CN113327327A - 一种面状水系骨架线自动提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面状水系骨架线自动提取方法，属于计算机地图制图技术领域。本发明综合考虑面状水系与其周围水系之间的空间关系，在剪枝操作引入了空间关系约束，实现了事前骨架线剪枝处理，避免大部分的“V”字连接，维护水系之间的拓扑关系，剪枝操作更加合理；此外，本发明还根据面状水系图结构各路径之间的层级关系确定主次骨架线连接方式，根据空间邻接关系确定I类和II类三角形骨架线连接方式，骨架线提取过程符合人工骨架线提取规律，骨架线提取结果符合地理认知，准确描述了面状水系的地理形态，对不同形态和复杂程度的面状水系均能得到良好的骨架线提取结果。

Description

一种面状水系骨架线自动提取方法

技术领域

本发明涉及一种面状水系骨架线自动提取方法，属于计算机地图制图技术领域。

背景技术

面状要素骨架线是对面状要素的抽象描述，反映其主要延伸方向和主体形状特征。水系是系列比例尺地形图表示的核心要素之一，反映现实世界中河流之间、湖泊之间、河流与湖泊之间的连通和分布情况，是地图表达不可或缺的骨架。面状水系骨架线作为具有特定地理意义抽象表达结果在水系多尺度表达、基于骨架线的水系空间分析、水系注记配置、多尺度水系匹配等方面有着重要的应用。

目前，面状水系骨架线提取通常采用基于面要素边界点构建约束Delaunay三角网(Constrained Delaunay Triangulation,CDT)或Voronoi图的方式。基于CDT面状水系骨架线提取利用了三角网中三角形边具有连接空间邻近性的特点，连接各相邻三角形质心(或中线中点、非约束边中点)生成骨架线，通过三角剖分提取的骨架线具有区域等分性特点，对岸线复杂的面状水系骨架线提取有较好的适用性。基于Voronoi图提取方式利用了Voronoi图界线是不同边界元素等距离点轨迹的特点，该方法应用于凸多边形时，提取的Voronoi图界线与数学意义上的中轴等价，但是应用于面状水系骨架线提取时，需要进一步改进。现有的面状水系骨架线提取方法存在以下方面的几个问题：①提取的骨架线存在较多不必要分枝，处理骨架线分枝的方式不合理；②骨架线上“V”字连接较多，不符合Gestalt认知原则中良好延续性要求；③需要较多的人工后续处理，如多余分枝删除、拓扑连接等；④骨架线提取方法多关注面状水系自身的形状特征，忽略了水系要素间的空间关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种面状水系骨架线自动提取方法，以解决目前面状水系骨架线提取过程中存在的分支修剪不合理、“V”字连接较多、需要较多人工后续处理的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种面状水系骨架线自动提取方法，该提取方法包括以下步骤：

1)对面状水系进行CDT剖分，以剖分三角形为节点，三角形的邻接关系作为链接边，构建面状水系图结构化模型；

2)根据面状水系与邻近线状河空间邻接关系提取相接点，确定相接点所在剖分三角形节点，根据确定出的三角形节点对面状水系进行剪枝操作；

3)对经过剪枝操作的面状水系图结构中各类三角形的骨架线连接方式进行设置，并按照设置的方式进行连接。

本发明首先对面状水系进行CDT剖分，建立面状水系图结构化模型，然后在该模型基础上根据面状水系与邻近线状河流空间邻接关系提取相接点，基于相接点的位置对面状水系进行剪枝操作。本发明综合考虑面状水系与其周围水系之间的空间关系，在剪枝操作引入了空间关系约束，实现了事前骨架线剪枝处理，避免大部分的“V”字连接，维护水系之间的拓扑关系，剪枝操作更加合理，使得最终提取出的面状水系骨架线更加符合实际面状水系的地理形态。

进一步地，所述步骤1)中CDT剖分出的三角形包括只有一条非约束边的剖分三角形的I类三角形、有两条非约束边的剖分三角形的II类三角形以及有三条非约束边的剖分三角形的III类三角形，其中I类三角形对应的节点为端点，II类三角形对应的节点为连接点，III类三角形对应的节点为汇入点。

进一步地，所述步骤2)的实现过程如下：

a.通过空间关系运算获取面状水系相邻接的所有线状河流，提取线状河流与面状水系相接点所在三角形；

b.对面状水系图结构化模型中的节点进行遍历，根据提取的线状河流与面状水系相接点所在三角形对汇入点与其直接相连端点之间的图路径进行修剪处理。

进一步地，所述步骤b中修剪处理过程如下：

A.对端点进行遍历，判断端点所对应的三角形是否为所提取的线状河流与面状水系相接点所在的三角形，若是，则保留该端点与其直接相连汇入点之间的图路径；

B.若汇入点与其直接相连端点之间的图路径中的各节点均不与线状河流相接，则删除该图路径中除了汇入点之外的其他节点，并将汇入点的性质修改为连接点；

C.若端点所对应的三角形不是所提取的线状河流与面状水系相接点所在的三角形时，则进一步确定出该端点与其直接相连汇入点图路径中是否有与线状河流相接的连接点，若有，则找出与该端点最近的连接点，将删除该端点与最近连接点之间的图路径，并将连接点的性质修改为端点；

D.重复执行步骤A、B和C，直到图结构中的节点数量和性质不再变化。

进一步地，所述步骤3)中的III类三角形骨架线连接方式是根据面状水系图结构各路径之间的层级关系确定，所述步骤3)中的I类和II类三角形骨架线连接方式是根据空间邻接关系确定的。

进一步地，面状水系图结构各路径之间的层级关系确定过程如下：

基于面状水系图结构获取图直径并确定主骨架路径，从主骨架线汇入点追踪出二级骨架路径，沿二级骨架路径汇入点追踪出三级骨架路径，直至追踪出的骨架路径中没有汇入点，以此建立面状水系图结构各路径之间的层级关系。

进一步地，Ⅲ类三角形骨架线连接方式为：将Ⅲ类三角形中相同层次的非约束边的中点进行连接，并连接该连线中点与另一条非约束边的中点。

进一步地，I类三角形骨架线连接方式为：连接非约束边中点和该三角形与线状河流的相接点。

进一步地，II类三角形骨架线连接方式为：

当II类三角形没有相接点约束时，骨架线连接方式为：连接两条非约束边的中点；

当II类三角形有相接点约束时，骨架线连接方式为：连接相接点和其所在三角形两条非约束边中点连线的中点。

进一步地，构建的面状水系图结构化模型中链接权重为邻近三角形质心之间的距离。

附图说明

图1是本发明面状水系骨架线自动提取方法的流程图；

图2是发明实施例中面状水系CDT剖分示意图；

图3是本发明实施例中面状水系结构化模型示意图；

图4是本发明实施例中面状水系图结构剪枝前骨架线提取示意图；

图5是本发明实施例中面状水系图结构剪枝后骨架线提取示意图；

图6是本发明实施例中III类三角形骨架线连接示意图；

图7是本发明实施例中I类和II类三角形骨架线连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明的面状水系骨架线自动提取方法首先采用基于约束Delaunay三角网剖分，构建面状水系图结构化模型；然后根据面状水系与邻近线状河空间邻接关系提取相接点，标记相接点所在剖分三角形节点，通过图剪枝操作，剪去无标记节点的图路径；最后根据图结构层次关系，设置Ⅲ类三角形的骨架线连接方式，根据空间关系约束标记节点，设置Ⅰ类和Ⅱ类三角形连接方式，实现骨架线自动提取。该方法的实现过程如图1所示，具体实现步骤如下。

1.根据面状水系CDT剖分结果，以剖分三角形为节点，三角形的邻接关系作为链接边，链接权重为邻近三角形质心之间的距离，构建面状水系图结构化模型。

对待提取骨架线的面状水系边界点构建CDT，提取位于面状水系内的三角形，依据三角形约束边的数量将CDT中的三角形分为3类：Ⅰ类三角形，只有一条非约束边的剖分三角形；Ⅱ类三角形，有两条非约束边的三角形；Ⅲ类三角形，三条边都是非约束边的剖分三角形，如图2所示。基于CDT的面状要素结构化主要采用二叉树模型，二叉树模型在曲线化简、骨架线提取等应用中是非常经典的模型。但是，面要素轮廓闭合的形状特点，导致其在应用二叉树模型进行结构化表达时，需要设置特定三角形作为根节点，实现二叉树模型构建。

目前，作为根节点的三角形主要有两种类型：一是以面积最大的Ⅲ类三角形作为根节点，往其三个方向依次构建三棵二叉树，其本质是一棵伪二叉树；另一个是以满足特定需求指标的Ⅰ类三角形作为根节点切入，在分叉处一分为二，建立二叉树结构。这两种基于二叉树的面要素结构化方式有以下不足：①人为割裂了面要素的整体特征，弱化了面要素轮廓局部特征之间的联系，如相邻的弯曲或骨架线分枝被分割在不同的子二叉树中，其相邻关系被拉远；②构建的二叉树结构不唯一，增加了面要素骨架线提取的不确定性。

为此，本发明对剖分三角形(抽象为节点)集合V＝{v₁,v₂,…,v_m}和两个相邻三角形之间邻接关系(抽象为链接)集合E＝{e₁,e₂,…,e_n}建立二元组图结构G_s＝(V,E)，实现面状水系图结构化表达，为应用图论分析的相关方法奠定了基础。如图3所示，端点是图结构中度为1的节点，对应CDT中Ⅰ类三角形；连接点是图结构中度为2的节点，对应CDT中Ⅱ类三角形；汇入点是图结构中度为3的节点，对应CDT中Ⅲ类三角形。

2.根据面状水系与邻近线状河空间邻接关系提取相接点，标记相接点所在剖分三角形节点，通过图剪枝操作，剪去无标记节点的图路径。

受到地形、地质、水流冲刷等因素影响，面状水系呈现出形态复杂、岸线曲折的特点。岸线的抖动会产生多余的骨架线分枝，这些分枝一部分是由三个顶点位于岸线同一侧的三角形骨架线生成，如图4中的2处(标有2的虚线框)；同时，由于上游没有河流汇入，或者上游河流在当前比例尺已经被舍弃的原因，面状水系的分支部分也提取出相应骨架线，如图4中的1、3处(标有1、3的虚线框)。这些骨架线分枝大多不满足表达要求，在后续处理过程中会被删除，影响提取结果的准确性，并且骨架线分枝的存在，在骨架线交叉处会产生“V”字形骨架线连接，影响降维后河流形态的表达，不符合Gestalt认知原则中的良好延续性要求和地理认知。目前，针对多余骨架线分枝处理的主要方法是对骨架线按照设置的长度阈值进行事后剪枝处理，这种方式没有改变相连接骨架线被扰动的客观事实，而且存在被舍弃的骨架线分枝是上下游水系之间连接部分，破坏水系之间拓扑关系的情况。因此，本发明综合考虑面状水系与其周围水系之间的空间关系，在空间关系约束下对图结构进行剪枝，以事前剪枝处理的方式避免大部分的“V”字连接，维护水系之间的拓扑关系，具体剪枝步骤如下：

1)通过空间间关系运算获取面状水系相邻接的所有线状河流，提取线状河流与面状水系相接点所在三角形。

如图4所示，与本实施例中的面状水系相邻接的线状河流有5条，线状河流与面状水系相接点所在三角形也有5个。为便于编程实现，本发明提取出的上述三角形的isConect属性标记为True，相接点存入三角形ConectPt属性。

2)对面状水系图结构化模型中的节点进行遍历，对于汇入点与其直接相连端点之间的图路径进行如下判断处理：

A.对面状水系图结构化模型中的端点进行遍历，判断端点所在的三角形(即I类三角形)是否为所提取的线状河流与面状水系相接点所在的三角形，若是，则保留该端点与其直接相连汇入点之间的图路径；

B.在遍历过程中，若发现图路径中各节点均不与线状河流相接，则删除该图路径中除了汇入点之外的其他节点(端点和连接点)，并将汇入点变为连接点；即若图路径中节点isConect属性均为False，则删除该图路径，只保留汇入点，该汇入点的度变为2，节点性质转变为连接点；

C.当端点所在的三角形(即I类三角形)不是所提取的线状河流与面状水系相接点所在的三角形时，则进一步确定出该端点所在的图路径中是否有与线状河流相接的连接点，若有，则找出与该端点最近的连接点，删除该端点与最近连接点之间的图路径，此时，该连接点的节点性质由连接点变为了端点；

具体在编程实现时，可采用以下方式：若端点isConect属性为False，但存在连接点isConect属性为True，则删除端点与其距离最近isConect属性为True连接点之间的图路径，该连接点度变为1，节点性质转变为端点；

重复执行步骤A、B和C，直到图结构中的节点数量和性质不再变化，表明剪枝结束，对本实施例而言，剪枝后的骨架线提取结果如图5所示，从中可以看出，按照本发明的修剪方式，能够避免大部分的“V”字连接，在不改变水系之间的拓扑关系的前提下消除骨架线的扰动。

3.对经过剪枝操作的面状水系图的主骨架路径，从主骨架路径度为3的节点追踪出二级骨架路径，依此类推，得到图结构各个路径之间的层级关系，根据图结构层次关系，设置三角形的骨架线连接方式。

在人类的空间认知中，主支部分在空间上蕴含“父”与“子”的关系，骨架线提取应保持支部注入主部的图形特点。分析目前方法提取的骨架线中，扰动产生于Ⅲ类三角形内，是Ⅲ类三角形不合理骨架线连接方式造成的，需对其在层次关系指导下进行改进。该步骤的具体实现过程如下：首先，借鉴河流分级思想建立剪枝后图结构的层次关系，采用图论中广度优先算法基于面状水系图结构获取图直径并产生主骨架路径(主骨架路径指的是骨架线中权重最大的路径)，从主骨架线汇入点追踪出二级骨架路径，依此类推，直至追踪出的骨架路径中不存在接入点，得到图结构中各个骨架路径的层次关系；其次，确定Ⅲ类三角形三条非约束边所对应链接的层次关系，由CDT和图结构特点可知，Ⅲ类三角形两条非约束边所在图路径层次相同，而另一条非约束边所在图路径则要低一个层次。

基于以上分析，设置Ⅲ类三角形骨架线连接方式为连接相同层次非约束边的中点，并连接该连线中点与另一条非约束边的中点作为Ⅲ类三角形的骨架线。如图6所示，P₁、P₃、P₄和P₆所在约束边为相同层次骨架线(相对较粗黑色线，主骨架路径)，P₂和P₅所在骨架线则要低一个层次(相对较细黑色线，次骨架路径)，O₃为P₁和P₃连线的中点，O₄为P₄和P₆连线的中点，以O₃点与P₁、P₂、P₃的连线和O₄点与P₄、P₅、P₆的连线作为Ⅲ类三角形的骨架线。

4.根据空间邻接关系，设置Ⅰ类和Ⅱ类三角形的连接方式。

根据空间邻接关系约束，设置Ⅰ类三角形骨架线连接方式为：连接非约束边中点和该三角形与线状河流的相接点；设置普通Ⅱ类三角形骨架线连接方式为：连接两条非约束边的中点；对存在相接点约束的Ⅱ类三角形，其骨架线连接方式增加一步操作为：连接相接点和其所在三角形两条非约束边中点连线的中点，其结果如图7所示。

遍历图结构中的每一个节点，按照步骤3和步骤4中各类三角形骨架线连接方式连接骨架线，骨架线提取结果符合地理认知，准确描述了面状水系的地理形态，对不同形态和复杂程度的面状水系均能得到良好的骨架线提取结果。

Claims (10)

1.一种面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，该提取方法包括以下步骤：

1)对面状水系进行CDT剖分，以剖分三角形为节点，三角形的邻接关系作为链接边，构建面状水系图结构化模型；

2)根据面状水系与邻近线状河空间邻接关系提取相接点，确定相接点所在剖分三角形节点，根据确定出的三角形节点对面状水系进行剪枝操作；

3)对经过剪枝操作的面状水系图结构中各类三角形的骨架线连接方式进行设置，并按照设置的方式进行连接。

2.根据权利要求1所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，所述步骤1)中CDT剖分出的三角形包括只有一条非约束边的剖分三角形的I类三角形、有两条非约束边的剖分三角形的II类三角形以及有三条非约束边的剖分三角形的III类三角形，其中I类三角形对应的节点为端点，II类三角形对应的节点为连接点，III类三角形对应的节点为汇入点。

3.根据权利要求2所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，所述步骤2)的实现过程如下：

a.通过空间关系运算获取面状水系相邻接的所有线状河流，提取线状河流与面状水系相接点所在三角形；

b.对面状水系图结构化模型中的节点进行遍历，根据提取的线状河流与面状水系相接点所在三角形对汇入点与其直接相连端点之间的图路径进行修剪处理。

4.根据权利要求3所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，所述步骤b中修剪处理过程如下：

A.对端点进行遍历，判断端点所对应的三角形是否为所提取的线状河流与面状水系相接点所在的三角形，若是，则保留该端点与其直接相连汇入点之间的图路径；

B.若汇入点与其直接相连端点之间的图路径中的各节点均不与线状河流相接，则删除该图路径中除了汇入点之外的其他节点，并将汇入点的性质修改为连接点；

C.若端点所对应的三角形不是所提取的线状河流与面状水系相接点所在的三角形时，则进一步确定出该端点与其直接相连汇入点图路径中是否有与线状河流相接的连接点，若有，则找出与该端点最近的连接点，将删除该端点与最近连接点之间的图路径，并将连接点的性质修改为端点；

D.重复执行步骤A、B和C，直到图结构中的节点数量和性质不再变化。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，所述步骤3)中的III类三角形骨架线连接方式是根据面状水系图结构各路径之间的层级关系确定，所述步骤3)中的I类和II类三角形骨架线连接方式是根据空间邻接关系确定的。

6.根据权利要求5所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，面状水系图结构各路径之间的层级关系确定过程如下：

基于面状水系图结构获取图直径并确定主骨架路径，从主骨架线汇入点追踪出二级骨架路径，沿二级骨架路径汇入点追踪出三级骨架路径，直至追踪出的骨架路径中没有汇入点，以此建立面状水系图结构各路径之间的层级关系。

7.根据权利要求6所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，Ⅲ类三角形骨架线连接方式为：将III类三角形中相同层次的非约束边的中点进行连接，并连接该连线中点与另一条非约束边的中点。

8.根据权利要求5所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，

I类三角形骨架线连接方式为：连接非约束边中点和该三角形与线状河流的相接点。

9.根据权利要求5所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，II类三角形骨架线连接方式为：

当II类三角形没有相接点约束时，骨架线连接方式为：连接两条非约束边的中点；

当II类三角形有相接点约束时，骨架线连接方式为：连接相接点和其所在三角形两条非约束边中点连线的中点。

10.根据权利要求2所述的面状水系骨架线自动提取方法，其特征在于，构建的面状水系图结构化模型中链接权重为邻近三角形质心之间的距离。

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