海量大比例尺地形圖自動接邊方法

郭 霄 袁 遠 劉 斌 田喜平

(解放軍61363部隊,陜西 西安,710000)

0 引言

由于目前計算機內存、顯示等硬件發展與作業方式的限制,地形圖生產更新多以單幅數據為基礎進行處理,這就導致處理后的數據存在縫隙,不符合無縫數據庫的要求,因此實現快速批量接邊檢查并自動接邊就成為急需解決的問題[1]。文獻[2]以線要素為實驗數據,提出了通過邊界線搜索附近線要素點集,對這些數據點集進行匹配,如配對合適則正確,否則警告。該方法為目前提出大多數接邊方法的基礎,但存在問題是參與計算點數量過多不利于海量數據檢查;文獻[3]提出改進,通過屬性篩選后,使用篩選后要素首末端點代替全要素結點生成緩沖區點集,再通過結點距離遠近進行匹配。該文獻提出了屬性與幾何共同控制匹配的理念,使用端點匹配加快了速度,但論文指出屬性約束條件指是否按照圖層、地物類、高程等條件,涉及約束過多,端點與緩沖區內所有要素比較都增加了算法運行消耗的時間;文獻[4]提出面要素接邊與線要素類似,只是將點概念換成了面邊線概念,判斷該邊線是否在緩沖區中,并對緩沖區中邊線配對,當緩沖區設置寬度較大時,易將不用接邊的邊線存入待接邊數據中;文獻[5]中指出不是所有圖幅數據都有接邊線,提出通過全圖搜索獲取面要素邊線角度呈現0°(180°)或90°(270°)的邊線默認為其接邊線,再通過比較獲取的接邊線長度坐標屬性匹配,但全圖搜索時間會降低執行效率,且會將圖內面要素識別為需要接邊要素。

為提高接邊的算法效率與接邊算法的廣泛適用性,本文提出一種適用于海量大比例尺地形圖接邊算法,并對其進行了詳細的闡述。目前學者對接邊檢查算法的實現大多依賴美國環境系統研究所公司(Environmental Systems Research Institute,Inc.簡稱ESRI公司)公司提供的二次開發類庫[6],或其設計的Arcpy等已打包好的算法模塊[7-8],不利于開發者自主設計,因此文中使用C#,不借助二次開發類庫設計接邊工具。并通過實驗測試證明其高效性。

1 內接邊與外接邊

1.1 接邊要素基本特征

地形圖接邊需保證有相同的數學基礎,且其內部地理要素與內圖廓線間需完成內接邊處理。不論是線要素還是面要素,其都由多個坐標對連接組成,如果線要素坐標對寫入的首尾坐標不同且其首尾坐標有且至少存在一端在接邊線附近,則該線要素即為需要接邊檢查的要素實體,查找較為便捷,因此可考慮將面要素接邊檢查轉換為線要素接邊。

1.2 內接邊原理

內接邊即將所有處于邊界的要素捕捉到內圖廓線上,內圖廓線通過圖號計算獲得。內接邊分為兩類,一類為出頭要素,一類為不到邊要素,第一類使用裁剪的方法處理,第二類采用點坐標映射,圖1中點(x0,y0)為需要映射的圖內點,過(x0,y0)作垂直于圖廓邊的直線,該直線方程為y=k1x+b1,內圖廓線一邊的公式假設為y=kx+b。

圖1 圖內點映射

通過點斜式可得y=k1x+b1為(y-y0)=k1(x-x0),且k1·k=-1。

因此可通過式(1)求得(x1,y1)的值。

(1)

修改(x0,y0)的值為(x1,y1)保證后續所有待接邊數據與內圖廓線間沒有縫隙,其中設置修改后值與(x1,y1)的x或y方向任意距離小于0.013 m時,即認為兩點相等,0.013 m為拓撲容差,通常設置為實際距離0.001 m,具體設置值,按照接邊數據精度的10倍取值。

1.3 外接邊

1.3.1屬性約束

屬性約束的作用在于減少待接邊點的數量,減少程序輸入/輸出(Input/Output,IO)的次數,提高算法運行的速度。目前不論是地方還是部隊,數據都是按層來管理,默認在標準的數據格式下,接邊配對的地理要素應該具有相同的層歸屬與屬性項,且標準格式下,通過屬性的關鍵字即可確定該要素實體歸屬,無須通過多個屬性條件限制進行匹配,因為類似道路要素其寬度在不同位置采集數據可能不同,如全部限制為一致可能導致匹配失敗,屬性的匹配只要保證關鍵字段的一致即可[9]。

1.3.2幾何約束

幾何約束,是對配對對象重要的特征點位置的約束,對于線要素,為其兩端端點,面要素則為在邊界處面邊線的端點。大部分接邊算法通過距離與閾值比較確定最終匹配對象[10],但基準要素點匹配目標要素點,是在內圖廓線緩沖區點集合進行全部搜索,為加快搜索速度,在緩沖區點集錄入時對其標記,不論是規則的內圖廓線框還是不規則的任意線框,對組成線框的每一條邊線進行編號,緩沖區內點坐標靠近那個邊線就在錄入點坐標時增加該邊線編號的屬性[11-12]。

1.4 技術路線

待接邊數據類型可分為三類,第一類為線要素,獲取線要素端點,通過端點匹配接邊[13];第二類為存在緩沖區面邊界線要素;第三類為不存在緩沖區面邊界線要素[14],不包含緩沖區面邊界線情況,參考文獻[5]改進,不進行全圖計算只計算內圖廓線緩沖區內面邊線角度為0°(180°)或90°(270°)的邊線生成面邊界線轉換為第二類情況。其中,輸出標記信息結構如表1所示。整體接邊技術路線見圖2。

表1 記錄文件結構

圖2 要素接邊信息準備

圖3 檢查結果部分符號化顯示

相鄰圖幅線狀數據輸出的線端點坐標、屬性與緩沖區標記,將具有相同關鍵字屬性與圖廓線緩沖區標記的信息在相鄰圖幅間進行對比。分兩個階段,先對比記錄個數,個數不同標記,個數相同則比較其他屬性信息進行匹配,如不匹配則標記,其中涉及兩幅圖等高線間距不同的情況,如缺少配對等高線高程值呈現等差數列現象,則無問題不記錄,匹配后數據比較坐標信息,兩點間實際距離閾值大于0.013 m時認為其存在問題,進行標記。

面狀數據全部轉換為第二類數據類型,對面邊界線進行匹配檢查,具體方法與線數據相同,如存在問題標記該面邊界線,通過標記的面邊界線記錄對應面信息找到該邊界線旁的面要素,進行錯誤標記。

2 實驗與精度

2.1 接邊實驗

全國大比例尺國軍標地形圖改化項目中,需對原始數據與最終成果進行接邊檢查與自動接邊處理,使用新疆3 491幅5萬數據。改化使用國標數據不具有面邊界線。

通過圖號對待接邊檢查數據生成對應標準內圖廓線,以生成內圖廓線為標準設置緩沖區寬度為圖上0.006 5 mm,實際距離0.325 m,使用1.2節中算法完成待接邊數據的內接邊處理,通過國標數據面邊線生成面邊界線數據,設置面邊界線要素屬性與為對應面要素屬性一致。

對處理后具有面邊界線的數據遍歷,遍歷對象為所有線要素,獲取的需要接邊的結點數據,會以一定格式寫出到接邊信息文件中,以數據標準中常年河(160201)與國家政區(210301)為例,設置圖廓左邊界編號為4,右邊界編號為6,下邊界編號為8,上邊界編號為2。

使用表2記錄信息在相鄰圖幅間對比個數、屬性、坐標信息,如面邊界線不匹配則輸出對應面要素信息,將不匹配結果輸出錯誤文件。實驗數據3 491幅,面邊界線生成時間共1 243 s,標記信息輸出時間1 794 s,問題檢查輸出時間2 587 s。采用第一節中自動接邊算法自動處理使用時間為3 603 s,將參考文獻[2-3]中線接邊算法與文獻[5]中面接邊算法組合為全搜索接邊算法與本文方法對比時間如下,可以看出全搜索耗時是本方法的3倍。

表2 接邊文件記錄內容

表3 實驗時間對比 單位:s/幅

表4 精度對比

2.2 接邊精度

在全搜索接邊算法考慮等高距不同的圖幅接邊情況下,且兩方法設置緩沖區寬度閾值、兩點相等閾值與自動處理閾值相同時,與本文方法進行實驗對比,實驗數據都為3 491幅5萬標準分幅DLG數據,兩方法查找錯誤都為818處,最終核實錯誤為901處,全搜索方法漏檢多,主要因屬性全對比,導致本應接邊數據被過濾,多檢則因文獻[5]中提出的無效接邊結果過濾方法沒有起到作用,導致圖內出現接邊錯誤提示,本文方法多檢14處,漏檢97處,可自動接邊處理個數513處,整體接邊檢查正確率為89%,自動接邊處理占總錯誤個數比為56.9%。經核實本文方法多檢與錯檢由拓撲限差閾值設置太大導致。

3 結束語

數據接邊直接影響數據的最終質量,進而影響對矢量數據的后續利用。本文針對大比例尺數據存在接邊線與不存在接邊線等情況進行分析,在分析了現有接邊算法利弊與接邊的原則后,提出了一種通過算法生成內圖廓線,并通過搜索內圖廓線緩沖區內面邊線按照角度獲取需要接邊面的面邊界線,將面的接邊轉換為線的接邊,使用幾何與屬性約束輸出處于邊界的各類線要素信息,與相鄰圖幅線要素信息進行匹配,通過已核查有誤的面邊界線獲取可接邊面的信息,并使用1.3.3節中方法進行接邊。實驗結果表明,該方法與全搜索算法在精度上沒有損失且速度有大幅度的提升,提高了接邊的效率,具有一定參考價值,且未來可將內圖廓線轉換為不規則多邊形,處理非規則的接邊處理[15]。