【摘要】：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和地理信息系統(tǒng)在地圖制圖領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,對(duì)數(shù)字環(huán)境下地圖綜合自動(dòng)化的需要越來(lái)越緊迫。地圖自動(dòng)綜合是地圖學(xué)與GIS(Geographic information system)領(lǐng)域的一個(gè)難題。一些復(fù)雜地圖綜合算子,如移位、典型化等的自動(dòng)化程度仍然較低。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地圖綜合移位算法進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的探索,但目前仍存在諸多問題沒得到有效解決,突出表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：(a)移位是多種制圖綜合規(guī)則約束下的最優(yōu)化問題,但現(xiàn)有算法對(duì)各類制圖綜合規(guī)則的考慮還不夠充分；(b)已有移位算法中的各數(shù)學(xué)模型、參數(shù)條件與地圖綜合規(guī)則約束之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系還有待進(jìn)一步研究；(c)地圖目標(biāo)(群)的空間關(guān)系與空間結(jié)構(gòu)一致性的保持仍然是移位操作的難點(diǎn)。針對(duì)以上問題,本文從地圖綜合中圖形空間沖突解決的實(shí)際需求出發(fā),分析了地圖目標(biāo)間鄰近沖突產(chǎn)生的機(jī)理和移位操作的本質(zhì)特征,圍繞Beams和Snakes能量最小化移位算法,對(duì)地圖中道路和建筑物等要素的空間沖突識(shí)別和移位展開深入研究,通過模型和算法的改進(jìn),提高地圖自動(dòng)綜合中移位操作的自動(dòng)化和智能化水平,為數(shù)字環(huán)境下的地圖自動(dòng)綜合提供有效的技術(shù)手段。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)從地圖綜合移位操作的基本概念出發(fā),分析了地圖目標(biāo)之間圖形空間沖突的產(chǎn)生機(jī)理。在歸納和總結(jié)面向移位算子的地圖綜合約束條件的基礎(chǔ)上,給出了一種移位算法概念框架,并闡述了能量最小化移動(dòng)算法的基本原理和數(shù)學(xué)模型,奠定了本文研究的理論基礎(chǔ)。(2)通過對(duì)SDS (Simplicial data structure)地圖數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展,構(gòu)建了一種包含點(diǎn)、線和面三類地圖要素的CDT (Constrained Delaunay triangulation)地圖數(shù)據(jù)模型。模型中明確定義了地圖目標(biāo)之間的空間鄰近關(guān)系,并且實(shí)現(xiàn)了各類地圖目標(biāo)(群)間空間鄰近搜索、骨架線提取、空間鄰近沖突識(shí)別等算法,從而為移位算法中鄰近沖突的識(shí)別及其空間上下文的描述、地圖目標(biāo)(群)空間關(guān)系與空間結(jié)構(gòu)一致性的保持提供輔助數(shù)據(jù)模型。(3)提出了一種顧及道路要素等級(jí)屬性和道路彎曲圖形特征的Snakes模型形狀參數(shù)設(shè)置方法�；赟nakes的能量最小化移位算法的移位效果一定程度上受控于模型形狀參數(shù)(彈性參數(shù)a和剛性參數(shù)β),但目前仍缺乏定量化的參數(shù)設(shè)置方法。針對(duì)該問題,以道路網(wǎng)的移位為例,分別建立了Snakes模型形狀參數(shù)與道路等級(jí)屬性和與道路內(nèi)部各段彎曲曲率之間的定量化關(guān)系,從而更好地顧及了道路的等級(jí)屬性特征和圖形特征,增強(qiáng)了Snakes模型中形狀參數(shù)設(shè)置的適應(yīng)性和可控性。(4)對(duì)Beams能量最小化移位算法提出了三個(gè)方面的改進(jìn)：(a)在降低參數(shù)復(fù)雜度的情況下,提出了一種Beams模型材料參數(shù)自動(dòng)設(shè)置方法,從而提高了算法的自動(dòng)化水平；(b)通過對(duì)移位過大的目標(biāo)施加吸引力,增強(qiáng)了算法對(duì)地圖目標(biāo)位置精度的控制作用；(c)采用了一種新的迭代策略,將每一次迭代的中間結(jié)果作為新的輸入調(diào)用下一次的迭代過程,從而將模型中的“內(nèi)能”重置為0,提高了算法解決沖突的能力。(5)將改進(jìn)后Beams移位算法與輔助地圖數(shù)據(jù)模型相結(jié)合,針對(duì)建筑物群和道路網(wǎng)兩類典型地圖要素的移位問題,分別設(shè)計(jì)了兩種空間輔助結(jié)構(gòu)支持下的移位算法：(a)鄰近圖支持下的建筑物群移位算法：(b)增強(qiáng)型道路網(wǎng)支持下的道路要素移位算法。在建筑物群移位算法中,基于CDT骨架線構(gòu)建了表達(dá)建筑物群空間分布特征的鄰近圖,并利用局部建筑物分組信息對(duì)鄰近圖進(jìn)行調(diào)整,從而能從全局和局部?jī)蓚€(gè)層次保持建筑物群的空間關(guān)系和空間分布特征；在道路要素移位算法中,進(jìn)一步拓展了空間輔助結(jié)構(gòu)對(duì)移位操作的支持作用,構(gòu)建了一種增強(qiáng)型道路網(wǎng),使發(fā)生移位的道路路段附近的建筑物以及鄰近的其它路段與之建立關(guān)聯(lián),同時(shí)提出了一種以沖突點(diǎn)為中心的移位操作區(qū)劃分方法,從而保證移位變形能夠在比較合適的范圍內(nèi)得到充分傳播,更好地保持道路與其鄰近地圖目標(biāo)的空間關(guān)系與空間分布特征。(6)基于GIS二次開發(fā)組件ArcGIS Engine,實(shí)現(xiàn)了論文中所提出的模型和算法,并選用多套典型的道路網(wǎng)與建筑物群地圖要素?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證了所實(shí)現(xiàn)算法的有效性和優(yōu)越性。
[Abstract]:With the rapid development of computer technology and the wide application of geographic information system in the field of cartography, the need for map generalization automation in digital environment is becoming more and more urgent. Although scholars at home and abroad have made a long-term and unremitting exploration on the map synthesis shift algorithm, there are still many problems that have not been effectively solved, which are highlighted in the following aspects: (a) Shift is an optimization problem constrained by a variety of cartographic synthesis rules, but the existing algorithms for all kinds of cartography. Consideration of synthesis rules is insufficient; (b) the corresponding relations between mathematical models, parameters and constraints of map synthesis rules in existing shift algorithms need to be further studied; (c) it is still difficult to maintain the consistency between spatial relations and spatial structures of map objects (groups). Starting from the actual demand of graph space conflict resolution in graph synthesis, this paper analyzes the mechanism of adjacent conflict between map objects and the essential characteristics of displacement operation. Focusing on Beams and Snakes energy minimization displacement algorithm, this paper studies the spatial conflict recognition and displacement of road and building elements in map deeply. Through model and algorithm The main contents of this paper are as follows: (1) Based on the basic concepts of map synthesis shift operation, the mechanism of spatial conflict between map objects is analyzed. On the basis of summarizing the constraints of map synthesis oriented to shift operator, a conceptual framework of shift algorithm is given, and the basic principle and mathematical model of energy minimization algorithm are expounded, which lays the theoretical foundation of this paper. (2) By extending the SDS (Simplicial data structure) map data model, a new shift algorithm is constructed. In this model, the spatial proximity between map objects is clearly defined, and the algorithms of spatial proximity search, skeleton line extraction and spatial proximity conflict recognition among various map objects (groups) are implemented, so as to calculate the displacement. (3) A shape parameter setting method for Snakes model is proposed, which takes into account the grade attribute of road elements and the characteristics of road curved graphics. The displacement effect of the method is controlled to a certain extent by the shape parameters of the model (elastic parameter a and rigid parameter beta), but there is still no quantitative parameter setting method at present. Thus, the hierarchical attributes and graphical features of the road are taken into account, and the adaptability and controllability of shape parameter setting in Snakes model are enhanced. (4) Three improvements are proposed to the Beams energy minimization shift algorithm: (a) A Beams model material parameter automation algorithm is proposed to reduce the complexity of the parameters. Setting method improves the automation level of the algorithm; (b) Applying attraction to the object with too large displacement enhances the control effect of the algorithm on the position accuracy of the map object; (c) Adopting a new iterative strategy, calling the intermediate result of each iteration as a new input to the next iteration process, thus making the model (5) Combining the improved Beams shift algorithm with the auxiliary map data model, two kinds of displacement algorithms supported by spatial auxiliary structures are designed for the displacement problem of two typical map elements, building group and road network: (a) the construction supported by adjacent map Building Group Shifting Algorithm: (b) Road Element Shifting Algorithm Supported by Enhanced Road Network. In Building Group Shifting Algorithm, a neighborhood map expressing the spatial distribution characteristics of buildings is constructed based on CDT skeleton line, and the neighborhood map is adjusted by using local building grouping information, so that the construction can be maintained at both global and local levels. In the algorithm of road element displacement, the supporting effect of spatial auxiliary structure on displacement operation is further expanded, and an enhanced road network is constructed to correlate buildings near displaced road sections and other adjacent roads. The method of dividing the shift operation area centered on the conflict points ensures that the displacement deformation can be fully propagated in a suitable range and better maintains the spatial relationship and spatial distribution characteristics between the road and its adjacent map objects. (6) Based on ArcGIS Engine, the model and algorithm proposed in this paper are implemented. The validity and superiority of the algorithm are verified by several typical road network and building group map data.
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P208

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本文編號(hào)：2190108