CN106528622A - 一种面向s57海图数据的抽稀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向S57海图数据的抽稀方法，步骤包括：遍历海图数据中的所有图层，对线面图层进行分类并建立拓扑关系；遍历线状要素以及面状要素获取各个线状要素和面状要素的坐标序列信息，再根据线图层初始抽稀阈值以及面图层初始抽稀阈值对要素的坐标序列进行抽稀；利用建立的拓扑关系对当前的抽稀结果数据进行校验，判断当前抽稀结果数据是否保持拓扑关系的一致性，并动态初始抽稀阈值得到自适应的抽稀结果。本发明的抽稀方法对电子海图数据中单个图层内部、不同图层之间空间要素进行综合考虑，实现在数据量减少的同时，保持原有拓扑关系的一致性。

Description

一种面向S57海图数据的抽稀方法

技术领域

本发明涉及一种抽稀方法，尤其是一种面向S57海图数据的抽稀方法。

背景技术

海图数据是诸多航海应用的基础，尤其在航线导航、业务管理和服务配置等方面起到至关重要的作用。在这之中，海图数据的便捷传输与高效显示一直是实际应用中的难点与研究热点。根据实际应用的需求，将海图数据中不同空间要素进行数据抽稀能够有效的解决数据存储量的限制，并且可以直接支持海图数据显示效率的增加。在海图数据中主要存储了与海洋、水域相关的空间要素，其中也包含了部分的陆地空间要素。从空间信息的组织与管理角度考虑，海图数据与GIS领域中的空间数据具有较大的相似性。因而，海图数据的抽稀与GIS领域的数据抽稀存在一定的相似性，都需要利用由坐标序列构成的线串进行坐标的筛选与剔除。但是，作为与专业应用紧密关联的海图数据，其数据抽稀工作还需要考虑具体的应用限制。尤其是在不同要素、不同图层之间的拓扑关系一致性的保持方面。这也是当前对于海图数据优化研究中，较少进行数据抽稀处理的一个重要原因。例如，论文《基于S_57自定义海图数据转换及优化》(孔德宁，黄伟，曹万华.《舰船电子工程》,2007,27(01):74-77.)为优化数据存储结构,提高海图数据查找速度,对S-57格式海图的矢量物标及特征物标重新封装，其研究中只是对数据长度、对应关系等进行了优化，而没有考虑要素的数据抽稀。发明专利《一种电子海图位置点数据简化方法和***》(CN201310057659.6)介绍了一种电子海图位置点数据简化方法和***，主要通过寻找海图位置点经纬度的最大和最小值，设定参考点来实现坐标值的长度减少，该专利也仅对海图中点位数据进行化简，对于线面图层的抽稀亦没有涉及。

相较于GIS领域传统的数据抽稀方法，海图S57格式数据抽稀方法需要严格考虑图层、要素之间的相互关系，主要体现在拓扑关系的一致性方面。数据抽稀的目标是：在尽可能保持原有空间要素几何形态的基础上，通过设置抽稀阈值，来对空间要素的坐标进行筛选和剔除，最终达到要素简化的效果。简化后的要素与原始要素在几何上存在一定的差异，这种差异在视觉上可能并不大，但对于具体的几何相关的计算而言，细微的差异也可能会导致计算结果的错误(例如路径优选、叠置分析等)。就电子海图矢量要素的化简而言，发明专利《电子海图矢量图形简化方法》(CN201010203662.0)给出了一种电子海图矢量图形简化的方法，提取多边形的凸包，再利用相应的数据化简方法进行数据抽稀。虽然该方法可以有效的避免传统化简算法易出现自相交的缺陷，但是，对于多个图层之间、多个要素之间的拓扑关系一致性问题，并没有给出有效的解决方案。其他在GIS领域中研究的相关数据简化和抽稀方法，同样因为没有结合电子海图数据的具体需求，导致无法直接应用。

因而，如何对电子海图中的空间要素进行拓扑一致性的抽稀是电子海图应用中的一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的抽稀方法只考虑单个要素化简从而导致空间要素的拓扑信息不一致。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种面向S57海图数据的抽稀方法，包括如下步骤：

步骤1，遍历S57海图数据中的所有图层，对线面图层进行分类获得各个线图层和面图层，并在单个线图层内部、不同线图层之间以及线图层与面图层之间建立拓扑关系；

步骤2，遍历待抽稀线图层中的每个线状要素以及面图层中的每个面状要素，并获取各个线状要素和面状要素的坐标序列信息，再根据预设的线图层初始抽稀阈值对线状要素的坐标序列进行抽稀，根据预设的面图层初始抽稀阈值对面状要素的坐标序列进行抽稀；

步骤3，利用建立的拓扑关系对当前的抽稀结果数据进行校验，判断当前抽稀结果数据是否保持拓扑关系的一致性，并根据判断结果动态调整线图层初始抽稀阈值和/或面图层初始抽稀阈值，从而得到自适应的抽稀结果。

本发明的这种抽稀方法对电子海图数据中单个图层内部、不同图层之间空间要素进行综合考虑，实现在数据量减少的同时，保持原有拓扑关系的一致性，同时利用建立的拓扑关系对抽稀结果进行校验，能够最大限度地确保抽稀后的拓扑关系一致性；根据判断结果动态调整线图层初始抽稀阈值和/或面图层初始抽稀阈值，从而得到自适应的抽稀结果，能够在保持原有拓扑关系一致性的基础上，最大限度地减少海图的数据量。

作为本发明的进一步限定方案，步骤1中，建立拓扑关系的具体步骤为：

步骤1.1，从S57海图数据中获取每个要素所关联的矢量标识信息；

步骤1.2，根据矢量标识信息在单个线图层内部构建各个线状要素之间的相交关系；

步骤1.3，根据矢量标识信息在不同线图层之间构建线状要素之间的相交关系；

步骤1.4，根据矢量标识信息在线图层与面图层之间构建不同线图层中线状要素与面图层中面状要素的重叠、包含和接触关系。

本发明从单个线图层内部、不同线图层之间以及线图层与面图层之间均建立要素拓扑关系，从而实现海图的所有图层要素的关系梳理，便于后续抽稀一致性判断。

作为本发明的进一步限定方案，步骤2中，对线状要素的坐标序列进行抽稀的具体步骤为：

步骤2.1，根据每个线状要素的矢量标识信息获取相应的坐标序列，设置线图层初始抽稀阈值，对由坐标序列构成的线串进行抽稀；

步骤2.2，利用建立的拓扑关系将线串抽稀结果同步更新到相关联的面图层中；

步骤2.3，将抽稀后的线状要素标记为已抽稀。

作为本发明的进一步限定方案，步骤2中，对面状要素的坐标序列进行抽稀的具体步骤为：

步骤2.4，根据每个面状要素的矢量标识信息获取相应的坐标序列，设置面图层初始抽稀阈值，对由坐标序列构成的封闭线串进行抽稀；

步骤2.5，根据抽稀结果判断所构成的多边形是否存在自相交的情况，如果存在自相交的情况，则将该面状要素标记为未抽稀，并且恢复到抽稀之前的状态，如果不存在自相交的情况，则将该面状要素标记为已抽稀。

作为本发明的进一步限定方案，步骤3中，对当前的抽稀结果数据进行校验的具体步骤为：

步骤3.1，利用建立的拓扑关系动态判断当前抽稀结果数据中每个要素抽稀的拓扑关系是否与原来的相一致，如果不一致则恢复到抽稀之前的状态，并将该要素的抽稀阈值动态设置为当前抽稀阈值的一半，并将该要素标记为未抽稀，如果一致则记录该抽稀结果；

步骤3.2，在遍历判断所有要素抽稀结果的合理性之后，再对标记为未抽稀的要素利用动态设置后的抽稀阈值重新进行抽稀，再返回步骤3.1。

本发明的有益效果在于：(1)本发明的这种抽稀方法对电子海图数据中单个图层内部、不同图层之间空间要素进行综合考虑，实现在数据量减少的同时，保持原有拓扑关系的一致性，同时利用建立的拓扑关系对抽稀结果进行校验，能够最大限度地确保抽稀后的拓扑关系一致性；(2)根据判断结果动态调整线图层初始抽稀阈值和/或面图层初始抽稀阈值，从而得到自适应的抽稀结果，能够在保持原有拓扑关系一致性的基础上，最大限度地减少海图的数据量。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明的整个图幅上海岸线、陆地面和海洋面关系示意图；

图3为本发明的局部区域上海岸线、陆地面和海洋面的关系示意图；

图4为本发明的海洋面与等深线之间的关系示意图；

图5为本发明的同一图层内的要素相离关系示意图；

图6为本发明的数据抽稀化简后拓扑关系不一致示意图；

图7为本发明的根据抽稀结果判断拓扑关系一致性进行自适应阈值调整；

图8为本发明的抽稀结果对比示意图；

图9为本发明的拓扑相交效果示意图；

图10为本发明的线面包含效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

如图1所示，为本发明的方法流程图。该方法包括以下步骤：首先，将S57电子海图数据从文件中读取到内存中，按照点、线、面图层分别存储，根据海图数据中图层之间的关联关系，遍历相应的图层，建立图层之间要素的拓扑关系，通过同一图层内部和不同图层之间的关系构建，支撑后续的抽稀结果判断；接着，对每个线、面图层中的要素，按照坐标序列的方式进行简化抽稀，设置初始的抽稀阈值，按照从线图层到面图层的顺序进行，在抽稀线图层的过程中，按照第一步所构建的线-面图层关系获取相关的面图层，进而同步的将面图层中相应的要素进行抽稀，保证线-面要素的拓扑关系；最后，依据第二步的抽稀结果，对应第一步中构建的图层内要素关系，逐个检查是否存在拓扑不一致的情况，并对拓扑不一致的情况进行恢复原始坐标序列，并同时为该要素赋予当前抽稀阈值的动态调整结果，再次执行第二个步骤；由此，直到遍历完所有的图层和所有的要素，并保证抽稀结果的拓扑一致性。具体步骤为：

步骤1，遍历S57海图数据中的所有图层，对线面图层进行分类获得各个线图层和面图层，并在单个线图层内部、不同线图层之间以及线图层与面图层之间建立拓扑关系，其中，建立拓扑关系的具体步骤为：

步骤1.1，从S57海图数据中获取每个要素所关联的矢量标识信息；

步骤1.2，根据矢量标识信息在单个线图层内部构建各个线状要素之间的相交关系；

步骤1.3，根据矢量标识信息在不同线图层之间构建线状要素之间的相交关系；

步骤1.4，根据矢量标识信息在线图层与面图层之间构建不同线图层中线状要素与面图层中面状要素的重叠、包含和接触关系；

步骤2，遍历待抽稀线图层中的每个线状要素以及面图层中的每个面状要素，并获取各个线状要素和面状要素的坐标序列信息，再根据预设的线图层初始抽稀阈值对线状要素的坐标序列进行抽稀，根据预设的面图层初始抽稀阈值对面状要素的坐标序列进行抽稀，其中，对线状要素的坐标序列以及对面状要素的坐标序列进行抽稀的具体步骤为：

步骤2.1，根据每个线状要素的矢量标识信息获取相应的坐标序列，设置线图层初始抽稀阈值，对由坐标序列构成的线串进行抽稀；

步骤2.2，利用建立的拓扑关系将线串抽稀结果同步更新到相关联的面图层中；

步骤2.3，将抽稀后的线状要素标记为已抽稀；

步骤2.4，根据每个面状要素的矢量标识信息获取相应的坐标序列，设置面图层初始抽稀阈值，对由坐标序列构成的封闭线串进行抽稀；

步骤2.5，根据抽稀结果判断所构成的多边形是否存在自相交的情况，如果存在自相交的情况，则将该面状要素标记为未抽稀，并且恢复到抽稀之前的状态，如果不存在自相交的情况，则将该面状要素标记为已抽稀；

步骤3，利用建立的拓扑关系对当前的抽稀结果数据进行校验，判断当前抽稀结果数据是否保持拓扑关系的一致性，并根据判断结果动态调整线图层初始抽稀阈值和/或面图层初始抽稀阈值，从而得到自适应的抽稀结果，其中，对当前的抽稀结果数据进行校验的具体步骤为：

步骤3.1，利用建立的拓扑关系动态判断当前抽稀结果数据中每个要素的抽稀的拓扑关系是否与原来的相一致，如果不一致则恢复到抽稀之前的状态，并将该要素的抽稀阈值动态设置为当前抽稀阈值的一半，并将该要素标记为未抽稀，如果一致则记录该抽稀结果；

步骤3.2，在遍历判断所有要素抽稀结果的合理性之后，再对标记为未抽稀的要素利用动态设置后的抽稀阈值重新进行抽稀，再返回步骤3.1。

如图2-5所示，典型的S57电子海图中的要素拓扑关系，有海洋面、陆地面之间的无缝衔接关系(抽稀的结果不能在两个图层之间产生裂缝)，有海洋面与海岸线，陆地面与海岸线之间的包含关系(抽稀结果不能在线-面之间产生不一一对应的情况)，有等深线内每个要素之间的分离关系(抽稀的结果不能将原始不相交的线变成相较的线)。

根据线面图层中的每个要素，获取其相应的坐标序列，利用成熟的节点简化算法进行抽稀，例如常用的道格拉斯-匹克算法(Douglas-Peukcer)，垂距限值法，线段过滤法等。而根据图层要素的特征，根据图层名可以设置不同的简化算法，但对于线面之间存在包含关系的图层之间，其抽稀方法需要保持一致。由此，实现空间要素的抽稀，如图6所示。

如图7所示，利用所构建的图层-要素拓扑关系，判断当前阈值下抽稀结果的合理性，如果抽稀结果不合理则为每个要素设置自适应的阈值。其中，所谓的自适应阈值，就是根据抽稀结果判断得出当前的抽稀阈值过大导致了抽稀结果的拓扑不一致，所以将坐标序列恢复到原始状态，再对该要素设置当前阈值的一半。

本发明技术方案的具体说明如下：

A.读取S57电子海图数据，从文件***到内存结构。利用键值对的方式对所有的图层进行组织和管理，包含了点、线、面图层。键值对的键Key是该图层对应的int类型编号ID，值Value则是一个数组类型，包含了该图层中所有的要素。对所有的线-面图层构建其要素之间的联系，主要包括线图层内部的拓扑关系，不同线图层之间要素的拓扑关系，线面图层之间的拓扑关系。而后续图层之间的关系构建将主要通过ID来进行关联。

B.首先遍历线图层中的每个要素，获取其坐标序列，设置相应的抽稀阈值和抽稀方法，对原始坐标序列进行抽稀，将结果存储到新的数组中，同时对该要素设置是否抽稀过的标记为True。

C.按照ID的关联信息来获取与当前抽稀线图层相关的面图层，对其线串中相应位置的坐标序列进行更改，并记录其是否抽稀过的标记为True。

D.待所有图层均执行抽稀之后，再次遍历所有的图层和要素，根据之前构建的图层-要素的拓扑关系，判断其抽稀结果是否保持了拓扑一致性。如果存在拓扑不一致情况(例如原本不相交的，抽稀后相交了等情形)，则将其抽稀结果恢复到原始坐标序列，并将是否抽稀过的标记设为False，同时设置该要素特定的抽稀阈值为当前阈值的一半。

E.再次遍历所有图层和要素，对所有抽稀过标记为False的图层和要素进行再次抽稀。

F.如此反复，直到所有要素都执行了相应的抽稀。同时需要设置反复设置阈值、执行抽稀的跳出条件，就是某一个要素的阈值小于了当前线串坐标的精度了。

如图8-10所示，为本发明的方法获得电子海图数据抽稀的典型结果，其中，如图8所示，数据量明显减少了，但是抽稀前后的拓扑关系与原来的保持一致；如图9所示，抽稀后与原来的拓扑相交保持一致的关系；如图10所示，抽稀后的线面拓扑关系与原来的线面拓扑关系保持一致。由图8-10可以看出，采用本发明的抽稀方法进行抽稀，既能够明显减少数据量，又能够确保抽稀前后的拓扑关系一致性。

Claims (5)

1.一种面向S57海图数据的抽稀方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，遍历S57海图数据中的所有图层，对线面图层进行分类获得各个线图层和面图层，并在单个线图层内部、不同线图层之间以及线图层与面图层之间建立拓扑关系；

步骤2，遍历待抽稀线图层中的每个线状要素以及面图层中的每个面状要素，并获取各个线状要素和面状要素的坐标序列信息，再根据预设的线图层初始抽稀阈值对线状要素的坐标序列进行抽稀，根据预设的面图层初始抽稀阈值对面状要素的坐标序列进行抽稀；

步骤3，利用建立的拓扑关系对当前的抽稀结果数据进行校验，判断当前抽稀结果数据是否保持拓扑关系的一致性，并根据判断结果动态调整线图层初始抽稀阈值和/或面图层初始抽稀阈值，从而得到自适应的抽稀结果。

2.根据权利要求1所述的面向S57海图数据的抽稀方法，其特征在于，步骤1中，建立拓扑关系的具体步骤为：

步骤1.1，从S57海图数据中获取每个要素所关联的矢量标识信息；

步骤1.2，根据矢量标识信息在单个线图层内部构建各个线状要素之间的相交关系；

步骤1.3，根据矢量标识信息在不同线图层之间构建线状要素之间的相交关系；

步骤1.4，根据矢量标识信息在线图层与面图层之间构建不同线图层中线状要素与面图层中面状要素的重叠、包含和接触关系。

3.根据权利要求2所述的面向S57海图数据的抽稀方法，其特征在于，步骤2中，对线状要素的坐标序列进行抽稀的具体步骤为：

步骤2.1，根据每个线状要素的矢量标识信息获取相应的坐标序列，设置线图层初始抽稀阈值，对由坐标序列构成的线串进行抽稀；

步骤2.2，利用建立的拓扑关系将线串抽稀结果同步更新到相关联的面图层中；

步骤2.3，将抽稀后的线状要素标记为已抽稀。

4.根据权利要求3所述的面向S57海图数据的抽稀方法，其特征在于，步骤2中，对面状要素的坐标序列进行抽稀的具体步骤为：

步骤2.4，根据每个面状要素的矢量标识信息获取相应的坐标序列，设置面图层初始抽稀阈值，对由坐标序列构成的封闭线串进行抽稀；

步骤2.5，根据抽稀结果判断所构成的多边形是否存在自相交的情况，如果存在自相交的情况，则将该面状要素标记为未抽稀，并且恢复到抽稀之前的状态，如果不存在自相交的情况，则将该面状要素标记为已抽稀。

5.根据权利要求4所述的面向S57海图数据的抽稀方法，其特征在于，步骤3中，对当前的抽稀结果数据进行校验的具体步骤为：

步骤3.1，利用建立的拓扑关系动态判断当前抽稀结果数据中每个要素的抽稀的拓扑关系是否与原来的拓扑关系一致，如果不一致则恢复到抽稀之前的状态，并将该要素的抽稀阈值动态设置为当前抽稀阈值的一半，并将该要素标记为未抽稀，如果一致则记录该抽稀结果；

步骤3.2，在遍历判断所有要素抽稀结果的合理性之后，再对标记为未抽稀的要素利用动态设置后的抽稀阈值重新进行抽稀，再返回步骤3.1。