CN109542990A - 航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法 - Google Patents

Abstract

航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法，包括：确定可移动区域；获取注记备选位置，给定一个点要素，首先根据可移动区域得到注记的无冲突自由注记空间区域，然后在该区域内找出一定数量的离散备选位置；评估注记备选位置，给定一个注记，结合多种质量评价因素计算得到该个注记的质量效果；选择最佳注记位置，给定每个点要素的一组备选注记位置集合，从备选注记位置集合中获取一个质量效果最佳的位置作为注记位置。本发明基于现有研究中的固定‑滑动模型进行改进，同时使用可移动区域方法获得注记的搜索空间，每个点要素注记产生一个备选位置集合，最终的使用了禁忌搜索算法来找出最佳注记位置，从而确定最佳注记效果。

Description

航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法

技术领域

本发明涉及一种针对地形图等地图中的点要素数据进行自动化注记配置的方法，属于制图数据处理领域。

背景技术

地图制图的自动化、智能化发展，是目前制图的趋势。自动化、智能化程度越高，就越利于人们进行制图的相关操作。地图注记的自动化、智能化是地图制图自动化的一个重要环节，也是地图制图和GIS研究领域具有挑战性的问题。而点要素是地形图和地理信息系统中的一类重要地物，在地形图上(小比例尺)分布最为密集，冲突、压盖问题最为突出，所以点要素自动化注记一直是自动化注记研究的重点内容。国内外存在的有关点要素注记问题的常用模型包括：固定位置模型、滑动位置模型、固定-滑动位置模型等，具体算法包括：贪婪算法、模拟退火算法、梯度下降算法、禁忌搜索算法，遗传算法等。其中禁忌搜索算法虽然在许多组合优化问题的求解中显示出强大的生命力，但它的算法中要包含随机取样的方法；而遗传算法作为一种新的全集优化算法，因其简单通用、健壮性强、适于并行处理以及高效、实用等显著特点，在各个领域得到广泛应用，但也存在计算机运算速度较慢的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前有关点要素注记技术的不足，提供航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法解决上述问题。

航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法，包括：

步骤1、在电子地图上确定出注记的可移动区域；

步骤2、选取一个在电子地图上准备进行添加注记的点要素，首先根据步骤1中的可移动区域得到准备添加的注记的无冲突自由注记空间区域，然后在该无冲突自由注记空间区域内找出一定数量的离散的注记备选位置；

步骤3、选取一个准备对步骤2中选取的点要素添加的注记，结合多种质量评价因素计算得到相对该准备添加的注记的每一个注记备选位置的质量效果；

步骤4、从所有的注记备选注记位置中获取一个质量效果最佳的位置作为最终注记位置；

步骤5、分别选取电子地图上的每一个点要素，对每一个点要素分别进行步骤2至步骤4的操作，直到完成对每一个点要素最终注记位置的选取。

进一步的，本方法中注记采用轴平行矩形框注记。

进一步的，确定可移动区域的具体方法是：对于电子地图平面上的任意多边形P以及任意的背景点、线、或者多边形Q，P从其参考点p处开始进行刚体位移，P′为多边形P关于点p的中心对称图形，则多边形P与Q的可移动区域为所有的的补集的和，其中，P代表准备添加的注记文本框，Q代表电子地图背景上的标识图形，表示闵可夫斯基和。

进一步的，步骤2具体包括：

步骤21、在注记的文本框上选出多个离散点作为参考点；

步骤22、从选出的参考点中选取一个参考点，通过注记的文本框在可移动区域内移动，找到选取的点要素到选取的一个参考点距离最近的那个位置，该位置就为该点要素的一个注记备选位置；

步骤23、循环迭代步骤22，分别获得每个参考点的注记备选位置。

进一步的，步骤4中采用禁忌搜索算法获取质量效果最佳的注记位置。

为了实现点要素的自动化注记配置，本发明基于现有研究中的固定-滑动模型进行改进，同时使用可移动区域方法获得注记的搜索空间，每个点要素注记产生一个备选位置集合，最终的算法使用了禁忌搜索算法来找出最佳注记位置，从而确定最佳注记效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法流程图；

图2为本发明的多边形和背景要素为点的可移动区域图；

图3为本发明的多边形与背景要素为线要素的可移动区域图；

图4为本发明的各模型搜索区域图；

图5为本发明的各类要素的“不可移动区域”图；

图6为本发明的可移动搜索区域的产生图；

图7为本发明的备选注记位置的原理图；

图8为本发明的设置点样式图；

图9为本发明的注记效果图；

图10为本发明的注记详细效果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

步骤1、确定可移动区域：

在平面碰撞检测中的可移动区域主要是指在避免与背景障碍物碰撞的前提下，物体在平面上的移动范围。当应用到注记配置问题上，注记本身就类似“平面上的物体”，然而地图上各种各样的要素亦就指“背景障碍物”。因此，可移动区域定义了无冲突自由注记空间。

如图2所示，假设P＝{p₀，p₁，p₂，…p_m-1}为平面上的一个多边形(p作为它的参考点)；Q＝{q₀,q₁,…q_n-1|为背景多边形(线、点)。假如背景物体为点要素，观察多边形如何移动可以不和该点要素碰撞。推论1如下：P为平面上的多边形，Q为背景点要素。多边形P沿着其参考点p进行刚体运动。当点p移动到点Q时，多边形P′的补集就是多边形P的可移动区域。注：P′为多边形P关于点p的中心对称图形。

从图1及上面定义可知，当多边形P的参考点p位于阴影区域的话，多边形P肯定与点Q碰撞。接下来进行扩展延伸，推论2：P为平面上的多边形，Q为背景线。多边形P沿着其参考点p做刚体位移，同样原理，做多边形P关于线Q上各点的中心对称图形P′，也就是说P′的轨迹叠加的补集就为多边形P的可移动区域。可得如图3区域。

由于所有P′的轨迹的叠加后的集合不太容易求得，所以定义了如下的理论和方法。

定义(闵可夫斯基和)3：P′和Q是在R^d空间的两个任意图形。结果集S′就是所有补集多边形P′的叠加集合。该过程可描述为：

其中，代表闵可夫斯基和，它开始应用于数学形态学的二值图像展开处理。当扩展到了矢量图形计算方面，这个过程被定义为互补集P′的叠加区域的集合。Ghost et al等人提出了相应的多边形边界加法理论来获得闵可夫斯基和。

根据推论1、推论2和定义3，得到如下结论：P为平面上多边形，Q为多边形P的背景点、线、或者多边形。多边形P从其参考点p处开始进行刚体位移。P′为多边形P关于点p的中心对称图形，则多边形P与Q的可移动区域为的补集。

可移动区域为点要素自动化注记提供了有效的搜索空间，相比之前所谓的固定模型和滑动模型来说，明显充分利用了点要素的潜在的搜索空间。基本的因素考虑如下：①离散的搜索空间，②目标函数。点要素注记配置过程可以划分为一下步骤2至步骤4三个阶段。

步骤2、获取注记备选位置：

给定一个点要素，点要素也就是电子地图中的点状地图要素；首先，获得注记的无冲突自由注记空间区域；然后，在该区域内找出一定数量的离散备选位置。

要产生无冲突自由注记空间区域，并在该区域内找出一定数量的离散备选位置。本过程注记仍然采用轴平行矩形框注记。相比固定位置模型、滑动位置模型，本模型特点是充分利用点要素周围的空间区域。如图4所示，呈现了四种主要的注记模型(以注记中点来定义)。固定位置模型有8个备选位置，搜索空间如a所示的8个点；在b中的矩形线表示滑动模型的搜索空间区域；c所示的搜索空间区域为一个圆形的矩形框，它包含以上两种的区域，在该区域中，点要素的注记与自身的距离少于r，因此不会压盖点要素。本发明提出的模型d和c有些类似，但由于注记文本框为矩形，矩形长宽类似于椭圆的长短半轴。在该区域内，点要素与注记之间的横向距离小于椭圆长半轴a，纵向距离小于椭圆短半轴b。

2.1、备选搜索空间的产生

根据步骤1中提到的定义及几何计算可移动区域，可以得到矩形框注记的无冲突搜索空间。具体的，矩形框注记文本框代表步骤1中的多边形P，文本框的中心点作为文本框的参考点p。由于在注记文本框的中心对称图形P′还是其本身，即P′＝P；点、线、面简单要素类的“不可移动区域”被展示在图5中。

一个点要素的无冲突备选搜索空间由这些非移动区域的补集组成。详细情况如图6所示，a图展示点要素、注记文本框大小、以及注记的整个无冲突搜索空间。b图展示了一个点要素，以及与之相邻的点、线、面等其他要素作为背景阻隔要素。c图展示了对应的非移动区域，阴影部分。d图展示了无冲突注记空间，就是虚线框内的黑色区域。由此得出，只有注记中心点位于黑色区域内时，该点注记才不会与临近的背景阻隔要素相冲突压盖。

2.2、注记位置选择

备选注记区域为注记配置提供了一个完整的无冲突空间的集合。连续的搜索空间需要精选出n个备选注记位置。在精选之前，注记位置的优先级特点需要被考虑，主要分为如下2个因素：①注记到要素之间距离，②注记方向优先级。通过选择注记文本框上离散点作为距离计算的参考，结合以上两要素，得到了在备选注记区域不同方向内的所有的点到注记距离最短的位置。所以，得到的n个位置被选为备选位置。

详细过程如下：

(1)、在注记的文本框上选出多个离散点作为参考点；

(2)、从选出的参考点中选取一个参考点，通过注记的文本框在可移动区域内移动，找到选取的点要素到选取的一个参考点距离最近的那个位置，该位置就为该点要素的一个注记备选位置；

(3)、循环迭代步骤22，分别获得每个参考点的注记备选位置。

由于固定位置模型使用最多的是4位置，我们的注记文本框大小同样设置为宽w高h进行注记效果对比。如图7可知，(a)为注记文本框上作为计算距离的参考点。(c)、(b)分别代表有无临近背景阻隔要素。(c)图的情况，固定位置模型和滑动位置模型将会遗漏掉。

步骤3、评估注记备选位置：

给定一个注记，结合各种质量评价因素计算注记备选位置的质量效果。

基本的因素考虑如下：①注记和点要素之间的冲突和压盖，②备选位置集合的优先级选择偏好，③注记和相应点要素之间的联系。基于这些注记质量标准，各种各样的目标函数被用于注记的优化组合问题。目标函数的选择直接影响着地图布局的审美效果以及搜索的效率。本文中，目标函数被定义为：

其中，N表示所有点要素个数；i代表点要素i的注记；1＜＜i＜＜N；函数PosPre(i)代表位置的优先级偏好；PosCon(i)代表注记和点要素之间的冲突，w1和w2分别代表权重。w1为0的话，位置优先级偏好将不考虑。注记的最终结果是无冲突注记数目最大化，因此只考虑位置冲突函数。如果PosCon(i)＝1，则注记和点要素有冲突；若PosCon(i)＝＝0，则没有冲突。

步骤4、选择最佳注记位置：

从所有的注记备选注记位置中获取一个质量效果最佳的位置作为最终注记位置；通过在可移动区域内，选取n个离散点作为参考点进行距离计算，为每个注记文本框选出n个备选注记位置。为了判断注记的效果，结合目标函数，为每个注记选择最佳位置的问题就是使目标函数最大化；即是一个优化组合问题。这里采用禁忌搜索算法得到最佳的注记位置。

步骤5、完成多个注记标注：

分别选取电子地图上的每一个点要素，对每一个点要素分别进行步骤2至步骤4的操作，直到完成对每一个点要素最终注记位置的选取。

综上所述，整个注记过程算法如下：

算法

本发明的具体实施主要是在GeoProbe中集成MapGIS的点、线、区、栅格等编辑功能进行点要素的动态注记。GeoProbe系统是在航空物探软件系统(AirProbe 1.0)、航空物探处理解释系统(AGRSIS系统)，以及中国国土资源航空物探遥中心自2002年以来航空物探数据处理方法研究的最新研究成果基础上，基于Windows操作系统和GIS组件，具有自主知识产权的高度集成的航空物探数据处理解释系统。利用MapGIS组件开发技术开发一套航空地球物理数据快速制图软件，完成与GeoProbe平台的无缝集成，能够对地球物理数据进行编辑、质量检查和转换、版面要素编辑，最终制图数据的出版与输出，能够实现航空地球物理数据的快速成图。

本发明的在上述系统中的具体实施方式如下：

1、选择可移动区域单选按钮，即可实现在实际地图上中，计算出每类要素的不可移动区域的补集，从而获取注记的可移动区域。

2、获得注记的可移动区域后，就可以在该区域内使用相关搜索算法进行最佳位置的选取。如图8所示，注：实际地图中，是点、线、区等要素类混合出现的，而非仅有单一点要素。

3、选择居民地数据作为测试数据，在选择可移动区域单选按钮后，实现了在实际地图中的，各种背景要素都存在的情况下，显示注记效果如图9。

4、将图9黑色部分放大如图10可以看出：马石村注记效果不是规规矩矩的固定位置模型效果，而是注记在点要素的周围做了一定偏移量的注记。秀溪村的注记效果同样如此。长爱村的注记效果就是第三种固定—滑动模型的效果，注记的中心点可以在点要素的可移动区域内进行注记，当注记中心点在可移动区域内时，在可移动区域内搜索点---注记之间的最短距离寻找到最佳注记位置。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法，其特征在于，包括：

步骤1、在电子地图上确定出注记的可移动区域；

步骤2、选取一个在电子地图上准备进行添加注记的点要素，首先根据步骤1中的可移动区域得到准备添加的注记的无冲突自由注记空间区域，然后在该无冲突自由注记空间区域内找出一定数量的离散的注记备选位置；

步骤3、选取一个准备对步骤2中选取的点要素添加的注记，结合多种质量评价因素计算得到相对该准备添加的注记的每一个注记备选位置的质量效果；

步骤4、从所有的注记备选注记位置中获取一个质量效果最佳的位置作为最终注记位置；

步骤5、分别选取电子地图上的每一个点要素，对每一个点要素分别进行步骤2至步骤4的操作，直到完成对每一个点要素最终注记位置的选取。

2.根据权利要求1所述的航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法，其特征在于，本方法中注记采用轴平行矩形框注记。

3.根据权利要求1所述的航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法，其特征在于，确定可移动区域的具体方法是：对于电子地图平面上的任意多边形P以及任意的背景点、线、或者多边形Q，P从其参考点p处开始进行刚体位移，P′为多边形P关于点p的中心对称图形，则多边形P与Q的可移动区域为所有的的补集的和，其中，P代表准备添加的注记文本框，Q代表电子地图背景上的标识图形，表示闵可夫斯基和。

4.根据权利要求1所述的航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法，其特征在于，步骤2具体包括：

步骤21、在注记的文本框上选出多个离散点作为参考点；

步骤22、从选出的参考点中选取一个参考点，通过注记的文本框在可移动区域内移动，找到选取的点要素到选取的一个参考点距离最近的那个位置，该位置就为该点要素的一个注记备选位置；

步骤23、循环迭代步骤22，分别获得每个参考点的注记备选位置。

5.根据权利要求1所述的航空地球物理制图数据点要素自动化注记配置方法，其特征在于，步骤4中采用禁忌搜索算法获取质量效果最佳的注记位置。