应用参数化设计模型化简数字地图居民地多边形的方法技术

本发明专利技术涉及应用参数化设计模型化简数字地图居民地多边形的方法，有效解决通过数学模型将整个过程精确化、定量化，并保证化简效果好的问题，方法是，给定初始阈值集合数字模型对应的目标函数的取值范围和化简结果优劣贡献大小权值取值；识别居民地多边形的图形特征，用坐标单调性判别方法来识别局部极值点和基本弯曲，用相邻边矢量叉乘识别居民地多边形的方向及顶点的凸凹性；用渐进式图形化简方法对多边形进行一次化简，构建相应的超图模型，得到模型中的各个约束边对应目标顶点的值，用参数化设计模型对应的数学模型对约束顶点进行约束分析，不断反复迭代，得最终结果，由计算机输出坐标数据，能化简多种类型的居民地，提高数字地图的生产效率和产品质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地图制图和地理信息工程领域，特别是数字地图和GIS(地理信息系 统，下同)中一种。
技术介绍
居民地多边形的化简与概括是地图综合研究的主要内容，并且在GIS多尺度表达 中发挥着非常重要的作用。单个居民地多边形的化简，国内外学者做了大量的卓有成效的 工作，从数据结构的角度看，比较有代表性的方法主要有基于矢量数据结构的化简方法、 矢量与栅格相混合的化简方法和基于栅格数据结构的化简方法。基于栅格数据结构的化简 方法一般仅适用于大比例尺条件下典型直角化建筑物的轮廓化简，不适用于形状结构复杂 或者中小比例尺条件下居民地多边形的化简。矢量与栅格数据结构相混合的方法结合了两 种数据结构的优点，能对较为复杂的居民地多边形进行合理的化简，但实现起来困难，方法 的稳定性不高。另外，频繁的矢量-栅格数据之间的转化，必然会导致数据精度的降低。基于矢量数据结构居民地多边形化简方法是目前较为常用、研究成果较多的一类 方法，但是在理论研究和实际应用过程中存在着以下不足大多数化简方法是把居民地多 边形的轮廓边界作为闭合的线串来处理，采用线的化简方法来对面进行化简，忽略了二维 目标所特有的拓扑信息和语义信息结构；居民地多边形的化简要遵循一定的约束规则和知 识，目前对这些规则和知识缺乏统一的标准和分类、约束规则和知识的定量化参数化表达 能力差、居民地多边形图形几何特征和结构特征的识别效率不高，从而导致方法的自适应 性和可重用水平较低。实际的数据情况千差万别，一种方法可能对一类或者某一个居民地 多边形化简的效果较好，但可能并不适用于其它类型的居民地；图形的化简过程、约束建模 过程和质量评估过程之间是线性、单项的过程，不能通过约束建模过程和质量评估过程中 的隐含知识来反馈优化图形的化简结果，目前还没有一种数学模型能将整个过程精确化、 定量化描述，并避免导致化简的效果较差的问题。
技术实现思路
针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本专利技术之目的就是提供一种应用参数化设 计模型化简数字地图居民地多边形的方法，可有效解决通过数学模型将整个过程精确化、 定量化，并保证化简效果好的问题，其解决的技术方案是，将居民地多边形的几何特征、结 构特征和化简所遵循的约束规则参数化、变量化表示，从而建立相应的参数化设计模型，通 过求解设计模型来达到多边形化简的目的，所谓参数化设计是指用一组参数约束几何图形 的结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有对应关系，当赋予不同的参数序列值时，就 可驱动原几何图形达到新的目标几何图形，把上述产品设计的过程模型化的结果就是参数 化设计模型；在对居民地多边形的几何特征识别的基础上，首先设计化简的渐进式图形化简方 法，然后对化简过程中所遵循的约束条件进行定性分析，并建立相应的定量约束模型，在此基础上建立居民地多边形化简的参数化设计模型，参数化设计模型主要包括超图模型和数 学模型，最后通过求解超图模型和数学模型来达到最终的化简，具体步骤是1、给定初始阈值集合D▼、根据数字地图生产规范给定数字模型对应的目标函数 IjU = 1,2,3,4,5)的取值范围和根据对决定化简结果优劣贡献的大小权值bj(j = 1,2,3, 4,5)的取值；2、识别居民地多边形的图形特征，利用坐标单调性判别方法来识别局部极值点和 基本弯曲，利用相邻边矢量叉乘识别居民地多边形的方向及顶点的凸凹性；3、利用渐进式图形化简方法对多边形进行一次化简，渐进式图形化简方法的步骤 是删除居民地多边形的冗余点、对凸顶点进行删除处理、对凸顶点进行直角化处理、对凹 顶点进行删除处理、对凹顶点进行外扩和直角化处理；4、构建相应的超图模型，并计算超图模型，得到模型中的各个约束边对应目标顶 点的值；5、利用参数化设计模型对应的数学模型对步骤3中得出的约束顶点进行约束分 析，不断反复执行步骤2、3，直到数学模型对应的目标函数达到最小，由此，将多边形的化简 问题转化为一个求解参数化设计数学模型的过程，将该数学模型设计为 bj(j = 1,2,3,4,5)是根据IiG = 1、2、3、4、5)对决定化简结果优劣贡献的大小 权值，S2为化简后的面积，S1为化简前的面积，N2为化简后点数，N1为化简前的点数，Θ 2为 化简后长对角线与水平方向的夹角，θ工为化简前长对角线与水平方向的夹角，R2为化简后 长短轴之比，R1为化简前长短轴之比，θ i是化简后第i个局部极值点的顶角值，vd6是结构 特征约束，gl是局部极值点集合， 、S1, β0> χ0> Χι> δ0> S1, y0> Y1是根据数字地 图生产规范给定的区间；6、根据步骤5中的数学模型，当每给定一组初始阈值时，就可以通过参数化设 计模型的超图求得相应Ii的值，不断反复迭代，当目标函数达到最小时，最优的阈值集合D 即可确定，而此时的化简结果就是最优的，然后利用渐进式图形化简方法以最优阈值集合D 对应的所有阈值化简居民地多边形，最终的结果即为所求，最优阈值集合D包括删除冗余 点时的阈值Cl1 ；决定顶点是否为局部极值点的阈值(12 ；删除凸顶点时需要确定的弯曲顶角 d3、弯曲口径d4和弯曲高度d5;删除凹弯曲时需要确定弯曲口径d6和弯曲高度d7;对凹顶点 进行外扩处理时的尖锐程度d8(尖锐程度是指弯曲高度与弯曲口径的比值)和基本弯曲的面积阈值d9;7、由计算机输出居民地多边形坐标数据，完成应用参数化设计模型化简数字地图 居民地多边形。本专利技术把参数化设计引入居民地多边形的化简，并将整个过程转化为建立、求解 参数化设计模型的过程，该设计模型能够以参数化、变量化的方式将多边形化简过程中的 约束建模过程、图形化简过程和质量评估过程有机联系起来，取得了突出好效果；通过全军 测绘生产部队的大量实践证明，该方法能化简多种类型的居民地，提高了数字地图的生产 效率和产品质量。四附图说明图1是应用参数化设计模型化简数字地图居民地多边形的流程图。图2参数化设计模型对应超图模型示例。图3是Doulas-Peucker方法化简曲线的原理图。图4是凸顶点的直角化处理示意图。图5是凹顶点的外扩示意图。图6是凹顶点的直角化处理的示意图。图7是参数化设计模型对应超图模型示意图。图8是居民地多边形图形化简前后示意图。五具体实施例方式以下结合流程图对本专利技术的具体实施方式作详细说明。由图1的流程图给出，本专利技术是由以下步骤实现1、参数化设计模型及其形式化表示在机械设计及制造业中，参数化设计一般是指用一组参数约束几何图形的一组结 构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时，就可驱 动原几何图形达到新的目标几何图形，把整个上述产品设计的过程模型化的结果就是参数 化设计模型；参数化设计方法的研究早在20世纪60年代就已经开始，Sutherland在他开发的 Sketchpad系统中，首次将几何约束表示为非线性方程组来确定二维几何形体的形状和位 置，后来，Hillyard, Gossard进一步发展这一思想，并使之实用化，经过40年来的发展，参 数化设计模型和思想已经成为现代CAD/CAM系统的核心技术。一般说来，实现参数化设计，必须具备如下几个条件(1)在产品设计模型中，应能够包含几何拓扑关系和各种约束关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用参数化设计模型化简数字地图居民地多边形的方法，其特征在于，是由以下步骤实现的：（１）、给定初始阈值Ｄ↑［（０）＊］根据数字地图生产规范给定数字模型对应的目标函数Ｉ↓［ｊ］的取值范围，根据对决定化简结果优劣贡献的大小权值ｂ↓［ｊ］的取值，ｊ＝１，２，３，４，５；（２）、识别居民地多边形的图形特征，利用坐标单调性判别方法来识别局部极值点和基本弯曲，利用相邻边矢量叉乘识别居民地多边形的方向及顶点的凸凹性；（３）、利用渐进式图形化简方法对多边形进行一次化简，渐进式图形化简方法的步骤是：删除居民地多边形的冗余点、对凸顶点进行删除处理、对凸顶点进行直角化处理、对凹顶点进行删除处理、对凹顶点进行外扩和直角化处理；（４）、构建相应的超图模型，并计算超图模型，得到模型中的各个约束边对应目标顶点的值；（５）、利用参数化设计模型对应的数学模型对步骤３中得出的约束顶点进行约束分析，不断反复执行步骤２、３，直到数学模型对应的目标函数达到最小，由此，将多边形的化简问题转化为一个求解参数化设计数学模型的过程，将该数学模型设计为：ｍｉｎｆ（Ｉ）＝＊ｂ↓［ｊ］Ｉ↓［ｊ］（ｊ＝１，２，．．．，５）＊＊＊ｂ↓［ｊ］是根据Ｉ↓［ｉ］对决定化简结果优劣贡献的大小权值，ｉ＝１，２，３，４，５，Ｓ↓［２］为化简后的面积，Ｓ↓［１］为化简前的面积，Ｎ↓［２］为化简后点数，Ｎ↓［１］为化简前的点数，θ↓［２］为化简后长对角线与水平方向的夹角，θ↓［１］为化简前长对角线与水平方向的夹角，Ｒ↓［２］为化简后长短轴之比，Ｒ↓［１］为化简前长短轴之比，θ↓［ｉ］是化简后第ｉ个局部极值点的顶角值，ｖ↓［ｄ６］是结构特征约束，ｇ↓［１］是局部极值点集合，＊↓［０］、＊↓［１］、β↓［０］、β↓［１］、χ↓［０］、χ↓［１］、δ↓［０］、δ↓［１］、γ↓［０］、γ↓［１］是根据数字地图生产规范给定的区间；（６）、根据步骤５中的数学模型，当每给定一组初始阈值Ｄ↑［（０）＊］时，就可以通过参数化设计模型的超图求得相应Ｉ↓［ｉ］的值，不断反复迭代，当目标函数达到最小时，最优的阈值集合Ｄ即可确定，而此时的化简结果就是最优的，然后利用渐进式图形化简方法以最优阈值集合Ｄ对应的所有阈值化简居民地多边形，最终的结果即为所求，最优阈值集合Ｄ包括：删除冗余点时的阈值ｄ↓［１］；决定顶点是否为局部极值点的阈值ｄ↓［２］；删除凸顶点时需要确定的弯曲顶角ｄ↓［３］、弯曲口径ｄ↓［４］和弯曲高...

【技术特征摘要】
一种应用参数化设计模型化简数字地图居民地多边形的方法，其特征在于，是由以下步骤实现的(1)、给定初始阈值根据数字地图生产规范给定数字模型对应的目标函数Ij的取值范围，根据对决定化简结果优劣贡献的大小权值bj的取值，j＝1，2，3，4，5；(2)、识别居民地多边形的图形特征，利用坐标单调性判别方法来识别局部极值点和基本弯曲，利用相邻边矢量叉乘识别居民地多边形的方向及顶点的凸凹性；(3)、利用渐进式图形化简方法对多边形进行一次化简，渐进式图形化简方法的步骤是删除居民地多边形的冗余点、对凸顶点进行删除处理、对凸顶点进行直角化处理、对凹顶点进行删除处理、对凹顶点进行外扩和直角化处理；(4)、构建相应的超图模型，并计算超图模型，得到模型中的各个约束边对应目标顶点的值；(5)、利用参数化设计模型对应的数学模型对步骤3中得出的约束顶点进行约束分析，不断反复执行步骤2、3，直到数学模型对应的目标函数达到最小，由此，将多边形的化简问题转化为一个求解参数化设计数学模型的过程，将该数学模型设计为min <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn></munderover><msub> <mi>b</mi> <mi>j</mi></msub><msub> <mi>I</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow>(j＝1，2，...，5)bj是根据Ii对决定化简结果优劣贡献的大小权值，i＝1，2，3，4，5，S2为化简后的面积，S1为化简前的面积，N2为化简后点数，N1为化简前的点数，θ2为化简后长对角线与水平方向的夹角，θ1为化简前长对角线与水平方向的夹角，R2为化简后长短轴之比，R1为化简前长短轴之比，θi是化简后第i个局部极值点的顶角值，vd6是结构特征约束，g1是局部极值点集合，β0、β1、χ0、χ1、δ0、δ1、γ0、γ1是根据数字地图生产规范给定的区间；(6)、根据步骤5中的数学模型，当每给定一组初始阈值时，就可以通过参数化设计模型的超图求得相应Ii的值，不断反复迭代，当目标函数达到最小时，最优的阈值集合D即可确定，而此时的化简结果就是最优的，然后利用渐进式图形化简方法以最优阈值集合D对应的所有阈值化简居民地多边形，最终的结果即为所求，最优阈值集合D包括删除冗余点时的阈值d1；决定顶点是否为局部极值点的阈值d2；删除凸顶点时需要确定的弯曲顶角d3、弯曲口径d4和弯曲高度d5；删除凹弯曲时需要确定弯曲口径d6和弯曲高度d7；对凹顶点进行外扩处理时的尖锐程度d8和基本弯曲的面积阈值d9；(7)、由计算机输出居民地多边形坐标数据，完成应用参数化设计模型化简数字地图居民地多边形。F2009101727224C00011.tif,F2009101727224C00013.tif,F2009101727224C00021.tif,F2009101727224C00022.tif2.根据权利要求1所述的应用参数化设计模型化简数字地图居民地多边形的方法，其 特征在于，所说的识别居民地多边形的图形特征，是利用坐标单调性判别方法来识别局部 极值点和基本弯曲，η个点的多边形点序列P((Xl，Y1)，(x2, I2),..., (xn, yn))，将η个点组 成的点序列拟合成为一条函数曲线y = f(x), f(x)在[Xl，xn-J上连续，在(Xl，Xn^1)上可 导，那么判断多边形的单调性就是判断函数y = f(x)在[Xl，xn_J单调情况，求解f (χ)的 导数，然后判断f ‘ (χ)在区间[XpXn-J上的取值情况，得到曲线的各个单调段和局部极值占.当函数f(x)在[a，b]上连续，在(a，b)内可导，在[a，b]上任取两点X1, X2 (X1 < x2)， 应用拉格朗日中值定理，得到f (X2)^(X1) = f' ( ξ ) (X2-X1) (X1 < ξ < χ2)(1)&11>0，在(3，13)内导数广(χ)保持正号，即f' (χ) >0，那么也有f' (ξ) >0f (X2)-f (X1) = f( ξ) (X2-X1) > 0，艮P f(Xl) < f(x2)函数f (χ)在[a，b]上单调增加，同理，f' (χ) <0，函数f(x)在[a，b]上单调递减， 当导数值不为0，则ξ为单调点，否则为局部极值点；对于离散的点序列，判断其坐标的单调性，至少需要3个点，即判断3个点中中间点是 否为单调点，可通过以下方法进行判别I (X1 -X1-^Xm -Xi) >0 (2)|(χ ~χ )(χη -Χι)>0 ⑶-Xn-OO1 -xj>0 ⑷ W, -y,-i)(yl+, -χ)>ο Io1 -^2Xyn -a)>ο-少“Xy1 -^ )>o当1 < i <n时，式(2)成立，则定义点(Xi，yi)为该多边形的单调点，否则为局部极值占.^ \\\ 当i = 1时，式(3)成立，则定义多边形起点(Xl，X2)为单调点，否则为局部极值点； 当i = η时，式⑷成立，则定义多边形起点(Xl，x2)为单调点，否则为局部极值点； 通过以上方法将多边形坐标点序列中的单调点和局部极值点区分出来，当局部极值点 不符合上述情况，要将这些局部极值点退化为单调点，定义当前歧点与其前后两点连线夹 角θ与180°差的绝对值为Ω，当Ω小于规定阈值β时，则将当前歧点退化为单调点；否 则，将其定义为局部极值点，β不大于40° ；对居民地多边形的方向及顶点凸凹性的判别，是运用相邻边矢量叉乘确定居民地多边 形的方向及凸凹性，设居民地对应多边形的顶点序列为PiG = 1，...，n)，取相邻的三点 Ph，Pi，Pi+1，若？卩^与巧！^所夹的角小于或等于η，则称点Pi是凸的，否则Pi是凹的，在 此基础上取向量i^rh与作叉乘，若点Pi是凸的，并且叉乘结果为负，则对应多边形为 顺时针...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙群，刘海砚，安晓亚，肖强，赵国成，徐青，李少梅，肖计划，阚映红，季晓林，车森，周昭，刘新贵，朱蕊，王海涛，徐立，陈换新，刘晨帆，孙广宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军信息工程大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]