专利名称：一种基于栅格化gis 空间关系判断方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及GIS (Geographical Information System，地理信息系统)领域，尤其涉及GIS空间关系判断方法及其系统。
背景技术：
地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。 据估计，80%以上的数据都具有空间属性，而对这些空间数据的关系已经成为了信息系统关系的一个重要组成部分，其应用十分广泛。一般来说，地理信息系统(Geographical Information System，缩写为 GIS)可定义为用于采集、存储、关系、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量空间信息的通用技术。随着GIS自身的发展和经济与社会的信息化，GIS开始融入信息技术的主流。由于GIS技术能较好地解决基于时空框架的数据建模问题，填补了传统信息技术在这方面的空白，逐步成为信息技术的核心支撑技术。基于Web的地图应用使得GIS的用户从专业人士迅速扩大到公众。以Web编程接口的形式提供空间信息服务成为GIS与其他的业务信息系统进行应用整合的重要途径，这为GIS应用开辟了更广阔的应用范围和场景。但是，基于hternet的GIS的体系结构决定了大量的业务逻辑集中在服务器端。满足众多用户(包括Web服务客户端)的访问并保证服务质量，给后端服务器的性能、可扩展性提出了更高的要求。空间关系算子是比较两个空间对象并返回一个布尔变量值作为结果，它表明了存在于两个空间对象之间特殊的关系。如是否相交、是否相互包含等。OGC(Open Geospatial Consortium，开放地理信息联盟)的Web要素服务(Web Feature krvice)规范中的空间过滤器是通过空间查询方式获取要素数据的有力方式，规范中提出了 Disjoint/Intersect、 Equal,DWithin/BeyondJouch、Cross、Within/Contain、Overlap、BBOX 等多种空间查询关系算子过滤器。—种常见的空间关系判断方法是利用计算几何来实现。作为计算机科学的一个分支，计算几何主要研究解决几何问题的算法。常见的做法是针对两个多边形进行，在大量的多边形计算面前无能为力。如果采用“暴力”算法，通过反复调用两个多边形空间关系算子的算法来完成，则算法实现计算复杂度高，实用性差。如基于出入点判别的空间关系算子实现方法，如何确定交点的进点、出点属性在实际的图形中会遇到众多的特殊情况。特别是在发生了线段与线段交在端点、线段与线段重叠的情况下，如何区分交点的出点、入点情况非常复杂导致效率降低。这类做法中采用的线段求交算法一般是采用平面扫描算法，优点是结果比较精确，缺点是由于要进行频繁的坐标排序、角度计算等操作，计算量大。
发明内容
为解决上述问题，本文提供了一种基于栅格的GIS空间关系判断方法及其系统，命名为FSRS (feature shadow rasterazation signature)。在满足互联网地图应用精度要求的前提下，能够减少运算的时空代价，提高计算效率。相比于已有的同类研究成果(如四色栅格等)，FSRS算法则能明显提高算子的准确率。本发明提出并实现了一种新的地图/空间关系方法及其系统一基于栅格技术的空间关系判断方法及其系统，命名为FSRS。为克服矢量空间关系判断的时间与空间复杂度较高的缺点，提出了栅格空间关系算法实现框架，实现了包括Disjoint、IntersectEqual、 DWithin、Beyond、Touch, Cross、Within、Contain、Overlap、BBOX 等^^一种空间关系算子 /
过滤器οDisjoint 分离，两个几何图形的边界和内部不相交。Intersect 相交，两个几何图形没有分离(Non-DisJoint)。Equal 相等，两个几何图形具有相同的边界和内部。Dffithin 区域包含，查询一个圆形范围内的几何图形，需要给一个距离参数。Beyond 与 DWithin 相反。Touch 接触，两个几何图形的边界相交，但是内部不相交。Cross 交叉，一个几何图形的内部和另一个几何图形的边界和内部相交，但是它们的边界不相交。Within 包含于，一个几何图形的内部和边界完全在另一个几何图形的内部。Contain 包含，一个几何图形的内部完全包含了另一个几何图形的内部和边界。Overlap 重叠，两个几何图形的边界和内部相交Qntersect)。BBOX 矩形框相交，查找包含在矩形框内的所有几何图形。此算法基于亚像素精度，较现有成果可以更精确地记录边界栅格的覆盖面积，并根据覆盖面积计算出要素空间关系。同时，索引中关联了要素属性等信息，使得栅格图片具有地理要素的所有特征。利用城市类地理数据集的测试表明，算法的正确率大大高于四色栅格签名(4CRS)，在互联网环境精度可被接受的条件下，空间查询平均性能优于Oracle Spatial 约 10 15 倍。随着网络地图服务的流行，如何在网络地图服务器上提供空间分析功能成为一种新的挑战。而此专利提出的基于栅格的空间关系判断方法及其系统也同时可以通过根据预定义的地图比例尺，事先对生成的地图瓦片文件的方法来为网络地图服务器上提供空间关系判断功能。本文方法的框架主要分三个部分(1)生成栅格签名；也就是栅格化( 形成栅格索引生成(3)基于栅格签名进行空间关系算子的判断。一种基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，包括步骤1，输入矢量方式表示的几何体表达的图形，由栅格单元对所述图形进行压盖，栅格单元以对其压盖所述图形的要素ID为要素索引，栅格单元以坐标值为位置索引；步骤2，对形成索引的图形进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；步骤3，两个经过栅格单元压盖的所述图形中，坐标相同的栅格单元相互对应，将相对应的两个栅格单元的实际占用面积的信息进行比较，通过地理信息空间关系判断方法实现误差分析和置信度分析，得出所述两个经过栅格单元压盖的以矢量方式表示的图形的GIS空间关系判断结果。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，所述步骤1进一步为，步骤21，输入矢量方式表示的图层中地理要素的图形的矢量点，按显示屏幕的分辨率对地理要素的矢量点坐标进行坐标转换，按显示屏幕的像素点进行栅格划分，栅格单元以坐标值为位置索引，栅格单元以对其压盖的图形的要素ID为要素索引；步骤22，根据线段斜率及增量依次判断该线段与所有横纵栅格线的交点，轮廓由 N个矢量点组成，每两个相邻矢量点组成一条线段，轮廓扫描过程就是逐个线段的扫描，这里的线段是指其中两个点的坐标组成的线段，交点的计算需要转换成亚像素精度，增量的计算公式描述如下其中delta为增量，fy为该线段压盖栅格点的实数坐标分量Y部分经过坐标转换通道所得的小数部分，设线段的起始点坐标为(xl，yl)，终止点坐标为(x2，y2), Δχ = X2-X1, Ay = y2-yi，可计算出受该直线所影响的整数栅格单元的cover和area，计算公式描述如下cov er = fy2-fylarea = (fx2+fxl) X cov er其中(fxl，fyl)为线段起始点的小数坐标部分，(fx2，fy2)为线段终止点的小数坐标部分；步骤23，对于每个图形，绘制控制器遍历图形的轮廓经过的栅格单元，依据栅格单元的覆盖面积判断所述栅格单元是否被图形完全填充，对完全填充的栅格单元和未完全填充的栅格单元分别进行标记，将轮廓内的栅格单元进行跨度填充，将这些栅格单元标记为完全填充；步骤M，将完全填充的栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值设置为 1 ；对于未完全填充的栅格单元，根据所述栅格单元的权值和覆盖面积计算所述栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值，保存栅格单元的位置索引、要素索引和实际占用面积的比值，进而生成所述图形对应的栅格底图。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，所述步骤2进一步为，步骤31，对输入的图层进行栅格索引生成，存放在基于图片像素与矢量要素对应算法的栅格单元中；步骤32，根据输入的图层，找到压盖的图层片段。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有相交时，所述步骤3进一步为，步骤41，返回被搜索图层中与搜索图层交集不为空的所有对象；步骤42，满足下面任何一种情况都为相交其中，上图层内部与下图层内部交集不为空；上图层内部与下图层边界交集不为空；上图层边界与下图层内部交集不为空；上图层边界与下图层边界交集不为空。
所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含于的关系时，即一个图形的内部和边界完全在另一个图形的内部，所述步骤3进一步为，步骤51，返回被搜索图层中包含搜索对象的对象；步骤52，如果返回的对象是面，其必须包含搜索对象，包括在边界上搜索对象如果返回的对象是线，其必须完全包含搜索对象；如果返回的对象是点，其必须在搜索对象上。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含关系时，即一个图形的内部完全包含了另一个图形的内部和边界，所述步骤3进一步为，步骤61，返回被搜索图层中被搜索对象包含的对象，其中不是完全包含，边界可以有交集；步骤62，上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层外部与下图层内部交集为空，上图层包含下图层，则上图层的维数应当大于或等于下图层的维数。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有分离时，即两个图形的边界和内部不相交，所述步骤3进一步为，步骤71，返回被搜索图层中与搜索对象分离的对象；步骤72，空间关系判断对象支持点、线、面，且上图层内部与下图层内部交集为空， 且上图层内部和下图层边界交集为空，且上图层边界和下图层内部交集为空，且上图层边界和下图层边界交集为空。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有接触时，即两个图形的边界相交，但是图形内部不相交，所述步骤3进一步为，步骤81，返回被搜索图层中其边界与搜索对象边界相触的对象；步骤82，满足下面任何一种情况都为接触其中，上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层内部与下图层边界交集不为空；上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层内部交集不为空；上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层边界交集不为空。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有相等时，即两个图形具有相同的边界和内部，所述步骤3进一步为，步骤91，返回被搜索图层中与搜索对象完全重合的对象，但是，图层对象的采样点不要求完全重合；步骤92，上图层与下图层的类型必须相同，支持图层的点、线、面，上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层内部和下图层外部交集为空，且上图层边界和下图层外部交集为空，且上图层外部和下图层内部交集为空，且上图层的外部和下图层的边界交集为空。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有重叠时，两个图形的边界和内部相交，所述步骤3进一步为，步骤101，返回被搜索图层中与搜索对象部分重叠的对象，两个图层对象的维数必须一致，而且其交集的维数也应该和图层对象的维数一样；步骤102，搜索上图层与被搜索的下图层交叠；上图层与下图层的维数相同；上图层的内部与下图层的内部交集的共同图层对象不为空，上图层的外部与下图层的内部相交，上图层的外部与下图层的内部相交；共同图层对象的类型仍与上图层的类型相同。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有区域包含时，即查询一个圆形范围内的图形，需要给一个距离参数，所述步骤3进一步为，步骤111，返回被搜索图层中与搜索对象距离在一定范围内的所有对象；步骤112，对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的图层对象求交。所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有区域反包含时，即查询一个圆形范围外的图形，需要给一个距离参数，所述步骤3进一步为，步骤121，返回被搜索图层中与搜索对象距离在一定范围外的所有对象；步骤122，对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的几何对象求分离。一种基于栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，包括栅格图层生成模块，用于输入矢量方式表示的几何体表达的图形，由栅格单元对所述图形进行压盖，栅格单元以对其压盖所述图形的要素ID为要素索引，栅格单元以坐标值为位置索引，对形成索引的几何体表达进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；栅格索引生成模块，对形成索引的图形进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；空间关系判断模块，用于两个经过栅格单元压盖的所述图形中，坐标相同的栅格单元相互对应，将相对应的两个栅格单元的实际占用面积的信息进行比较，得出所述两个经过栅格单元压盖的以矢量方式表示的几何体表达的GIS空间关系判断结果。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，栅格图层生成模块进一步用于输入矢量方式表示的图层中地理要素的图形的矢量点，按显示屏幕的分辨率对地理要素的矢量点坐标进行坐标转换，按显示屏幕的像素点进行栅格划分，栅格单元以坐标值为位置索引，栅格单元以对其压盖的图形的要素ID为要素索引；根据线段斜率及增量依次判断该线段与所有横纵栅格线的交点，轮廓由N个矢量点组成，每两个相邻矢量点组成一条线段，轮廓扫描过程就是逐个线段的扫描，这里的线段是指其中两个点的坐标组成的线段，交点的计算需要转换成亚像素精度，增量的计算公式描述如下
其中delta为增量，fy为该线段压盖栅格点的实数坐标分量Y部分经过坐标转换通道所得的小数部分，设线段的起始点坐标为(xl，yl)，终止点坐标为(x2，y2), Δχ = X2-X1, Ay = y2-yi，可计算出受该直线所影响的整数栅格单元的cover和area，计算公式描述如下cov er = fy2-fylarea = (fx2+fxl) X cov er其中(fxl，fyl)为线段起始点的小数坐标部分，(fx2，fy2)为线段终止点的小数坐标部分；对于每个图形，绘制控制器遍历图形的轮廓经过的栅格单元，依据栅格单元的覆盖面积判断所述栅格单元是否被图形完全填充，对完全填充的栅格单元和未完全填充的栅格单元分别进行标记，将轮廓内的栅格单元进行跨度填充，将这些栅格单元标记为完全填充；将完全填充的栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值设置为1 ；对于未完全填充的栅格单元，根据所述栅格单元的权值和覆盖面积计算所述栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值，保存栅格单元的位置索引、要素索引和实际占用面积的比值，进而生成所述图形对应的栅格底图。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，栅格索引生成模块进一步用于对输入的图层进行栅格索引生成，存放在基于图片像素与矢量要素对应算法的栅格单元中；根据输入的图层，找到压盖的图层片段。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有相交时，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索图层交集不为空的所有对象；其中，上图层内部与下图层内部交集不为空；上图层内部与下图层边界交集不为空；上图层边界与下图层内部交集不为空；上图层边界与下图层边界交集不为空。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含于的关系时，即一个图形的内部和边界完全在另一个图形的内部，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中包含搜索对象的对象；如果返回的对象是面，其必须包含搜索对象，包括在边界上搜索对象如果返回的对象是线，其必须完全包含搜索对象；如果返回的对象是点，其必须在搜索对象上。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含关系时，即一个图形的内部完全包含了另一个图形的内部和边界，所述空间关系判断模块进一步用于
返回被搜索图层中被搜索对象包含的对象，其中不是完全包含，边界可以有交集；上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层外部与下图层内部交集为空，上图层包含下图层，则上图层的维数应当大于或等于下图层的维数。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有分离时，即两个图形的边界和内部不相交，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象分离的对象；空间关系判断对象支持点、线、面，且上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层内部和下图层边界交集为空，且上图层边界和下图层内部交集为空，且上图层边界和下图层边界交集为空。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有接触时，即两个图形的边界相交，但是图形内部不相交，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中其边界与搜索对象边界相触的对象；其中，上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层内部与下图层边界交集不为空；上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层内部交集不为空；上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层边界交集不为空。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有相等时，即两个图形具有相同的边界和内部，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象完全重合的对象，但是，图层对象的采样点不要求完全重合；上图层与下图层的类型必须相同，支持图层的点、线、面，上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层内部和下图层外部交集为空，且上图层边界和下图层外部交集为空，且上图层外部和下图层内部交集为空，且上图层的外部和下图层的边界交集为空。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有重叠时，两个图形的边界和内部相交，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象部分重叠的对象，两个图层对象的维数必须一致， 而且其交集的维数也应该和图层对象的维数一样；搜索上图层与被搜索的下图层交叠；上图层与下图层的维数相同；上图层的内部与下图层的内部交集的共同图层对象不为空，上图层的外部与下图层的内部相交，上图层的外部与下图层的内部相交；共同图层对象的类型仍与上图层的类型相同。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有区域包含时，即查询一个圆形范围内的图形，需要给一个距离参数，所述空间关系判断模块进一步用于
返回被捜索图层中与搜索对象距离在一定范围内的所有对象；对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的图层对象求 交。所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在干，在栅格化GIS空间关系判断中 两个图层中的图形是否有区域反包含吋，即查询ー个圆形范围外的图形，需要给ー个距离 參数，所述空间关系判断模块进一步用于返回被捜索图层中与搜索对象距离在一定范围外的所有对象；对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的几何对象求 分离。基于栅格FSRS使用的基于亚像素精度的方法能准确记录边界格子的面积，因此 可以根据两个对象占用的単元格的面积来确定是否相交。如同一个位置的栅格，第一个图 层占有此栅格为49%，第二个图层为52%，相加> 100%，所以可以确定两个图层相交，而 4CRS则对于都落入同一个栅格単元内的对象不能判断。而且，4CRS只能实现两个多边形的 判断，而不能处理多个多边形的图层。而FSRS采用的方法不但能精确记录栅格面积百分 比，提高结果的准确性，井能把百分比和图层属性信息等都保存下来，给用户返回更多有效 的结果信息(结果多边形的ID号等)。经过图片像素与矢量要素对应这个步骤之后，能更好的利用已有的矢量数据栅格 化近似，提高处理速度。即完成了栅格化过程，以栅格矩阵形式存储，其中坐标值为索引，属 性信息等为图层信息，以文件形式保存下来。这样，两个图层的空间关系判断的时候，只需 要找到同位置的栅格，对其面积等进行判断，从而获得符合条件的多边形ID号返回結果， 如图2。在精度允许的情况下，尽快的给出近似结果比缓慢的给出精确结果，在很多应用场 合下更有意义。
图1为图片像素与矢量要素对应算法示意图；图2为空间关系算子的流程图；图3为生成栅格签名流程图；图4为计算area和cover示意图；图5为计算area和cover实例图；图6为图片像素与矢量要素对应栅格索引使用示意图；图7为Contain的示意图；图8为点对象、线对象、面对象及对象集合的缓冲区；图9为点缓冲区示意图；图10为线缓冲区示意图；图IlA为中国省界图；图IlB为中国县界图；图IlC为中国土地利用图；图12为栅格化GIS空间关系判断系统的结构图。
具体实施例方式下面给出本发明的具体实施方式
，结合附图对本发明做出进一步的详细描述。步骤100，输入矢量方式表示的几何体表达的图形，由栅格单元对所述图形进行压盖，栅格单元以对其压盖所述图形的要素ID为要素索引，栅格单元以坐标值为位置索引， 对形成索引的图形进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；核心思路是运用了亚像素精度(subpixel accuracy)的布兰森汉姆 (Bresenham)生成直线算法，Bresenham生成直线算法是一种基于误差判别式来生成直线的方法。与传统Bresenham所不同的是，该算法利用误差判别选择像素的过程是基于亚像素的，把一个像素分成N*N个小像素，假设将单位栅格平均分成了 256M56个子像素。首先，对地理要素的矢量点进行坐标转换，便于利用亚像素精度进行下面的计算。 然后轮廓扫描和绘制控制器计算填充单元跨段，在此过程中计算出多边形边界占栅格面积的百分比。最后，将要素ID信息和面积百分比等信息存入以像素为索引的结构里，这样当用户在屏幕点击等操作时，就能关联取出相应的要素信息，给之后的空间分析功能打下基础。流程图如图3。图片像素与矢量要素对应算法索引的构建步骤可描述如下步骤101，输入矢量方式表示的图层中地理要素的图形的矢量点，按显示屏幕的分辨率对地理要素的矢量点坐标进行坐标转换，按显示屏幕的像素点进行栅格划分，栅格单元以坐标值为位置索引，栅格单元以对其压盖的图形的要素ID为要素索引。如果没有图形对栅格单元进行压盖，则栅格单元的要素索引和实际占用面积的信息都为初始化时的缺省值。坐标值是根据实际地理坐标投影到屏幕坐标的栅格行列号。在本文中，将double类型的矢量点坐标都乘以256，相当于将该坐标的二进制表示左移8位。这种坐标转换的优点是考虑了小数部分对像素的栅格单元权值(cover)的影响，便于利用亚像素精度进行后续的计算。步骤102，地理要素的图形的轮廓，记录为该地理要素的矢量坐标序列。通过连续取出坐标序列中相邻的两个坐标，组成一条线段，从该线段的起始点坐标逐个像素，即相当于扫描矢量线段，使其栅格化，利用Y方向上逐行增加，X方向上逐单元增加的方法，计算到终止点坐标，计算轮廓线所经过的每一个栅格单元计算权值(cover)和每一个栅格单元覆盖面积(area)，以便使用加权采样方法进行反走样的实现。运用了亚像素精度(subpixel accuracy)的布兰森汉姆(Bresenham)生成直线算法进行轮廓所描，Bresenham生成直线算法是一种基于误差判别式来生成直线的方法。与传统Bresenham所不同的是，该算法利用误差判别选择像素的过程是基于亚像素的，把一个像素分成N X N个小像素，例如，将单位栅格平均分成了 256 X 256个子像素。根据线段斜率及增量依次判断该线段与所有横纵栅格线的交点。轮廓由N个矢量点组成，每两个相邻矢量点组成一条线段，轮廓扫描过程就是逐个线段的扫描，这里的线段是指其中两个点的坐标组成的线段。交点的计算需要转换成亚像素精度，增量(delta)的计算公式描述如下
权利要求
1.一种基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，包括步骤1，输入矢量方式表示的几何体表达的图形，由栅格单元对所述图形进行压盖，栅格单元以对其压盖所述图形的要素ID为要素索引，栅格单元以坐标值为位置索引；步骤2，对形成索引的图形进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；步骤3，两个经过栅格单元压盖的所述图形中，坐标相同的栅格单元相互对应，将相对应的两个栅格单元的实际占用面积的信息进行比较，通过地理信息空间关系判断方法实现误差分析和置信度分析，得出所述两个经过栅格单元压盖的以矢量方式表示的图形的GIS 空间关系判断结果。
2.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，所述步骤1进一步为，步骤21，输入矢量方式表示的图层中地理要素的图形的矢量点，按显示屏幕的分辨率对地理要素的矢量点坐标进行坐标转换，按显示屏幕的像素点进行栅格划分，栅格单元以坐标值为位置索引，栅格单元以对其压盖的图形的要素ID为要素索引；步骤22，根据线段斜率及增量依次判断该线段与所有横纵栅格线的交点，轮廓由N个矢量点组成，每两个相邻矢量点组成一条线段，轮廓扫描过程就是逐个线段的扫描，这里的线段是指其中两个点的坐标组成的线段，交点的计算需要转换成亚像素精度，增量的计算公式描述如下其中delta为增量，fy为该线段压盖栅格点的实数坐标分量Y部分经过坐标转换通道所得的小数部分，设线段的起始点坐标为(xl，yl)，终止点坐标为(x2，y2)，Δχ = &-Xl，Ay =y2_yi，可计算出受该直线所影响的整数栅格单元的cover和area，计算公式描述如下 cov er = fy2-fyl area = (fx2+fxl)X cov er其中(fxl，fyl)为线段起始点的小数坐标部分，(fx2，fy2)为线段终止点的小数坐标部分；步骤23，对于每个图形，绘制控制器遍历图形的轮廓经过的栅格单元，依据栅格单元的覆盖面积判断所述栅格单元是否被图形完全填充，对完全填充的栅格单元和未完全填充的栅格单元分别进行标记，将轮廓内的栅格单元进行跨度填充，将这些栅格单元标记为完全填充；步骤M，将完全填充的栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值设置为1 ； 对于未完全填充的栅格单元，根据所述栅格单元的权值和覆盖面积计算所述栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值，保存栅格单元的位置索引、要素索引和实际占用面积的比值，进而生成所述图形对应的栅格底图。
3.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，所述步骤2进一步为，步骤31，对输入的图层进行栅格索引生成，存放在基于图片像素与矢量要素对应算法的栅格单元中；步骤32，根据输入的图层，找到压盖的图层片段。
4.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS 空间关系判断中两个图层中的图形是否有相交时，所述步骤3进一步为，步骤41，返回被搜索图层中与搜索图层交集不为空的所有对象； 步骤42，满足下面任何一种情况都为相交 其中，上图层内部与下图层内部交集不为空； 上图层内部与下图层边界交集不为空； 上图层边界与下图层内部交集不为空； 上图层边界与下图层边界交集不为空。
5.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS 空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含于的关系时，即一个图形的内部和边界完全在另一个图形的内部，所述步骤3进一步为，步骤51，返回被搜索图层中包含搜索对象的对象；步骤52，如果返回的对象是面，其必须包含搜索对象，包括在边界上搜索对象如果返回的对象是线，其必须完全包含搜索对象；如果返回的对象是点，其必须在搜索对象上。
6.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS 空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含关系时，即一个图形的内部完全包含了另一个图形的内部和边界，所述步骤3进一步为，步骤61，返回被搜索图层中被搜索对象包含的对象，其中不是完全包含，边界可以有交集；步骤62，上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层外部与下图层内部交集为空， 上图层包含下图层，则上图层的维数应当大于或等于下图层的维数。
7.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS 空间关系判断中两个图层中的图形是否有分离时，即两个图形的边界和内部不相交，所述步骤3进一步为，步骤71，返回被搜索图层中与搜索对象分离的对象；步骤72，空间关系判断对象支持点、线、面，且上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层内部和下图层边界交集为空，且上图层边界和下图层内部交集为空，且上图层边界和下图层边界交集为空。
8.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS 空间关系判断中两个图层中的图形是否有接触时，即两个图形的边界相交，但是图形内部不相交，所述步骤3进一步为，步骤81，返回被搜索图层中其边界与搜索对象边界相触的对象； 步骤82，满足下面任何一种情况都为接触其中，上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层内部与下图层边界交集不为空； 上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层内部交集不为空； 上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层边界交集不为空。
9.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有相等时，即两个图形具有相同的边界和内部，所述步骤3进一步为，步骤91，返回被搜索图层中与搜索对象完全重合的对象，但是，图层对象的采样点不要求完全重合；步骤92，上图层与下图层的类型必须相同，支持图层的点、线、面，上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层内部和下图层外部交集为空，且上图层边界和下图层外部交集为空，且上图层外部和下图层内部交集为空，且上图层的外部和下图层的边界交集为空。
10.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化 GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有重叠时，两个图形的边界和内部相交，所述步骤3进一步为，步骤101，返回被搜索图层中与搜索对象部分重叠的对象，两个图层对象的维数必须一致，而且其交集的维数也应该和图层对象的维数一样；步骤102，搜索上图层与被搜索的下图层交叠；上图层与下图层的维数相同；上图层的内部与下图层的内部交集的共同图层对象不为空，上图层的外部与下图层的内部相交，上图层的外部与下图层的内部相交；共同图层对象的类型仍与上图层的类型相同。
11.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化 GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有区域包含时，即查询一个圆形范围内的图形， 需要给一个距离参数，所述步骤3进一步为，步骤111，返回被搜索图层中与搜索对象距离在一定范围内的所有对象；步骤112，对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的图层对象求交。
12.如权利要求1所述的基于栅格化GIS空间关系判断方法，其特征在于，在栅格化 GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有区域反包含时，即查询一个圆形范围外的图形，需要给一个距离参数，所述步骤3进一步为，步骤121，返回被搜索图层中与搜索对象距离在一定范围外的所有对象；步骤122，对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的几何对象求分离。
13.一种基于栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，包括栅格图层生成模块，用于输入矢量方式表示的几何体表达的图形，由栅格单元对所述图形进行压盖，栅格单元以对其压盖所述图形的要素ID为要素索引，栅格单元以坐标值为位置索引，对形成索引的几何体表达进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；栅格索引生成模块，对形成索引的图形进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；空间关系判断模块，用于两个经过栅格单元压盖的所述图形中，坐标相同的栅格单元相互对应，将相对应的两个栅格单元的实际占用面积的信息进行比较，得出所述两个经过栅格单元压盖的以矢量方式表示的几何体表达的GIS空间关系判断结果。
14.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，栅格图层生成模块进一步用于输入矢量方式表示的图层中地理要素的图形的矢量点，按显示屏幕的分辨率对地理要素的矢量点坐标进行坐标转换，按显示屏幕的像素点进行栅格划分，栅格单元以坐标值为位置索引，栅格单元以对其压盖的图形的要素ID为要素索引；根据线段斜率及增量依次判断该线段与所有横纵栅格线的交点，轮廓由N个矢量点组成，每两个相邻矢量点组成一条线段，轮廓扫描过程就是逐个线段的扫描，这里的线段是指其中两个点的坐标组成的线段，交点的计算需要转换成亚像素精度，增量的计算公式描述如下其中delta为增量，fy为该线段压盖栅格点的实数坐标分量Y部分经过坐标转换通道所得的小数部分，设线段的起始点坐标为(xl，yl)，终止点坐标为(x2，y2)，Δχ = &-Xl，Ay =y2_yi，可计算出受该直线所影响的整数栅格单元的cover和area，计算公式描述如下 cov er = fy2-fyl area = (fx2+fxl)X cov er其中(fxl，fyl)为线段起始点的小数坐标部分，(fx2，fy2)为线段终止点的小数坐标部分；对于每个图形，绘制控制器遍历图形的轮廓经过的栅格单元，依据栅格单元的覆盖面积判断所述栅格单元是否被图形完全填充，对完全填充的栅格单元和未完全填充的栅格单元分别进行标记，将轮廓内的栅格单元进行跨度填充，将这些栅格单元标记为完全填充；将完全填充的栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值设置为1 ；对于未完全填充的栅格单元，根据所述栅格单元的权值和覆盖面积计算所述栅格单元的图形在栅格单元的实际占用面积的比值，保存栅格单元的位置索引、要素索引和实际占用面积的比值， 进而生成所述图形对应的栅格底图。
15.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，栅格索引生成模块进一步用于对输入的图层进行栅格索引生成，存放在基于图片像素与矢量要素对应算法的栅格单元中；根据输入的图层，找到压盖的图层片段。
16.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有相交时，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索图层交集不为空的所有对象； 其中，上图层内部与下图层内部交集不为空； 上图层内部与下图层边界交集不为空； 上图层边界与下图层内部交集不为空； 上图层边界与下图层边界交集不为空。
17.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含于的关系时，即一个图形的内部和边界完全在另一个图形的内部，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中包含搜索对象的对象；如果返回的对象是面，其必须包含搜索对象，包括在边界上搜索对象如果返回的对象是线，其必须完全包含搜索对象；如果返回的对象是点，其必须在搜索对象上。
18.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有包含关系时，即一个图形的内部完全包含了另一个图形的内部和边界，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中被搜索对象包含的对象，其中不是完全包含，边界可以有交集；上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层外部与下图层内部交集为空，上图层包含下图层，则上图层的维数应当大于或等于下图层的维数。
19.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有分离时，即两个图形的边界和内部不相交，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象分离的对象；空间关系判断对象支持点、线、面，且上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层内部和下图层边界交集为空，且上图层边界和下图层内部交集为空，且上图层边界和下图层边界交集为空。
20.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有接触时，即两个图形的边界相交，但是图形内部不相交，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中其边界与搜索对象边界相触的对象；其中，上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层内部与下图层边界交集不为空；上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层内部交集不为空；上图层内部与下图层内部交集为空，且上图层边界与下图层边界交集不为空。
21.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有相等时，即两个图形具有相同的边界和内部，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象完全重合的对象，但是，图层对象的采样点不要求完全重合；上图层与下图层的类型必须相同，支持图层的点、线、面，上图层内部与下图层内部交集不为空，且上图层内部和下图层外部交集为空，且上图层边界和下图层外部交集为空，且上图层外部和下图层内部交集为空，且上图层的外部和下图层的边界交集为空。
22.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有重叠时，两个图形的边界和内部相交，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象部分重叠的对象，两个图层对象的维数必须一致，而且其交集的维数也应该和图层对象的维数一样；搜索上图层与被搜索的下图层交叠；上图层与下图层的维数相同；上图层的内部与下图层的内部交集的共同图层对象不为空，上图层的外部与下图层的内部相交，上图层的外部与下图层的内部相交；共同图层对象的类型仍与上图层的类型相同。
23.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有区域包含时，即查询一个圆形范围内的图形，需要给一个距离参数，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象距离在一定范围内的所有对象； 对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的图层对象求交。
24.如权利要求13所述的栅格化GIS空间关系判断系统，其特征在于，在栅格化GIS空间关系判断中两个图层中的图形是否有区域反包含时，即查询一个圆形范围外的图形，需要给一个距离参数，所述空间关系判断模块进一步用于返回被搜索图层中与搜索对象距离在一定范围外的所有对象；对图层对象进行缓冲距离分析，然后用缓冲区中图层的面与要查询的几何对象求分
全文摘要
本发明涉及一种基于栅格化GIS空间关系判断方法及其系统。步骤1，输入矢量方式表示的几何体表达的图形，由栅格单元对所述图形进行压盖，栅格单元以对其压盖所述图形的要素ID为要素索引，栅格单元以坐标值为位置索引，对形成索引的几何体表达进行分块，每个栅格单元具有对其压盖的所述图形在所述栅格单元的实际占用面积的信息；步骤2，两个经过栅格单元压盖的所述图形中，坐标相同的栅格单元相互对应，将相对应的两个栅格单元的实际占用面积的信息进行比较，得出所述两个经过栅格单元压盖的以矢量方式表示的几何体表达的GIS空间关系判断结果。
文档编号G06F17/30GK102270236SQ20111022207
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月4日 优先权日2011年8月4日
发明者方金云, 程振林, 董慧, 赵艳伟 申请人:中国科学院计算技术研究所