圖庫一體化下的空間幾何表達(dá)研究

劉培，呂時(shí)有

圖庫一體化下的空間幾何表達(dá)研究

劉培，呂時(shí)有

（廣州南方智能技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510000）

空間幾何是空間要素存儲(chǔ)、符號(hào)化以及分析的基礎(chǔ)。為了對(duì)空間要素進(jìn)行真實(shí)合理的表達(dá)，尤其是在大比例尺地形圖和高精度地圖制作中，必須做到“圖庫一體化”，即確?？臻g要素與制圖要素之間正確、合理地相互轉(zhuǎn)換。而對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜多樣的空間地物要素，傳統(tǒng)的點(diǎn)、線、面幾何并不能完全表達(dá)，并且在入庫與分析中存在很大不足。針對(duì)此問題設(shè)計(jì)了一套改進(jìn)后的空間幾何表達(dá)模型，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

圖庫一體化；空間幾何表達(dá)；空間要素；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

近年來，隨著國家對(duì)土地資源的重視加深，也隨著高技術(shù)領(lǐng)域如BIM、無人駕駛等的帶動(dòng)，人們對(duì)大比例尺下的高精度地圖、地形圖的需求也越來越大。與此同時(shí)，雖然數(shù)據(jù)采集方式有多種，比如激光點(diǎn)云、無人機(jī)影像、遙感影像、GPS等；制作手段也有多種，比如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工驗(yàn)證等；但歸根結(jié)底，數(shù)據(jù)的表達(dá)只有一種——空間要素，包括物體的位置、形狀、屬性等信息[1]。李德仁[2]指出在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，海量數(shù)據(jù)流時(shí)空數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)管理與高效智能處理技術(shù)具有更加重要的戰(zhàn)略意義與地位，而且數(shù)據(jù)的空間表達(dá)是基礎(chǔ)與前提；韓海忠等人[3]對(duì)比分析了iData和ArcGIS在圖庫一體化下對(duì)AutoCAD格式的大比例尺地形圖入庫與編輯的準(zhǔn)確性與效率性，指出了由于兩者在數(shù)據(jù)要素幾何表達(dá)上存在一定差異，iData具有一定優(yōu)勢(shì)，即避免了圖形的丟失與邊形；錢成越[4]針對(duì)AutoCAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS數(shù)據(jù)庫的需求，闡述了AutoCAD和ArcGIS幾何表達(dá)的差異性，因而導(dǎo)致入庫過程中出現(xiàn)圖形變形與拓?fù)溴e(cuò)誤等問題；康貴祥[5]認(rèn)為“圖庫一體化”順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)采集、編輯的方案設(shè)計(jì)，例如面層絕對(duì)不允許出現(xiàn)有實(shí)際符號(hào)意義的線要素。因此，針對(duì)目前“圖庫一體化”下空間要素在采集、管理與分析上面的不足，提出了一種新的空間要素幾何表達(dá)模型，為空間要素在大比例尺地形圖制作、高精度地圖生成以及海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)管理分析打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 GIS幾何表達(dá)

當(dāng)前，GIS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，與此同時(shí)，GIS空間要素表達(dá)無疑提高了GIS技術(shù)的利用率并發(fā)揮了GIS技術(shù)的最大價(jià)值。但是，隨著空間數(shù)據(jù)種類越來越多、越來越復(fù)雜，已有的GIS空間要素表達(dá)已經(jīng)不能滿足相關(guān)行業(yè)的需求。本文在總結(jié)分析GIS空間要素幾何表達(dá)的基礎(chǔ)之上，指出其在基礎(chǔ)測(cè)圖領(lǐng)域的不足之處，然后對(duì)幾何表達(dá)進(jìn)行了有針對(duì)性的改進(jìn)與優(yōu)化。

1.1 GIS幾何表達(dá)概述

幾何是GIS空間要素表達(dá)的最基本素材，GIS中幾何表達(dá)包括點(diǎn)、線、面和文本。依據(jù)不同的幾何特征，將各種要素組織在一起，具有不同幾何特征的要素不能夠共用一個(gè)圖層，并且注重空間信息和屬性信息一體化存儲(chǔ)和管理，支持空間和屬性一體化查詢以及分析功能，可進(jìn)行拓?fù)浞治?、網(wǎng)絡(luò)分析等工作。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，GIS數(shù)據(jù)常見格式包括COV和SHP兩種，前者保存了要素之間的拓?fù)湫畔?，后者不存?chǔ)拓?fù)湫畔?，因此具有較高的顯示和訪問效率。

GIS中的基本幾何表達(dá)如表1所示。

表1 GIS幾何表達(dá)

GIS幾何GIS類GIS含義 點(diǎn)IPoint0維對(duì)象，用于描述精確定位的對(duì)象 多點(diǎn)IMultiPoint0維對(duì)象，一系列無序點(diǎn)的集合 段ISegment1維對(duì)象，由起點(diǎn)、終點(diǎn)、參數(shù)三個(gè)方面定義 多段線IPath1維對(duì)象，連續(xù)的Segment集合 環(huán)IRing2維對(duì)象，封閉的Path對(duì)象 線IPolyline一個(gè)或多個(gè)相連或者不相連的path對(duì)象的有序集合 面IPolygon一個(gè)或多個(gè)ring對(duì)象的有序集合 文本IPoint表示具有名稱的對(duì)象，由幾何加文字組成 外包矩形IEnvelope表示幾何對(duì)象的最小邊框，通常為矩形

1.2 GIS幾何表達(dá)的不足

由表1可知，GIS在幾何表達(dá)上面具有多樣性，基本上能夠表達(dá)出現(xiàn)實(shí)世界中的要素，但也存在以下不足：①不支持復(fù)合圖形，所謂復(fù)合圖形，就是一個(gè)幾何圖形可以是點(diǎn)、線、面的任意組合。從上述定義可以看出，點(diǎn)、線、面之間是具有嚴(yán)格的區(qū)分的，無法表達(dá)復(fù)合圖形。而復(fù)合圖形在CAD中卻是很常見的，這對(duì)于CAD圖形轉(zhuǎn)到GIS圖形很不友好。②線和多線，面和多面沒有區(qū)分。例如在IPolyline的定義中，既可以包含一個(gè)path，又可以包含多個(gè)path。然而，在一些GIS分析過程中，線和多線、面和多面要分開進(jìn)行，而且分開進(jìn)行可以有針對(duì)性地定義不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取會(huì)有一定提升。③注記類型不支持線。注記也是一種非常重要的幾何表達(dá)形式，可以很好地表達(dá)帶有一定名稱的地物要素。GIS的注記只支持點(diǎn)，對(duì)于一些河流、道路等具有明顯線特征的要素存在表達(dá)不足的劣勢(shì)。 ④外包矩形的定義。對(duì)于任意一種幾何類型，它的外包矩形應(yīng)該作為它本身固有的屬性，可以實(shí)時(shí)獲取它的大小，而不是單獨(dú)作為一種幾何類型存在，而且在現(xiàn)實(shí)世界中，矩形也是一種多邊形，完全可包含在多邊形的定義中。

通過上面的分析可知，對(duì)于地物要素的幾何表達(dá)，既要遵循多樣性原則，保證完整、全面，又要遵循同類合并，保證簡潔實(shí)用，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)“圖庫一體化”。

2 改進(jìn)的幾何表達(dá)

在對(duì)GIS幾何表達(dá)分析的基礎(chǔ)之上，通過對(duì)大量需求資料的分析、歸納與總結(jié)，本文以點(diǎn)、線、面、復(fù)合圖形、注記5個(gè)共性幾何類型來進(jìn)行幾何表達(dá)，可以用以下的五元模型來表達(dá)：

G=（Point，Polyline，Polygon，

GeometryCollection，GeoText） （1）

式（1）中：G為地物要素幾何表達(dá)模型；Point為幾何點(diǎn)；Line為幾何線；Polygon為幾何線；GeometryCollection為復(fù)合圖形；GeoText為注記。

改進(jìn)的幾何表達(dá)如表2所示。

表2 改進(jìn)的幾何表達(dá)

幾何名類名含義 點(diǎn)Point0維數(shù)據(jù)，用于描述精確定位的對(duì)象 線Polyline1維對(duì)象，包括簡單線和復(fù)合線兩種 面Polygon2維對(duì)象，由封閉的線構(gòu)成 復(fù)合圖形GeometryCollection包含多點(diǎn)、多線、多面、多文本注記等 注記GeoText由參考幾何體（點(diǎn)、線）和文字構(gòu)成

2.1 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 簡潔而又齊全的幾何表達(dá)

相對(duì)于GIS的幾何表達(dá)模型，本文提出的幾何表達(dá)模型大類上只有5個(gè)，其他所有的幾何表達(dá)均是繼承或來自該五大類，這對(duì)于具體的實(shí)現(xiàn)與擴(kuò)展具有較大優(yōu)勢(shì)。

2.1.2 繼承與擴(kuò)展

以復(fù)合圖形為例，一般意義上的符合圖形就是由點(diǎn)線面等組合而成的幾何，而多點(diǎn)、多線、多面、多文本注記等特例均是繼承自該幾何對(duì)象。這樣做的原因有2個(gè)：①它們的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一致的；②它們所具有許多共同的幾何操作。這樣，無論是在幾何對(duì)象的讀取方面，還是幾何對(duì)象的操作方面，均可避免大量重復(fù)工作。

2.1.3 良好的區(qū)分性

幾何線分為簡單線和復(fù)合線，考慮到現(xiàn)實(shí)世界中大部分情況都是用簡單線來表達(dá)線對(duì)象，而且簡單線具有較高的讀取與存儲(chǔ)效率，這樣區(qū)分具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 改進(jìn)后的幾何模型表達(dá)體系

根據(jù)上述介紹的改進(jìn)的幾何表達(dá)，可以構(gòu)建自己的幾何模型表達(dá)體系，該體系具體反映了幾何之間的繼承關(guān)系，具體如圖1所示。

圖1 幾何表達(dá)體系

圖1中，白色框中的幾何代表一種幾何接口，后續(xù)可在該接口的基礎(chǔ)之上擴(kuò)展自己需要的幾何類型；淺灰色框中的幾何代表具體實(shí)現(xiàn)的相關(guān)幾何類型，體現(xiàn)了上述定義的五元模型；深灰色框中幾何代表具體的組成幾何，主要針對(duì)的就是復(fù)合線，可以用弧線、貝塞爾曲線等來擬合表達(dá)自然界中一些復(fù)雜線對(duì)象，當(dāng)然也可以根據(jù)需要來擴(kuò)展組成幾何，比如橢圓弧、B樣條曲線等?？傊?，在改進(jìn)的幾何表達(dá)模型中，既要體現(xiàn)出良好的區(qū)分性，也要體現(xiàn)出良好的擴(kuò)展性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文從海量數(shù)據(jù)渲染速度、幾何分層表達(dá)及CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換三個(gè)方面來驗(yàn)證改進(jìn)后的幾何表達(dá)的合理性與優(yōu)越性。

3.1 海量數(shù)據(jù)渲染

本文以打開gdb數(shù)據(jù)為例，大約包含30萬個(gè)要素。在第一次加載數(shù)據(jù)之前，先根據(jù)要素的屬性對(duì)其進(jìn)行分層，然后才進(jìn)行渲染，總體耗時(shí)約10 s；在后續(xù)的縮放等操作中，由于數(shù)據(jù)已經(jīng)分層，所以縮放效率也會(huì)提高，其效果如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)渲染

3.2 幾何數(shù)據(jù)分層

針對(duì)幾何表達(dá)模型體系，對(duì)每一種幾何類型確定相對(duì)應(yīng)圖層，這樣可以完全滿足GIS相關(guān)分析及操作的需求。由于本文采用了五元模型來表達(dá)幾何體系，所以圖層的設(shè)置也分成五類。具體如圖3所示。

圖3 幾何分層顯示

4 結(jié)語

本文通過分析GIS在幾何表達(dá)方面的不足，提出了一種改進(jìn)的幾何表達(dá)模型，分析了其擴(kuò)展性和繼承性。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的幾何表達(dá)模型可以很好地對(duì)要素進(jìn)行分層，滿足最基本的GIS要素圖層的要求；同時(shí)也可以很好地對(duì)CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供支持，滿足常見的制圖及數(shù)據(jù)管理需求。不僅如此，改進(jìn)后的幾何表達(dá)在幾何存儲(chǔ)與讀取方面也具有很高的渲染效率。因此，對(duì)于后續(xù)的大比例尺地形圖制作、GIS空間分析與操作等，能夠提供更好更強(qiáng)的支持。

［1］李鑫慧，郭蓬，戎輝，等.高精度地圖技術(shù)研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用［J］.汽車電器，2019（6）：1-3.

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P208

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.017

2095－6835（2020）01－0057－02

〔編輯：張思楠〕