CN110995849A - 一种矢量数据位置信息的传输与存储方法 - Google Patents

一种矢量数据位置信息的传输与存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矢量数据位置信息的传输与存储方法，包括S1获取矢量数据位置信息的原始数据；S2求出经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan；判断该矢量数据是否符合本方法应用条件；S3求解经度中值Xmid和纬度中值Ymid；S4分别计算每点实体的坐标数据(X，Y)与经度中值Xmid和纬度中值Ymid的偏移量值(Xoffset，Yoffset)；S5使用float类型的数值分别存储经度中值Xmid和纬度中值Ymid；S6分别使用24个bit位来存储偏移量Xoffset值和Yoffset值；S7对压缩后的矢量数据位置信息进行存储或传输；S8对压缩后的矢量数据位置信息进行逆向解析。本发明的矢量数据位置信息的传输与存储方法在确保小数点后5位数精度的前提下，在数据点大于100的情况下能节省约25％的数据存储与传输量。

Description

一种矢量数据位置信息的传输与存储方法
技术领域
本发明涉及数据存储与传输领域，尤其涉及一种矢量数据位置信息的传输与存储方法。
背景技术
空间数据具有属性特征(表示实际物体或目标、现象的性质)和空间特征(表示物体或目标的空间位置)，所以在计算机中可用一对或一组坐标加上属性码(或称特征码)来表示空间数据，称该数据为矢量数据，矢量数据是计算机中表示空间数据的一种基本形式。
按照矢量数据的结构特点，地图上的基本图形要素可以概括为点实体、线实体、面实体三种元素及它们的组合。
点实体：在二维空间中，点实体可以用一对坐标(X，Y)来确定位置。
线实体：线实体可以认为是由连续的直线段组成的曲线，用坐标串的集合(X1，Y1；X2，Y2；……Xn，Yn)来记录。
面实体：在记录面实体时，通常通过记录面状地物的边界来表现，因而有时也称为多边形数据。
在实际项目中，很多地图要素仅用点实体即可表示，例如全国中学分布图要素，银行网点分布图，均可以只用点实体来表示；道路、河流、铁路等地图要素可以用线实体来表示；某行政区域，如北京市可以用面实体来表示；无论是点实体、线实体还是面实体表示的地理要素，其每个点都包含坐标位置信息和属性信息。随着某地理要素中点实体个数的增加，矢量数据的传输量和存储空间渐渐成为影响应用系统性能的关键因素，例如，在手机上使用某应用程序请求工行的全国营业网点矢量数据时，就会发生从服务器往手机客户端上传输全国2万多个营业网点的点实体数据的网络传输问题。
再比如，在手机上使用地图导航软件时，也需要从服务器上传输面实体的中国边界数据、各省的边界、各县的边界数据等等。这些点、线、面实体的数据传输和存储量往往很大，若能在满足用户需求的前提下，减少数据传输量，则可以提高网络传输效率，提高应用软件的性能，是很有实际应用价值的。
对于用经纬度表示空间位置的矢量数据，例如点实体、线实体、面实体中，每个点的坐标(x，y)都是用经纬度来表示的，例如在WGS84坐标系(World Geodetic System 1984，为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统)下的位置值(x，y)，其中x代表经度，y表示纬度，对于这样的矢量数据，其空间位置信息在目前的传输及存储技术上，一般都是使用4字节的float类型数据来存储一个数值，这样表示经度x和纬度y数值就需要2个float类型的内存，共8个字节(本文不考虑位置信息的高度数值，以及实体的属性信息存储所需要的空间，只研究矢量数据的位置信息的传输及存储)。虽然目前也有专门针对矢量数据的压缩技术，但都是有损压缩，是以直接减少原先的矢量数据的点数或大幅降低位置精确度为代价的，目前还没有既能不改变矢量数据的点个数，同时能保持较高的精确度的压缩技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何在满足用户需求的前提下，节省矢量数据的传输及存储空间、提高网络传输效率和节省存储空间。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种矢量数据位置信息的传输与存储方法，包括以下步骤：
S1、获取某应用中所有矢量数据位置信息的原始数据，设为N个点实体；
S2、求出N个点实体的经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan；判断该矢量数据是否符合本方法应用条件；具体的，找出N个点实体中的经度最小值Xmin和最大值Xmax，Xspan＝(Xmax-Xmin)，找出这N个点中的纬度最小值Ymin和最大值Ymax，Yspan定义为(Ymax-Ymin)；如果经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan均不大于126度，符合本方法应用条件，执行步骤S3；否则不适用本方法；
S3、求解经度中值Xmid和纬度中值Ymid；Xmid定义为(Xmin+Xmax)/2.0；Ymid定义为(Ymin+Ymax)/2.0；
S4、分别计算每点实体的坐标数据(X，Y)与经度中值Xmid和纬度中值Ymid的偏移量值(Xoffset，Yoffset)；其中Xoffset＝X-Xmid，Yoffset＝Y-Ymid；
S5、使用float类型的数值分别存储经度中值Xmid和纬度中值Ymid；
S6、分别使用24个bit位来存储偏移量Xoffset值和Yoffset值，具体的，使用1个bit位表示正负，使用6个bit位来存储Xoffset和Yoffset的整数部分，使用17个bit位来存储Xoffset和Yoffset的小数部分*100000得到的整数值；
S7、对压缩后的矢量数据位置信息进行存储或传输；
S8、对压缩后的矢量数据位置信息按照步骤S2-S6相反的操作进行反向解析。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述步骤S3中，对于不符合条件的矢量数据，可将整个矢量数据进行分割，得到多个子矢量数据集，每个子矢量数据若满足条件，可继续使用本方法进行数据压缩。
进一步地，所述S6、分别使用24个bit位来存储偏移量Xoffset值和Yoffset值中，24个bit位中，第1个bit位为符号位，第2-7个bit位为整数部分，第8-24个bit位为小数部分*100000得到的整数数值。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本方法针对目前矢量数据位置信息的压缩处理，对于具有N个点实体的矢量数据位置信息而言，使原本需要8*N个字节的存储空间，现在仅需要8+6*N字节的内存空间，当N大于100时本方法可节省约25％的存储空间，大幅度减少数据传输量与存储空间。
附图说明
图1为本发明的矢量数据位置信息的传输与存储方法的流程图。
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。
请参考图1所示，一种矢量数据位置信息的传输与存储方法，包括以下步骤
S1、获取某应用中所有矢量数据位置信息的原始数据，设为N个点实体；
S2、求出N个点实体的经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan；判断该矢量数据是否符合本方法应用条件；具体的，找出N个点实体中的经度最小值Xmin和最大值Xmax，Xspan＝(Xmax-Xmin)，找出这N个点中的纬度最小值Ymin和最大值Ymax，Yspan定义为(Ymax-Ymin)；如果经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan均不大于126度，符合本方法应用条件，执行步骤S3；否则不适用本方法；
S3、求解经度中值Xmid和纬度中值Ymid；Xmid定义为(Xmin+Xmax)/2.0；Ymid定义为(Ymin+Ymax)/2.0；
S4、分别计算每点实体的坐标数据(X，Y)与经度中值Xmid和纬度中值Ymid的偏移量值(Xoffset，Yoffset)；其中Xoffset＝X-Xmid，Yoffset＝Y-Ymid；
S5、使用float类型的数值分别存储经度中值Xmid和纬度中值Ymid；
S6、分别使用24个bit位来存储偏移量Xoffset值和Yoffset值，具体的，使用1个bit位表示正负，使用6个bit位来存储Xoffset和Yoffset的整数部分，使用17个bit位来存储Xoffset和Yoffset的小数部分*100000得到的整数值；其中，规定第1个bit位为符号位，第2-7个bit位为整数部分，第8-24个bit位为小数部分*100000得到的整数数值。
S7、对压缩后的矢量数据位置信息进行存储或传输；
S8、对压缩后的矢量数据位置信息按照步骤S2-S6相反的操作进行反向解析。
假设某面实体矢量数据的多边形为PolyA，其包含的点按顺序分别为Pt1，Pt2，。。。，PtN，假设共N个点，每个点的空间位置经度用X表示，纬度用Y表示。按目前常规的技术方法，这样的矢量数据位置信息存储和传输共需要8*N字节。
利用本方法进行压缩处理如下：
S2、求出矢量数据位置信息的经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan；
即找出这N个点中的经度最小值Xmin和最大值Xmax，Xspan定义为(Xmax-Xmin)；找出这N个点中的纬度最小值Ymin和最大值Ymax，Yspan定义为(Ymax-Ymin)；如果矢量数据的位置信息中经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan均不大于126度，符合本文方法应用条件，否则不符合条件。对于不符合条件的矢量数据，也可按不同情况进行局部再划分，得到多个子矢量数据集，每个子矢量数据均满足条件，这样可继续使用本文方法。
经纬度跨度126度所覆盖的范围足够大，以中国的区域边界位置信息范围为例:
最东端东经135度2分30秒黑龙江和乌苏里江交汇处
最西端东经73度40分帕米尔高原乌兹别里山口(乌恰县)
最南端北纬3度52分南沙群岛曾母暗沙
最北端北纬53度33分漠河以北黑龙江主航道(漠河)
由此可见，中国区域内的矢量数据，均满足本文方法的应用条件，这点从根本上保证了本方法的适用范围非常广泛，能够满足大部分的应用需求。
S3、求解矢量数据的位置信息的经度中值Xmid和纬度中值Ymid；Xmid定义为(Xmin+Xmax)/2.0；Ymid定义为(Ymin+Ymax)/2.0。
S4、用1字节的float类型的数值分别存储经度中值Xmid和纬度中值Ymid；
S5、计算多边形PolyA中的每个点的位置经纬度值(X，Y)与(Xmid，Ymid)的偏移量值(Xoffset，Yoffset)，其中Xoffset＝X-Xmid，Yoffset＝Y-Ymid。在存储偏移量值(Xoffset，Yoffset)时，采用7个bit位来存储Xoffset和Yoffset的整数部分，使用17个bit位来存储Xoffset和Yoffset的小数部分*100000得到的整数值。即使用24个bit位来分别存储偏移量Xoffset值和Yoffset值。
具体处理如下：
使用7个bit位来存储Xoffset和Yoffset的整数部分。
我们知道，一字节(8个bit位)长度的无符号整数范围为0至255，6个bit位长度的无符号整数范围为0至63。因为Xoffset和Yoffset有正有负，所以我们需要使用1个bit位来表示Xoffset和Yoffset的正负，使用6个bit位来存储Xoffset和Yoffset的绝对值的整数部分。
假设某点对应的Xoffset＝-9.02345，Yoffset＝62.34453。
使用6个bit位来存储Xoffset的绝对值的整数部分9的内存分布如：001001。
使用6个bit位来存储Yoffset的绝对值的整数部分62的内存分布如：111110。
再使用1个bit位来表示Xoffset和Yoffset的正负，可以规定正值为1，负值为0(也可以规定正值为0，负值为1，只要与后续的解析过程保持一致就可以)，具体内存分布上，这1个bit位的符号位，可设置在7个bit位中的任意一位置，为方便起见，将符号位确定在7个bit位的高位位置(即最左边)。
使用7个bit位来存储Xoffset的整数部分-9的内存分布如：0001001。
使用7个bit位来存储Yoffset的整数部分62的内存分布如：1111110。
使用17个bit位来存储Xoffset和Yoffset的小数部分*100000得到的整数值。
17个bit位长度的无符号整数范围为0至131071，小数点后保留5位数据精度*100000的最大值99999，而131071大于99999,所以17个bit位可以保证小数点后5位的精度。为进一步简化存储信息，存储Xoffset和Yoffset的小数部分时，使|Xoffset-[Xoffset]|*100000和|Yoffset-[Yoffset]|*100000，此处运算符[x]表示对数值x取整数，因此17个bit位长度存储的数值是个正整数。运算符|x|表示对数值x取绝对值。
具体处理如下示例：假设Xoffset＝-9.02345，Yoffset＝62.34453。
那么使用17个bit位来存储Xoffset的小数部分时，实际存储的整数值为：|-9.02345-[-9.02345]|*100000＝2345，其17个bit位的内存分布如：00000100100101001。
使用17个bit位来存储Yoffset的小数部分时，实际存储的整数值为：|62.34453-[62.34453]|*100000＝34453，其17个bit位的内存分布如：01000011010010101。
分别使用24个bit位(也就是3个字节)来存储一个点实体的Xoffset值和Yoffset值。
结合上面步骤，在内存中使用24个bit位存储点Xoffset值和Yoffset值，具体存储时，存储Xoffset和Yoffset的整数部分的7个bit位是放在24个bit位的高位(最左边)还是低位(最右边)均可，不做限制，只要与后续的解析过程保持一致即可。本实施例存储Xoffset和Yoffset的整数部分的7个bit位是放在24个bit位的高位(最左边)，存储Xoffset和Yoffset的小数部分的17个bit位是放在24个bit位的低位(最右边)。假设Xoffset＝-9.02345，Yoffset＝62.34453。
使用24个bit位来存储点Xoffset值的内存分布如：000100100000100100101001。
使用24个bit位来存储点Yoffset值的内存分布如：111111001000011010010101。
经过上述步骤对多边形PolyA中的N个点都进行处理后，我们得到矢量数据位置信息的数据内存布局如下表：
Figure BDA0002312813890000081
表一矢量数据经纬度数值优化后的内存布局
将表一的数据，以字节为单位进行网络传输或者写入文件进行存储，这样，仅使用了8+N*6字节的内存空间记录了传统的矢量数据位置信息需要8*N字节的数据，当N大于100时本方法可节省约25％的内存空间，大大减少数据传输量或存储空间。
当网络接收方收到表一的数据(或读取数据文件)时，可按上述步骤的处理过程对每个点进行逆向解析，解析的过程其实就是上述优化步骤的逆过程，例如对第1个点，得到第1个点的Xoffset的整数部分和小数部分，然后合成Xoffset值(需要注意将17个bit位的整数值/100000，得到的才是实际的小数点部分)，再与经度中值Xmid相加，得到第一个点的位置经度值X；得到第1个点的Yoffset的整数部分和小数部分，然后合成Yoffset值，再与纬度中值Ymid相加，得到第1个点的位置纬度值Y；依次类推，N个点的处理过程完全一样，处理解析完即可得到多边形PolyA中的N个点的经纬度位置信息。对上述操作过程进行逆向操作的其他细节，本领域技术人员均熟悉如何操作，在此不再重复叙述。
本方法充分考虑到矢量数据空间位置信息的数值具有一定的分布范围的特点，采用7个bit位来存储位置点经纬度的变化范围，这样满足本文所述方法的位置变化范围为正负63(1个bit位记录符号，6个bit位记录变化范围值)，因此满足本文的矢量数据的经纬度最大值和最小值相差可达126度。下面为中国的区域边界位置信息范围:
最东端东经135度2分30秒黑龙江和乌苏里江交汇处
最西端东经73度40分帕米尔高原乌兹别里山口(乌恰县)
最南端北纬3度52分南沙群岛曾母暗沙
最北端北纬53度33分漠河以北黑龙江主航道(漠河)
由此可见，中国区域内的矢量数据，均满足本文方法的应用条件。这点从根本上保证了本方法的适用范围非常广泛，能够满足大部分的应用需求。
我们使用17个bit位来存储经纬度值的小数点后的5位小数*100000，这样最大值是99999，在17个bit位表示的无符号整数范围内。我们知道，经度0.00001度在赤道上对应的地球表面距离约为1米稍多，纬度0.00001度在地球表面任意地方对应的地球表面距离都是大约1米稍多。因此使用本文所述方法存储经纬度值的5位小数精度值，在应用中能达到1米左右的位置精度需求，这就保证大部分的应用精度需求。
利用本方法，对于矢量数据中的点、线、面实体数据均可适用，例如全国村庄矢量点数据，等高线数据、地图中各级行政区划边界数据、以及最常用的手机位置导航数据等等，基本上每天的生活中都涉及到矢量数据位置信息的传输问题，本方法的应用面非常广，采用本方法可节约25％的传输量及存储空间，提高系统性能降低成本。
以中国乡村级矢量空间点数据为例，乡村点数量在30万以上，采用常规的4字节的float类型来存储位置信息的经度和纬度值，则需要300000*8字节＝2.29M的内存空间。经本文分析，乡村点位置范围满足本文方法的条件要求，对每个点位置共采用6字节来存储经度偏移量和纬度偏移量，共需要的内存空间约为1.72M，约为常规方法存储大小的75％，仅此一项矢量数据的一次空间信息数据传输，就可节省0.57M网络传输流量，对于用户量巨大的地图导航软件，采用本方法每天可节省的传输数据量将是巨大的，因此可以看出本方法极大的实用价值。
本方法是对每个点的经纬度数值进行优化内存布局，与现有的矢量数据压缩方法不同，本方法并没有减少矢量数据的点个数，数据的准确度可保证5位小数点精度,现有的压缩技术无法做到这两点。
对于不符合条件的矢量数据，有多种处理方法进行局部分组，使分组后的矢量数据满足本方法条件，因此本方法的应用条件灵活，扩展性强。
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 (3)

1.一种矢量数据位置信息的传输与存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取某应用中所有矢量数据位置信息的原始数据，设为N个点实体；
S2、求出N个点实体的经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan；判断该矢量数据是否符合本方法；具体的，找出N个点实体中的经度最小值Xmin和最大值Xmax，Xspan＝(Xmax-Xmin)，找出N个点中的纬度最小值Ymin和最大值Ymax，Yspan定义为(Ymax-Ymin)；如果经度跨度值Xspan和纬度跨度值Yspan均不大于126度，符合本方法应用条件，执行步骤S3；否则不适用本方法；
S3、求解经度中值Xmid和纬度中值Ymid；Xmid定义为(Xmin+Xmax)/2.0；Ymid定义为(Ymin+Ymax)/2.0；
S4、分别计算每个点实体的坐标数据(X，Y)与经度中值Xmid和纬度中值Ymid的偏移量值(Xoffset，Yoffset)；其中Xoffset＝X-Xmid，Yoffset＝Y-Ymid；
S5、使用float类型的数值分别存储经度中值Xmid和纬度中值Ymid；
S6、分别使用24个bit位来存储偏移量Xoffset值和Yoffset值，具体的，使用1个bit位表示正负，使用6个bit位来存储Xoffset和Yoffset的整数部分，使用17个bit位来存储Xoffset和Yoffset的小数部分*100000得到的整数值；
S7、对压缩后的矢量数据位置信息进行存储或传输；
S8、对压缩后的矢量数据位置信息按照步骤S2-S6相反的操作进行反向解析。
2.根据权利要求1所述的矢量数据位置信息的传输与存储方法，其特征在于，所述步骤S3中，若矢量数据位置信息经纬度跨度过大导致不适用本方法，可将整个矢量数据位置信息分割为多个满足条件的子矢量数据集，每个子矢量数据集单独使用本方法进行数据压缩。
3.根据权利要求1或2所述的矢量数据位置信息的传输与存储方法，其特征在于，所述S6分别使用24个bit位来存储偏移量Xoffset值和Yoffset值中，第1个bit位为符号位，第2-7个bit位为Xoffset或Yoffset整数部分，第8-24个bit位为Xoffset或Yoffset小数部分*100000得到的整数数值。
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