一種基于地理實體數據自動派生斜坡符號方法

楊健男,殷 勇,郭沛沛, 燕雨晗

(中國測繪科學研究院 地理信息與地圖研究所, 北京 100036)

斜坡符號是地形圖中常見的一種地圖符號,表達地貌中地面線與水平面呈一定夾角的地貌區域。但是斜坡符號相對于地形圖的其它符號,屬于一種復雜度比較高的符號,具體表現為幾何特征不唯一、結構復雜兩方面[1],從而難以制作此符號。

目前學者研究制作斜坡符號的方法,主要分為兩種:一是基于軟件平臺的符號編輯功能實現斜坡符號的繪制;二是基于編程實現斜坡符號的繪制。基于軟件平臺的符號編輯功能繪制斜坡符號的研究中,以AutoCAD為代表制作地形圖圖式符號的方法[2-4],通過定義線型文件、命令交互、人工協同可繪制出斜坡,但其過程復雜、耗時長、制圖效率較低;以ArcGIS制作符號的方法中,文獻[5]利用圖層疊加的方法,在不同的圖層上添加相應的符號效果來繪制斜坡,但是操作量大,不僅要考慮層級關系還需要考慮效果屬性是否能達到不同斜坡的制圖表達效果,制圖效率低;文獻[6]利用圖形拆分的形式,分別制作斜坡的多個部件并導入符號庫,通過編碼調用符號部件繪制斜坡,但是制作效果與國家基本比例尺圖式標準[7]有偏差;以清華山維繪制斜坡時[8],其方向線繪制有需要人工逐個指定斜坡面的轉點的缺陷。為了能提高斜坡等符號繪制效率,后有了基于軟件接口,進行二次開發,擴展符號化功能的研究。文獻[9]基于CAD接口,解決了清華山維繪制斜坡時人工指定斜坡面轉點的問題,但是依舊需要人工進行符號編輯;文獻[10]基于Microstation,利用角平分線算法繪制了斜坡,但只能繪制規則的斜坡,不適用于任意形狀的斜坡;還有其它類似的程序化符號繪制的研究[11-12]。二次開發軟件平臺的繪制功能,雖然自動化程度有一定提升,繪制斜坡等符號的效率能提高,但是受限于平臺提供的接口,可擴展的符號功能有限,可以使用此方法繪制的斜坡類型也受限制。

綜合來看,以上兩種方法在斜坡復雜符號的制作上,受平臺符號編輯以及接口限制,繪制總體效率低。因此,文中提出一種基于地理實體數據的斜坡符號自動派生方法,從全局角度得到斜坡的坡腳坡頂線和長短齒線,從局部角度優化全局的符號繪制結果,全自動派生斜坡符號。最后,經實際數據測試,驗證方法有效性。

1 斜坡符號派生場景

現實世界中的斜坡有自然斜坡和人造斜坡,形狀多樣化,因此產生了不同的斜坡類型。由面狀地理實體數據派生而來的斜坡符號,也因此有不同的斜坡符號派生處理類型,如圖1所示。

圖1 斜坡類型

2 斜坡符號自動派生方法

2.1 技術路線

先從全局角度出發,基于斜坡實體面數據提取主骨架線,構建主骨架線與實體面數據的點線拓撲關系,按拓撲關系提取出坡腳坡頂線,根據國標派生出長短齒線;最后,從局部角度,分析長齒線之間的相交問題和主骨架線位置問題(包括懸掛與部分不居中兩種場景),優化全局式的斜坡符號派生結果,技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線

2.2 全局式派生斜坡符號

全局式的斜坡符號派生內容包括兩個部分:坡腳坡頂線派生與長短齒線派生。根據這兩個部分,進行全局式派生斜坡符號的步驟:

1)坡腳坡頂線派生。 坡腳坡頂線來自于斜坡實體面數據的上下邊緣線,因此如何提取出上下邊緣線是坡腳坡頂線派生的關鍵。

目前有很多分析面狀數據形狀特征的工具,例如構建多邊形Delaunay三角網[13],能夠獲取面狀數據的邊界[14],基本原理是:三角形邊的左右方向如果沒有鄰接除本身以外的三角形,則該邊為多邊形的邊界。但是這種方法提取得到的邊界結果不是上下邊緣線,需要進一步處理。

本文設計上下邊緣線派生方法步驟如下:

步驟1:構建多邊形Delaunay三角網,提取主骨架線。文獻[15]提及了具體的提取方法,不再闡述;

步驟2:如圖3所示中構建主骨架線與面實體的點線拓撲,利用主骨架線首端點s和尾端點e,將面實體數據的弧段總分為兩個部分,定義主骨架線前進方向左側為上邊緣線,右側為下邊緣線。根據斜坡面實體邊界上的高程信息,上下邊緣線都可能是坡頂或者坡底線,根據實際情況選擇即可;

圖3 派生坡腳坡頂線

步驟3:利用角度變化特征,獲取斜坡實體面數據上諸如角點這樣具有明顯角度變化的特征點(如圖3(c)的特征點“1、2、3、4”)。在文獻[16]中有提及多邊形的特征點提取問題與解決方法,可進行方法參考;

步驟4:刪除特征點與主骨架線首尾端點間的弧段,即得到圖3(d)斜坡實體面數據的上下邊緣線。

2)長短齒線派生。 基于坡腳坡頂線派生結果,進一步派生長短齒線:

步驟2:向內延伸作各個特征點垂直于另一條邊緣線的垂線,垂線距離根據上下邊緣線的距離而定,即可得到多條長齒線,如圖4(a)所示;

步驟3:分別在邊緣線上的特征點中,兩兩特征點間取一個中點,向內延伸作各自中點垂直于上邊緣線的垂線,垂線距離參考國標,即得到多條未加固斜坡的短齒線,完成未加固斜坡符號的派生,如圖4(b)所示。

2.3 斜坡符號局部優化

全局角度的斜坡符號派生方法適用于規則型的斜坡面實體。當遇到非規則型和環型的斜坡面實體時,會出現主骨架線的位置確定和生成過程中出現長齒線形成相交問題。

2.3.1 主骨架線位置

主要在以下兩種場景中出現主骨架線位置不易確定問題:

1)懸掛。 在構建面狀數據的Delaunay三角網前,為了減小骨架線提取結果的擾動幅度,會對面狀數據進行形狀化簡等制圖綜合處理,使用綜合后的面狀數據提取主骨架線,雖然擾動幅度減小了很多,但是該結果用于分析原始面狀數據時,會出現懸掛,如圖5所示,一是面狀數據內懸掛,二是面狀數據外懸掛。這種懸掛的優化方法為:內懸掛向外延伸至面狀數據邊界上;外懸掛向內縮至面狀數據邊界上。

圖5 主骨架線懸掛

2)部分不居中。非規則型斜坡面實體的形狀是一個不確定性問題,因此主骨架線的提取結果也存在不確定性,這種不確定性常表現在斜坡面實體的形狀存在分支的時候,如圖6所示,其分支所占比例即影響著主骨架線的走向。具體的處理方法為:記錄方位角變化大的轉點,將該轉點處前后長度較短的弧段刪除,再延長較長的骨架線直至面實體邊界上。

圖6 主骨架線走向不居中

為了斜坡符號更加均勻化,改善其因主骨架線走向,提取的坡底坡頂線不同,導致視覺效果不佳的問題。如圖7所示,優化后的斜坡符號視覺效果更佳,也更加符合格式塔連續性原則。

圖7 優化主骨架線走向

2.3.2 長齒線形成相交

斜坡面實體的形狀不確定,因此斜坡的走向也是多樣化的。當斜坡轉向,且轉向區域較窄時,長齒線形相交,如圖8所示。

圖8 長齒線相交

文獻[17]通過定位交叉點,裁剪并舍棄多余的長齒線,來解決局部長齒線形成相交的問題,是一種在繪制過程中遍歷長齒線來消去交叉的方法,但并不是所有斜坡情況都需要遍歷,并且經裁剪后的斜坡符號視覺效果不佳;文獻[18]先通過混合積確定線段相交區域,然后抽稀坡頂線上的相隔一定距離的節點作基點,再構建相交區域處的Delaunay三角網,根據三角網類型特征選取坡腳線上的節點與基點配對,解決長齒線相交問題,但是三角形類型的定義較少,坡腳線上的配對點存在其他的可能,算法存在不穩定性。

本文是基于地理實體數據繪制斜坡符號,因此解決這種問題,即可通過空間查詢得到相交區域,基本原理如下:

步驟1:通過拓撲關系查詢長齒線相交的區域;

步驟2:擴展相交區域至前后兩條齒線;

步驟3:在擴展后的相交區域中的坡腳線上,每隔Ds距離搜索是否有一個原始節點與坡頂線上節點可配對,有則直接連接作為新長齒線;沒有則在坡腳坡頂線相應進行節點加密,即等間距插入配對節點,插入節點數量為區域內的長齒線條數減去已配對的個數后得到的數量,直接對應連接坡腳坡頂線節點,如圖9所示,即可解決長齒線的相交問題。

圖9 消去相交

3 實 例

3.1 實驗數據與環境

為驗證本方法的有效性,依托中國測繪科學研究院研制的地理實體智能生產與派生平臺-IGEO,嵌入一種基于地理實體數據的斜坡符號自動派生方法。方法使用的編程語言為C++,系統運行環境為MicrosoftWin7 64位操作系統,CPU為Intel Core I7-4790,單機8核8線程,主頻3.6 GHz,內存8 GB,固態硬盤1 024 GB。

3.2 可視化實例

圖10為本方法應用于陜西省某試驗區域1∶1 000基本比例尺地形圖生產中的加固斜坡符號自動派生過程。可以看出,利用垂線法直接按國標生產的齒線,在轉角處常出現相交問題,經方法優化后的齒線,雖然局部間距不符合國標,但是可視化效果較前者更加良好,不影響地形圖讀圖人員判讀效果。

圖10 斜坡符號派生實例

圖11為試驗區域的地形圖局部帶有其它符號的斜坡符號派生結果。結果顯示,此方法派生的斜坡涵蓋規則型斜坡、非規則型斜坡和環型斜坡三種,符號可視化效果好,全自動化進行,不需要再進行其它的制圖編輯。

圖11 試驗區斜坡符號派生結果

表1為3種不同斜坡符號繪制的方法之間優缺點的定性描述與對比。基于軟件符號編輯功能來繪制斜坡,相對于其它兩種方法,靈活性更高,但人工計算量大;利用軟件接口進行二次開發繪制斜坡,自動化程度相比前者雖有一定提升,但是依舊在繪制過程中需要人工參與;通過編程實現全自動斜坡符號派生,減少人工計算量,提高繪制效率。

表1 法定性對比

4 結束語

本文通過分析斜坡實體的形狀特征,總結了3種不同的斜坡符號派生場景,包括規則型、非規則型和環型斜坡,先從全局角度派生出斜坡符號;接著再從局部角度,解決主骨架線的位置和長齒線形成相交的問題,并通過試驗數據驗證,該方法能適應不同的斜坡符號的派生場景,容易理解且易編程實現。

前面已提到,類似使用ArcGIS符號庫加載或組合的方式,對于這種復雜的斜坡符號,繪制困難,但是實際上可以達到類似的符號效果。本方法相較于這些方式,有兩點改進:①不需要借助軟件接口,直接使用地理實體數據派生出斜坡符號;②當借助接口二次開發時,該方法同樣適用于齒線相交問題,是一鍵式符號派生方法。其中除了長齒線相交處因點采樣,齒線距離不符合國標以外,其余皆在國標下完成斜坡符號的派生,是新型基礎測繪成果向傳統成果的一次正向派生和新型應用。