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多图幅数字海洋地图无缝拼接算法研究 摘要 随着社会信息化程度的不断深入，地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的应用领域日益扩大，出现了数字地球、数字海 洋等典型的g i s 应用系统。本论文的研究内容来源于国家海洋局“数 字海洋 9 0 8 专项科研课题“海量地图数据库服务器技术”，旨在解 决矢量格式的数字海图无缝组织问题。在数字海洋系统中，数字海图 分幅存储、图幅重叠等特点使得完整的海洋地理空间发生人为的割 裂，影响了海洋空间数据源的准确性及完整性，不利于海洋地理信息 系统的功能发挥。数字海图的无缝拼接能生成逻辑无缝、物理无缝的 地图数据，将现实世界中局部连续的海洋地图在计算机中实现连续存 储，维护描述同一地物的多个部分的逻辑一致性，保障了空间数据在 使用上的连贯性，对于海洋地理空间连续可视化、空间分析的正确性 具有重要意义。 本文以矢量格式的数字海图为研究对象，介绍了数字海图的分 类、特点和存储结构，分析了数字海图缝隙形成的根源。在此基础上， 论文针对点、线、面三种矢量地图缝隙的具体情况分别设计并实现了 三种矢量地图的无缝拼接算法。对于拼接情况比较复杂的面矢量地 图，论文比较了多种拼接算法性能，选取了一套合适的算法，提高了 面图层拼接的准确率。此外，论文还提出并实现了多图幅拼接算法。 目前，本论文研究的无缝拼接算法已在系统中应用，拼接效果优 于商业软件a r c g i s 的拼接效果，达到了预期的研究目标。 关键词：g i s 多图幅海洋地图无缝拼接 s e a m l e s sm e r g i n g a l g o r i t h m f o rm u l t i s h e e to fd i g i t a lm a r i n em a p d a t a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i z a t i o no fo u rs o c i e t y , g i sh a s b e c o m ep o p u l a rd a yb yd a yw i t hd i g i t a lg l o b ea n dd i g i t a l m a r i n e e m e r g i n g b a s e d o nt h er e s e a r c ht a s k n a m e d “d a t a b a s es e r v e r t e c h n o l o g yo fm a s s i v em a r i n ed a t a a sp a r t o f9 0 8s p e c i f i cp r o j e c t l a u n c h e db ys t a t eo c e a na d m i n i s t r a t i o n ，t h i sp a p e ra i m sa tt h es e a m l e s s i n t e g r a t i o no fm a r i n ed a t ai n v e c t o rf o r m a t t h es p l i t t i n go fc o m p l e t e m a r i n eg e o g r a p h i c a ls p a c ew h i c hr e s u l t sf r o mc h a r ts u b d i v i s i o na n dm a p s h e e to v e r l a p p i n gi sh a r m f u lt ot h ea c c u r a c ya n dc o m p l e t e n e s so fm a r i n e d a t as o u r c e ，b r i n g i n ga b o u tt h em a l f u n c t i o no fm a r i n eg i s h o w e v e r , w i t ht h es e a m l e s s l ym e r g i n gt e c h n i q u e sf o rm u l t i s h e e tb a s e do nm a r i n e d a t as o u r c e ，m a r i n es h e e t sc o u l du l t i m a t e l ya c h i e v es e a m l e s sl o g i c a l l y a n dp h y s i c a l l ya sw e l la sc o n s i s t e n c yf o ru s e r s ，i nw h i c hd i f f e r e n tp a r t so f ag e o g r a p h i c a lo b j e c tb e c o m ec o n s i s t e n tl o g i c a l l y , p l a y i n gas i g n i f i c a n t r o l eo nc o n t i n u o u sv i s u a l i z a t i o no fm a r i n eg e o g r a p h i c a ls p a c ea sw e l la s a c c u r a c yo fs p a t i a la n a l y s i s o nt h eb a s i so fd i g i t a lm a r i n em a pi nv e c t o rf o r m a tt h i sp a p e rs p e l l s o u tt h e d i g i t a l m a r i n e m a pi n t h e a s p e c t s o fi t s c l a s s i f i c a t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la sd a t as t r u c t u r e ，w h i c hd e s i g n s a n dr e a li z e s a l g o r i t h m sf o rt h r e ek i n d so f v e c t o rm a p sr e s p e c t i v e l yu n d e rt h eg u i d e l i n e o fs p e c i f i cp r o b l e m sf o re a c h p a r t i c u l a r l yf o rt h ec h a l l e n g i n gp a r t o f p o l y g o nm e r g i n g as p e c i f i ca l g o r i t h mh a sb e e ns e l e c t e df r o ms e v e r a lo n e s t oa c h i e v eah i g h e ra c c u r a c y m o r e o v e rt h i sp a p e rp u t s f o r w a r da n a l g o r i t h mf o rm u l t i - s h e e tp r o c e s s i n ga tt h es a m e t i m e t h es e a m l e s sm e r g i n ga l g o r i t h mi nt h i sp a p e rh a sb e e nd e p l o y e di n a p p l i c a t i o nw i t ht h ep e r f o r m a n c e b e t t e rt h a nc o m m e r c i a ls o f t w a r ea s a r c g i s k e y w o r d s ：g i s ，m u l t i - s h e e t ，m a r i n em a p ，s e a m l e s sm e r g i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： f 量避墨 f l 期： 塑2 ：兰：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：同期：盈哔上扯一 闩期：呼一 北京i i i d e 人学硕l ：研究生学位论文多幽幅数z 海洋地图无缝拼接算法 j f 究 1 1g i s 简述 1 1 1 什么是g i s 第一章研究背景 地理信息系统( g i s ) 是一种特定而十分重要的空间信息系统，是采集、存储、 管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气层) 与空间和地理分布有关的数 据的空间信息系统，由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型 和图形用户界面及系统人员组成。 对于世界的一些概念，地理学提供了一种传统的重要框架和语言进行组织和 交流。而g i s 作为一种相对较新的机制，将地理知识划分为五个主要元素： 1 ) 地图和全球可视化：提供一种交互式视角展现地理信息，用于回答问题， 表达结果以及作为真实工作的操作台。 2 ) 地理数据集：基于文件和数据库的地理信息要素、网络、拓扑、地 表、测量和属性。 3 ) 空间处理和工作流模型：用于自动化和重复性任务的空间处理过程的集 a i = lo 4 ) 数据模型：地理数据集的模式、行为和完整性规则。 5 ) 元数据：描述其它元素的文档帮助用户组织、发现和获取共享地理 知识的文档。 这五个元素，与完整的g i s 软件一起构成了建立智能化地理信息系统的基 石，为诸多g i s 应用的实现、优化提供了良好的基础i 。 1 1 2g i s 的作用 g i s 作为一个管理、分析和显示地理信息的系统，其具体功能可以通过以下 三个方面体现： 从空问数据库的角度看，g i s 是一个包含了用于表达通用g i s 数据模型( 要 素、栅格、拓扑、网格等等) 的数据集的空间数据库，从根本上说，是基于一种 使用地理术语来描述世界的结构化数据库。每个g i s 数据集不仅提供了对世界某 一方面的空间表达，如矢量要素、栅格数据等，还包括了传统的描述地理对象的 北京邮i 也人学顺i ：研究生学位论义多l ! | l 懈数，海洋地图尤缝拼接算法研究 属性表以及对象间的空间关系。因此，数据集可以用来表达原始量测值( 如卫星 影像) 、解译后的信息以及通过空问分析和建模处理而得到的数据。 从空间可视化的角度看，g i s 是一套智能地图，同时也是用于显示地表上的 要素和要素问关系的视图。底层的地理信息可以用各种地图的方式进行表达，而 这些表达方式可以被构建成“数据库的窗口 ，来支持查询、分析和信息编辑。 g i s 使用包括交互式地图、3 d 场景、简报、图表等表现方式对地理数据库进行 操作，为用户方便地、交互地使用地理信息提供了一个强有力的途径。 从空间处理的角度看，g i s 是一套用来从现有的数据集获取新数据集的信息 转换工具。地图数据集可以是原始的量测，被分析者解析和编译出来的信息( 如 道路、建筑) ，或者使用分析和模型运算从其他数据源中得来的信息。g i s 包括 了一套丰富的工具来处理和作用地理信息。在g i s 中，使用空问处理的框架将这 些集中了多个步骤的操作贯穿起来，形成一个处理模型。这个模型可以被用来自 动执行和记录许多g i s 中的空间处理任务。这种处理组合和应用过程就被认为是 空间处理。空间处理功能从已有数据集提取信息，然后进行分析，最终将结果导 入到数据集中。空白j 处理在g i s 数据处理自动化、数据管理、分析和建模以及高 级绘图的各个阶段有着重要的作用i l j 。 1 1 3g i s 的发展现状 近年来，由于社会对地理信息系统的巨大需求，地理信息系统应用同益广泛， 计算机科学的飞速发展也为地理信息系统提供了先进的工具和手段。地理信息系 统得到快速的发展，并出现了一些新的技术，突出表现在与其他信息技术的结合 上，计算机技术飞速发展，特别是软件的发展，促进g i s 技术发生了很大的变化。 国际g i s 技术的发展趋势，主要体现在综合与分化两个方面i z j 。 g i s 技术综合，主要体现在与其他信息技术的结合上。人们常说的“3 s ”技 术是g i s 、r s 和g p s 一体化集成后的一种新技术，是g i s 技术综合的体现。 1 ) g i s r s ：r s ( 航空航天遥感技术) 是指在远距离高空及外层空间的各种平 台上，利用可见光、红外及微波等电磁探测仪器，通过摄影或扫描信息感应、传 输和处理技术，来研究地面物体及其与环境的相互关系的现代技术科学。早期的 g i s 往往与r s 是联系在一起的，作为g i s 的一种重要信息源，r s 是g i s 的重 要组成部分。同时，g i s 的应用也提高了r s 的数据提取与分析能力。 2 ) g i s g p s ：g p s ( 全球定位系统) 被认为是2 1 世纪影响人类社会的1 2 大技 术之一，g p s 作为一种全新的现代定位方法，已逐渐在越来越多的领域取代了常 规光学和电子仪器。2 0 世纪8 0 年代以后，g p s 卫星定位和导航技术与现代通信 2 北京邮i u 人学硕i ：研究生学位论义多h 幅致，海洋地i 簦i 无缝拼接算法研究 技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用g p s 同时测定三维 坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空问。 然而，现在的g i s 已经远远超出了这些，它已经与c a d 、多媒体、通信、 i n t e r n e t 、办公自动化、虚拟现实等多种技术结合，形成了综合的信息技术1 2 j 。 g l s 软件的发展经历了从早期的功能处理模块，到组件式的g l s 和w e b g i s 的过程。目前，组件式g i s 和w 曲g l s 已经成为许多大型g i s 公司产品的丌发 方向，使g i s 功能能够嵌入其他软件，或将其他软件功能引入到g i s 中来。 1 2 地图拼接相关背景 1 2 1 地图拼接的意义 1 9 9 8 年，时任美国副总统的戈尔提出了数字地球的概念，这将管理多比例 尺、海量的无缝空间数据技术推到了地理信息系统( g i s ) 研究领域的l i i 沿。管理 无缝空间数据意味着g i s 管理的数据不再是单一、被硬性割裂的图幅，而是范围 更加广阔的区域，这个区域小可到一个城市，大可到一个国家甚至整个地球。用 户能够在更广阔的地理信息范围进行无缝矢量电子地图显示、缩放、漫游、查询、 分析和应用，能在更高的层面上进行决策，以发挥更大的社会经济效益l 引。 随着社会信息化程度的进一步深入，g i s 系统海量数据的应用r 益广泛。在 传统的地图制图学中，为了解决有限的地图纸张与无限的地球表面之间的矛盾， 采用了地图分幅的方法；同样，在数字制图中，为了解决无限的地球空间信息与 有限的计算机资源之间的矛盾，也采用了分幅存储和管理的方法1 3 1 。基于分幅的 数字海洋地图存在着这样的弊端：( 1 ) 分幅存储的数字地图难以表现连续的空间 地理信息，无法适应地理信息的完整性需求；( 2 ) 海图分幅的叠幅现象使相邻图 幅之间存在信息冗余和逻辑、物理裂缝，不仅浪费资源空间，还令数字海图拼接 环境变得更为复杂，拼接难度更高。 因此，要认识、研究完整的海洋地理空问，必须将海洋地理信息系统的空问 数据基础连续化，这既是海洋地理信息系统发展的一个必然趋势，也是数字地球 的一个重要组成部分【4 j 。目前我国海洋地理信息系统的研究与应用仍然基于以图 幅为单位的不连续地理空间数据，局限性较大。实现数字海图跨图幅无缝拼接， 能将现实世界中局部连续的海洋地理空间在计算机介质中映射为完整的整体，生 成逻辑无缝、物理无缝的地图数据，保障了空间数据在使用上的连贯性，对于海 洋地理空间连续可视化，空间分析的正确性，以及空间物体的形态计算等具有重 要意义。 3 北京邮l 【1 人学颂i ：研究生学位论文多图幅数，海洋地图尤缝拼接算i 上研究 1 2 2 拼接算法概况 目前针对海洋矢量地图的无缝拼接主要有如下两种方式： 一是利用现有的g i s 软件f 如a r c g i s 、m a p l n f o ) 提供的拼接工具实现地图拼 接。这类软件使用的拼接算法主要争t - x , 寸h i 准化地形图的拼接，对海洋地图的特殊 性没有定制相应的拼接方案，拼接效果不理想。 二是针对海图进行定制拼接算法研究。根据海图的数字化方式，点、线、面 三种矢量地图分别有相应的拼接算法。目前现有的这三种拼接算法在海洋地图拼 接上存在着一些共同的问题，如： 1 、只能一次处理两个图幅之i 珏j 拼接，效率较低。 2 、拼接结果不能同时满足逻辑无缝以及物理无缝。 目前数字海图无缝拼接的结果只是目视时图幅之间在图形上的可视无缝，而 分离的图幅之间并没有建立逻辑链接，物理存储上也是分离的。当用户进行查询 检索时，对于图幅的叠幅部分虽然检索空间位置是唯一的，但检索结果却不唯一， 因此得不到准确的统计结剁4 1 。作为海洋地理信息系统使用的空间数据基础，可 视无缝的空间数据意义不大，无法满足空间分析需要的正确性、准确性，实用性 较差。 1 3 论文工作 本文提出的多图幅矢量地图拼接算法就是针对上述问题的一个解决方案。在 设计上，多图幅拼接以接边线为媒介来确定参与拼接的图层，即利用n 段接边线 就能同时实现n 幅地图的拼接处理，提高了地图无缝拼接流程的效率。在分析三 种矢量地图具体无缝的情况后，本文将针对三种图层各自的特点设计三套无缝拼 接算法，分别用于点图层、线图层及面图层无缝拼接。无缝拼接的大致流程是在 目标匹配之前，先通属性约束对要素集进行过滤，保证进行拼接的两个物体在属 性上的一致性( 如地物名称必须相同或编码相同才能拼接) ，然后对匹配地图要素 进行几何拼接、属性合并。本文将重点研究点、线、面三种矢量图层拼接算法， 最终使拼接后的地图能够满足物理无缝及逻辑无缝的要求。 4 北京邮i u 人学硕l j 研究生学位论文多图幅数，海洋地图尤缝拼接算法研究 1 4 论文安排 第一章研究背景，介绍g i s 基本概念以及地图拼接的相关背景，阐述了本文 研究工作的重点和创新点。 第二章数字海图的基本概念，介绍了数字海洋地图的基本理论。 第三章矢量数字海图拼接算法研究，在分析海洋矢量地图拼接现有算法基础 上，详细介绍了本文设计的多图幅海洋矢量地图无缝拼接算法，针对图幅预处理、 点、线、面三种矢量图层拼接等问题分节阐述。 第四章算法实现，展示并分析了三种矢量图层的无缝拼接结果。 第五章结束语和展望，对本文的工作进行总结，对矢量海洋地图的无缝拼接 算法研究提出下一步的建议。 5 北京l i | l j i 【 人学坝i 1 口f 究生学位论义多图幅数，海洋地幽无缝拼接算法 l j f 究 第二章数字海图的基本概念 数字海洋地图( 简称“海图”) 是丌发利用海洋资源，维护海上安全不可缺少 的工具，也是研究航行海区的地理环境和解算有关的航海问题不可或缺的工具。 本章将以海图无缝拼接的关键问题为基础，对海图的基本概念以及相关特点进行 介绍。 2 1 数字海图的分类 数字海图的格式主要有矢量和栅格两种，两种格式的数字海图成图原理不 同，导致了其特性以及适用范围的差异。 栅格海图数据就是对纸质海图进行一次性扫描，形成单一的数字文件。栅格 海图可以看作是纸海图的复制品，包含的信息( 如岸线、水深等) 与纸海图一一对 应。对于栅格数据来讲，很难改变海图中的独特属性和要素，因为他们是不可分 割的数据文件。使用者不能对栅格海图进行询问式操作( 如查询某一海图要素特 征，或隐去某类海图要素等旷l 。 矢量海图是数字海图中采用最多的海图格式。矢量数据可由两种途径得到： 其一是采用数字化仪手扶跟踪数字化产生的，由于不需要过多的事后处理，数字 化后的海图数据质量好、精度高，目前大多数数字海图采用这种方法生产。另一 种途径是用扫描仪进行数字化产生。即对扫描出的图像( 位图) 进行拼接、分层、 几何纠正、模式识别和人工交互编辑等工序而生成矢量化数字海图，这种方法虽 然扫描速度快，但事后处理中的自动化技术有待完善1 6 j 。 矢量地图以向量方式描述图形，并且仅存储原始图形中的图形结构。矢量数 据可分为矢量图形数据和矢量空问数据两种，其优点之一就是能很好的变现图像 质量。由于矢量海图信息是分类存储的，因此可查询地图中任意图标的细节信息， 还可以进行海图要素分层显示，相比栅格海图有信息量大、灵活度高的优点。而 且，栅格海图地物的空间位置精度低，难于准确表达线状、网络状的事物，且点 阵数据的地图不适合绘图输出。栅格地图的图像质量是基于分辨率的，分辨率越 高，图像质量越好，这也就加重了文件数据存储的负担。特别是当输入的地图数 量比较大时，栅格海图需要的存储容量十分庞大，提高了对计算机性能的要求， 增加了计算机系统费用。相比栅格海图矢量化存储方式不仅数据存储量小、空问 位置精度高，而且空间关系描述全面，有利于对线状、网状事物分析，空间和属 6 北京i i i g i t l 人学硕i ：研究生学位论文多幽幅数。，海洋地图尤缝拼接算法研究 性数据查询、更新等操作实现更加方便1 7 l 。 基于上述原因，在实际操作中矢量格式成为存储地图数据的首选格式。因此 针对矢量海图的地图拼接是当前迫切需要解决的问题，更是提供大区域g i s 服 务的基础。 2 2 数字海图的格式 一、现有海图数据格式 随着计算机技术的发展，许多国家早在二十年前就丌始研究海图数字化技 术，近十年来，特别是在微机的高运算速度和大容量存储技术迅猛发展的情形下， 各类非标准的数字海图按使用需要出现在各地理信息系统中。国际海道测量组织 ( i h 0 ) 为促进数字海图格式国际化，十多年来一直致力于国际标准的制定工作。 1 9 9 2 年，第十四次海道测量大会通过了新的数字化海道测量数据交换标准，这 一标准由理论模型、物标目录和交换格式组成。通过四年试用，在吸收了计算机 对图形数据存储处理最新成果的基础上，经过对这一标准进行了全面的修改、补 充后，在1 9 9 6 年第十五次国际海道测量大会上通过了更为详细、完善的数字海 图交换标准，并以i h o 特别出版物s 5 7 的形式正式发布。目前，数字海图常以 s 5 7 标准数据格式存储i 引。 然而目前所有的地理信息平台如m a p l n f o 、a r c g i s 等都有各自的电子地图 格式，其中e s r i 公司的s h a p e f i l e 数据格式是当今g i s 领域获得广泛使用的数据 格式之一。我国参考美国环境系统研究发布的技术白皮书( ( a r c v i e ws h a p e f i l e t e c h n i c a ld e s c r i p t i o n ) ) 并加以扩充，形成了我国“数字海洋数据交换格式”标准 ( 草案) ，采用s h a p e f i l e 为数字地图文件格式，要求数字海图产品能够接受满足标 准格式的数字海图数据。考虑到海图拼接算法的适用范围，本文针对适用范围较 为广泛的s h a p e f i l e 格式矢量海图数据设计了点、线、面三种地图拼接算法，并 基于兼容s h a p e f i l e 格式数据的a r c g l se n g i n e 接口对算法进行了实现、验证。 作为本文采用的唯一海图格式，s h a p e f i l e 数据模型对海图拼接算法的设计起 着决定性的作用。下面对s h a p e f i l e 数据模型进行重点介绍。 二、s h a p e f i l e 格式特点 s h a p e f i l e 数据模型是e s r i 提供的一种矢量空问数据格式，具有以下特点： 1 ) 简单无拓扑关系； 2 ) 数据结构简洁； 3 ) 支持直接存取； 7 北京邮i u 人学顾l ：研究生学位论文多图i 蚵数，海洋地幽尤缝拼接算法研究 4 ) 支持点、线、面要素和文字注记操作； 5 ) 支持索引文件和属性操作； 6 ) 包含一个自定义的数据字典，方便用户理解要素及其属性【们。 因此，s h a p e f i l e 数据模型较适用于数字海图矢量数据的应用和交换。 三、几何类型数据结构 下面介绍三种几何类型的数据结构： 1 ) 点是由一对双精度坐标组成的。如下所示： p o i n t d o u b l ex ； d o u b l ey ； ) 2 ) 线数据是由一条或多条折线组成的。每一条折线是由一组有序的节点组 成的。如下所示： p o l y l i n e d o u b l e 4 】b o x ； i n t e g e rn u m p a r t s ； i n t e g e rn u m p o i n t s ； i n t e g e r 【n u m p a r t s 】p a r t s ； p o i n t 【n u m p o i n t s 】p o i n t s ； 其中：b o x 指以x m i n ，y m i n ，x m a x ，y m a x j i l 页序存储的边界；n u m p a r t s 指 在p o l y l i n e 中折线的个数；n u m p o i n t s 指在p o l y l i n e q b 所有折线所包含的点数； p a r t s 指长度为n u m p a r t 的数组；p o i n t s 指长度为n u m p o i n t 的数组。在p o l y l i n e 早每 一条折线的点都是按顺序存储的。 3 ) 多边形是由一个或多个环组成的。这些由4 个或更多个点组成的环是封闭 的、非交叉的。一个多边形可能包括许多外部环。 p o l y g o n d o u b l e 4 】b o x ； b o u n d i n gb o x i n t e g e rn u m p a r t s ；| | n u m b e ro fp a r t s i n t e g e rn u m p o i n t s ；| | t o t a ln u m b e ro f 8 北京邮i 【1 人学顾i j 研究生学位论文多i 5 i 幅数，海洋地图尤缝拼接算法研究 p o i n t s ； i n t e g e r 【n u m p a r t s 】p a r t s ； i n d e xt of i r s tp o i n ti np a r t i n t e g e r 【n u m p o i n t s 】p o i n t s ； p o i n t sf o ra l lp a r t s ) 其中：b o x 指以x m i n ，y m i n ，x m a x ，y m a x j 顿序存储的边界；但n u m p a r t s 指多边形罩的环数；n u m p o i n t s 指多边形所有环包含的点数：p a r t s 指长度为 n u m p a r t 的数组；p o i n t s 指长度为n u m p o i n t 的数组i9 。 多边形应满足以下条件： 1 、构成多边形的每个子环都必须是闭合的，即每个子环的第一个顶点跟最 后一个顶点是同一个点； 2 、每个子坏在p o i n t s 数组中的排列顺序并不重要，但每个子环的顶点必须按 照一定的顺序连续排列； 3 、多边形没有自相交现象，即多边形任何一个子环不能和其它子环相交， 子环共线也等同于相交。但是允许两个子坏的顶点重合。 4 、对于一个不含岛的多边形或者是含岛的多边形的外坏，它们的顶点排列 顺序必须是顺时针方向；而对于内环，它的排列顺序必须是逆时针方向l 引。 四、s h a p e f i l e 数据模型 1 、s h a p e f i l e 文件组成 一个s h a p e f i l e 文件由主文件、索引文件和一个d b a s e 表三个子文件组成， 数据采用文件结合关系数据库管理。主文件( 宰s h p ) 包含几何形状，是一个直接存 取、变长记录的文件，索引文件( 掌s h x ) 包含数据的索引，d b a s e 表( 幸d b f ) 包含记 录的特征。 2 、空间数据模型的分析 每个s h a p e f i l e 文件包含一种类型( 点、线、面) ，且每个文件中只存在一个图 层。每类要素都有一个主文件( s h p ) ( 又名坐标文件) ，存储要素的非拓扑几何信息。 s h a p e f i l e 文件的坐标系是笛卡尔坐标系，要素的几何信息被存储为一系列矢量坐 标。各要素的坐标文件数据记录与索引文件数据记录、属性文件数据记录通过唯 一标识符( 地物i d ) 一一对应。坐标文件由一个定长的文件头和一系列变长记录组 成。坐标文件的文件头长为1 0 0 字节长；每一个变长记录又由一个定长的记录头 和变长的记录内容组成。记录头存储记录号( r e c o r dn u m b e r ) 和内容长度( c o n t e n t l e n g t h ) i 引。 记录内容包括目标的几何类型( s h a p e t y p e ) 和具体的坐标记录( x 、y ) ，记录 内容因要素几何类型的不同其具体的内容及格式都有所不同。下面分别介绍点目 9 北京邮i u 人学r o i i j l i j f 究生学位论义 多幽幅数，海洋地幽尤缝拼接算法研究 标( p o i n t ) 、线目标( p o l y l i n e ) 和面目标( p o l y g o n ) 一：种几何类型的s h p 文件的记录 内容： 1 ) 点状目标 s h a p e f i l e 中的点状目标由一对x 、y 坐标构成，坐标值为双精度型( d o u b l e ) 。 点状目标的记录内容如表2 1 ： 表2 - 1 点状口标内容数据结构f l o l 记录项数值 数据类喇长度个数位序 儿何类听 j ( s h a p e t y p e ) l ( 表示点状目标) i n t 型4ll i t t l e x 方向坐标x 方向坐标值d o u b l e 型8 1l i t t l e y 方向坐标y 方向坐标值 d o u b l e ，供 8 1l i t t l e 线状目标 s h a p e f i l e 中的线状目标是由一系列点坐标串构成，一个线目标可能包括多个 子线段，子线段之问可以是相离的，同时子线段之间也可以相交。s h a p e f i l e 允许 出现多个坐标完全相同的连续点，但是不允许出现某个退化的、长度为0 的子线 段出现f l o l 。 线状目标的记录内容如表2 2 ： 表2 - 2 线i ：t 标数据结构1 1 0 l 记录项数值数据类型 ：= 度 个数仿序 儿何类型 3 ( 表示线状i ：t 标) i n t 型41l i t t l e ( s h a p e t y p e ) 坐标范嗣表示当前线目标的坐 d o u b l e3 24“n k ( b o x ) 标范围型 子线段个数表示构成当前线目标i n t 型41 l i t t l e ( n u m p a r t s ) 的子线段的个数 坐标点数表示构成当前线目标i n t 艰4l l i t t l e ( n u m p o i n t s ) 所包含的坐标点个数 p a r t s 数组记录了每个子线段的 i n t 型4 x n u m p a i r i sn u m p a r t sl i t t l e 坐标在p o i n t s 数组中 的起始位置 p o i n t s 数组记录了所有的坐标信 p o i n t 型根据点个数n u m p o i n t sl i t t l e 息 来确定 3 ) 面状目标 1 0 北京邮l u 人学硕i ：研究生学位论文 多圈幅数弘海洋地图无缝拼接算法研究 s h a p e f i l e 中的面状目标是由多个子环构成，每个子环是由至少四个顶点构成 的封闭的、无自相交现象的环。对于含有岛的多边形，构成它的环有内外环之分， 按照上述的多边形构造条件，每个环的顶点的排列顺序或者方向说明了这个环到 底是内坏还是外环，即一个正确的内环的顶点是按照逆时针顺序排列的，而一个 正确的外环，它的顶点排列顺序是顺时针方向。面状目标的记录如下表所示： 表2 - 3 面状目标数据结构1 1 0 l 记录项数值数据类玳长度个数位序 儿何类喇 5 ( 表示面状目标) i n t 型41 l i t t l e ( s h a p e t y p e ) 坐标范罔 表示当前面目标的坐标 d o u b l e3 24l i t t l e ( b o x ) 范罔硝 子线段个数表示构成当前面状目标i n t 璎 4 l l i t t l e ( n u m p a r t s ) 的子环的个数 坐标点数 表示构成当前面状目标 i n l 型41l i t t l e ( n u m p o i n t s ) 所包含的坐标点个数 p a r t s 数组记录了每个子环的坐标i n t 硝4 x n u m p a r t sn u m p a r t sl i t t l e 在p o i n t s 数组中的起始 位置 p o i n t s 数组 记录了所有的坐标信息 p o i n t 璎 根据点个数 n u m p o i n t sl i t t l e 朱确定 3 、属性数据模型的分析 属性文件包括所描述要素的属性或可与其它表关联的属性键。它的格式是标 准的d b f 文件，可以被基于w i n d o w s 和d o s 的许多表格应用程序使用。正确的 d b f 文件要求： 1 ) 属性数据文件必须与图形数据文件有相同的自订缀，它的后缀是“d b f ”； 2 ) 每一个图形数据记录必须有一个相应的属性数据记录； 3 ) 一个图形数据在属性数据文件中记录的顺序必须与在图形数据文件中记 录的顺序一致1 1 们。 属性文件由头文件以及实体信息两部分构成，其中文件头部分的长度是不定 长的，它主要对d b f 文件作了一些总体说明，其中最主要的是对这个d b f 文件的 记录项的信息进行了详细地描述，比如对每个记录项的名称、数据类型、长度等 信息都有具体的说明。属性文件的实体信息就是一条属性记录，每条记录都是由 若干个记录项构成【1 0 1 。 北京邮l u 人学顾i ：研究生学位论文 多| ! 幅数，海洋地陶尤缝拼接算法f i j f 究 4 、索引文件的结构分析 索引文件( s h x ) 主要包含坐标文件的索引信息，文件中每个记录包含对应的 坐标文件记录距离坐标文件的文件头的偏移量。通过索引文件可以很方便地在坐 标文件中定位到指定目标的坐标信息。标准的文件提供数据记录索引文件，同时 支持用户建立空间索引文件、专题索引等。 索引文件也是由头文件和实体信息两部分构成( 如表2 4 ) ，其中文件头部分 是一个长度固定( 1 0 0b y t e s ) 的记录段，其内容与坐标文件的文件头基本一致。它 的实体信息以汜录为基本单位，每条记录包括偏移量( o f f s e t ) 和记录段长度 ( c o n t e n tl e n g t h ) 两个记录项 1 0 】。 表2 4 索引文什结构1 1 0 1 记录项数值数据类型长度个数侮序 位移鼙( o f f s e t ) 表示坐标文什中的对应记录的 i n t 型4l b i g 起始位置相对丁坐标文什起始 位置的位移域。 记录长度表示坐标文件中的对应记录的i n t _ i 14l b i g ( c o n t e n tl e n g t h ) 艮度。 2 3 数字海图的特点 2 3 1 分幅存储 海图分幅是沿着海岸线或航线进行，而不像地形图那样按国际百万分之一分 幅系统沿经纬线统一进行。因此，海图分幅其位置、大小、方向和形式都不固定。 为保证不同级别的电子海图设备的使用需要，数字海图采用两种分幅方式：按纸 质海图分幅方式和按规则分幅方式。 按纸质海图分幅方式时，其原则与纸质海图编绘规范中的分幅条款相同，但 不采用主附图、拼接图、诸分图和“破图廓”的表示方式。 按规则分幅时，每个单元应包括一个完整的航行区域。单元分为两类：基本 单元和导出单元。基本单元为电子海图的最小分区，其地域大小为1 5 1 57 隆 度纬度) ，导出单元则是在基本单元的基础上按航行区域划分。其纵向尺寸必 须是基本单元的整数倍。全球从南纬9 0 。到北纬9 0 。，每1 5 为一行，从西经1 8 0 。到东经1 8 0 。，每隔1 57 为一列：共分为7 2 0 1 4 4 0 个单元。每幅图或每个单元 是一个独立的数据集i 6 。 成套航海图邻幅之间还有一定的重叠范围( 叠幅) ，以便换图时将船位点转到 1 2 北京邮i u 人学颂l ：研究生学位论文多l 鳘l 幅数海洋地图尤缝拼接算法i i j f 究 相邻图上，并在邻图上继续测得船位点，方便航线转移，保证航行安全。 综上所述，与地形图相比海图( 主要指航海图) 比例尺本身不成系列，海图图 幅不是按系统的经、纬差分幅，而且图幅之间有一定的重叠，即同比例尺成套海 图的相邻图幅之问有一定的叠幅。对于给定的海区，连续分布而又相互分离的单 张海图使得完整的海洋地理空| 日j 发生人为的割裂，海图的这种图幅相互分离的存 在方式不利于海洋地理信息系统的功能发挥i 射。 随着信息技术的发展，海洋地理信息的存储介质由纸张发展为计算机，作为 计算机可识别存储介质，数字海图仍延用最初的分幅方式。基于分幅的数字海图 存在着以下弊端： 1 ) 分幅方式本身破坏了地理实体的完整性。分幅表达在物理上割裂了完整 的地理实体，使得穿越多幅图幅的同一地理实体，在计算机系统中要分块或分段 存储，这种存储上的分离加剧了地物整体一致性维护的复杂度； 2 ) 不便于数据库的分布式管理。对于同一地理实体，存储分布于不同的网 络结点上，检索和存取效率将难以优化提高；查询也要在多幅图幅l h j 进行，这要 求系统能够在多幅帽邻图幅问靠地物标识进行空间和逻辑上的匹配、关联等操作 1 1 1 3 ) 海图分幅的叠幅特点使得相邻海图的叠幅部分出现冗余海洋信息，这不 仅导致资源空问的浪费，还会产生逻辑裂缝及物理裂缝，是海洋地图拼接的主要 问题之一。 避免上述弊端的措施是实现数字海图无缝拼接，将分幅的数字海洋信息处理 成连续无缝的地图数据。 2 3 2 海量数据 海量数据是海洋地图数据最为显著的特征之一，海量地图数据即通过不同的 存储设备在g i s 数据库中存储有至少g b 数量级的空间数据( 图形、图像数据) ，这 是一个相对的概念，它有三种表现形式： l _ ) 多数据源，即数据格式、数据模型的多样化； 2 ) 多比例尺分辨率，即从不同的详细程度反映同一区域的空间信息； 3 ) 多时相，即从不同的时刻反映同一区域空问信息的变化。 信息丰富的海洋地图数据一般都具有上述三个特征。因此，即使是一个很小 的区域，海洋数据量也十分庞大。如果需要描述的海洋区域面积庞大，数据量就 会达到海量级别。同时，随着空间信息科学技术和海洋遥感技术的不断加强，海 洋遥感数据的获取量将大幅增加。 另外，我国海洋数据的数据源还具有分布性的特点。在我国，国家海洋信息 1 3 北京邮i u 人学颂i ：| | 0 d z 生学位论文多幽幅数。，海洋地l 兰i 尤缝拼接算法研究 中心、海地区信息中心和信息采集点一般都有自己的数据。如何将大量多源数据 进行有效整合，达到海洋地理信息系统的空间数据基础连续化成为海洋g i s 的关 键问题之一。 2 4 数字海图缝隙的来源 空间地理数据的缝隙主要源自数据获取、数据的表示与组织以及数据处理等 方面【4 1 。 在数据获取方面，传统的纸质地图是一种基本的地图数据来源。由于地图分 幅的影响，连续的地表空i 日j 被划分为若干个相互关联的子图幅，使得该空i 日j 中的 同一地物相应地被划分成若干个部分，分别分布于不同的图幅中，从而产生缝隙。 另外，对于数字海图而言，传统的纸质海图作为一种基本的空间数据源，在进行 数字化时，设备精度与采集精度会使海图在叠幅部分的重复内容处产生缝隙卜i 。 在数据的表示上，数字海图的自由分幅与数字地形图的经纬线分幅有所区 别：数字地形图采用高斯克吕格投影，依照国家基本比例尺系列按不同的经差、 纬差分幅，图廓线由经纬线构成，相邻比例尺地形图之间完全连续，同比例尺相 邻图幅之间没有间隙。而同比例尺成套航海图则采用墨卡托投影，按航线规划， 自由分幅，不存在分带投影问题。但邻幅之间有一定的重叠( 也称为叠幅部分) ， 重叠的范围不绝对( 一般不超过图幅的四分之一，宽度不窄于1 0 c m ，广阔海域可 窄于1 0 c m 甚至边接边，边接边可视为叠幅范围为零) ，视海区的自然状况和航海 需要而定i 训。 在空间数据库组织上