[发明专利]一种顾及拓扑关系的大规模矢量地图快速综合的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种顾及拓扑关系的大规模矢量地图快速综合的方法，属于空间信息技术领域。

二、背景技术

二维矢量地图是空间信息研究和应用中存储、管理和分析的主要对象，在空间决策、虚拟现实以及地理信息系统等领域中都有重要的应用。随着测绘、遥感及相关技术的发展，人们获取空间数据的数据量呈摩尔定律的速度增长，远远超出了计算机硬件和内存的增长速度。如何在保证一定数据精度的前提下，快速实现大数据量矢量地图简化和综合成为当前空间信息技术领域着重解决的问题之一。对高分辨率、大数据量的空间信息来说，为了快速实现建模、可视化和分析，多采用细节层次模型来进行组织和表达，而矢量地图往往包含大规模、复杂的地图要素，传统的方法在解决这个问题时存在很大的不足和缺陷。

针对单个矢量要素的简化发展较早且已较成熟。如在1973年提出的Douglas-Peuker线简化方法可很好的保持要素重要的几何特征，是应用最普遍的简化算法之一，其主要思想为求算距离首尾顶点所连成线段距离最远的顶点，若其距离大于给定阈值，将其此顶点与首尾顶点相连形成新的线段，迭代此过程，直到新生成线段的首尾顶点间所有顶点距此线段的距离都小于阈值为止。但该方法是针对单个要素，而没有考虑要素间的拓扑关系，原本没有相交和自相交情况的矢量地图，在简化后，往往会出现相交和自相交等拓扑错误。因此在矢量地图综合时，不仅要考虑要素自身几何特征，还需考虑其与周边要素间的拓扑关系。

本发明首先借助与计算机图形硬件对矢量地图进行综合，利用单调链算法和Voronoi图算法使得要素间的拓扑关系得以保持，避免了综合后要素间的相交和自相交，同时借助计算机图形硬件，避免了复杂的几何计算，提高了简化效率，实现了对大规模矢量地图的有效综合。

三、发明内容

1、目的：本发明的目的是在保持几何拓扑关系不变的前提下，解决大规模矢量地图的快速综合和简化，提高多尺度、大尺度矢量数据融合的精度和效率，加快大规模矢量数据的可视化速度。

2、技术方案：本发明一种顾及拓扑关系的大规模矢量地图快速综合的方法，该方法的步骤流程如图1所示。

本发明主要针对于线状要素，对于面素可视为首尾闭合的线状要素加以简化。为了避免简化后的线要素出现自相交，以及要素间相交的拓扑错误，首先将每个线要素拆分为单调链，再借助于图形硬件(模板缓存、深度缓存、颜色缓存相结合)对每个单调链进行简化；最后，连接简化后的单调链，得到线要素的最终简化结果。具体实现过程如下：

步骤一：生成单调链

先将每个线要素拆分为若干个单调链。单调链的定义：对于一条折线l，存在一个方向，此方向用直线l_d表示，l_d的任意一条垂线至多只和l有一个交点，如图2所示。单调链具的一个重要特性为：单调链不会自相交，且单调链的简化结果仍为单调链，因此，简化后的单调链不会自相交。

将一条线要素拆分为单调链的过程如下：定义向量和的夹角：选取向量和相交所成的两角中较小的角。若此角由向逆时针旋转得到，则可直接定义为和的夹角。若此角由向顺时针旋转得到，则需取负值，故此角的大小落于区间(-180°，180°]之间。对于一条线要素l＝(v₀，v₁，...，v_n)，向量和夹角被定义为θ_i，显然θ₀＝0，l是单调的，当且仅当其所有边与夹角所成的序列{θ₀，θ₁，...，θ_n-1}满足(θ_max-θ_min)＜180，此处θ_max＝max(θ₀，θ₁，...，θ_n-1)，θ_min＝min(θ₀，θ₁，...，θ_n-1)，因此，给定一个线要素，从θ₀开始向后遍历，以更新θ_max和θ_min。如果当遍历到θ_i时，(θ_max-θ_min)≥180°，那么在顶点v_i处打断此条线。从v_i处重新开始计算，重复上面的过程，直到最后一个顶点。

步骤二：简化单调链