CN113505189B - 一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法。包括以下步骤：对全球地理空间进行多层级网格划分与编码构建全球格网模型；根据全球格网模型信息计算多层级面状目标栅格化网格；采用聚合方式，聚合多层级栅格化网格，选取聚合后栅格化网格作为面状目标栅格化结果。本发明通过在全球地理空间建立多层级格网模型，在全球任意地理位置的面状目标都能基于同一模型栅格化，保证了栅格化结果的一致性；同时采用聚合方式，对多个层级的面状目标栅格化结果进行聚合，选取聚合后的网格集合，极大的减少了面状目标栅格化后的数据量；网格大小最小达秒级，精度较高；支持多层级面状目标栅格化，对栅格化后结果进行聚合，栅格化数据量小。

Description

一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法

技术领域

本发明属于地理信息系统中空间数据结构转化领域，具体涉及一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法。

背景技术

空间数据结构的转化是地理信息系统中一个非常重要研究分支，尤其是矢量数据向栅格数据的转化。栅格数据结构是指将二维表面分割成规则的栅格单元，在各个栅格单元上用相应的属性值来表示地理实体的一种数据(阵列数据)组织形式。栅格数据的每个元素可用行和列唯一的标识，而行和列的多少则由栅格的分辨率(或大小)和实体的特性决定。栅格数据十分有利于空间分析中的叠置分析、区域分析、目标指示以及缓冲分析，因而通常需要将矢量数据转换成栅格数据。矢量数据栅格化主要包括点状目标的栅格化、线状目标的栅格化和面状目标的栅格化。

土地作为人类赖以生存的重要资源，是为区域经济、社会经济与自然经济提供必要条件的重要自然综合体，为了更好的促进社会经济的进步与发展，更有必要掌握土地的总效益，对土地的各方面构成进行综合的评价。栅格数据在土地综合评价中优势明显，能够快速融合多源数据，适宜研究空间结构不确定、关系复杂的土地问题。以栅格数据为评价单元的研究被广泛应用于农用地整治优先度确定、高标准农田综合评价、基本农田布局和补划方案合理性评价，以及耕地适宜性评价。

土地是面状目标的一种，面状目标栅格化目前主要有两个方面的问题：(1)栅格化结果的一致性表达问题，不同的面状目标基于不同的栅格大小得到的结果无法相互转换；(2)栅格化精度与数据冗余问题，精度要求越高，栅格大小越小，栅格量越大，数据冗余越大。

发明内容

本发明目的：本发明旨在提供一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，用于支持全球空间下面状目标栅格化数据的一致性表达，在满足栅格化精度的前提下减少面状目标栅格化的数据量。

技术方案：本发明的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，包括以下步骤：

步骤一、构建多层级全球格网模型；选取全球格网范围为经度方向[-180，180]，纬度方向[-90，90]，在该范围内构建多层级全球格网模型包括全球多层级网格划分以及全球多层级网格编码两个步骤：

全球多层级网格划分，层级为n，方法如下：

第1级网格划分，经度方向从-180(西经180)按经度间隔J₁秒逆时针划分到180(东经180)，全球第1级网格行数为360*3600/J₁＝R(R为整数且大于1)，纬度方向从赤道开始分别按南北方向每间隔W₁秒进行划分，南北半球第1级网格列数分别为90*3600/W₁＝T(T为整数且大于1)。

第n级网格划分，经度间隔为J_n秒，纬度间隔W_n秒，其中J_n>＝1，W_n>＝1，J_n-1/J_n＝N_n(Nn为整数，Nn>1)且J_n-1％J_n＝0，W_n-1/W_n＝M_n(Mn为整数，Mn>1)且W_n-1％W_n＝0。

全球多层级网格编码，层级为n，方法如下：

第1级网格编码，南北半球标识码取值为N(北半球)和S(南半球)，经度方向用01-R编码，纬度方向从赤道分别向南北半球按01-T编码。第1级网格编码由南北半球标识、经向标识码、纬向标识码组成。

第n级网格编码，将第n-1级大小(J_n-1秒，W_n-1秒)网格按照(J_n秒，W_n秒)的标准划分成N_n*M_n个第n级网格，由第n-1级网格编码和第n级标识码组成，第n级标识码按照“Z”序采用01-N_n*M_n编码。

步骤二、栅格化面状目标；某一层级面状目标栅格化网格由面状目标边界网格以及面状目标内部网格2部分组成。根据网格信息、面状目标的边界点集合信息计算某一层级面状目标栅格化网格，包括计算面状目标边界网格、计算面状目标内部网格以及合并面状目标内部网格与面状目标边界网格三个步骤：

基于某一层级网格的纬度间隔和经度间隔，将面状目标的边界点集合当作封闭折线，计算折线的栅格化网格。

获取面状目标包围盒，计算面状目标在该层级下的行号范围(最大最小行号)，遍历行范围依次计算面状目标内部的网格。

合并面状目标边界与内部的网格，合并后的网格作为面状目标在该层级的栅格化网格结果。

步骤三、聚合多层级栅格化网格；根据步骤二的栅格化面状目标步骤，依次计算各层级面状目标栅格化网格，从第n级开始依次将栅格化网格向上聚合，直至到第1级网格，得到聚合的栅格化网格结果，包括相邻层级间网格关系判断以及聚合与选取网格两个步骤：

判断相邻层级间网格的父子关系以及是否符合聚合条件。

通过聚合相邻层级栅格化网格，选取下一级中没有被聚合成功的网格，将上一级中聚合成功的网格形成新的集合参与聚合过程，直到第1层级网格；选取第1级中聚合成功的网格单元。

进一步地，步骤一中所述的全球多层级网格划分过程如下：

第1级网格划分，经度方向从西经180按经度间隔J₁秒逆时针划分到东经180，全球第1级网格行数为360*3600/J₁＝R，其中R为整数且大于1，纬度方向从赤道开始分别按南北方向每间隔W₁秒进行划分，南北半球第1级网格列数分别为90*3600/W₁＝T，其中T为整数且大于1；

第n级网格划分，经度间隔为J_n秒，纬度间隔W_n秒，其中J_n>＝1，W_n>＝1，J_n-1/J_n＝N_n，Nn为整数，Nn>1，且J_n-1％J_n＝0，W_n-1/W_n＝M_n，Mn为整数，Mn>1，且W_n-1％W_n＝0。

进一步地，步骤一中所述的全球多层级网格编码过程如下：

第1级网格编码，南北半球标识码取值为N-北半球和S-南半球，经度方向用01-R编码，纬度方向从赤道分别向南北半球按01-T编码；第1级网格编码由南北半球标识、经向标识码、纬向标识码组成；

第n级网格编码，将第n-1级大小J_n-1秒、W_n-1秒的网格按照J_n秒、W_n秒的标准划分成N_n*M_n个第n级网格，由第n-1级网格编码和第n级标识码组成，第n级标识码按照“Z”序采用01-N_n*M_n编码。

进一步地，步骤二中所述的计算面状目标边界网格包含以下步骤：

步骤211依次计算相邻两点组成的线段与网格行或列的交点集合；

步骤212遍历交点集合，依次计算点所在的网格；

步骤213合并各线段网格。

进一步地，所述步骤211具体包括：

计算两点第n层级的行差：

计算两点第n层级的列差：

其中，P_i.lat为第i个边界点的纬度值、P_i.lng为第i个边界点的经度值、P_(i-1).lat为第i-1个边界点的纬度值、P_(i-1).lng为第i-1个边界点的经度值、W_n为第n级网格纬度间隔、J_n为第n级网格经度间隔；如果Δr＝0且Δc＝0则无交点，如果Δr≠0或Δc≠0且Δr≥Δc，则计算线段与网格行、中心行的交点集合，否则计算线段与网格列、中心列的交点集合。

进一步地，所述步骤212具体包括：

遍历交点集合{pt₁、pt₂…pt_i}与线段两个端点，依次计算点所在的网格，获取网格集合C，点所在的网格编码由该点的第1级网格编码以及后续层级的网格标识号组成，计算点在第n层级网格编码的过程如下：

判断点的南北标识：

计算点的第1级网格编码行号：

列号：

计算点的第n级网格标识号：

其中，N_n为第n级网格的列数、M_n为第n级网格的行数、W_n为第n级网格纬度间隔，J_n为第n级网格经度间隔、W_n-1为第n-1级网格纬度间隔，J_n-1为第n-1级网格经度间隔、pt_i.lat为第i个交点的纬度值、pt_i.lng为第i个交点的经度值；

点的第n层网格编码组成为：

进一步地，步骤二中所述的计算面状目标内部网格包含以下步骤：

步骤221计算面状目标所在层级网格的最大最小行范围；

步骤222计算网格行与面状目标交点集合，按照经度大小对交点集合递增排序，取交点区间内的网格；

步骤223合并各格网中心线交点区间内网格。

进一步地，步骤三中所述的相邻层级间网格关系判断包含如下步骤：

步骤311比较相邻层级间网格的关系；

步骤312判断相邻层级间网格是否能聚合。

进一步地，步骤三中所述的聚合与选取网格步骤过程如下：

聚合后形成的栅格化网格{SET}作为面状目标栅格化的结果；

聚合第n-1级与n级面状目标栅格化网格，选取第n级中没有被聚合的网格单元集合到{SET}，将n-1级中聚合成功的网格单元形成新的第n-1级栅格化网格；

聚合第n-2级与新的n-1级面状目标栅格化网格，选取第n-1级中没有被聚合的网格单元集合到{SET}，将n-2级中聚合成功的网格单元形成新的第n-2级栅格化网格；

依次选取下一级中没有被聚合成功的网格单元集合到{SET}，将上一级中聚合成功的网格单元形成新的集合参与聚合过程，直到第1层级网格；选取第1级中聚合成功的网格单元集合到{SET}。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1)本发明通过在全球地理空间建立多层级格网模型，在全球任意地理位置的面状目标都能基于同一模型栅格化，保证了栅格化结果的一致性；同时采用聚合方式，对多个层级的面状目标栅格化结果进行聚合，选取聚合后的网格集合，极大的减少了面状目标栅格化后的数据量。

2)网格大小最小达“秒”级，精度较高。

3)支持多层级面状目标栅格化，对栅格化后结果进行聚合，栅格化数据量小。

附图说明

图1是本发明的处理流程示意图；

图2是本发明的线段与网格行列相交情况示意图；2a为线段与行相交、2b为线段与列相交；

图3是本发明的计算面状目标网格内部栅格示意图；

图4是本发明的面状目标边界、内部、合并栅格示意图；4a为边界网格、4b为内部网格、4c为合并后网格；

图5是本发明的聚合与选取网格处理流程示意图；

图6是本发明的面状目标各层级栅格化以及聚合后网格示意图；6a为1级栅格化

、6b为2级栅格化、6c为n-1级栅格化、6d为n级栅格化、6e为聚合后网格。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，具体包括以下步骤：

步骤一、构建多层级全球格网模型；选取全球格网范围为经度方向[-180，180]，纬度方向[-90，90]，在该范围内构建多层级全球格网模型包括全球多层级网格划分以及全球多层级网格编码两个步骤。

步骤二、栅格化面状目标；某一层级面状目标栅格化网格由面状目标边界网格以及面状目标内部网格两部分组成。根据网格信息、面状目标的边界点集合信息计算某一层级面状目标栅格化网格，包括计算面状目标边界网格、计算面状目标内部网格以及合并面状目标内部网格与面状目标边界网格三个步骤。

步骤三、聚合多层级栅格化网格；根据步骤二的栅格化面状目标步骤，依次计算各层级面状目标栅格化网格，从第n级开始依次将栅格化网格向上聚合，直至到第1级网格，得到聚合的栅格化网格结果，包括相邻层级间网格关系判断以及聚合与选取网格两个步骤。

下面具体介绍各个步骤的主要流程：

1.构建多层级全球格网模型

构建多层级全球格网模型：选取全球格网范围为经度方向[-180，180]，纬度方向[-90，90]，在该范围内构建多层级全球格网模型包括全球多层级网格划分以及全球多层级网格编码两个步骤，网格层级为n。

1.1全球多层级网格划分

第1级网格划分，经度方向从-180(西经180)按经度间隔J₁秒逆时针划分到180(东经180)，全球第1级网格行数为360*3600/J₁＝R(R为整数且大于1)，纬度方向从赤道开始分别按南北方向每间隔W₁秒进行划分，南北半球第1级网格列数分别为90*3600/W₁＝T(T为整数且大于1)。

第n级网格划分，经度间隔为J_n秒，纬度间隔W_n秒，其中J_n>＝1，W_n>＝1，J_n-1/J_n＝N_n(Nn为整数，Nn>1)且J_n-1％J_n＝0，W_n-1/W_n＝M_n(Mn为整数，Mn>1)且W_n-1％W_n＝0。

1.2全球多层级网格编码

第1级网格编码，南北半球标识码取值为N(北半球)和S(南半球)，经度方向用01-R编码，纬度方向从赤道分别向南北半球按01-T编码。第1级网格编码由南北半球标识、经向标识码、纬向标识码组成。

第n级网格编码，将第n-1级大小(J_n-1秒，W_n-1秒)网格按照(J_n秒，W_n秒)的标准划分成N_n*M_n个第n级网格，由第n-1级网格编码和第n级标识码组成，第n级标识码按照“Z”序采用01-N_n*M_n编码。

2.栅格化面状目标

栅格化面状目标：某一层级面状目标栅格化网格由面状目标边界网格以及面状目标内部网格两部分组成。根据网格信息、面状目标的边界点集合信息计算某一层级面状目标栅格化网格，包括计算面状目标边界网格、计算面状目标内部网格以及合并面状目标内部网格与面状目标边界网格三个步骤。

2.1计算面状目标边界网格

根据网格信息(经度间隔J_n、纬度间隔W_n)，面状目标的边界点集合信息{P₁、P₂…P_i}，点坐标由经纬度坐标组成(lng,lat)，计算面状目标边界的网格，过程如下：

步骤1依次计算相邻两点组成的线段与网格行或列的交点集合。

计算两点第n层级的行差：

计算两点第n层级的列差：

如果Δr＝0且Δc＝0则无交点，如果Δr≠0或Δc≠0且Δr≥Δc，则计算线段与网格行、中心行的交点集合，如图2a所示，否则计算线段与网格列、中心列的交点集合，如图2b所示。

步骤2遍历交点集合{pt₁、pt₂…pt_i}与线段两个端点，依次计算点所在的网格，获取网格集合C。点所在的网格编码由该点的第1级网格编码以及后续层级的网格标识号组成，计算点在第n层级网格编码的过程如下：

判断点的南北标识：

计算点的第1级网格编码行号：

列号：

计算点的第n级网格标识号：

所以点的第n层网格编码组成为：

步骤3将各线段网格集合{C1、C2…Ci}求并集，得到面状目标边界网格集合C_out＝C1∪C2…∪Ci。

2.2计算面状目标内部网格

步骤1计算面状目标所在层级网格的最大最小行范围。

遍历点集合，比较经度值大小，得到最大纬度Lat_max和最小纬度Lat_min，则最大行：

最小行：

步骤2计算网格中心行线与面状目标交点集合，按照经度大小对交点集合递增排序，取交点区间内的网格集合，如下图3所示，取中心线L₃与面状目标相交2个交点间的网格集合C₃。

步骤3依次将L₁、L₂…L_i形成的网格集合C_Inner＝C1∪C2…∪Ci求并集，得到面状目标内部网格集合C_Inner＝C1∪C2…∪Ci。

2.3合并面状目标边界与内部网格

如图4a～4b所示，将面状目标边界网格集合C_out和面状目标内部网格集合C_Inner求并集，获得面状目标在第n层级的栅格化网格集合AreaR_n＝C_out∪C_Inner，如图4c所示。

3.聚合多层级栅格化网格

根据步骤二的栅格化面状目标步骤，依次计算各层级面状目标栅格化网格集合{AreaR₁、AreaR₂…AreaR_n}，从第n级开始依次将栅格化网格向上聚合，直至到第1级网格，得到聚合的栅格化网格结果，包括相邻层级间网格关系判断以及聚合与选取网格两个步骤。

3.1相邻层级间网格关系判断

步骤1比较相邻层级间网格的关系。

假设第n-1层某网格单元的编码为K，长度为n+2位，第n层某网格单元的编码为G，长度为n+3位，如果编码G的前n+2位字符与K相同，那么网格单元G是网格单元K的子网格，K是G的父网格。

步骤2判断相邻层级间网格是否能聚合。

第n-1级的网格单元由N_n*M_n个第n级网格单元组成，假设第n-1级面状目标栅格化网格AreaR_n-1集合中某网格单元K，在AreaR_n集合中有N_n*M_n个子网格单元，称为集合{Q}，说明AreaR_n集合中的子集合{Q}能被聚合，网格单元K聚合成功，否则不成功。

3.2聚合与选取网格

将面状目标1～n级栅格化网格集合(如下图6a～6d所示)，聚合后形成的栅格化网格{SET}作为面状目标栅格化的结果如图6e所示，聚合与选取网格流程如图5所示，具体处理过程如下：

聚合AreaR_n-1与AreaR_n面状目标栅格化网格，选取第n级中没有被聚合的网格单元集合到{SET}，将n-1级中聚合成功的网格单元形成新的第n-1级栅格化网格AreaR”_n-1。

聚合AreaR_n-2与AreaR”_n-1面状目标栅格化网格，选取第n-1级中没有被聚合的网格单元集合到{SET}，将n-2级中聚合成功的网格单元形成新的第n-2级栅格化网格AreaR”_n-2。

依次选取下一级中没有被聚合成功的网格单元集合到{SET}，将上一级中聚合成功的网格单元形成新的集合参与聚合过程，直到第1层级网格；选取第1级中聚合成功的网格单元集合到{SET}。

本发明提供了一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、构建多层级全球格网模型；选取全球格网范围为经度方向[-180，180]，纬度方向[-90，90]，在该范围内构建多层级全球格网模型包括全球多层级网格划分以及全球多层级网格编码两个步骤；

步骤二、栅格化面状目标；某一层级面状目标栅格化网格由面状目标边界网格以及面状目标内部网格两部分组成，根据网格信息、面状目标的边界点集合信息计算某一层级面状目标栅格化网格，包括计算面状目标边界网格、计算面状目标内部网格以及合并面状目标内部网格与面状目标边界网格三个步骤：

所述计算面状目标边界网格为基于某一层级网格的纬度间隔和经度间隔，将面状目标的边界点集合当作封闭折线，计算折线的栅格化网格；

所述计算面状目标内部网格为获取面状目标包围盒，计算面状目标在该层级下的行号范围包括最大和最小行号，遍历行范围依次计算面状目标内部网格；

所述合并面状目标内部网格与面状目标边界网格，合并后的网格作为面状目标在该层级的栅格化网格结果；

步骤三、聚合多层级栅格化网格；根据步骤二的栅格化面状目标步骤，依次计算各层级面状目标栅格化网格，从第n级开始依次将栅格化网格向上聚合，直至到第1级网格，得到聚合的栅格化网格结果，包括相邻层级间网格关系判断以及聚合与选取网格两个步骤：

判断相邻层级间网格的父子关系以及是否符合聚合条件；

通过聚合相邻层级栅格化网格，选取下一级中没有被聚合成功的网格，将上一级中聚合成功的网格形成新的集合参与聚合过程，直到第1层级网格；选取第1级中聚合成功的网格。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，步骤一中所述的全球多层级网格划分过程如下：

第1级网格划分，经度方向从西经180按经度间隔J₁秒逆时针划分到东经180，全球第1级网格行数为360*3600/ J₁=R，其中R为整数且大于1，纬度方向从赤道开始分别按南北方向每间隔W₁秒进行划分，南北半球第1级网格列数分别为90*3600/ W₁=T，其中T为整数且大于1；

第n级网格划分，经度间隔为J_n秒，纬度间隔W_n秒，其中J_n>=1，W_n>=1，J_n-1/J_n = N_n，Nn为整数，Nn>1，且J_n-1%J_n=0，W_n-1/W_n=M_n，Mn为整数，Mn>1，且W_n-1%W_n=0。

3.根据权利要求1所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，步骤一中所述的全球多层级网格编码过程如下：

第1级网格编码，南北半球标识码取值为N-北半球和S-南半球，经度方向用01-R编码，纬度方向从赤道分别向南北半球按01-T编码；第1级网格编码由南北半球标识、经向标识码、纬向标识码组成；

第n级网格编码，将第n-1级大小J_n-1秒、W_n-1秒的网格按照J_n秒、W_n秒的标准划分成N_n*M_n个第n级网格，由第n-1级网格编码和第n级标识码组成，第n级标识码按照Z序采用01-N_n*M_n编码。

4.根据权利要求1所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，步骤二中所述的计算面状目标边界网格包含以下步骤：

步骤211 依次计算相邻两点组成的线段与网格行或列的交点集合；

步骤212 遍历交点集合，依次计算点所在的网格；

步骤213 合并各线段网格。

5.根据权利要求4所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，所述步骤211具体包括：

计算两点第n层级的行差：

；

计算两点第n层级的列差：

；

其中，

为第i个边界点的纬度值，

为第i个边界点的经度值，

为第 i-1个边界点的纬度值，

为第i-1个边界点的经度值，W_n为第n级网格纬度间隔，J_n 为第n级网格经度间隔，如果

则无交点，如果

， 则计算线段与网格行、中心行的交点集合，否则计算线段与网格列、中心列的交点集合。

6.根据权利要求1所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，步骤二中所述的计算面状目标内部网格包含以下步骤：

步骤221计算面状目标所在层级网格的最大行和最小行范围；

步骤222计算网格行与面状目标交点集合，按照经度大小对交点集合递增排序，取交点区间内的网格；

步骤223合并各格网中心线交点区间内网格。

7.根据权利要求6所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在 于，步骤221中，所述最大行：

；最小行：

；其 中，W_n为第n级网格纬度间隔，最大纬度Lat_max和最小纬度Lat_min。

8.根据权利要求1所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，步骤三中所述的相邻层级间网格关系判断包含如下步骤：

步骤311比较相邻层级间网格的关系；

步骤312判断相邻层级间网格是否能聚合。

9.根据权利要求1所述的一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法，其特征在于，步骤三中所述的聚合与选取网格步骤过程如下：

聚合后形成的栅格化网格{SET}作为面状目标栅格化的结果；

聚合第n-1级与n级面状目标栅格化网格，选取第n级中没有被聚合的网格单元集合到{SET}，将n-1级中聚合成功的网格单元形成新的第n-1级栅格化网格；

聚合第n-2级与新的n-1级面状目标栅格化网格，选取第n-1级中没有被聚合的网格单元集合到{SET}，将n-2级中聚合成功的网格单元形成新的第n-2级栅格化网格；

依次选取下一级中没有被聚合成功的网格单元集合到{SET}，将上一级中聚合成功的网格单元形成新的集合参与聚合过程，直到第1层级网格；选取第1级中聚合成功的网格单元集合到{SET}。

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