CN108009377B

CN108009377B - 一种考虑内方位关系的锥形模型方法及系统

Info

Publication number: CN108009377B
Application number: CN201711398986.2A
Authority: CN
Inventors: 黄冬梅; 王建; 张倩; 郑小罗; 史景聪; 何盛琪
Original assignee: Shanghai Ocean University
Current assignee: Shanghai Ocean University
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: CN108009377A

Abstract

本发明涉及一种考虑内方位关系的锥形模型方法及系统。所述的方法包括以下步骤：计算参考目标的最小外接矩形MBR；在MBR外侧将MBR邻近源目标一侧的边界的中点作为起点，构建锥形方向区域；通过锥形方向区域的边界、MBR的边界及其延长线，对空间方向重新进行划分；对MBR的边界进行三等分，把MBR内侧划分为9块。所述的系统包含参考目标、源目标、参考目标最小外接矩形MBR计算模块、锥形方位区域构建模块、外空间方向划分模块和内空间方向划分模块。本发明实现了空间目标点、线、面之间方位关系的表达，同时实现了相交、包含、重叠等空间目标的方位关系的判断，提高了对空间目标之间方位关系的表达能力。

Description

一种考虑内方位关系的锥形模型方法及系统

技术领域

本发明涉及空间关系领域，具体涉及一种考虑内方位关系的锥形模型方法及系统。

背景技术

空间关系反映了实体之间或实体内部具有的空间特性，在空间查询、空间分析中起到重要作用。空间关系分为拓扑关系、度量关系和方位关系三部分。拓扑关系是指经过拓扑变换后始终保持不变的空间关系；度量关系是指能够用某种尺度来衡量空间对象之间的距离；方位关系是人们日常表达、描述客观世界不可或缺的基本工具，它用来描述实体之间的顺序关系，一般使用前后左右，东南西北等术语描述方位关系，即一个空间目标到另一个空间目标的指向，这两个空间目标分别为参考目标(指向出发的目标)和源目标(被指向的目标)。相应地，空间方位关系的基础理论是地理信息科学(GIScience)研究的重要内容。其中，方位关系模型是空间方位关系理论研究的重点和难点。

空间方位关系模型是计算和表达目标间方位关系的重要工具，目前空间方位关系模型主要有基于Voronoi图的模型、基于投影的模型和锥形模型。基于Voronoi图的模型包括方位Voronoi图模型和矩形Voronoi图模型；投影模型包括最小外接矩形模型MBR、矩阵模型和2D-String模型；锥形模型包括4方位锥形模型、8方位锥形模型、三角化模型。其中现有的锥形模型如下所述：

Haar最早提出了四方位锥形模型，其基本思想是：以参考目标的质心为起点，将空间划分为东、南、西、北4个锥形方位区域，利用源目标与4个方位区域是否相交判断方位关系。该模型把参考目标抽象为一个点，没有考虑其自身的大小，当两个目标距离很近时，不能准确的判断两个目标之间的方位关系。例如，当参考目标为一个长条状区域，源目标为一个很小的区域，且两目标相距很近时，利用4方位锥形模型的到的方位关系可能和人们认知的方位关系不一致，不能正确的判断相互缠绕、马蹄形等特殊区域的空间方位关系。

Frank在四方位锥形模型的基础上提出了八方位锥形模型，该模型以空间目标的质心或重心为原心，以4方位锥形模型的边界和东南西北方位线为轴线，将空间划分为东、东北、北、西北、西、西南、南、东南8个区域。与4方位锥形模型相比，8方位锥形模型更详细地对方位关系进行划分，但同样有4方位锥形模型的局限性。

Peuquet等对4锥模型和8锥模型进行扩展，提出了三角化模型，该模型的基本思想是以空间目标的某点出发沿所需的方位作两条射线形成一个三角形方位区域，从而描述与计算目标之间的方位关系。该模型考虑了目标对象的大小和形状，克服了4方位锥形模型和8方位锥形模型的不足，但是不能解决特殊区域的方位关系。

王中辉等根据Gestalt心理学的空间认知原理，通过求参考目标的MBR，并对MBR外侧空间方位进行划分，得到改进的锥形模型。此模型考虑了参考目标的形状和大小，比原始的锥形模型更符合人们的空间认知习惯。但是该模型不能准确的判断相交目标的方位关系。

综上所述，锥形模型还存在一些缺点。

中国期刊《武汉大学学报信息科学版》2007年1月第32卷第1期刊出的论文“锥形空间方向关系模型的改进”，提出了一种融入方向关系矩阵模型思想的改进型锥形模型，该模型同时具备了两者的优点，尤其对多尺度空间目标的空间方位关系的表达比较有效，并顾及到了多尺度的包容性。

中国期刊《中国地理信息系统协会理论与方法专业委员会学术研讨会》，2010年刊出的文章“锥形方向关系模型的一种改进方法”，从空间认知的角度出发，以面目标作为参考目标，对参考目标本身加入细节方向关系，从而对基于锥形的方向关系模型进行改进，扩展了方向关系的描述。

然而，目前关于可实现空间目标点、线、面之间方位关系的表达，同时可实现相交、包含、重叠等空间目标的方位关系的判断，能够合理的表达两目标之间的方位关系的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种考虑内方位关系的锥形模型方法。

本发明再一的目的是，提供一种用于表达两目标之间方位关系的系统。

为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：

一种考虑内方位关系的锥形模型方法，包括以下步骤：

步骤1：计算参考目标的最小外接矩形MBR；

步骤2：在MBR外侧将MBR邻近源目标一侧的边界的中点作为起点，构建锥形方向区域；

步骤3：通过锥形方向区域的边界、MBR的边界及其延长线，对空间方向重新进行划分；

步骤4：对MBR的边界进行三等分，把MBR内侧划分为9块。

作为一个具体实施例，步骤1中，当参考目标是点、水平线或垂直线时，以参考目标自身为其MBR。

作为一个具体实施例，步骤2中构建的锥形方向区域为东、南、西、北4个锥形方位区域。

作为一个具体实施例，步骤3中将空间方向重新划分为东方位、东北方位、北方位、西北方位、西方位、西南方位、南方位、东南方位和Same方位。

作为一个具体实施例，步骤4中把MBR内侧划分为东部、东北部、北部、西北部、西部、西南部、南部、东南部和中心部分。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种用于表达两目标之间方位关系的系统，所述的系统包含：

参考目标；

源目标；

参考目标最小外接矩形MBR计算模块：用于计算参考目标的最小外接矩形MBR；

锥形方位区域构建模块：用于在MBR外侧将MBR邻近源目标一侧的边界的中点作为起点，构建锥形方向区域；

外空间方向划分模块：用于通过锥形方向区域的边界、MBR的边界及其延长线，对空间方向重新进行划分；

内空间方向划分模块：用于对MBR的边界进行三等分，把MBR内侧划分为9块。

作为一个具体实施例，当参考目标是点、水平线或垂直线时，所述的参考目标最小外接矩形MBR计算模块以参考目标自身为其MBR。

作为一个具体实施例，所述的系统还包含摄像模块，用于获取包含参考目标和源目标的图片。

作为一个具体实施例，所述的系统还包含方位关系输出模块，用于根据划分的外空间方向和内空间方向，读取和生成参考目标和源目标之间的方位关系。

作为一个具体实施例，所述的系统还包含存储模块，用于存储参考目标和源目标之间的方位关系数据。

本发明优点在于：

现有的方位关系模型对相交、包含、重叠等空间目标的方位关系的判断不够准确，本发明通过对方位关系的分析，在现有模型的基础上，结合矩阵模型和锥形模型的特点，从内外两部分考虑方位关系，从而对锥形模型进行改进。利用本发明的方法能够合理的表达两目标之间的方位关系，同时克服了锥形模型和最小外接矩形MBR模型的缺点，实现了空间目标点、线、面之间方位关系的表达，同时实现了相交、包含、重叠等空间目标的方位关系的判断，更大程度地提高了对空间目标之间方位关系的表达能力。

附图说明

附图1是构建本发明考虑内方位关系的锥形模型流程图。

附图2是本发明考虑内方位关系的锥形模型图。

附图3是实施例3的用于表达两目标之间方位关系的系统示意图。

附图4是实施例4的用于表达两目标之间方位关系的系统示意图。

附图5是实施例5的用于表达两目标之间方位关系的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

实施例1

请参见图1，图1是构建本发明考虑内方位关系的锥形模型流程图。

本发明考虑内方位关系的锥形模型的具体构建流程为：

步骤1：对现有方位关系模型进行分析

空间方位关系模型是计算和表达目标间方位关系的重要工具，目前空间方位关系模型主要有基于Voronoi图的模型、基于投影的模型和锥形模型。基于Voronoi图的模型包括方位Voronoi图模型和矩形Voronoi图模型；投影模型包括最小外接矩形模型MBR、矩阵模型和2D-String模型；锥形模型包括4方位锥形模型、8方位锥形模型、三角化模型。

基于Voronoi图模型的主要思想是通过参考目标和源目标之间的Voronoi图判断空间目标之间的方位关系。此模型的优点是受目标大小及距离的影响很小，适合空间目标之间的精确方位关系的描述，但该模型对遮挡部分的图形变换不敏感，当源目标的不可视部分发生变化时，源目标相对于参考目标的方向不发生变化。

投影模型的主要思想是把参考目标投影到空间直角坐标轴上，通过目标在X轴和Y轴的投影，将空间划分为东、东北、北、西北、西、西南、南、东南、Same九个方位，从而判断源目标与参考目标之间的方位关系。此类模型较好的顾及了参考目标的形状和大小对方位关系的影响，但是仍然受空间目标之间距离的影响。

锥形模型的主要思想是把参考目标周围的区域分割成几个区域，每个区域代表一个方位，通过源目标与参考目标各个区域相交的情况判断两目标之间的方位关系。此类模型的优点是原理简单，易于编程。但是受空间目标大小及距离的影响比较大，致使判断方位关系时会出现不准确的情况。

步骤2：对现有锥形模型进行分析

Haar最早提出了四方位锥形模型；Frank在四方位锥形模型的基础上提出了八方位锥形模型；Peuquet等对4锥模型和8锥模型进行扩展，提出了三角化模型；王中辉等通过对空间方向的重新划分提出了一种改进的锥形方向关系模型。但是这个模型不能判断相交目标之间的方位关系。

步骤3：提出考虑内方位关系的锥形模型

步骤3.1：通过矩阵模型和锥形模型的结合，首先计算参考目标的最小外接矩形MBR；

步骤3.2：在MBR外侧将MBR邻近源目标一侧的边界的中点作为起点，构建锥形方向区域；

步骤3.3：再通过锥形方向区域的边界、MBR的边界及其延长线，对空间方向重新进行划分；

步骤3.4：对MBR的边界进行三等分，把MBR内侧划分为9块；

步骤3.5：得到改进的锥形模型。

步骤4：通过实验分析证明该模型的可行性。

实施例2

请参见图2，图2是本发明考虑内方位关系的锥形模型图。本发明的考虑内方位关系的锥形模型方法具体包括以下步骤：

步骤1：利用投影法求参考目标的最小外接矩形(MBR)ABCD，如果参考目标是点、水平线、垂直线，以自身为其MBR；

步骤2：在MBR外侧，以ABCD的四条边的中点作为起点，在其外侧构建东(Eo)、南(So)、西(Wo)、北(No)4个锥形方位区域，如图2中(a)所示；

步骤3：计算ABCD边界的延长线与锥形区域的交点A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，如图2中(b)所示；

步骤4：用开区域B1BCC1表示东(Eo)方位，B1BB2表示东北(NEo)方位，A2ABB2表示北(No)方位，A2AA1表示西北(NWo)方位，A1ADD1表示西(Wo)方位，D1DD2表示西南(SWo)方位，D2DCC2表示南(So)方位，C2CC1表示东南(SEo)方位，闭区域ABCD为Same方位，如图2中(c)所示；

步骤5：在MBR内部，分别对AB，CD三等分，将ABCD分成9部分，其中I为ABCD的中心部分，其余部分分别为东部(Ei)、东北部(NEi)、北部(Ni)、西北部(NWi)、西部(Wi)、西南部(SWi)、南部(Si)、东南部(SEi)；

步骤6：最终得到改进的锥形模型，如图2中(c)所示，分为内外方位关系，其中外方位关系包含：东(Eo)、东北(NEo)、北(No)、西北(NWo)、西(Wo)、西南(SWo)、南(So)、东南(SEo)和Same，内方位关系包含：东部(Ei)、东北部(NEi)、北部(Ni)、西北部(NWi)、西部(Wi)、西南部(SWi)、南部(Si)、东南部(SEi)和中心部分I。

实施例3

请参见图3，图3是实施例3的用于表达两目标之间方位关系的系统示意图。所述的用于表达两目标之间方位关系的系统包含：

参考目标；

源目标；

参考目标最小外接矩形MBR计算模块：用于计算参考目标的最小外接矩形MBR；当参考目标是点、水平线或垂直线时，所述的参考目标最小外接矩形MBR计算模块以参考目标自身为其MBR；

实施例4

请参见图4，图4是实施例4的用于表达两目标之间方位关系的系统示意图。所述的用于表达两目标之间方位关系的系统包含：

参考目标；

源目标；

摄像模块：用于获取包含参考目标和源目标的图片；摄像模块的设备可以是照相机或摄影机等。

实施例5

请参见图5，图5是实施例5的用于表达两目标之间方位关系的系统示意图。所述的用于表达两目标之间方位关系的系统包含：

参考目标；

源目标；

内空间方向划分模块：用于对MBR的边界进行三等分，把MBR内侧划分为9块；

方位关系输出模块：用于根据划分的外空间方向和内空间方向，读取和生成参考目标和源目标之间的方位关系；

存储模块：用于存储参考目标和源目标之间的方位关系数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种考虑内方位关系的锥形模型方法，其特征在于，所述方法用于地理信息科学领域，包括以下步骤：

步骤1：计算参考目标的最小外接矩形MBR；

步骤4：对MBR的边界进行三等分，把MBR内侧划分为9块；

步骤1中，当参考目标是点、水平线或垂直线时，以参考目标自身为其MBR；

步骤2中构建的锥形方向区域为东、南、西、北4个锥形方位区域；

步骤3中将空间方向重新划分为东方位、东北方位、北方位、西北方位、西方位、西南方位、南方位、东南方位和Same方位；

步骤4中把MBR内侧划分为东部、东北部、北部、西北部、西部、西南部、南部、东南部和中心部分。

2.一种用于表达两目标之间方位关系的系统，其特征在于，所述系统用于地理信息科学领域，所述的系统包含：

参考目标；

源目标；

当参考目标是点、水平线或垂直线时，所述的参考目标最小外接矩形MBR计算模块以参考目标自身为其MBR；

所述的系统还包含摄像模块，用于获取包含参考目标和源目标的图片；

所述的系统还包含方位关系输出模块，用于根据划分的外空间方向和内空间方向，读取和生成参考目标和源目标之间的方位关系；

所述的系统还包含存储模块，用于存储参考目标和源目标之间的方位关系数据。