CN109801552B - 一种人工海岸线化简方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工海岸线化简方法，属于空间数据中模式识别及线要素自动综合技术领域。本发明通过识别构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组，从中提取有向中心线，对提取出的有向中心线进行合并、自由点和收缩点移动，得到突出式海岸线人工建筑中心线，实现对突出式海岸人工建筑进行化简；从除突出式海岸建筑外的剩余人工海岸线中提取海侧弯曲单元，并进行化简；对化简结果与突出式海岸线人工建筑中心线存在拓扑冲突进行处理，最终实现人工海岸线的自动化简。整个化简过程，不仅确保了化简结果符合目标尺度下制图要求，还保持了丰富、准确的人工海岸特征，解决了现有人工海岸线化简方法导致的形态失真问题。

Description

一种人工海岸线化简方法

技术领域

本发明涉及一种人工海岸线化简方法，属于空间数据中模式识别及线要素自动综合技术领域。

背景技术

线要素化简是制图综合中的重要研究内容和经典研究问题，当前线要素自动化简方法有很多，主要包括节点压缩式、弯曲取舍式和智能算法式等。但通用的线化简方法忽略了不同线要素地理特征差异性，难以保证化简后地理特征完整性以及化简前后地理特征一致性，必须研制专门的海岸线化简方法。顾及海图保障航行的安全性需求，需要研制遵循“扩陆缩海”的原则的海图海岸线自动化简方法。如发表于《武汉大学学报(信息科学版)》2011年第12期上一篇名称为《以弯曲骨架线为化简指标的海岸线综合方法》的论文通过改进单调链法识别弯曲，以弯曲骨架线为综合指标取舍海侧弯曲，专门用于海图海岸线化简。不同类型海岸线间形态差异明显、地理特征各异，针对不同类型海岸线也应研制专门的化简方法，如发表于《Marine Geodesy》2014年第2期中一篇名为《A Simplification of RiaCoastline with Geomorphologic Characteristics Preserved》的论文则针对海图中树枝状溺谷海岸线研制专门的化简方法。

上述都是针对自然海岸线的化简，人工海岸线是一种区别于自然海岸线、受人类活动影响显著的常见海岸线。通过人工构筑海岸工程形成的人造海岸线都属于人工海岸线范畴。几何层次看，人工海岸线相对规则、平直；地理层次看，人工海岸包含港口、码头、防波堤等典型海岸人工建筑。依据中国海图图示(GB12319-1998)，常见海岸人工建筑在海图中依比例尺表示和半依比例尺表示形式(其中，不具有半依比例尺表达形式的海岸人工建筑称为“顺岸式”海岸人工建筑，顺岸式海岸人工建筑不能降维表达；具有半依比例尺表达形式的海岸人工建筑称为“突出式”海岸人工建筑，突出式海岸人工建筑能够降维表达，如图1-a和图1-b所示。依据降维表达形态差异，包含引桥的突出式海岸人工建筑称为“T”型，不包含引桥的突出式海岸人工建筑称为折线型)。而目前针对人工海岸线化简方法的研究十分匮乏，仅武汉大学2011年博士论文《海岛(礁)要素地图综合数据模型与方法研究》中建议借用多边形化简方法中的最小二乘法化简人工海岸线，此方法过于强调直角特征而容易导致化简后形态失真。

发明内容

本发明的目的是提供一种人工海岸线的化简方法，以解决目前采用多边形化简方法化简人工海岸线导致的化简后形态失真的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种人工海岸线化简方法，该化简方法包括以下步骤：

1)人工海岸线描述：

以顶点顺序递增方向为人工海岸线方向，确保人工海岸线方向一侧为海洋，另一侧为陆地，将人工海岸线描述成相邻顶点构成的有向弧段集合；

2)提取有向中心线：

从有向弧段集合中筛选出构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组，提取出每个平行弧段组内的两弧段间的中心线段，并以两弧段中顶点顺序相对靠前弧段的方向作为中心线段的方向，得到各平行弧段组的有向中心线；

3)有向中心线初次合并：

对有向中心线按照设定的约束条件进行初次合并，所述的设定的约束条件包括：

若两连续的有向中心线有且只有一个公共顶点，将该公共顶点作为连接点将两者合并；

若两连续的有向中心线没有公共顶点，但具有相交、重叠或者近似重叠的关系，将这两连续的有向中心线进行全连接，并选择全连接中最长的线段作为初次合并的结果；

4)对初次合并后的有向中心线进行端点移动：

所述初次合并后的有向中心线还包含有未参加合并的有向中心线，对初次合并的中心线的自由点和收缩点进行移动，所述自由点指的是有向中心线的终止顶点，所述收缩点指的是有向中心线的起始顶点；

5)利用端点移动后的有向中心线化简突出式海岸人工建筑：

若构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组间最小距离小于制图要求的宽度阈值，则将该平行弧段组对应的经过步骤3)和4)处理后的有向中心线作为对应突出式海岸人工建筑的降维表达，实现对突出式海岸人工建筑的化简；

6)识别弯曲单元：

利用拐点法从除突出式海岸建筑外的剩余人工海岸线中提取海侧弯曲单元，删除面积阈值或基线长度小于对应阈值的海侧弯曲单元，得到剩余人工海岸线的化简结果；

7)拓扑冲突处理：

将剩余人工海岸线化简结果与对应原海岸线部分叠加，以删除部分构成的面状多边形集合记为B_m，若存在有向中心线包含于B_m，则说明存在拓扑冲突，若存在拓扑冲突的有向中心线于B_m外的部分不满足制图视觉要求时，将该有向中心线删除，若存在拓扑冲突的有向中心线于B_m外的部分满足制图视觉要求时，将该有向中心线移动至B_m外。

本发明通过识别构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组，从中提取有向中心线，对提取出的有向中心线进行合并、自由点和收缩点移动，得到突出式海岸线人工建筑中心线，实现对突出式海岸人工建筑进行化简；从除突出式海岸建筑外的剩余人工海岸线中提取海侧弯曲单元，并进行化简；对化简结果与突出式海岸线人工建筑中心线存在拓扑冲突进行处理，最终实现人工海岸线的自动化简。整个过程，不仅确保了海岸线化简结果符合目标尺度下制图要求，还保持了丰富、准确的人工海岸特征，解决了现有人工海岸线化简方法导致的形态失真问题。

进一步地，为了更好的描述突出式海岸人工建筑的几何特征，本发明还给出了平行弧段组的筛选方法，提高了对突出式海岸人工建筑刻画的精准性，所述步骤2)中筛选出的构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组满足以下条件：

a.平行弧段组内的两弧段平行或近似平行；

b.平行弧段组内只包含陆地，不包含海洋；

c.平行弧段组内两弧段间的间距小于两弧段的平均长度。

进一步地，为了保证有向中心线更加完整，还需对有向中心线中的自由点进行移动，所述步骤4)中自由点的移动方式为：

自由点向邻近的初次合并后的中心线的收缩点移动，并以该移动轨迹作为连接线段，与相邻的中心线合并；

自由点沿初次合并的中心线内移动至与人工海岸线交点处停止；

自由点沿初次合并的中心线延长线方向移动至海岸线交点处停止；

自由点沿初次合并的中心线延长线方向移动至另一中心线终止，并以此移动轨迹作为连接线段，合并两中心线。

进一步地，为了保证有向中心线更加完整，还需对有向中心线中的收缩点进行移动，所述步骤4)中收缩点的移动方式为：

当收缩点不满足设定条件时，将收缩点沿有向中心线方向移动至l_k1或l_k2与有向中心线的交点位置；其中包含收缩点的有向中心线记为l_{m_s}，其对应的平行弧段组的两弧段分别为pl(l_{m_s})₁和pl(l_{m_s})₂，人工海岸线中包含pl(l_{m_s})₁起始顶点且不是pl(l_{m_s})₁的弧段记为l_k1，包含pl(l_{m_s})₂终止顶点且不是pl(l_{m_s})₂的弧段记为l_k2，l_k1-2为pl(l_{m_s})₁起始顶点与pl(l_{m_s})₂终止顶点连结的线段；

所述的设定条件为：(1)l_k1、l_k2及l_k1-2近似共线；(2)l_k1、l_k2及l_k1-2不近似共线，沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂的延长线且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁的延长线，或沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂内且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁内。

进一步地，为了避免转折点、冗余点的干扰，提高有向弧段对海岸线刻画的准确性，所述步骤1)还包括对所述有向弧段集合进行预处理，预处理过程为：将相邻且近似共线的有向弧段进行合并，所述近似共线指的是两个弧段之间的夹角小于等于设定角度阈值。

进一步地，为了保证化简后的突出式海岸人工建筑的长度满足制图要求，所述步骤5)中对突出式海岸人工建筑的化简还包括若降维处理后的突出式海岸人工建筑小于制图要求的长度阈值，将该突出式海岸人工建筑删除的步骤。

进一步地，为了保证有向中心线的初次合并，本发明还给出了相交、重叠和近似重叠的判断依据，所述步骤3)中的相交指的是两连续的有向中心线有且只有一个交点且交点不是公共顶点；重叠指的是两连续的有向中心线间包含重叠弧段；近似重叠指的是两连续的有向中心线的全连接均包含于海岸线陆地一侧。

附图说明

图1-a是现有常见海岸人工建筑的依比例尺表达；

图1-b是图1-a中常见海岸人工建筑的半依比例尺表达；

图2是本发明实施例中人工海岸线构成的示意图；

图3是本发明实施例中构成突出式海岸人工建筑的平行组的示意图；

图4-a是本发明实施例中具有相接关系的有向中心线初次合并的示意图；

图4-b是本发明实施例中具有相交关系的有向中心线初次合并的示意图；

图4-c是本发明实施例中具有重叠关系的有向中心线初次合并的示意图；

图4-d是本发明实施例中具有近似重叠关系的有向中心线初次合并的示意图；

图5是本发明实施例中两有向中心线间全连接及利用全连接合并有向中心线的示意图；

图6-a是本发明实施例中第一种自由点移动的示意图；

图6-b是本发明实施例中第二种自由点移动的示意图；

图6-c是本发明实施例中第三种自由点移动的示意图；

图6-d是本发明实施例中第四种自由点移动的示意图；

图7是本发明实施例中收缩点移动得到准确降维表达的示意图；

图8-a是本发明实施例中收缩点无需移动情况的示意图；

图8-b是本发明实施例中收缩点移动的示意图；

图9-a是本发明实施例中删除降维表达协调拓扑冲突的示意图；

图9-b是本发明实施例中移动降维表达协调拓扑冲突的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步地说明。

本发明通过识别构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组，从中提取有向中心线，对提取出的有向中心线进行合并、自由点和收缩点移动，得到突出式海岸线人工建筑中心线，实现对突出式海岸人工建筑进行化简(降维)；从除突出式海岸建筑外的剩余人工海岸线中提取海侧弯曲单元，并进行化简；对化简结果与突出式海岸线人工建筑中心线存在拓扑冲突进行处理，最终实现人工海岸线的自动化简。整个化简过程，不仅确保了化简结果符合目标尺度下制图要求，还保持了丰富、准确的人工海岸特征，解决了现有人工海岸线化简方法导致的形态失真问题。

本发明人工海岸线化简方法的实施例

为方便表述，作如下定义：

定义l的起始顶点记为l_f，终止顶点记为l_t。l为l对应的向量，|l|＝l，l的方向是从l的起始顶点指向终止顶点的方向，顶点v_a向顶点v_b的连线记为dl(v_a,v_b)，线要素l的长度记为Len(l)；

某条人工海岸线的有序顶点依次为v₁、…、v_n，顶点序号递增方向定义为该条海岸线的方向，L内相邻顶点v_i-1、v_i构成的向量

记为l_i，其中2≤i≤n，L可离散成{l_i}；同理L'可离散成{l_i'}，其中2≤i'≤n'；

定义函数Ang(l_i,l_j)用于计算l_i到l_j的角度，设α为近似共线的角度阈值，β为近似平行的角度阈值。

有向中心线l_m对应的平行组弧段记为pl(l_m)₁和pl(l_m)₂，规定对应有序集合{l_x}中，pl(l_m)₁先于pl(l_m)₂；

l_m、l_m+1端点间的全连接记为CC(l_m,l_m+1)＝{dl(l_m_f,l_m+1_f),dl(l_m_f,l_m+1_t),dl(l_m_t,l_m+1_f),dl(l_m_t,l_m+1_t)}，CC(l_m,l_m+1)中距离最大的连接记为Max{CC(l_m,l_m+1)}。

化简前后比例尺分别记为S₁、S₂，图上最小可视距离记为svo，线宽记为b。thl表示突出式人工建筑半依比例尺表达形式的长度阈值，thw表示图上线划间宽度阈值，thb表示图上弯曲基线阈值，ths表示图上弯曲面积阈值。通常情况下，thl＝1mm，thw＝2·b+svo，thb＝2·(b+svo)，ths＝thb2，svo＝0.2mm，b＝0.1mm。

下面以图2中的人工海岸线为例对本发明的化简方法进行详细说明，该方法的具体实现过程如下。

1.人工海岸线描述。

以顶点递增方向为人工海岸线方向，确保人工海岸线方向一侧为海洋，另一侧为陆地，将人工海岸线描述成相邻顶点构成的有向弧段集合。

1.1定义顶点递增方向为岸线方向，如图2所示，多引桥的人工建筑的存在使得人工海岸线由岸线主体(L)和闭合环(L')构成，更改与L方向相同的L'，使其方向与L相反。确保沿岸线方向一侧为海洋，另一侧为陆地，其中，L'也可为空。本实施例而言，如图2所示，该人工海岸线的有序顶点依次为v₁、…、v_n，顶点序号递增方为人工海岸线的方向为从左至右将L与L'离散成相邻顶点构成的有向弧段(相邻顶点v_i-1、v_i构成的向量

记为l_i)集合。

1.2为避免各有向弧段存在冗余点、假转折点的干扰，还需将有向弧段集合中的多段邻接且近似共线的l_i合并成l_k，其中L、L'中邻接且近似共线向量合并后的有向弧段集合分别记为{l_k}、{l_k’}。其中，近似共线指的是两个有向弧段的夹角小于α，α为近似共线的角度阈值，一般情况下0°≤α≤10；当l_i到l_i+1的角度不大于α时，则二者邻接且近似共线，需要将其合并。

步骤1通过计算机实现的过程如下：

Step1：若存在与L同向的L'，则更新L'内各个顶点下标，令i＝n-i+1，重复此步骤；否则，对L及所有L'依次执行Step2；

Step2：若i＝n(或i'＝n')，则此L(或L')预处理结束；若i<n(或i'<n'，令i＝i'，n＝n')，则执行Step3；

Step3：若Ang(l_i,l_i+1)>α，则令l_k＝l_i，i＝i+1，执行Step2；若Ang(l_i,l_i+1)≤α，则l_i与l_i+1近似共线，新建链表List，l_i与l_i+1加入List，执行Step4；

Step4：若不存在Ang(l_j,l_i+2)≤α(其中l_j∈List)，则l_i+2加入List，令i＝i+1，重复Step4；若存在Ang(l_j,l_i+2)>α或i+2＝n，令l_k＝List，则l_k即为近似共线的弧段，令i＝i+2，转入Step2。

L预处理后，被依次划分为有序弧段集合{l_k}，其中1≤k≤u；所有L'预处理后划分的弧段集合依次存入弧段集合{l_k’}，其中1≤k'≤u'；l_x∈{l_k}或{l_k'}，顶点按原线对应顶点序号递增的顺序存储，l_x方向与原线方向一致，l_x为由l_x首顶点向末顶点连结成的向量。

2.提取有向中心线。

2.1识别平行弧段组。

识别预处理后的人工海岸线中构成突出式海岸人工建筑的一组平行或近似平行的弧段，称为平行弧段组，构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组应满足以下条件：1)平行组内的两弧段平行或近似平行；2)平行组间只包含陆地，不包括海洋；3)平行组的两弧段间间距小于两弧段的平均长度。

对本实施例而言，如图3所示，l₃与l₇平行，满足条件1)，但不满足条件2)、3)，不能构成平行弧段组；l₁₄与l₁₆满足条件1)、2)，但不满足条件3)，二者间距较大，对应顺岸式人工建筑，也不是构成突出式海岸人工建筑的平行组。其中，l₂与l₄、l₆与l₁₂、l₇与l₉、l₉与l₁₁都是构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组。

该步骤通过计算机实现的过程如下：

根据前述原理，针对构成突出式海岸人工建筑的平行组的三个条件构造三个函数F₁()～F₃()，用于平行组的识别。

F₁(l_p,l_q)：若β<Ang(l_p,l_q)≤180°，170°≤β≤180°，则返回True；否则，返回False。

F₂(l_p,l_q)：构建辅助线dl(l_p_f,l_q_t)和dl(l_p_t,l_q_f)，若两辅助线均包含于陆地内，则返回True；否则，返回False。

F₃(l_p,l_q)：dl(l_p_f,l_q_t)中点和dl(l_p_t,l_q_f)中点连结的线段为l_m。对于近似平行的l_p和l_q：对应的l_m为l_p和l_q的中位线，Len(l_m)为l_p和l_q的平均长度；l_p、dl(l_p_f,l_q_t)、l_q、dl(l_p_t,l_q_f)所围成近似梯形的多边形，面积为S；l_p与l_q为该梯形的平行边，二者间平均距离dis(l_p,l_q)可以看作此梯形的高，由dis(l_p,l_q)＝S/Len(l_m)求出；若dis(l_p,l_q)<Len(l_m)，则返回l_m，|l_m|＝l_m，l_m方向与l_p一致，l_m称为有向中心线；否则，返回Null。

2.2提取有向中心线：

平行弧段组内两弧段间的中心线段(平行弧段组内不同弧段的起止顶点连线中点所连结而成的线段)即为有向中心线段，有向中心线l_m对应的平行组弧段记为pl(l_m)₁和pl(l_m)₂，规定对应有序集合{l_x}中，pl(l_m)₁先于pl(l_m)₂；有向中心线只有起始顶点(标记为收缩点)和终止顶点(标记为自由点)两个顶点，起始顶点向终止顶点的方向即为该有向中心线的方向，该有向中心线是构成突出式海岸人工建筑中心线的基本单元。

通过计算机手段的提取过程为：

从{l_k}中l₁开始，按如下步骤探测L内、L与L'间的平行组弧段，并依次得到平行组对应的有向中心线集合{l_m}。

Step1：若u>2时，则执行下一步；若u＝1且u'>0，则执行Step5；若u＝1且u'＝0，终止；若u＝0，则终止；

Step2：生成计步器y，令y＝2。顾及地理学第一定律，避免计算量过大，可以规定步数阈值为常量thr；

Step3：若F₁(l₁,l_1+y)＝True且F₂(l₁,l_1+y)＝True且F₃(l₁,l_1+y)≠Null，则l₁和l_1+y为一组平行组弧段，将F₃(l₁,l_1+y)返回的l_m加入集合{l_m}，将l₁从{l_k}中移除后，执行Step1；否则，执行下一步；

Step4：若y<thr，则令y＝y+1，重复Step3；否则，执行下一步；

Step5：遍历{l_k'}，若存在l_k’使得F₁(l₁,l_k')＝True且F₂(l₁,l_k')＝True且F₃(l₁,l_k')≠Null，则l₁和l_k'构成一个平行组，将F₃(l₁,l_k')返回的l_m加入集合{l_m}，将对应l_k'移除，l₁也从{l_k}中移除，执行Step1；否则，将l₁从{l_k}中移除后执行Step1。

类似的，重复以上步骤再探测剩余{l_k'}内的平行组及其对应的有向中心线，初步得到有向中心线集合{l_m}。

按如下步骤确定有向中心线方向，得到最终的有向中心线集合{l_m}。

Step1：将所有l_m方向确定为与pl(l_m)₁方向一致：若Ang(l_j,l_i+2)≤90°，则l_m方向与pl(l_m)₁方向一致；否则，交换l_m的端点，改变方向；执行下一步；

Step2：依次判断所有l_m对应的平行组弧段是否与L'相离，若均相离，则终止；否则，执行下一步；

Step3：若存在l_m对应的平行组弧段与L'中闭合环不相离，则l_m与对应闭合环相关。

3.有向中心线初次合并。

3.1若两连续的有向中心线有且只有一个公共顶点，即二者相接，则将公共顶点作为连接点直接将二者合并，初次合并后的中心线的起止顶点的标记与合并前有向中心线端点的标记一致，示意过程如图4-a所示。

3.2若两连续的有向中心线具有相交、重叠或近似重叠的的关系，有两向中心线进行全连接(即两有向中心间所有顶点间进行连接)，并选择全连接中最长的线段作为初次合并的结果，实现初次合并，初次合并后的中心线的起止顶点的标记与合并前有向中心线端点的标记一致。

相交指的是两连续的有向中心线有且只有一个交点且交点不是公共顶点，则二者相交；重叠指的是两连续的有向中心线间包含重叠弧段，则二者重叠；近似重叠指的是两连续的有向中心线的全连接均包含于海岸线陆地一侧，则二者进行重叠，具有相交、重叠、近似重叠关系两有向中心线初次合并的示意过程分别如图4-b、图4-c、图4-d所示。其原理如图5所示，获取两有向中心线全连接，并从中选取最长的线段作为合并结果。

初次合并后的中心线(包含未参加合并的有向中心线)的端点只存在两种标记情况：端点均被标记为自由点(终止顶点)、一个端点被标记为自由点和一个端点被标记为收缩点(起始顶点)。

通过计算机的实现手段为：

Step1：新建集合List{}用于存储待合并的有向中心线，将l_m加入到List{}，执行下一步。

Step2：若l_m与l_m+1有公共顶点，l_m+1加入List{}，令m＝m+1，重复此步骤；若l_m与l_m+1无公共顶点，执行下一步。

Step3：若l_m与l_m+1有且只有一个交点，且交点不是公共顶点，则令l_m＝Max{CC(l_m,l_m+1)}且l_m+1＝Max{CC(l_m,l_m+1)}，更新List{}中的l_m，令m＝m+1，执行Step2；否则，执行下一步。

Step4：若l_m与l_m+1存在重叠部分，则令l_m＝Max{CC(l_m,l_m+1)}且l_m+1＝Max{CC(l_m,l_m+1)}，更新List{}中的l_m，令m＝m+1，执行Step2；否则，执行下一步。

Step5：若CC(l_m,l_m+1)均包含于海岸线陆地侧，则令l_m＝Max{CC(l_m,l_m+1)}且l_m+1＝Max{CC(l_m,l_m+1)}，更新List{}中的l_m，令m＝m+1，执行Step2；否则，执行下一步。

Step6：若List{}中包含不止一个元素，则以公共顶点作为连接点，得到初次合并的中心线；否则，List{}中的唯一元素即为初次合并后的中心线。令m＝m+1，执行Step1。

初次合并后的中心线集合记为{l_m'}，l_m'端点的标记与合并前有向中心线起止顶点标记相同。

4.对初次合并后的有向中心线进行端点移动。

4.1自由点移动

被标记为自由点的端点的移动方式如下：

1)自由点向邻近的初次合并的中心线的收缩点移动，并以此移动轨迹作为连结线段，与相邻的中心线合并，如图6-a所示；

2)自由点沿初次合并的中心线内移动至与海岸线交点处停止，如图6-b所示；

3)自由点沿初次合并的中心线延长线方向移动至与海岸线交点处停止，如图6-c所示；

4)自由点沿初次合并的中心线延长线方向移动至另一中心线终止，且以此移动轨迹作为连结线段，合并两中心线，如图6-d所示。

自由点移动后，中心线合并完成，合并后的中心线对应的平行弧段组中下标最小的顶点与最大的顶点间所夹的弧段即为初步识别的突出式海岸人工建筑。自由点移动过程中伴随有有向中心线的再次合并。通过计算机的实现过程为：

Step1：若l_m'自由点与l_(m±1)'收缩点连线位于陆侧，且是CC(l_m',l_(m±1)')中包含于陆地一侧连结中距离最小的，则连接l_m'自由点与l_(m±1)'收缩点，且合并l_m'与l_(m±1)'；否则，执行下一步；

Step2：若l_m'与L相交，则自由点沿l_m'向内移动至l_m'与L的交点处，终止移动；否则，执行下一步；

Step3：自由点沿l_m'延长线向外移动，若与l_(m±1)'相交，则终止移动，执行下一步；否则，自由点沿l_m'延长线向外移动，直至与L相交，终止；

Step4：若交点是l_(m±1)'的端点或l_(m±1)'中不含收缩点，则合并l_m'与l_(m±1)'即可；若交点不是l_(m±1)'的端点且l_(m±1)'包含收缩点，则l_(m±1)'收缩点沿l_(m±1)'向内移动至交点时终止，且合并l_m'与l_(m±1)'。

4.2收缩点移动

自由点移动引发合并后的中心线集合记为{l_m”}，l_m”对应一个初步识别的、独立的突出式人工建筑的中心线。在此基础上，还要通过移动收缩点，如图7所示，处理合并后的中心线l_m”，得到最终的中心线结果。

其中包含收缩点的有向中心线记为l_{m_s}，其对应平行组的弧段分别为pl(l_{m_s})₁和pl(l_{m_s})₂，预处理后的人工海岸线中包含pl(l_{m_s})₁起始顶点且不是pl(l_{m_s})₁的弧段记为l_k1，包含pl(l_{m_s})₂终止顶点且不是pl(l_{m_s})₂的弧段记为l_k2，l_k1-2为pl(l_{m_s})₁起始顶点与pl(l_{m_s})₂终止顶点连结的线段。收缩点在以下两种情况下无需移动，如图8-a所示，图8-a中的图例与图8-b中的一样。

1)l_k1、l_k2及l_k1-2近似共线，收缩点不移动；

2)l_k1、l_k2及l_k1-2不近似共线时，若沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂的延长线且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁的延长线，或沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂内且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁内，也不用移动收缩点。

当不满足上述两种情况时，收缩点沿有向中心线方向移动至与该有向中心线的交点位置，并向初步识别的突出式海岸人工建筑中插入新定点用于更新对应平行组弧段的起始(或终止)顶点，进而对突出式海岸建筑识别结果进行更新，得到最终识别结果，其过程如图8-b所示。通过计算机实现收缩点移动的具体过程为：

Step1：连结pl(l_{m_s})₁_f和pl(l_{m_s})₂_t得到dl(pl(l_{m_s})₁_f,pl(l_{m_s})₂_t)，若Ang(l_k1,dl(pl(l_{m_s})₁_f,pl(l_{m_s})₂_t))≤α且Ang(dl(pl(l_{m_s})₁_f,pl(l_{m_s})₂_t),l_k2)≤α，即l_k1、dl(pl(l_{m_s})₁_f,pl(l_{m_s})₂_t)、l_k2近似共线，则不做处理；否则，执行下一步；

Step2：若沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂的延长线且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁的延长线，或沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂内且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁内，则不做处理；否则，执行下一步；

Step3：沿l_k1方向(或l_k2反向)延长交于pl(l_{m_s})₂(或pl(l_{m_s})₁)内，交点作为L中新插入的顶点记为v_{m_i}，且沿l_k2反向(或l_k1方向)延长交于pl(l_{m_s})₁反向延长线(或pl(l_{m_s})₂延长线)上，将l_{m_s}收缩点移动至l_{m_s}与dl(pl(l_{m_s})₁_f,v_{m_i})(或dl(pl(l_{m_s})₂_t,v_{m_i}))的交点，则改变原中心线。将pl(l_{m_s})₂_t(或pl(l_{m_s})₁_f)替换为v_{m_i}，对应平行组的弧段也得到处理。

有向中心线合并过程中，对应的平行组加入同一集合；处理后得到最终中心线l_m”'及其对应的平行组集合；获取平行组集合中所有线要素端点对应于L中顶点的下标，下标最小值与最大值顶点记为v_{m_min}、v_{m_max}，L中v_{m_min}、v_{m_max}及其间所有顶点构成l_m”’对应的突出式人工建筑岸线。

5.突出式海岸人工建筑化简。

突出式海岸人工建筑中所有平行组内最小距离小于制图要求的宽度阈值时，将通过上述过程提取的有向中心线作为该突出式人工建筑的降维表达，实现降维处理；当降维表达后的突出式海岸人工建筑存在小于制图要求长度阈值的部分，则删除此突出式人工建筑。

提取的突出式人工建筑岸线集合记为{L_T}，其余部分岸线依次记为{L_S}，L_T与L_S交替出现。一般情况下突出式人工建筑间相互独立，化简处理互不影响，{L_T}化简只考虑L_T化简即可。

L_T的端点分别为v_{m_min}、v_{m_max}，L_T对应中心线为l_m”'，l_m”'由有向中心线集合{l_m}构成，l_m”'对应平行组集合{{pl(l_m)₁,pl(l_m)₂}}，pl(l_m)₁与pl(l_m)₂间的最小距离为dis_min(pl(l_m)₁,pl(l_m)₂)。通常情况下，thl＝1mm，b＝0.1mm。

dis_min(pl(lm)₁,pl(lm)₂)

＝Min{Dis(pl(lm)₁_f,pl(lm)₂),Dis(pl(lm)₁_t,pl(lm)₂),Dis(pl(lm)₂_f,pl(lm)₁),Dis(pl(lm)₂_t,pl(lm)₁}

该步骤通过计算机的实现过程为：

Step1：若Min{dis_min(pl(l_m)₁,pl(l_m)₂)}/S₁≥thw/S₂，则L_T不做处理；否则，删除v_{m_min}与v_{m_max}间所有顶点，将l_m”'作为L_T半依比例尺的表达结果，执行Step2。

Step2：l_m””进行拓扑化处理得到{l_m””}。若{l_m””}数量为1时，对应突出式人工建筑为折线型，执行Step3；当{l_m””}数量不为1时，对应突出式人工建筑为T型，利用垂直关系将{l_m””}分为引桥集合{l_{m””_b}}和堤岸集合{l_{m””_d}}，执行Step4。

Step3：若Min{Len(dl(l_m””_f,l_m””_t))，Len(l_m””)}/S₁<thl/S₂，则删除l_m”'；否则，不作处理。

Step4：若Min{Min{Len(l_{m””_b})},∑{l_{m””_d}}}/S₁<thl/S₂，则删除l_m”'；否则，不作处理。

6.识别弯曲单元。

通过上述过程，可实现对人工海岸线中突出式海岸建筑的化简，但是人工海岸线还包括除突出式海岸建筑外的剩余人工海岸线，剩余人工海岸线形态相对规则简单，与海湾、岬角等地理要素一样均可作为一般弯曲单元进行识别、取舍。首先利用拐点法从除突出式海岸建筑外的剩余人工海岸线中识别弯曲单元，顾及“扩陆缩海”约束，提取海侧弯曲单元即可；探后通过弯曲面积、弯曲基线长度等量化衡量所识别的海侧弯曲单元，删除小于制图要求面积阈值或基线长度阈值的海侧弯曲单元；重复此识别、删除过程，直至所有不符合目标尺度下制图要求的细小海侧弯曲单元均被删除为止。

对本实例而言，可采用Springer出版的第773卷CCIS中《A Progressive Methodof Simplifying Polylines with Multi-bends Simplification Templates》中改进的拐点法识别弯曲单元，若识别弯曲单元的基线(起止顶点连结的线段)包含于海洋内时，该单元为海侧单元，识别的海侧单元集合记为{U(i)}。该步骤通过计算机实现时采用的具体手段为：

构造函数Base(U(i))返回海侧单元U(i)的基线长度；函数Area(U(i)))返回海侧单元U(i)及其基线所围成的多边形的面积。若Base(U(i))/S₁<thb/S₂或Area(U(i))/S₁<thb/S₂，则删除U(i)起止顶点间的所有顶点，即可实现该单元删除。遍历{U(i)}，删除所有需要删除的海侧弯曲，得到初次的化简结果。对上一次化简后的部分重复海侧单元识别、弯曲删除，直至没有弯曲被删除为止，完成化简。

7.拓扑冲突处理。

步骤5对突出式海岸人工建筑的化简和步骤6对其余人工海岸线的化简可能会产生拓扑冲突。将除突出式海岸人工建筑外的其余人工海岸线的化简结果与对应原海岸线进行叠加，已删除部分构成的面状多边形集合记为{B_m}，若B_m与突出式海岸人工建筑降维表达的结果间存在重叠部分，则化简结果存在拓扑冲突。

突出式海岸人工建筑的降维表达结果较多地包含于B_m内(降维表达结果于B_m外的部分不满足制图视觉要求)时，则将该降维表达删除，示意过程如图9-a所示。降维表达结果较少地包含于B_m内(降维表达结果于B_m外的部分足够满足制图视觉要求)时，则移动该降维表达，示意过程如图9-b所示。

将包含于B_m内的部分记为l_1m”'，其余部分为l_2m”'。对l_1m”'、l_2m”'进行拓扑化处理得到{l_1m””}、{l_2m””}，化简前后比例尺分别记为S₁、S₂，图上最小可视距离记为svo，通常情况下，svo＝0.2mm，l_m”'与B_m的冲突处理步骤如下：

Step1：若l_2m”'为空，则l_m”'包含于B_m，直接删除l_m”'；否则，执行下一步；

Step2：若Min{Len(l_2m””)}/S₁<svo/S₂，则删除l_m”'；否则，执行下一步；

Step3：Min{Len(l_1m””)}记为l_{1m””_min}，l_{1m””_min}与l_m”'有公共端点，l_m”'从公共端点开始沿l_{1m””_min}移动至l_{1m””_min}的另一端点为止。移动结束后，若仍存在包含于B_m内的部分，则用弯曲基线截断移动后的l_m”'，删除包含于B_m内的部分。

通过上述化简过程可知，本发明能够确保化简结果符合目标尺度下制图要求的同时，保持了丰富、准确的海岸人工特征，顾及航行安全，具有良好的拓扑一致性，是可以应用于海图综合的自动化方法。

Claims (7)

1.一种人工海岸线化简方法，其特征在于，该化简方法包括以下步骤：

1)人工海岸线描述：

以顶点顺序递增方向为人工海岸线方向，确保人工海岸线方向一侧为海洋，另一侧为陆地，将人工海岸线描述成相邻顶点构成的有向弧段集合；

2)提取有向中心线：

从有向弧段集合中筛选出构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组，提取出每个平行弧段组内的两弧段间的中心线段，并以两弧段中顶点顺序相对靠前的弧段的方向作为中心线段的方向，得到各平行弧段组的有向中心线；

3)有向中心线初次合并：

对有向中心线按照设定的约束条件进行初次合并，所述的设定的约束条件包括：

若两连续的有向中心线有且只有一个公共顶点，将该公共顶点作为连接点将两者合并；

若两连续的有向中心线没有公共顶点，但具有相交、重叠或者近似重叠的关系，将这两连续的有向中心线进行全连接，并选择全连接中最长的线段作为初次合并的结果；

4)对初次合并后的有向中心线进行端点移动：

所述初次合并后的有向中心线还包含有未参加合并的有向中心线，对初次合并的中心线的自由点和收缩点进行移动，所述自由点指的是有向中心线的终止顶点，所述收缩点指的是有向中心线的起始顶点；

5)利用端点移动后的有向中心线化简突出式海岸人工建筑：

若构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组间最小距离小于制图要求的宽度阈值，则将该平行弧段组对应的经过步骤3)和4)处理后的有向中心线作为对应突出式海岸人工建筑的降维表达，实现对突出式海岸人工建筑的化简；

6)识别弯曲单元：

利用拐点法从除突出式海岸建筑外的剩余人工海岸线中提取海侧弯曲单元，删除面积阈值或基线长度小于对应阈值的海侧弯曲单元，得到剩余人工海岸线的化简结果；

7)拓扑冲突处理：

将剩余人工海岸线化简结果与对应原海岸线部分叠加，将删除部分构成的面状多边形集合记为B_m，若存在有向中心线包含于B_m，则说明存在拓扑冲突，若存在拓扑冲突的有向中心线于B_m外的部分不满足制图视觉要求时，将该有向中心线删除，若存在拓扑冲突的有向中心线于B_m外的部分满足制图视觉要求时，将该有向中心线移动至B_m外。

2.根据权利要求1所述的人工海岸线化简方法，其特征在于，所述步骤2)中筛选出的构成突出式海岸人工建筑的平行弧段组满足以下条件：

a.平行弧段组内的两弧段平行或近似平行；

b.平行弧段组内只包含陆地，不包含海洋；

c.平行弧段组内两弧段间的间距小于两弧段的平均长度。

3.根据权利要求1所述的人工海岸线化简方法，其特征在于，所述步骤4)中自由点的移动方式为：

自由点向邻近的初次合并后的中心线的收缩点移动，并以该自由点的移动轨迹作为连接线段，与相邻的中心线合并；

自由点沿初次合并的中心线内移动至与人工海岸线交点处停止；

自由点沿初次合并的中心线延长线方向移动至海岸线交点处停止；

自由点沿初次合并的中心线延长线方向移动至另一中心线终止，并以此移动轨迹作为连接线段，合并两中心线。

4.根据权利要求1或3所述的人工海岸线化简方法，其特征在于，所述步骤4)中收缩点的移动方式为：

当收缩点不满足设定条件时，将收缩点沿有向中心线方向移动至l_k1或l_k2与有向中心线的交点位置；其中包含收缩点的有向中心线记为l_{m_s}，其对应的平行弧段组的两弧段分别为pl(l_{m_s})₁和pl(l_{m_s})₂，人工海岸线中包含pl(l_{m_s})₁起始顶点且不是pl(l_{m_s})₁的弧段记为l_k1，包含pl(l_{m_s})₂终止顶点且不是pl(l_{m_s})₂的弧段记为l_k2，l_k1-2为pl(l_{m_s})₁起始顶点与pl(l_{m_s})₂终止顶点连结的线段；

所述的设定条件为：(1)l_k1、l_k2及l_k1-2近似共线；(2)l_k1、l_k2及l_k1-2不近似共线，沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂的延长线且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁的延长线，或沿l_k1方向延长交于pl(l_{m_s})₂内且沿l_k2反向延长交于pl(l_{m_s})₁内。

5.根据权利要求1所述的人工海岸线化简方法，其特征在于，所述步骤1)还包括对所述有向弧段集合进行预处理，预处理过程为：将相邻且近似共线的有向弧段进行合并，所述近似共线指的是两个弧段之间的夹角小于等于设定角度阈值。

6.根据权利要求4所述的人工海岸线化简方法，其特征在于，所述步骤5)中对突出式海岸人工建筑的化简还包括若降维处理后的突出式海岸人工建筑小于制图要求的长度阈值，将该突出式海岸人工建筑删除的步骤。

7.根据权利要求1所述的人工海岸线化简方法，其特征在于，所述步骤3)中的相交指的是两连续的有向中心线有且只有一个交点且交点不是公共顶点；重叠指的是两连续的有向中心线间包含重叠弧段；近似重叠指的是两连续的有向中心线的全连接均包含于海岸线陆地一侧。

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