基于栅格模式的地图图形自动综合研究

论文摘要

理论上考察当前用于地图综合的栅格方法和矢量方法,能够发现：采用矢量方法,由于对象的复杂性,在涉及要素间关系时基本上一筹莫展,而只有结构化综合获得广泛的认可。但矢量本身数据结构已十分复杂,而且全部数据若不结构化是难以进行地图综合的,而结构化组织本身就是十分困难的工作,结构化意味着地理数据本身的结构组织,也意味着它们全部所需关系的数据化和结构化组织,其复杂程度有些情况下还要高于综合(胡鹏,2002)。栅格中的数学形态学方法是一种带有统计特性的栅格处理,对于一个确定的像元很难做到指定的准确处理,对这一点要求图形与图像有很大区别；大多数基于栅格模式的综合方法都起源于图像处理和分析,例如邻近距离和方向的计算、覆盖、边缘探测、样条表面或最小能量表面的建立、低通滤波、卷积运算、收缩和膨胀。在某种约束(如形态特征的保持)下,通过选择结构元素,能进行删除、光滑和冲突探测、面状地物的合并以及移位等比较典型的综合操作。但这些方法没有关注对象的复杂语义结构和上下文约束环境。因此,只能用于处理简单的实验数据。例如,在栅格模式下很难将面状要素的边界特征部分进行局部放大。相同的结构单元作用于形状和大小不同的面块只能得到近似综合的效果。由此,基于栅格数据结构的特点和优势,我们想到了把渐进式地图综合的思想用以栅格模式,将综合步长设置为一定大小的窗口,用于控制目标之间的局部空间关系,克服以往的栅格的地图综合方法的不足。并且,基于工作流的思想,针对3×3大小的窗口内不同类型要素(语义)的空间关系(上下文环境),分别设计了各种类型的地图综合过程,实现整幅地图综合的目标,提高地图综合自动化程度。这对实际生产单位而言具有重要的研究意义和价值。具体研究工作如下：(1)明确了地图综合的概念、目的,分析了数字化环境下地图综合的特点和地图自动综合的概念框架,分析了地图自动综合的研究现状,并讨论了地图自动综合需要进一步研究解决的问题。(2)研究了栅格模式下的渐进式地图综合理论与方法。从空间抽象开始,归纳了空间抽象规律,阐述了渐进式地图综合的基本思想,以及地图综合过程的渐进式控制方法和渐进式地图综合的基础算法。分析了栅格数据结构的特点,以及归纳总结了栅格化的各种算法,总结了栅格模式下地图自动综合的研究现状。分析了栅格数据运用渐进式地图综合的原理与方法,给出了栅格模式下的渐进式地图综合的概念框架。(3)总结了当前数据模型发展历程和存在的问题,分析了地图综合中GIS空间数据抽象和组织的要求,指出实现更高效地地图综合过程必须以实用、完善的空间数据模型为前提条件。介绍了两种面向地图综合的数据模型,并针对目前国家基本比例尺的存储现状,以城市居民地和道路为研究对象,基于语义对照表、居民地图形的多尺度变化规律和地形图精度研究了居民地和道路空间目标多尺度匹配的新方法。(4)介绍了栅格模式下的空间方向关系和空间距离关系,详细讨论了栅格目标的拓扑关系。研究了栅格模式下地图目标空间关系抽象规律。讨论了在栅格模式中,对综合操作中引起的空间关系抽象规则,对照矢量地图,对综合过程中地图要素间空间关系的抽象规则进行了归纳总结。(5)分析了当前地图自动综合的数学形态学、地图代数等方法,总结了地图综合过程中各种约束条件,分析了栅格数据在地图综合中的约束条件以及量化方法。研究了线目标的简化方法,尤其是对线的自相交问题,提出了一种利用窗口识别的方法。以3×3窗口为例,归纳了线的连通性模板,在综合过程中,严格按照这些模板执行操作,就能保证综合后线目标的连通性。介绍了居民地简化和合并的两种栅格算法。(6)研究了基于智能型工作流的地图自动综合方法。介绍了工作流的基本概念,归纳了目前地图自动综合策略,详细地分析了基于工作流的地图综合的研究现状。对地图综合算子进行了分类,并分析了目前地图综合过程中存在的问题,提出了栅格模式下地图自动综合的实施过程。基于工作流的思想,针对3×3大小的窗口内不同类型要素(语义),主要是居民地、道路和河流,以及它们之间的空间关系(上下文环境),分别设计了各种类型的图形综合流程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 地图综合的基本理论
• 1.1.1 数字环境下的地图综合概念
• 1.1.2 地图综合的目的及其本质
• 1.1.3 数字环境下地图综合的特点
• 1.1.4 地图自动综合的概念框架
• 1.2 地图综合研究现状与展望
• 1.2.1 地图自动综合现有成果分析
• 1.2.2 地图自动综合的展望
• 1.3 论文的研究目标及内容
• 1.3.1 论文研究目标
• 1.3.2 论文内容组织
• 第二章 栅格模式下渐进式地图综合理论与方法
• 2.1 空间抽象与地图综合
• 2.1.1 空间抽象
• 2.1.2 空间抽象规律
• 2.2 渐进式地图综合的基本思想
• 2.2.1 渐进式地图综合的基本思想
• 2.2.2 地图综合过程的渐进式控制
• 2.2.3 渐进式地图综合的基础算法
• 2.3 栅格数据结构及其优越性
• 2.3.1 栅格数据结构
• 2.3.2 空间目标的栅格表示方法
• 2.3.3 栅格结构的优越性
• 2.4 栅格化算法分析
• 2.4.1 点的栅格化
• 2.4.2 线的栅格化
• 2.4.3 面（多边形）的栅格化
• 2.5 基于栅格模式的地图图形综合研究现状
• 2.6 栅格模式下的渐进式地图图形综合的概念框架
• 2.6.1 栅格模式下的渐进式地图综合原理
• 2.6.2 栅格尺寸及步长的确定
• 2.6.3 地图综合的质量评价
• 2.7 本章小结
• 第三章 面向地图自动综合的数据模型和多尺度空间目标匹配
• 3.1 现有数据模型及其对比分析
• 3.1.1 基本数据模型
• 3.1.2 地图综合对数据模型的基本要求
• 3.1.3 面向地图综合的数据模型
• 3.2 多尺度空间数据库及建立方法
• 3.2.1 多尺度空间数据库
• 3.2.2 多尺度空间数据库的建立方法
• 3.3 多尺度居民地要素匹配方法
• 3.3.1 多尺度目标匹配的基本思想
• 3.3.2 居民地匹配的特点和类型
• 3.3.3 语义对照表与数据预处理
• 3.3.4 居民地要素匹配过程及算法
• 3.3.5 匹配结果的检验
• 3.3.6 关联表的建立与查询
• 3.3.7 算法试验
• 3.4 多尺度线目标匹配方法
• 3.4.1 研究现状
• 3.4.2 Hausdorff距离
• 3.4.3 Hausdorff距离在线目标匹配中的应用
• 3.4.4 匹配结果检验与评价
• 3.4.5 算法试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 栅格模式下的空间关系描述
• 4.1 空间方向关系和空间距离关系
• 4.1.1 空间方向关系描述模型
• 4.1.2 空间距离关系
• 4.2 栅格模式下的空间拓扑关系描述
• 4.2.1 矢量和栅格描述方法的差别
• 4.2.2 点-点空间关系描述
• 4.2.3 点-线空间关系描述
• 4.2.4 点-面空间关系描述
• 4.2.5 线-线空间关系描述
• 4.2.6 线-面空间关系描述
• 4.2.7 面-面空间关系描述
• 4.3 栅格模式下的空间关系抽象及其规律
• 4.3.1 栅格模式中基本空间关系的定义
• 4.3.2 综合操作引起的空间关系抽象规律
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于栅格模式的单要素图形综合方法研究
• 5.1 基于栅格模式的地图图形综合研究现状分析
• 5.1.1 基于数学形态学的Li-Openshaw算法
• 5.1.2 曲线综合的地图代数方法
• 5.1.3 自适应格网模型
• 5.2 地图综合约束
• 5.2.1 地图图形综合约束的概念
• 5.2.2 地图图形综合约束分类
• 5.2.3 栅格线目标图形综合约束条件及描述
• 5.3 栅格线目标渐进式图形简化方法
• 5.3.1 线的栅格化
• 5.3.2 像元属性的确定
• 5.3.3 窗口起始位置和移动策略
• 5.3.4 线目标图形简化方法
• 5.3.5 线自相交的解决方法
• 5.3.6 算法试验
• 5.4 居民地图形综合的栅格方法
• 5.4.1 居民地图形轮廓简化
• 5.4.2 居民地合并方法
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于智能型工作流的地图综合过程控制方法
• 6.1 工作流简介
• 6.2 基于工作流的地图自动综合策略
• 6.2.1 地图自动综合策略
• 6.2.2 基于工作流的地图综合研究现状
• 6.2.3 地图自动综合算子分析
• 6.3 地图自动综合的过程
• 6.3.1 研究现状及问题的提出
• 6.3.2 栅格模式下的地图综合过程
• 6.4 栅格模式下多要素综合的知识获取及应用策略
• 6.4.1 地图自动综合知识的分类
• 6.4.2 3×3窗口中地图目标类型及综合方法
• 6.4.3 地图图形自动综合工作流的设计
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结及创新点
• 7.1.1 全文总结
• 7.1.2 本文创新点
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻博期间的科研成果
• 后记