CN108345665A - 基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，包括：将一条航迹分割成多条航迹段，并且每个航迹段带有一个包围盒，每条航迹由其组成的航迹段所存储；根据航迹段的包围盒过滤掉不需要参与显示的数据，以航迹段作为绘制的基础元素，航迹段的起始点与上一条航迹段的终点相接；在坐标投影缩放之前，采用瓦片地图的金字塔分级方法对航迹的比例尺进行分级，并对分级后的航迹进行分级冗余存储；为航迹段和包围盒的数据建立空间索引。本发明有效降低了航迹存储和绘制数据量，提高了航迹显示效率。

Description

基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法。

背景技术

航迹，亦称航行记录，指的是船舶在航行过程中根据预先设置的时间或距离间隔，记录船舶在不同时刻的航迹点，这些航迹点包括了地理坐标以及相关航行信息（例如航向、航速、水深等），这些航迹点通过线连接成了船舶航行的历史轨迹。

根据用户需求，在实际使用过程中，航迹包含以下功能特性：

1）为便于航行期间或航行结束后船员或有关海事部门对历史记录进行详查，船员对时间或距离间隔的预设值短，导致最终生成航迹的点密度较大；

2）由于航行距离由近海到远洋，航行时间有从几天到几个月不等，因而记录的单条航迹往往时间长、距离远；

3）船员会保留航迹作为二次航行的参考，经过多次的航行，航迹的记录条数由于未及时删除而不断地增加。

因此，航迹存在密度大、时间长、距离远等特点，其包含大量的坐标点数据，给电子海图导航***的航迹存储和显示带来很大的负担。航迹在显示到屏幕画布前，需要经历坐标投影、比例缩放、屏幕重合点过滤，屏幕裁剪等处理步骤，最终绘制到屏幕上呈现给用户。其中坐标投影是最为耗时的操作，当坐标点数量急剧上升，***CPU的处理能力无法负担，造成软件卡顿，因而需要在坐标投影前，排除不在屏幕视野内的航迹和航迹点，以及过滤投影后可能存在的重合点，有效地降低真正需要绘制的航迹点数量。

包围盒作为过滤地图要素的传统手段，是相当有效的，但是当包围盒作用于某些地图要素的几何对象时，这些几何对象跨越地理范围很大，或者是凹多边形、不规则线，包围盒的有效性变得微乎其微。

如图1所示，几何对象跨越地理范围很大，尽管此时使用包围盒可以大体上确认该几何对象需要绘制，但该多边形 引入了太多屏幕外的点，性能不会有太大的提升；

如图2所示，凹多边形比较容易发生包围盒与屏幕画布相交，而凹多边形自身却未在屏幕视野内，引入不必要的需要处理的几何对象，对性能提升毫无帮助；

如图3所示，不规则线的问题与凹多边形类似，在此不再赘述。

根据前面的阐述，可以确定航迹作为一种线型地图要素，其几何对象跨越的范围大、线型不规则。

为解决包围盒在航迹线要素的应用问题，本发明人提出一种基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法。

发明内容

本发明的目的在于提供基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，以减少航迹存储和绘制数据量，提高航迹显示效率。

为达成上述技术目的，本发明的技术方法如下：

基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，包括：

将一条航迹分割成多条航迹段，并且每个航迹段带有一个包围盒，每条航迹由其组成的航迹段所存储；

根据航迹段的包围盒过滤掉不需要参与显示的数据，以航迹段作为绘制的基础元素，航迹段的起始点与上一条航迹段的终点相接；

在坐标投影缩放之前，采用瓦片地图的金字塔分级方法对航迹的比例尺进行分级，并对分级后的航迹进行分级冗余存储；

为航迹段和包围盒的数据建立空间索引。

2-1进一步，将一条航迹分割成多条航迹段的规则为：

将跨越大地理范围的航迹分割成多个小范围的航迹段；

将不规则的航迹在分割成趋于规则的航迹段。

3-1进一步，所述对航迹的比例尺进行分级具体为：根据2的幂进行从小比例尺到大比例尺的分级，当屏幕显示比例尺位于两级比例尺之间时，从存储读取临近的大比例尺航迹数据进行绘制。

4-1进一步，所述分级冗余存储的规则为：

在记录一条航迹时，同时记录该条航迹几个比例尺等级下的航迹点；

对于每一个比例尺等级的航迹，在记录航迹点时，需判断当前航迹点是否与上一个航迹点屏幕重合，若重合则该比例尺等级的该航迹点不做记录。

5-4，进一步，所述判断当前航迹点是否与上一个航迹点屏幕重合具体为：根据大圆航线或恒向线距离公式计算两个航迹点，并乘以比例尺和屏幕点距DPI系数换算成屏幕距离，当屏幕距离小于预设距离时，则判定该航迹点与上一个记录的航迹点屏幕重合，否则不重合。

6-1，进一步，空间索引保存于内存或存储文件中。

采用上述方法后，本发明的优点在于：

一、通过航迹分段和小粒度的包围盒，每条航迹最终由其组成的航迹段所存储，在绘制航迹时，便可根据航迹段的包围盒过滤掉大量的不需要参与显示的数据，减少其他的冗余数据，数据有效性大大提升；

二、通过金字塔分级方法对航迹的比例尺进行分级并对分级后的航迹进行分级冗余存储，可提前过滤屏幕重合点的比例尺下的航迹数据，进一步减少数据冗余；

三、通过建立空间索引，对于保护数量巨大航迹段的航迹，可便于空间目标的定位及各种空间数据操作，能够快速要从存储中筛选出在屏幕视野内的包围盒，从而快速地从内存或文件中查询和读取当前显示比例尺以及在视野内的所有航迹段，显示效率提升。

附图说明

图1是几何对象跨越地理范围很大航迹示意图；

图2是凹多边形航迹示意图；

图3是不规则线航迹示意图；

图4是航迹段的包围盒示意图；

图5是断开的单条航迹示意图；

图6是前后航迹段头尾相接示意图；

图7是金字塔分级模型图；

图8是本发明航迹存储和显示优化方法步骤流程图。

具体实施方式

本发明揭示的一种基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，包括：

S100、航迹分段

如图4所示，首先将一条航迹分割成多条航迹段，并且每个航迹段带有一个包围盒，每条航迹由其组成的航迹段所存储；将一条航迹分割成多条航迹段的规则为：将跨越大地理范围的航迹分割成多个小范围的航迹段；将不规则的航迹在分割成趋于规则的航迹段，断开的航迹参见图5所示；

然后，根据航迹段的包围盒过滤掉不需要参与显示的数据，以航迹段作为绘制的基础元素，如图6所示，航迹段的起始点与上一条航迹段的终点相接，保证在单独绘制航迹段时，连续航迹不至于出现断裂的现象；

S200、过滤屏幕重合点

航迹点在记录时，时间或距离间隔很短，对于时间来讲，可能为1分钟，因而点和点之间的距离可能是非常短的，这样大密度、高精度的点经地理坐标投影并且比例缩放到屏幕上后，有相当多的点是重合在屏幕上的同一个像素点上，但两个航迹点是否重合，在这种情况下，只能经过投影缩放后才能确定，这些无用的重合点在坐标投影缩放的工作上浪费了CPU时间。因此需要把屏幕重合点的过滤工作提前至坐标投影缩放之前，以找回这部分浪费的CPU时间

本发明是通过在坐标投影缩放之前，采用瓦片地图的金字塔分级方法对航迹的比例尺进行分级，并对分级后的航迹进行分级冗余存储来去除重合航迹点；

于本例，上述对航迹的比例尺进行分级具体为：采用金字塔分级方法，这样每大一级比例尺的航迹点密度约为上一级的航迹点密度的2倍；当屏幕显示比例尺位于两级比例尺之间时，从存储读取邻近的大比例尺航迹数据进行绘制，这样能够保证航迹在显示不会产生失真。当然，这种情况下还会存在少部分屏幕重点的问题，但是绘制过程中的数据量已经显著减少。如图7所示，例如当显示比例尺为 1:4500 时，应读取该条航迹 1:2000的数据进行绘制显示；

于本例，上述的分级冗余存储的规则为：

在记录一条航迹时，同时记录该条航迹几个比例尺等级下的航迹点；

对于每一个比例尺等级的航迹，在记录航迹点时，需判断当前航迹点是否与上一个航迹点屏幕重合，若重合则该比例尺等级的该航迹点不做记录；

于本例，上述的判断当前航迹点是否与上一个航迹点屏幕重合具体为：

根据大圆航线或恒向线距离公式计算两个航迹点，并乘以比例尺和屏幕点距DPI系数换算成屏幕距离：

屏幕距离 = 地理距离 * 比例尺 / 屏幕点距

当屏幕距离小于预设距离时，则判定该航迹点与上一个记录的航迹点屏幕重合，否则不重合。

S300、包围盒查询优化

尽管包围盒能过滤掉大量的不在屏幕视野内的航迹段，但是当航迹段个数巨大的时候，要从存储中筛选出在屏幕视野内的包围盒，也是一大性能瓶颈，因此需要对“航迹段+包围盒”的数据建立空间索引。空间索引为便于空间目标的定位及各种空间数据操作，按要素或目标的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系来组织和存储数据的结构。可用的空间索引有 R树，网格，四叉树等数据结构。

上述的空间索引可保存于内存或持久化于文件存储。在选定屏幕视野的地理范围后，根据该地理范围快速地从内存或文件中查询和读取当前显示比例尺以及在视野内的所有航迹段。

以下为采用本发明提供的航迹优化存储和显示优化方法后的应用实例：

使用 SQLite3 进行航迹段的数据存储，对于航迹段数据表应包含如下字段：

所属航迹记录标识号；

所属比例尺等级（建立B+树索引）；

包围盒 xmin, ymin, xmax, ymax；

几何对象（BLOB）；

其他信息（航速、航向、水深等）。

打开 SQLITE_ENABLE_RTREE 预编译宏，启用 SQLite 3 R树空间索引支持，为包围盒的4个字段建立 R树索引；

在航迹绘制时，根据屏幕显示比例尺选择比例尺等级，根据选定的比例尺等级和屏幕视野地理范围两个条件从 SQLite 3 数据库查询到所需要绘制的航迹段；

将查询到的航迹段载到内存，对这些航迹段进行坐标投影、比例缩放、屏幕重点过滤、屏幕裁剪，最终绘制到屏幕画布呈现给用户；

根据实际操作的反馈，采用本发明的优化方法基本上解决了航迹显示刷新时的卡顿现象。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。

凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (5)

1.基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，其特征在于，包括：

将一条航迹分割成多条航迹段，并且每个航迹段带有一个包围盒，每条航迹由其组成的航迹段所存储；

根据航迹段的包围盒过滤掉不需要参与显示的数据，以航迹段作为绘制的基础元素，航迹段的起始点与上一条航迹段的终点相接；

在坐标投影缩放之前，采用瓦片地图的金字塔分级方法对航迹的比例尺进行分级，并对分级后的航迹进行分级冗余存储；

为航迹段和包围盒的数据建立空间索引。

2.如权利要求1所述的基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，其特征在于：将一条航迹分割成多条航迹段的规则为：

将跨越大地理范围的航迹分割成多个小范围的航迹段；

将不规则的航迹在分割成趋于规则的航迹段。

3.如权利要求1所述的基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，其特征在于：所述对航迹的比例尺进行分级具体为：根据2的幂进行从小比例尺到大比例尺的分级，当屏幕显示比例尺位于两级比例尺之间时，从存储读取临近的大比例尺航迹数据进行绘制。

4.如权利要求1所述的基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，其特征在于：所述分级冗余存储的规则为：

在记录一条航迹时，同时记录该条航迹几个比例尺等级下的航迹点；

对于每一个比例尺等级的航迹，在记录航迹点时，需判断当前航迹点是否与上一个航迹点屏幕重合，若重合则该比例尺等级的该航迹点不做记录。

5.如权利要求4所述的基于空间索引金字塔分级分段的航迹存储和显示优化方法，其特征在于：所述判断当前航迹点是否与上一个航迹点屏幕重合具体为：根据大圆航线或恒向线距离公式计算两个航迹点，并乘以比例尺和屏幕点距DPI系数换算成屏幕距离，当屏幕距离小于预设距离时，则判定该航迹点与上一个记录的航迹点屏幕重合，否则不重合。