,路线产生分叉,有2条路线进入邻近三角形,采用栈记录“剥皮”行进过程,得到弯曲层次结构树。
其中，标记某个所述弯曲单元靠近内陆一侧内的三角形的顶点分别为Q1、Q2和Q3，则Ⅰ类三角形为与Q1、Q2或Q3任意一点相连的三角形；Ⅱ类三角形为非Ⅰ类三角形,且只有一个邻近三角形的三角形；Ⅲ类三角形为非Ⅰ类三角形,且有两个邻近三角形的三角形；Ⅳ类三角形为非Ⅰ类三角形，且有三个邻近三角形的三角形。
所述弯曲层次结构树包括若干个树节点，通过构建弯曲层次结构树，将实际中海岸线的弯曲特征转换为所述弯曲层次结构树，可以对所述起止尺度海岸线的弯曲层次进行表达，通过弯曲层次结构树对海岸线的弯曲层次表达，方便计算机识别所述起止海岸线的弯曲特征。
本实施例中，所述步骤2的具体实现为：分别从起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树的根节点出发，由根节点向叶节点遍历，一一建立起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上弯曲之间的匹配关系，直到所有树节点遍历完毕，得到若干个相互匹配的弯曲对。通过对起止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，可以建立所述起始海岸线和终止海岸线之间的一一对应关系，这样方便后续对每个匹配后的弯曲对进行分形插值，尽可能保持海岸线原貌，也可以保持插值精度。
优选地，所述步骤3中，在对所述分形插值单元进行分形插值之前，先通过起始比例尺和目标比例尺确定分形插值次数n，具体公式如下：
其中，D为分维数，d为移位系数，M0和Mi分别为起始比例尺和目标比例尺，设定当前的所述分形插值单元为i。
通过设定不同的目标比例尺，可以计算出不同的分形插值次数，通过不同的分形插值次数，可以得到海岸线要素的不同尺度表达，也可以满足任意不同精度的海岸线尺度需求。
优选地，在对每个所述分形插值单元进行分形插值前，还对一维随机中点移位法中的分形参量进行约束控制，具体实现为：
根据匹配后的弯曲对i获取所述起止尺度海岸线上弯曲对i的交点，并标记弯曲对的两个端点为Ai和Bi，连接Ai和Bi并将线段AiBi作为弯曲基线，并在弯曲对i中终止尺度海岸线上选取距离所述弯曲基线最远的点标记为P，将P点到所述弯曲基线的垂足标记为弯曲基线垂足O；
在移位种子点上进行控制：选取P点到弯曲基线A1B1的垂足O作为移位种子点；
在移位偏移量上进行控制：选取P点到弯曲基线A1B1的垂足O之间的距离d作为移位的最大偏移量；
在移位方向上进行控制：选取弯曲基线垂足O到点P的方向为当前的插值移位方向。
通过对一维随机中点移位法中的分形参量进行约束控制，可以在后续分形插值时更加精确，得到的分形插值单元曲线更接近海岸线的原貌。
实施例二、一种海岸线要素连续多尺度表达系统，下面将结合图3对本实施例的一种海岸线要素连续多尺度表达系统进行详细介绍。
如图3所示，一种海岸线要素连续多尺度表达系统结构示意图，包括探测划分模块、匹配模块、分形插值模块和合并模块。
所述探测划分模块用于分别探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征，并根据起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲；所述匹配模块用于对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，得到若干个弯曲对；所述分形插值模块用于以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；所述合并模块用于将所述分形插值单元曲线顺次进行连接，得到完整的海岸线分形插值曲线。
本实施例中，所述探测划分模块包括探测单元和划分单元。
所述探测单元用于对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线分别构建约束Deluanay三角网，保留内陆一侧的三角形，并对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线陆地侧弯曲部分分别进行探测，识别其中的第Ⅳ类三角形，并根据第Ⅳ类三角形之间的嵌套关系构建弯曲层次结构树。
这里，所述探测单元由Ⅰ类三角形进入所述弯曲单元内的弯曲区域,删除当前三角形,进入其邻近三角形,反复往前行进直到到达Ⅱ类三角形为止，如果当前考察三角形为Ⅲ类三角形,则行进路线是惟一的；如果当前考察三角形为Ⅳ类三角形,路线产生分叉,有2条路线进入邻近三角形,采用栈记录“剥皮”行进过程,得到弯曲层次结构树。所述弯曲层次结构树包括若干个树节点，通过构建弯曲层次结构树，将实际中海岸线的弯曲特征转换为所述弯曲层次结构树，可以对所述起止尺度海岸线的弯曲层次进行表达，通过弯曲层次结构树对海岸线的弯曲层次表达，方便计算机识别所述起止海岸线的弯曲特征。
其中，标记某个所述弯曲单元靠近内陆一侧内的三角形的顶点分别为Q1、Q2和Q3，则Ⅰ类三角形为与Q1、Q2或Q3任意一点相连的三角形；Ⅱ类三角形为非Ⅰ类三角形,且只有一个邻近三角形的三角形；Ⅲ类三角形为非Ⅰ类三角形,且有两个邻近三角形的三角形；Ⅳ类三角形为非Ⅰ类三角形，且有三个邻近三角形的三角形。
所述划分单元用于利用起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树中的树节点分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲。
通过所述探测划分模块可以根据根据探测的海岸线弯曲特征对海岸线进行划分，从而将海岸线的整体分形插值变换为以单个弯曲为单位进行分段插值，这样不仅可以使得插值的结果保持海岸线的整体弯曲结构特征，还可以利用各弯曲的弯曲特征对分形插值过程进行约束控制，以保证插值的精确度和提高分形插值的效果。
所述匹配单元分别从起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树的根节点出发，由根节点向叶节点遍历，一一建立起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上弯曲之间的匹配关系，直到所有树节点遍历完毕，得到若干个相互匹配的弯曲对。通过对起止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，可以建立所述起始海岸线和终止海岸线之间的一一对应关系，这样方便后续对每个匹配后的弯曲对进行分形插值，尽可能保持海岸线原貌，也可以保持插值精度。
本实施例中，所述分形插值模块包括插值单元和分形参量约束单元。
所述插值单元用于利用一维随机中点移位法，并以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；所述分形参量约束单元在对每个所述分形插值单元进行分形插值前，对一维随机中点移位法中的分形参量进行约束控制；其中，所述分形参量包括移位种子点、移位偏移量和移位方向。
通过所述插值单元以分形插值单元为最小单位进行分形插值，这样可以避免在对海岸线的不同部分进行插值时，尽可能的提高准确度；通过对一维随机中点移位法中的分形参量进行约束控制，可以在后续分形插值时更加精确，得到的分形插值单元曲线更接近海岸线的原貌。
优选地，所述分形插值模块还包括计算单元；所述计算单元用于在对所述分形插值单元进行分形插值之前，先通过起始比例尺和目标比例尺确定分形插值次数。通过设定不同的目标比例尺，可以计算出不同的分形插值次数，通过不同的分形插值次数，可以得到海岸线要素的不同尺度表达，也可以满足任意不同精度的海岸线尺度需求。
本发明的一种海岸线要素连续多尺度表达方法及系统，通过对起止尺度海岸线的可控分形插值可以得到起止尺度之间任意目标尺度的海岸线要素，实现了对海岸线要素的多尺度表达，既保持了海岸线的分形特征，又很好的顾及了海岸线的地理特征约束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海岸线要素连续多尺度表达方法，其特征在于,包括如下步骤：
步骤1：分别探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征，并根据弯曲特征分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲；
步骤2：对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，得到若干个弯曲对，并以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元；
步骤3:利用改进的一维随机中点移位法对所述分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；
步骤4：将所述分形插值单元曲线顺次进行连接，得到完整的海岸线分形插值曲线。
2.根据权利要求1所述一种海岸线要素连续多尺度表达方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现为：
步骤11：对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线分别构建约束Deluanay三角网，保留内陆一侧的三角形，并对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线陆地侧弯曲部分分别进行探测，识别其中的第Ⅳ类三角形，并根据第Ⅳ类三角形之间的嵌套关系构建弯曲层次结构树；
其中，标记探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线靠近内陆一侧内的三角形的顶点分别为Q1、Q2和Q3，则Ⅰ类三角形为与Q1、Q2或Q3任意一点相连的三角形；Ⅱ类三角形为非Ⅰ类三角形,且只有一个邻近三角形的三角形；Ⅲ类三角形为非Ⅰ类三角形,且有两个邻近三角形的三角形；Ⅳ类三角形为非Ⅰ类三角形，且有三个邻近三角形的三角形；
步骤12：根据起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树中的树节点分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲。
3.根据权利要求2所述一种海岸线要素连续多尺度表达方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现为：分别从起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树的根节点出发，由根节点向叶节点遍历，一一建立起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上弯曲之间的匹配关系，直到所有树节点遍历完毕，得到若干个相互匹配的弯曲对。
4.根据权利要求1所述一种海岸线要素连续多尺度表达方法，其特征在于，所述步骤3中，在对所述分形插值单元进行分形插值之前，先通过起始比例尺和目标比例尺确定分形插值次数n，具体公式如下：
其中，D为分维数，d为移位系数，M0和Mi分别为起始比例尺和目标比例尺，设定当前的所述分形插值单元为i。
5.根据权利要求4所述一种海岸线要素连续多尺度表达方法，其特征在于，在对每个所述分形插值单元进行分形插值前，还对一维随机中点移位法中的分形参量进行约束控制，具体实现为：
根据匹配后的弯曲对i获取起止尺度海岸线上弯曲对i的交点，并标记弯曲对的两个端点为Ai和Bi，连接Ai和Bi并将线段AiBi作为弯曲基线，并在弯曲对i中终止尺度海岸线上选取距离所述弯曲基线最远的点标记为P，将P点到所述弯曲基线的垂足标记为弯曲基线垂足O；
在移位种子点上进行控制：选取P点到弯曲基线A1B1的垂足O作为移位种子点；
在移位偏移量上进行控制：选取P点到弯曲基线A1B1的垂足O之间的距离d作为移位的最大偏移量；
在移位方向上进行控制：选取弯曲基线垂足O到点P的方向为当前的插值移位方向。
6.一种海岸线要素连续多尺度表达系统，其特征在于：包括探测划分模块、匹配模块、分形插值模块和合并模块；
所述探测划分模块用于分别探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征，并根据起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲特征分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲；
所述匹配模块用于对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上的弯曲进行匹配，得到若干个弯曲对；
所述分形插值模块用于以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；
所述合并模块用于将所述分形插值单元曲线顺次进行连接，得到完整的海岸线分形插值曲线。
7.根据权利要求6所述一种海岸线要素连续多尺度表达系统，其特征在于：所述探测划分模块包括探测单元和划分单元；
所述探测单元用于分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线分别构建约束Deluanay三角网，保留内陆一侧的三角形，并对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线陆地侧弯曲部分分别进行探测，识别其中的第Ⅳ类三角形，并根据第Ⅳ类三角形之间的嵌套关系构建弯曲层次结构树；
其中，标记探测起始尺度海岸线和终止尺度海岸线靠近内陆一侧内的三角形的顶点分别为Q1、Q2和Q3，则Ⅰ类三角形为与Q1、Q2或Q3任意一点相连的三角形；Ⅱ类三角形为非Ⅰ类三角形,且只有一个邻近三角形的三角形；Ⅲ类三角形为非Ⅰ类三角形,且有两个邻近三角形的三角形；Ⅳ类三角形为非Ⅰ类三角形，且有三个邻近三角形的三角形；
所述划分单元用于利用起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树中的树节点分别对起始尺度海岸线和终止尺度海岸线进行划分，分别在起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上得到若干个弯曲。
8.根据权利要求6所述一种海岸线要素连续多尺度表达系统，其特征在于：所述匹配单元分别从起始尺度海岸线和终止尺度海岸线的弯曲层次结构树的根节点出发，由根节点向叶节点遍历，一一建立起始尺度海岸线和终止尺度海岸线上弯曲之间的匹配关系，直到所有树节点遍历完毕，得到若干个相互匹配的弯曲对。
9.根据权利要求6所述一种海岸线要素连续多尺度表达系统，其特征在于：所述分形插值模块包括插值单元和分形参量约束单元，
所述插值单元用于利用一维随机中点移位法，并以匹配的所述弯曲对作为分形插值单元进行分形插值，得到对应的分形插值单元曲线；
所述分形参量约束单元在对每个所述分形插值单元进行分形插值前，还对一维随机中点移位法中的分形参量进行约束控制；
其中，所述分形参量包括移位种子点、移位偏移量和移位方向。
10.根据权利要求6至9任一项所述一种海岸线要素连续多尺度表达系统，其特征在于：所述分形插值模块还包括计算单元；所述计算单元用于在对所述分形插值单元进行分形插值之前，先通过起始比例尺和目标比例尺确定分形插值次数。
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