CN109241224A - 一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大数据可视化领域，尤其涉及一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法及系统，其不同之处在于：所述方法步骤为：步骤A：加载具有拓扑关系的可视化区图层数据；步骤B：提取各个区的拓扑关系，并建立拓扑坐标；步骤C：选择某一个区，根据拓扑坐标计算各个区到已选择区的拓扑距离，记为0、1、2、…Max；步骤D：以不同颜色依次可视化拓扑距离为0‑Max的各个区。所述系统包括图层加载层、拓扑坐标建立层、拓扑距离计算层和显色层。本发明利用拓扑关联对各个区实现可视化，反映基于规则以及不规则公共边界的拓扑相邻的区域走向。

Description

一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法及系统

技术领域

本发明涉及大数据可视化领域，尤其涉及一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法及系统。

背景技术

可视化直观理解就是转化为视觉所能感知；可视化的基本含义是将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和图像处理等技术，以图形图像信息的形式，直观、形象地表达出来，并进行交互处理；地理信息可视化是运用图形学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的结果和数据以图形符号、图标、文字、表格、视频等可视化形式显示并进行交互的理论、方法和技术。在地理信息系统中，可视化则以地理信息科学、计算机科学、地图学、认知科学、信息传输学与地理信息系统为基础，并通过计算机技术、数字技术、多媒体技术动态，直观、形象地表现、解释、传输地理空间信息并揭示其规律，是关于信息表达和传输的理论、方法与技术的一门学科。

由于地理信息系统必须同时考虑几何目标的空间关系、地物位置信息及特征信息，致使地理信息系统的数据结构比较复杂；

拓扑关系是指图形元素之间相互空间上的连接、邻接关系并不考虑具体位置；这种拓扑关系是由数字化的点、线、面数据形成的以用户的查询或应用分析要求进行图形选取、叠合、合并等操作，它是明确定义空间关系的一种数学方法。

现有技术中的可视化是确定一个中心以及查询的半径的范围查询，是孤立的各个区，没有顾及各个区的拓扑关系。

鉴于此，为克服上述缺陷，提供一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法及系统成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法及系统，利用拓扑关联对各个区实现可视化，反映基于规则以及不规则公共边界的拓扑相邻的区域走向。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法，其不同之处在于：所述方法包括如下步骤：

步骤A：加载具有拓扑关系的可视化区图层数据；

步骤B：提取各个区的拓扑关系，并建立拓扑坐标；

步骤C：选择某一个区，根据拓扑坐标计算各个区到已选择区的拓扑距离，记为0、1、2、…Max；

步骤D：以不同颜色依次可视化拓扑距离为0-Max的各个区。

按以上方案，所述步骤B具体为：

步骤B1：统计各个区中所有点的地理坐标；

步骤B2：提取公共点的地理坐标，公共点所在的边形成公共边；

步骤B3：基于公共边对各个区进行分割及编码；

步骤B4：根据编码对各个区建立基于公共边的拓扑坐标。

按以上方案，所述步骤B2具体为：

步骤B21：根据可视范围和可视域建立哈希桶；

步骤B22：逐区将每个区的各个点放入哈希桶的各个格子中；

步骤B23：每放一个区，若发现有两个及以上的点位于哈希桶的同一格子中，则认为是公共点，并提取该公共点的地理坐标，公共点所在的边形成公共边。

按以上方案，所述步骤C具体为：选择某一个区，该选择区的拓扑距离为0，根据步骤B转换的拓扑坐标获取与选择区拓扑相邻的区，记为A，将A区与选择区的拓扑距离记为1；由里向外，再根据拓扑坐标获取与A区拓扑相邻的区，记为B，将B区与选择区的拓扑距离记为2；由此内推，由里圈向外圈，每向外延伸一次，则拓扑距离加1，直至根据拓扑坐标获取不到具有拓扑相邻的区时，将该区与选择区的拓扑距离记为Max。

按以上方案，所述步骤D具体为：将选择区即拓扑距离为0的区为中心以某一种颜色显示，将拓扑距离为1-Max的区由里到外以不同的颜色显示，呈现波浪形式的视觉效果。

一种基于拓扑关联的地理大数据可视化系统，其不同之处在于，所述系统包括：

图层加载层，用于加载具有拓扑关系的可视化区图层数据；

拓扑坐标建立层，用于提取各个区的拓扑关系并建立拓扑坐标；

拓扑距离计算层，用于确定选择区并计算各个区到选择区的拓扑距离；

显色层，用于以不同颜色依次可视化拓扑距离为0-Max的各个区。

按以上方案，所述拓扑坐标建立层包括：统计各个区所有点地理坐标的坐标统计单元、根据可视范围和可视域建立哈希桶的哈希桶建立单元、逐区将各个点放入哈希桶中的归放单元、提取各个区的公共点形成公共边的公共点提取单元、基于公共边对拓扑相邻的区进行编码并形成拓扑坐标的编码单元。

对比现有技术，本发明的有益特点为：本发明的可视化方法是基于拓扑关联的可视化，本发明在查询时，通过建立各个区间的拓扑关系，利用拓扑关联对各个区实现可视化；在需要表达某一个事件（如政策、传染疾病）对外扩散的趋势性时，本发明拓扑关联的可视化可以反映基于规则以及不规则公共边界的拓扑相邻的区域走向，拓扑显示结果更具备参考性。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一种基于拓扑关联的地理大数据可视化系统的结构示意图；

图3为图2中拓扑坐标建立层的结构示意图；

图4为本发明实施例中哈希桶提取公共点示意图；

图5为本发明实施例中编码示意图；

图6为本发明实施例中拓扑相邻的区示意图；

图7为本发明实施例中拓扑关联可视化示意图；

图8为图7可视化最终效果图；

其中：1-图层加载层、2-拓扑坐标建立层（201-坐标统计单元、202-哈希桶建立单元、203-归放单元、204-公共点提取单元、205-编码单元）、3-拓扑距离计算层、4-显色层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1至图8，本发明为一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法及系统，包括如下步骤：

步骤A：所述图层加载层1加载具有拓扑关系的可视化区图层数据，因为本发明是基于拓扑关联的可视化，是基于精确共弧的拓扑关系，所以本发明只适用于数据为区数据；

步骤B：所述拓扑坐标建立层2提取各个区的拓扑关系，并建立拓扑坐标；本发明实施例中，提取各个区的公共边，并对各个区基于精确共弧建立拓扑坐标，因为原始的数据是地理坐标，地理坐标相对独立，不容易发现其中的拓扑关系，而且记录的是数据量大，如某一个区，由四个点组成，则它具有四个地理坐标，而在表示拓扑坐标时则可能为（1，2），且利用基于精确共弧的拓扑关系，消除了数据冗余，可以压缩文件大小，文本量极小；其具体步骤为：

步骤B1：所述坐标统计单元201统计各个区的所有顶点的地理坐标，由此确定了所要显示的所有区的范围；

步骤B2：提取公共点的地理坐标，公共点所在的边形成公共边；具体为：

步骤B21：所述哈希桶建立单元202根据所要显示的范围和可视域建立哈希桶，如图4所示，其中，黑实线的框线是包含整个数据空间范围的框线，虚线的格子划分了整个范围，级别越大，网格越密；

步骤B22：所述归放单元203逐区将每个区的各个点放入哈希桶的各个格子中，如图4所示，将黑色区、灰色区先后放入该哈希桶中，则每一个点都会落在该哈希桶中形成的格子中；

步骤B23：每放一个区，若发现有两个及以上的点位于哈希桶的同一格子中，则认为是公共点，所述公共点提取单元204提取该公共点的地理坐标，公共点所在的边形成公共边；在图4中，发现有两个灰色的点落在了已经落有黑色区的点所在的格子里，则提取这些点的坐标，即为公共点；

步骤B3：编码单元205基于步骤B23提取的公共点的所在边即公共边按照Topohdf规则对各个区进行分割及编码；具体的编码原则如下：

如图5所示的本发明实施例中，可以清楚地看出这一整个图形是由黑色图形和灰色图形组成的，由步骤B23的方法提取出公共点，点A和点B，则AB边为黑色区和灰色区的公共边，即图5中的加粗黑色直线，则通过AB边将这个图形分割成两个，则整个图形由黑色的细线和灰色的细线和加粗黑色的公共边组成，公共边记为1，对左边图形来说方向是向上，记为1，则右边的图形方向是向下，则记为-1，则左边图形则可以表示为[0，1]，右边的图形表示为[-1，2]，则图5的图形则可以编码为：

{"type":"wp line=>wl point=>wt", "arcs": [[0,1]], "properties":{"name": "Left_Polygon" }}，

{"type": "wp line=>wl point=>wt", "arcs": [[2,-1]], "properties": {"name": "Right_Polygon" }}.

通过上述编码原则，则可以对地理坐标转换为弧段拓扑坐标。

步骤B4：根据编码对各个区建立基于公共边的拓扑坐标；对所有区建立了拓扑坐标，此时的拓扑坐标是基于公共边的，则在表示时，也就建立了一个带有空间关系的压缩文本，基于此，可以很容易的发现各个区的拓扑关系，即具有拓扑坐标中有绝对值相等的坐标，则这两个区拓扑相邻的规律；如有拓扑坐标为（-2，3）、（5，2）、（3，-5）、（6，7）的几个区，则根据这个规律可以看出前三个坐标表示的区是拓扑相邻的，（6，7）坐标所表达的区是拓扑相离的。

步骤C：选择某一个区，所述拓扑距离计算层3根据拓扑坐标计算各个区到已选择区的拓扑距离，记为0、1、2、…Max；具体为：

步骤C1：本发明实施例中，如图6所示，首先选中了A区，以A区为中心，如步骤B23所述，由拓扑坐标可以发现，若有绝对值相等的坐标，则这两个区具有公共边的规律，利用已经建立的拓扑坐标可以找到与A区相邻的B、C、D区，此时将B、C、D到A区的拓扑距离记为1；

步骤C2：将B、C、D区分别标记为2、3、4，A区标记为1，再以B区为中心向外圈遍历每一个区，根据步骤C1所述的规律，根据拓扑坐标可以找到与B区拓扑相邻的区，记为5、6、7、8，若遍历到与B区拓扑相邻标记为1、3、4区，则不计入下一轮的遍历区中；同理对标记为3、4的C、D区向外圈遍历，这样由里圈至外圈一次遍历，每往外一圈，距离A区的拓扑距离则+1，直至找不到再与其拓扑相邻的区为止，此时的拓扑距离记为Max。

步骤D：所述显色层4以不同颜色依次可视化拓扑距离为0-Max的各个区，参考图7和图8，以选择区A为中心，即拓扑距离为0的区，以某一种颜色显示，并由里到外以不同的颜色显示拓扑距离为1-Max的区，这种时间上由里圈到外圈以不同颜色显示即可在视觉上给人以波浪形式的既视感；本发明实施例中，以颜色深浅度来对不同区进行显示；如图7所示，以某一个区为选择区，将其以深色显示的同时，其他拓扑相邻的区则以浅色显示，依次由内外外圈延伸，对所有的区依次以不同的颜色显示，最后形成的可视化效果图如图8所示。

本发明的优点为：

1）本发明的可视化方法是基于拓扑关联的可视化，对比之前确定一个中心和半径进行范围查询，是孤立的一个个的区，本发明在查询时，通过建立各个区间的拓扑关系，利用拓扑关联对各个区实现可视化，可以在高亮（本发明为深色显示）所选范围时，使具有精确共弧的相邻范围进行低亮显示（本发明为浅色显示），同时以选择区为中心，可以由内圈向外圈或者由外圈向里圈以波浪的形式呈现；在需要表达某一个事件（如政策、传染疾病）对外扩散的趋势性时，相比之前都是框选的框架性，现在的拓扑关联的可视化可以反映基于规则以及不规则公共边界的拓扑相邻的区域走向，比如可以表达以北京为中心，某一种传染疾病向外扩散到其他各个省的趋势性；显示结果更具备参考性；

2）本发明考虑了各个区间的拓扑关系，在确定了多边形间的拓扑关系后，使用Topohdf对多边形进行编码，Topohdf是简单要素类拓扑学编码后的扩展形式，相比简单要素类直接使用Polygon、Point之类的几何体来表示图形的方法，Topohdf中的每一个几何体都是通过将共享边（被称为arcs）整合后组成的；Topohdf消除了冗余，文件大小缩小了80%，因为边界线只记录一次（例如，若记录中国地图时，广西和广东的交界线只记录一次），而且地理坐标使用整数，不使用浮点数；系统运行效率高。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于拓扑关联的地理大数据可视化方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤A：加载具有拓扑关系的可视化区图层数据；

步骤B：提取各个区的拓扑关系，并建立拓扑坐标；

步骤C：选择某一个区，根据拓扑坐标计算各个区到已选择区的拓扑距离，记为0、1、2、…Max；

步骤D：以不同颜色依次可视化拓扑距离为0-Max的各个区。

2.根据权利要求1所述的基于拓扑关联的地理大数据可视化方法，其特征在于：所述步骤B具体为：

步骤B1：统计各个区中所有点的地理坐标；

步骤B2：提取公共点的地理坐标，公共点所在的边形成公共边；

步骤B3：基于公共边对各个区进行分割及编码；

步骤B4：根据编码对各个区建立基于公共边的拓扑坐标。

3.根据权利要求2所述的基于拓扑关联的地理大数据可视化方法，其特征在于：所述步骤B2具体为：

步骤B21：根据可视范围和可视域建立哈希桶；

步骤B22：逐区将每个区的各个点放入哈希桶的各个格子中；

步骤B23：每放一个区，若发现有两个及以上的点位于哈希桶的同一格子中，则认为是公共点，并提取该公共点的地理坐标，公共点所在的边形成公共边。

4.根据权利要求1所述的基于拓扑关联的地理大数据可视化方法，其特征在于：所述步骤C具体为：选择某一个区，该选择区的拓扑距离为0，根据步骤B转换的拓扑坐标获取与选择区拓扑相邻的区，记为A，将A区与选择区的拓扑距离记为1；由里向外，再根据拓扑坐标获取与A区拓扑相邻的区，记为B，将B区与选择区的拓扑距离记为2；由此内推，由里圈向外圈，每向外延伸一次，则拓扑距离加1，直至根据拓扑坐标获取不到具有拓扑相邻的区时，将该区与选择区的拓扑距离记为Max。

5.根据权利要求1所述的基于拓扑关联的地理大数据可视化方法，其特征在于：所述步骤D具体为：将选择区即拓扑距离为0的区为中心以某一种颜色显示，将拓扑距离为1-Max的区由里到外以不同的颜色显示，呈现波浪形式的视觉效果。

6.一种基于拓扑关联的地理大数据可视化系统，其特征在于，所述系统包括：

图层加载层，用于加载具有拓扑关系的可视化区图层数据；

拓扑坐标建立层，用于提取各个区的拓扑关系并建立拓扑坐标；

拓扑距离计算层，用于确定选择区并计算各个区到选择区的拓扑距离；

显色层，用于以不同颜色依次可视化拓扑距离为0-Max的各个区。

7.根据权利要求6所述的基于拓扑关联的地理大数据可视化系统，其特征在于：所述拓扑坐标建立层包括：统计各个区所有点地理坐标的坐标统计单元、根据可视范围和可视域建立哈希桶的哈希桶建立单元、逐区将各个点放入哈希桶中的归放单元、提取各个区的公共点形成公共边的公共点提取单元、基于公共边对拓扑相邻的区进行编码并形成拓扑坐标的编码单元。