图库一体化下的空间几何表达研究

刘培，吕时有

图库一体化下的空间几何表达研究

刘培，吕时有

（广州南方智能技术有限公司，广东 广州 510000）

空间几何是空间要素存储、符号化以及分析的基础。为了对空间要素进行真实合理的表达，尤其是在大比例尺地形图和高精度地图制作中，必须做到“图库一体化”，即确保空间要素与制图要素之间正确、合理地相互转换。而对于现实世界复杂多样的空间地物要素，传统的点、线、面几何并不能完全表达，并且在入库与分析中存在很大不足。针对此问题设计了一套改进后的空间几何表达模型，并通过实验证明了该模型的准确性和实用性。

图库一体化；空间几何表达；空间要素；数据转换

近年来，随着国家对土地资源的重视加深，也随着高技术领域如BIM、无人驾驶等的带动，人们对大比例尺下的高精度地图、地形图的需求也越来越大。与此同时，虽然数据采集方式有多种，比如激光点云、无人机影像、遥感影像、GPS等；制作手段也有多种，比如深度学习、机器学习、人工验证等；但归根结底，数据的表达只有一种——空间要素，包括物体的位置、形状、属性等信息[1]。李德仁[2]指出在大数据时代下，海量数据流时空数据采集、动态管理与高效智能处理技术具有更加重要的战略意义与地位，而且数据的空间表达是基础与前提；韩海忠等人[3]对比分析了iData和ArcGIS在图库一体化下对AutoCAD格式的大比例尺地形图入库与编辑的准确性与效率性，指出了由于两者在数据要素几何表达上存在一定差异，iData具有一定优势，即避免了图形的丢失与边形；钱成越[4]针对AutoCAD数据导入ArcGIS数据库的需求，阐述了AutoCAD和ArcGIS几何表达的差异性，因而导致入库过程中出现图形变形与拓扑错误等问题；康贵祥[5]认为“图库一体化”顺利实现的关键就是数据采集、编辑的方案设计，例如面层绝对不允许出现有实际符号意义的线要素。因此，针对目前“图库一体化”下空间要素在采集、管理与分析上面的不足，提出了一种新的空间要素几何表达模型，为空间要素在大比例尺地形图制作、高精度地图生成以及海量数据实时管理分析打下坚实基础。

1 GIS几何表达

当前，GIS技术已经广泛应用于各行各业，与此同时，GIS空间要素表达无疑提高了GIS技术的利用率并发挥了GIS技术的最大价值。但是，随着空间数据种类越来越多、越来越复杂，已有的GIS空间要素表达已经不能满足相关行业的需求。本文在总结分析GIS空间要素几何表达的基础之上，指出其在基础测图领域的不足之处，然后对几何表达进行了有针对性的改进与优化。

1.1 GIS几何表达概述

几何是GIS空间要素表达的最基本素材，GIS中几何表达包括点、线、面和文本。依据不同的几何特征，将各种要素组织在一起，具有不同几何特征的要素不能够共用一个图层，并且注重空间信息和属性信息一体化存储和管理，支持空间和属性一体化查询以及分析功能，可进行拓扑分析、网络分析等工作。在数据存储方面，GIS数据常见格式包括COV和SHP两种，前者保存了要素之间的拓扑信息，后者不存储拓扑信息，因此具有较高的显示和访问效率。

GIS中的基本几何表达如表1所示。

表1 GIS几何表达

GIS几何GIS类GIS含义 点IPoint0维对象，用于描述精确定位的对象 多点IMultiPoint0维对象，一系列无序点的集合 段ISegment1维对象，由起点、终点、参数三个方面定义 多段线IPath1维对象，连续的Segment集合 环IRing2维对象，封闭的Path对象 线IPolyline一个或多个相连或者不相连的path对象的有序集合 面IPolygon一个或多个ring对象的有序集合 文本IPoint表示具有名称的对象，由几何加文字组成 外包矩形IEnvelope表示几何对象的最小边框，通常为矩形

1.2 GIS几何表达的不足

由表1可知，GIS在几何表达上面具有多样性，基本上能够表达出现实世界中的要素，但也存在以下不足：①不支持复合图形，所谓复合图形，就是一个几何图形可以是点、线、面的任意组合。从上述定义可以看出，点、线、面之间是具有严格的区分的，无法表达复合图形。而复合图形在CAD中却是很常见的，这对于CAD图形转到GIS图形很不友好。②线和多线，面和多面没有区分。例如在IPolyline的定义中，既可以包含一个path，又可以包含多个path。然而，在一些GIS分析过程中，线和多线、面和多面要分开进行，而且分开进行可以有针对性地定义不同的数据结构，对于数据的存储与读取会有一定提升。③注记类型不支持线。注记也是一种非常重要的几何表达形式，可以很好地表达带有一定名称的地物要素。GIS的注记只支持点，对于一些河流、道路等具有明显线特征的要素存在表达不足的劣势。 ④外包矩形的定义。对于任意一种几何类型，它的外包矩形应该作为它本身固有的属性，可以实时获取它的大小，而不是单独作为一种几何类型存在，而且在现实世界中，矩形也是一种多边形，完全可包含在多边形的定义中。

通过上面的分析可知，对于地物要素的几何表达，既要遵循多样性原则，保证完整、全面，又要遵循同类合并，保证简洁实用，这样才能真正实现“图库一体化”。

2 改进的几何表达

在对GIS几何表达分析的基础之上，通过对大量需求资料的分析、归纳与总结，本文以点、线、面、复合图形、注记5个共性几何类型来进行几何表达，可以用以下的五元模型来表达：

G=（Point，Polyline，Polygon，

GeometryCollection，GeoText） （1）

式（1）中：G为地物要素几何表达模型；Point为几何点；Line为几何线；Polygon为几何线；GeometryCollection为复合图形；GeoText为注记。

改进的几何表达如表2所示。

表2 改进的几何表达

几何名类名含义 点Point0维数据，用于描述精确定位的对象 线Polyline1维对象，包括简单线和复合线两种 面Polygon2维对象，由封闭的线构成 复合图形GeometryCollection包含多点、多线、多面、多文本注记等 注记GeoText由参考几何体（点、线）和文字构成

2.1 改进后的优点

2.1.1 简洁而又齐全的几何表达

相对于GIS的几何表达模型，本文提出的几何表达模型大类上只有5个，其他所有的几何表达均是继承或来自该五大类，这对于具体的实现与扩展具有较大优势。

2.1.2 继承与扩展

以复合图形为例，一般意义上的符合图形就是由点线面等组合而成的几何，而多点、多线、多面、多文本注记等特例均是继承自该几何对象。这样做的原因有2个：①它们的数据结构是一致的；②它们所具有许多共同的几何操作。这样，无论是在几何对象的读取方面，还是几何对象的操作方面，均可避免大量重复工作。

2.1.3 良好的区分性

几何线分为简单线和复合线，考虑到现实世界中大部分情况都是用简单线来表达线对象，而且简单线具有较高的读取与存储效率，这样区分具有较强的现实意义。

2.2 改进后的几何模型表达体系

根据上述介绍的改进的几何表达，可以构建自己的几何模型表达体系，该体系具体反映了几何之间的继承关系，具体如图1所示。

图1 几何表达体系

图1中，白色框中的几何代表一种几何接口，后续可在该接口的基础之上扩展自己需要的几何类型；浅灰色框中的几何代表具体实现的相关几何类型，体现了上述定义的五元模型；深灰色框中几何代表具体的组成几何，主要针对的就是复合线，可以用弧线、贝塞尔曲线等来拟合表达自然界中一些复杂线对象，当然也可以根据需要来扩展组成几何，比如椭圆弧、B样条曲线等。总之，在改进的几何表达模型中，既要体现出良好的区分性，也要体现出良好的扩展性。

3 实验分析

本文从海量数据渲染速度、几何分层表达及CAD数据转换三个方面来验证改进后的几何表达的合理性与优越性。

3.1 海量数据渲染

本文以打开gdb数据为例，大约包含30万个要素。在第一次加载数据之前，先根据要素的属性对其进行分层，然后才进行渲染，总体耗时约10 s；在后续的缩放等操作中，由于数据已经分层，所以缩放效率也会提高，其效果如图2所示。

图2 数据渲染

3.2 几何数据分层

针对几何表达模型体系，对每一种几何类型确定相对应图层，这样可以完全满足GIS相关分析及操作的需求。由于本文采用了五元模型来表达几何体系，所以图层的设置也分成五类。具体如图3所示。

图3 几何分层显示

4 结语

本文通过分析GIS在几何表达方面的不足，提出了一种改进的几何表达模型，分析了其扩展性和继承性。实验表明，改进后的几何表达模型可以很好地对要素进行分层，满足最基本的GIS要素图层的要求；同时也可以很好地对CAD数据转换提供支持，满足常见的制图及数据管理需求。不仅如此，改进后的几何表达在几何存储与读取方面也具有很高的渲染效率。因此，对于后续的大比例尺地形图制作、GIS空间分析与操作等，能够提供更好更强的支持。

［1］李鑫慧，郭蓬，戎辉，等.高精度地图技术研究现状及其应用［J］.汽车电器，2019（6）：1-3.

［2］李德仁.脑认知与空间认知——论空间大数据与人工智能的集成［J］.武汉大学学报（信息科学版），2018，43（12）：1761-1767.

［3］韩海忠，何晓琳.基于ArcGIS和iData技术的地形图数据处理与入库对比分析［J］.青海大学学报，2018，36（5）：52-58，71.

［4］钱成越.基于AutoCAD数据建立GIS空间数据库的方法初探［J］.测绘与空间地理信息，2010，33（4）：157-159.

［5］康贵祥.1∶5 000、1∶10 000“图库一体化”的探讨［J］.测绘标准化，2019，35（1）：59-61.

P208

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.017

2095－6835（2020）01－0057－02

〔编辑：张思楠〕