專利名稱：基于有序點(diǎn)集像素?zé)o損壓縮的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種基于有序點(diǎn)集像素?zé)o損壓縮的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，能夠用于地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域矢量數(shù)據(jù)的高效傳輸。
背景技術(shù)：
空間數(shù)據(jù)具有海量特征，各種現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集手段的應(yīng)用使得可用的空間數(shù)據(jù)量正在急劇增加，在可預(yù)見的將來，計算機(jī)處理能力與無限量的空間數(shù)據(jù)之間的矛盾將始終存在。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在空間數(shù)據(jù)的組織、傳輸和可視化等環(huán)節(jié)尋找優(yōu)化性能的技術(shù)和方法始終是GIS研究領(lǐng)域的核心課題。GIS的矢量數(shù)據(jù)承擔(dān)著空間分析和制圖輸出的雙重任務(wù)，經(jīng)典的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)难芯空J(rèn)為，其是制圖綜合的逆過程，而制圖綜合技術(shù)本身尚未成熟，所以，矢量數(shù)據(jù)高效傳輸在幾何化簡、數(shù)據(jù)組織、拓?fù)潢P(guān)系維護(hù)等目標(biāo)之間難以取得一致和平衡?，F(xiàn)有的研究工作集中在幾何數(shù)據(jù)的化簡算法改進(jìn)以及特定應(yīng)用的漸進(jìn)傳輸實(shí)驗(yàn)上，沒有形成完整的解決方案，無法與主流的GIS軟件架構(gòu)進(jìn)行有效融合。針對GIS矢量數(shù)據(jù)高效傳輸研究所面臨困難，本發(fā)明從一種新的視角研究矢量數(shù)據(jù)的高效傳輸問題。從GIS角度講，空間數(shù)據(jù)質(zhì)量的核心就是保證數(shù)據(jù)本身的精度和數(shù)據(jù)之間的邏輯正確性(USGS STDS)。矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)一系列的傳輸和處理過程，以 “地圖”的形式顯示到輸出設(shè)備上，“地圖”的精度和邏輯一致性是數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中各步驟的精度、邏輯一致性和完整性的最終體現(xiàn)。“地圖”的正確性是地理數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的空間關(guān)系和空間分析結(jié)果正確表達(dá)的前提。光柵技術(shù)在計算機(jī)顯示輸出領(lǐng)域取得了絕對優(yōu)勢，現(xiàn)代計算機(jī)的顯示器、各種打印機(jī)和繪圖儀都屬于光柵設(shè)備，像素是它們共同的基礎(chǔ)。因此，“地圖”的最終輸出結(jié)果，從本質(zhì)上講是顯示輸出設(shè)備上一系列像素的集合。追尋矢量數(shù)據(jù)可視化過程中這一最終決定因素，本發(fā)明公開了一種GIS矢量數(shù)據(jù)的像素?zé)o損高效傳輸?shù)姆椒?，所謂“像素?zé)o損”是指任何地理要素傳輸?shù)牡蛿?shù)據(jù)量版本與原始數(shù)據(jù)的光柵化結(jié)果在像素級相同，要素的像素?zé)o損保證了要素間拓?fù)潢P(guān)系在可視化級別與原始數(shù)據(jù)保持一致，可以有效地回避制圖綜合中復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系保持計算問題。通過對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行像素?zé)o損的壓縮編碼，實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的幾何簡化、數(shù)據(jù)壓縮、按需傳輸，綜合提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效的矢量數(shù)據(jù)像素?zé)o損傳輸方法，能夠做到低數(shù)據(jù)量版本與原始數(shù)據(jù)的光柵化結(jié)果在像素級相同，從而提升網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在光柵設(shè)備中，組成矢量圖形的最小單位是像素，像素成為光柵圖形的最小可分辨元素，像素也是光柵化時硬件和軟件所能控制的最小單位，任何小于一個像素的差異在光柵設(shè)備上是不能區(qū)分的?？臻g數(shù)據(jù)的可視化過程隱含了從地理要素的幾何數(shù)據(jù)向圖形學(xué)的幾何元素，地理要素的屬性特性向圖形學(xué)的繪圖參數(shù)轉(zhuǎn)換的過程，在這個過程中蘊(yùn)含了 GIS矢量數(shù)據(jù)與計算機(jī)圖形學(xué)之間的幾何同構(gòu)性、語義轉(zhuǎn)換性，形成了 GIS矢量數(shù)據(jù)可視化的結(jié)果協(xié)同性。語義轉(zhuǎn)換性是依賴幾何同構(gòu)特性，構(gòu)成幾何特征的頂點(diǎn)坐標(biāo)是符號化的控制點(diǎn)，有序點(diǎn)集是線繪制和區(qū)域填充的骨架，本發(fā)明僅限于幾何層次的頂點(diǎn)坐標(biāo)和有序點(diǎn)集，不考慮因符號化過程導(dǎo)致的幾何對象膨脹、縮小和位置偏移。任何空間數(shù)據(jù)的可視化都是經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換變成像素的過程，討論了二維和三維情況下頂點(diǎn)坐標(biāo)向像素坐標(biāo)的映射以及映射后的坐標(biāo)之間的距離變化關(guān)系，分析了頂點(diǎn)坐標(biāo)在可視化模型下通用的像素等價的條件。矢量數(shù)據(jù)頂點(diǎn)坐標(biāo)的整數(shù)化的固定精度模型基于以下兩個事實(shí)1)空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是有一定范圍的；2)空間數(shù)據(jù)有一定的精度標(biāo)準(zhǔn)，高于該精度的數(shù)據(jù)是沒有意義的。建立了固定精度模型與像素等價之間的關(guān)系?？紤]固定精度模型像素等價的條件，在可視化坐標(biāo)變換T下，滿足氕與Pv像素等價的條件是對于坐標(biāo)的最大縮放比為S’，在二維情況下需要的位數(shù)可以由公式《 =勺)+ 1求的，INT表示整數(shù)。并不需要傳遞頂點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值中的所有二進(jìn)制位就可以達(dá)到像素等價的條件，而只需傳遞η位就可以滿足像素?zé)o損。在本發(fā)明公開了一種矢量的數(shù)據(jù)編碼方式，將四個頂點(diǎn)作為一個聚集進(jìn)行存儲， 能夠有效地解決內(nèi)存中數(shù)據(jù)位的浪費(fèi)問題。將二進(jìn)制壓縮編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，根據(jù)固定精度模型，利用位數(shù)η和N位精度下分辨率，反算頂點(diǎn)坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)像素?zé)o損的高效傳輸。分析OGC定義的所有WKB類型的結(jié)構(gòu)，WKB類型的表達(dá)實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制結(jié)構(gòu)與OGC簡
單要素規(guī)范的對應(yīng)性。由定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，矢量數(shù)據(jù)可以看成有序點(diǎn)集的集合?；谟行螯c(diǎn)集像素?zé)o損壓縮方法能夠?qū)崿F(xiàn)GIS矢量數(shù)據(jù)高效傳輸。本發(fā)明以矢量數(shù)據(jù)的用戶交互體驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，以全新的思路解決矢量數(shù)據(jù)傳輸過程中的兩個核心問題(1)可視化時“質(zhì)”的問題。傳輸?shù)头直媛蕯?shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果在像素級別是相同的，即像素?zé)o損，也就是與原始數(shù)據(jù)同“質(zhì)”的；(2)傳輸時“量”的問題。建立以像素?zé)o損為基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)化簡算法，有效控制網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量?！跋袼?zé)o損”可以使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)在可視化結(jié)果上是等價的，間接保證了數(shù)據(jù)在視覺上的空間關(guān)系不變。本發(fā)明具有重要的理論與工程實(shí)踐意義，可以支持二維、三維GIS矢量數(shù)據(jù)傳輸與可視化效率，提升GIS產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，有效縮小專業(yè)GIS企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)公司的空間信息服務(wù)產(chǎn)品在用戶交互體驗(yàn)上的差距。


圖1直線的光柵化圖像圖2地理要素可視化的幾何同構(gòu)與語義轉(zhuǎn)換圖3字節(jié)與比特的關(guān)系圖4 二維有序點(diǎn)集在內(nèi)存中連續(xù)布局圖5像素等價示意圖
圖6 二維的固定精度模型圖7 “位”需要的字節(jié)數(shù)圖8頂點(diǎn)編碼9頂點(diǎn)壓縮后形成字節(jié)流
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例做進(jìn)一步說明。矢量數(shù)據(jù)可視化和圖形設(shè)備的關(guān)系矢量數(shù)據(jù)的可視化依賴于計算機(jī)圖形學(xué)，圖形設(shè)備的特性決定了可視化的質(zhì)量與效果，現(xiàn)代計算機(jī)圖形的關(guān)鍵是光柵技術(shù)，二維和三維的GIS矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的變換最終通過光柵化轉(zhuǎn)換為屏幕上的柵格圖像。光柵本質(zhì)上就是一個二維的顏色矩陣，矩陣中每一個元素稱為像素(Pixel)，任何在光柵設(shè)備上顯示的矢量圖形都是由像素集合構(gòu)成的一個近似表達(dá)，光柵技術(shù)利用了人的視覺系統(tǒng)存在的有限分辨率特性。圖1是一條直線的在窗口系統(tǒng)中的光柵化示意圖。矢量數(shù)據(jù)的可視化模型矢量數(shù)據(jù)的可視化過程隱含了從地理要素的幾何數(shù)據(jù)向圖形學(xué)的幾何元素，地理要素的屬性特性向圖形學(xué)的繪圖參數(shù)轉(zhuǎn)換的過程，在這個過程中蘊(yùn)含了 GIS矢量數(shù)據(jù)與計算機(jī)圖形學(xué)之間的幾何同構(gòu)性、語義轉(zhuǎn)換性，形成了 GIS矢量數(shù)據(jù)可視化的結(jié)果協(xié)同性。幾何同構(gòu)性是指GIS的矢量數(shù)據(jù)與計算機(jī)圖形學(xué)具有相同的幾何學(xué)基礎(chǔ)。矢量數(shù)據(jù)中的點(diǎn)、線、面，可以對應(yīng)于圖形學(xué)中的矢量點(diǎn)、線和面，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是相同的。計算機(jī)圖形學(xué)中使用的笛卡爾坐標(biāo)系與矢量數(shù)據(jù)采用的地理坐標(biāo)系在數(shù)學(xué)形式上沒有本質(zhì)差別。在實(shí)現(xiàn)層次上，圖形學(xué)坐標(biāo)和空間坐標(biāo)只是數(shù)據(jù)類型不同，各種坐標(biāo)變換算法對于圖形學(xué)坐標(biāo)和地理坐標(biāo)沒有本質(zhì)差別。幾何同構(gòu)性使得矢量數(shù)據(jù)的幾何特征可以通過圖形學(xué)“精確” 地繪制出來。由于這種幾何同構(gòu)性，本文的后續(xù)研究將不再區(qū)別地理地理坐標(biāo)和圖形學(xué)坐標(biāo)。語義轉(zhuǎn)換性是指表現(xiàn)地理要素在“數(shù)量”和“分類”差異的屬性特征可以轉(zhuǎn)換成為顏色、線型、填充圖案等圖形學(xué)中的繪圖參數(shù)。雖然語義轉(zhuǎn)換可能會導(dǎo)致幾何特征在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)改變，比如將較寬的道路用雙線進(jìn)行繪制，但是這種改變只是在繪制過程中進(jìn)行的，并沒有對幾何特征本身進(jìn)行更改；同時這種改變依賴于幾何同構(gòu)性，以地理坐標(biāo)變換后形成的像素坐標(biāo)為基礎(chǔ)的。圖2是一個地理要素可視化過程，4個坐標(biāo)構(gòu)成一個多邊形，經(jīng)過坐標(biāo)變換形成圖形學(xué)坐標(biāo)下的多邊形結(jié)構(gòu)，按照地理要素對應(yīng)的符號，使用相應(yīng)的線形和填充圖案進(jìn)行了繪制。所以，語義轉(zhuǎn)換性是依賴幾何同構(gòu)特性，構(gòu)成幾何特征的頂點(diǎn)坐標(biāo)是符號化的控制點(diǎn)，有序點(diǎn)集是線繪制和區(qū)域填充的骨架，因此本發(fā)明僅限于幾何層次的頂點(diǎn)坐標(biāo)和有序點(diǎn)集，不考慮因符號化過程導(dǎo)致的幾何對象膨脹、縮小和位置偏移。結(jié)果協(xié)同性是幾何同構(gòu)性和語義轉(zhuǎn)換性的必然結(jié)果，矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過可視化流程處理之后的光柵化圖形在位置上保持地理要素本身固有的相對位置關(guān)系，在拓?fù)渖媳３忠恢滦?；通過顏色、線型以及填充等形成的視覺心理差異，能夠反應(yīng)矢量數(shù)據(jù)之間的“數(shù)量”和“分類”特性。坐標(biāo)精度問題在計算機(jī)中，內(nèi)存大小的單位是字節(jié)(byte)，它是內(nèi)存分配的最小單位。一個字節(jié)由8個比特(bit)組成，一個比特代表一個二進(jìn)制位。字節(jié)和比特的關(guān)系如圖3所示。內(nèi)存布局是指數(shù)據(jù)在計算機(jī)內(nèi)存中的組織結(jié)構(gòu)，概念上的地理坐標(biāo)必須映射為內(nèi)存結(jié)構(gòu)，使用確定的數(shù)據(jù)類型來定義，并占有一定的內(nèi)存空間。按照維度，矢量數(shù)據(jù)的頂點(diǎn)包括二維和三維兩種形式，二維的頂點(diǎn)坐標(biāo)包括χ和y兩個分量，三維的頂點(diǎn)坐標(biāo)包含x、y 和ζ三個分量，使用類C語言的偽代碼，其定義如下//二維點(diǎn)結(jié)構(gòu)struct point2d<T>{Tx ；Ty ；}//三維點(diǎn)結(jié)構(gòu)struct point3d<T>{Tx ；Ty ；Tz ；}其中T是頂點(diǎn)坐標(biāo)分量的數(shù)值類型，一般使用計算機(jī)硬件直接支持的數(shù)值類型。 通常情況下頂點(diǎn)坐標(biāo)的分量在內(nèi)存中連續(xù)存放，而有序點(diǎn)集可以在內(nèi)存中連續(xù)存儲，也可以通過鏈表、雙向鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非連續(xù)存儲，而連續(xù)存放的占用空間最少，讀寫最為迅速，因此比較通用。圖4是一個二維有序點(diǎn)集在內(nèi)存中連續(xù)存放的示意圖。一個頂點(diǎn)所占的內(nèi)存是由其使用的數(shù)據(jù)類型決定的，二維頂點(diǎn)坐標(biāo)所占的內(nèi)存是2X sizeof (T)字節(jié)，三維頂點(diǎn)坐標(biāo)所占的內(nèi)存是3XsiZe0f⑴字節(jié)，其中 SizeofO是取內(nèi)存長度操作。在連續(xù)存放的情況下，一個有序點(diǎn)集占用的內(nèi)存可以有 PointCountXDimensionX sizeof (T) ^cdj, PointCountDimension ^^T ^ 的維度。計算機(jī)中數(shù)值以二進(jìn)制方式表示，每種類型的字節(jié)長度是固定的，根據(jù)表示方法不同可以分為整數(shù)、定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)。由于浮點(diǎn)數(shù)既可以表示整數(shù)也可以表示小數(shù)，其行為近似于實(shí)數(shù)，所以非常靈活，同時現(xiàn)代計算機(jī)中也有專門的硬件來支持浮點(diǎn)數(shù)的各種計算， 所以GIS中各種算法通常使用浮點(diǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)，ESRI Shape和OGC WKB中的坐標(biāo)存儲也采用雙精度浮點(diǎn)數(shù)。雙精度浮點(diǎn)數(shù)和圖形設(shè)備的矛盾因?yàn)槿魏慰臻g數(shù)據(jù)的可視化都是經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換變成像素的過程，因此光柵化技術(shù)和像素成為矢量數(shù)據(jù)可視化的最終決定性因素，任何小于一個像素的差異在輸出設(shè)備上都是不可分辨的。
頂點(diǎn)無損壓縮的原理頂點(diǎn)像素等價在矢量數(shù)據(jù)的繪制過程中，設(shè)兩點(diǎn)間的距離為D(P1; P2)，坐標(biāo)變換序列T將頂點(diǎn)坐標(biāo)P變換為像素坐標(biāo)P'，記為P' =T(P)；存在比例系數(shù)S，對于任意兩點(diǎn)P1, P2，使得 D(P1'，P2')彡S · D(P1, P2)成立。圖5是矢量數(shù)據(jù)有序點(diǎn)集像素等價示意圖。光柵化圖形學(xué)中像素坐標(biāo)是整數(shù)。因此，對于任意點(diǎn)P，以及P的鄰域U= {p ID (P， P) < ε}，假設(shè)點(diǎn)P經(jīng)過一系列的坐標(biāo)變換T映射到像素坐標(biāo)系中某個像素的中心，及T 上的縮放比例系數(shù)的上界S'，如果S' .D(P，ρ) <0.5，即D(P，ρ) <0.5/S'，D(P'， P' ) ^ 0.5, P'、p'必然屬于同一個像素，也就是滿足條件D (P, ρ) < 0. 5/S'公式 3-11所有點(diǎn)像素等價。上述即是頂點(diǎn)坐標(biāo)在可視化模型通用的像素等價的條件。反過來，而對于確定的變換序列Τ，對于T上的縮放比例系數(shù)的上界S'，對于任意點(diǎn)P，總能找到對應(yīng)的P，使得P滿足條件D(P，P) <0.5/S'，且P對應(yīng)的像素坐標(biāo)P'是像素的中心。頂點(diǎn)坐標(biāo)的整數(shù)化的固定精度模型矢量數(shù)據(jù)頂點(diǎn)坐標(biāo)的整數(shù)化的固定精度模型基于以下兩個事實(shí)1)空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是有一定范圍的。如用經(jīng)緯度表示全球矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)，則經(jīng)度的范圍為-180到 180，緯度的范圍為-90到90 ；2)空間數(shù)據(jù)有一定的精度標(biāo)準(zhǔn)，高于該精度的數(shù)據(jù)是沒有意義的。首先以X軸為基礎(chǔ)，討論整數(shù)化的固定精度模型設(shè)有數(shù)據(jù)序列Xn = Ixi I Xi > xmin, Xi e R, i = l..n}, Xmin e R。存在 ε x > 0，且 εχ e R。定義函數(shù)U(x) = INT ((Ximin)/ε x)，INT 表示取整運(yùn)算。定義函數(shù)X' (u) = xmin+u · ε x，u e I。
則對于任意 Xi e Xn,有巧=U(X1) Xi = X1(Xi)
1117O用FPMx (xfflin, ε x)表示上述關(guān)系，稱FPMx Umin，ε x)為Xn的固定精度模型 (FixedPrecision Model，F(xiàn)PM)。Xmin為固定精度模型的下界，ε ,為固定精度模型的分辨
**+、- ο ο由上述定義可知在FPMx Umin, εχ)下，X-Xi' < ε ,總成立，Xi'是Xi的在固定精度模型下滿足分辨率ε χ的近似，禾是Xi在固定精度模型下的整數(shù)化，由考在固定精度模型下可以求得Xi'。上述討論是針對一維數(shù)據(jù)的，對于二維頂點(diǎn)坐標(biāo)和三維頂點(diǎn)坐標(biāo)，可以針對每個坐標(biāo)軸分別建立精度模型。對二維的頂點(diǎn)坐標(biāo)集合Pn = {p^Xi, Yi) Ixi > xmin, Yi > Jmin, Xi, Yi e R, i = 1,2, . . , η},定義Pn固定精度模型FPM2dUmin, ε x, Yfflin, %)，其中Iin，、組成X軸的固定精度模型FPMx Umin, ε χ), ymin, ε y組成Y軸的固定精度模型FPMy (ymin，ε y)。對于Pn中任意頂點(diǎn)坐Spi (Xi，J應(yīng)用精度模型FPM2d Ocmin，ε χ, ymin, ey)，相當(dāng)于對Xi, Yi分別應(yīng)用固定精度模型FPMxOcmin，εχ)和FPMy(ymin，ε y)。可以推出坐標(biāo)點(diǎn)Pi (Xi, Yi)在固定精度模型下的近似P' i(x' ,,Ii')和整數(shù)化表達(dá)P,( )?？紤]像素等價的結(jié)論對于可視化過程T的最大縮放比例S'，對于點(diǎn)P(x，y)，任一點(diǎn)P(X，y)，若兩點(diǎn)距離D(p，P) <0.5/S'，則ρ與P映射到像素上的點(diǎn)P'，ρ'，滿足 D(P'，ρ' ) < 0. 5。聯(lián)系上述固定精度模型的討論，二維的固定精度模型，Pi (xi; Yi)在PM2dOcmin，ε χ， Yfflin, ￡y)下的近似P' ^Xi, Yi')，有+^2可視化坐標(biāo)變換T的最大縮
O
放比S'，若使得+ ^2 < 0.5/S、，則必有D (ρτ，P‘ τ) <0.5成立。此時可以用整數(shù)化坐
標(biāo)射&,50在固定精度模型FPM2dOcmin, ￡x，ymin，￡y)解算ρ' ,(χ' ^yi'，原始坐標(biāo)Pi(Xi， Yi)可以用整數(shù)化坐標(biāo)咼( ,又)來表示，且在坐標(biāo)變換T下ρ' i(x' ,,y/ )與？10^，7》是像素等價的。三維情況可得類似結(jié)果，當(dāng)少 / < 0.5/ Y時滿足像素等價。對于二維數(shù)據(jù)來講，固定精度模型一個二維網(wǎng)格，稱為精度網(wǎng)格，X和Y方向的網(wǎng)格間距分別是ε χ，ε y，網(wǎng)格的起點(diǎn)坐標(biāo)是Ocmin，yfflin)。圖6是二維情況下固定精度模型的示意圖，所有經(jīng)過固定精度模型FPM2dOcmin, ε x, ymin, ε y)處理過的頂點(diǎn)都映射到距離最近網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。特別的，若、=^y= ε，記二維固定精度模型為FPM2d0cmin，ymin，O，網(wǎng)格單元是正方形的。后續(xù)僅討論FPM2d0cmin，ymin，O形式的固定精度模型。在固定精度模型下，使用整數(shù)表示地理坐標(biāo)是可行的?？紤]極端情況，地球的半徑大于6400公里，其赤道周長約為40212公里，也就是40212000米。對32為無符號整數(shù)， 其最大值為4294967295,0212000/4294967295 < 0. 01米。如果以(0,0)點(diǎn)位固定精度模型的起點(diǎn)，以0.01米為精度模型的分辨率，則可以用32位無符號整數(shù)表示任意(0，0)到 (40212000，40212000)之間的坐標(biāo)，且滿足分辨率0. 01，這個精度能夠滿足絕大部分應(yīng)用。 像素?zé)o損的最小數(shù)據(jù)位數(shù)計算在二維頂點(diǎn)坐標(biāo)下N位精度下分辨率為E^ = (bx-ax) /2N，EyN = (by-ay) /2N表達(dá)， ax，bx和ay，by分別是X和Y坐標(biāo)上的范圍，記為FPM2dN ( ，bx，ay, by)。若d = bx-ax = by-ay = ε · 2N，則精度網(wǎng)格單元是正方型的，且bx = ax+dN, by = iiy+dN，模型的最高分辨率& = EXn = E7n= ε，可以記為FPM2/(ax，ay, d)。三維情況下有FPM3dN(ax，ay, az, d)的形式。后續(xù)討論的漸進(jìn)式精度模型均指 FPM2dN (ax，ay，d)或 FPM3/(ax，ay，az，d)，簡記為 FPM2d, FPM3d,簡稱 FPM。對于頂點(diǎn)坐標(biāo)p，經(jīng)過固定精度模型FPM處理，得到整數(shù)化的坐標(biāo)，是最高分辨率&下的整數(shù)化表達(dá)，在滿足一定誤差要求下，P可以用^v代替。整數(shù)化坐標(biāo)氕，是分辨率 4下的P整數(shù)化，其中η < N。考慮固定精度模型像素等價的條件，在可視化坐標(biāo)變換T下，滿足氕與Pw像素等價的條件是對于坐標(biāo)的最大縮放比為S’，在二維情況下需要的位數(shù)可以由公式 η = INT(log7(42S'-s. 2勺)+1 求的，INT 表示整數(shù)。上述結(jié)論的意義在于，如果瓦與^ν像素等價且η < N，也就是不需要傳遞中所有的二進(jìn)制位，就可以在可視化坐標(biāo)變換T下實(shí)現(xiàn)瓦與^v像素等價。氕在二進(jìn)制位的級別上， 數(shù)據(jù)量小于，也就是氕是的低數(shù)據(jù)量版本，且在T下是像素?zé)o損的。矢量數(shù)據(jù)壓縮與編碼在FPM模型下，如果要傳輸?shù)奈粩?shù)為n，就能保證像素?zé)o損。在計算機(jī)中，內(nèi)存大小的單位是字節(jié)(byte)，它是內(nèi)存分配的最小單位。需要η不能被8的整除，即使余數(shù)為1， 也需要新開辟一個字節(jié)。如圖7所示，如果η的位數(shù)為9，則需要開辟2個字節(jié)(16位)的存儲空間，才能存儲一個數(shù)據(jù)，這樣就會造成將近多于一倍的數(shù)據(jù)存儲量，數(shù)據(jù)量的膨脹， 不利于空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。為此本發(fā)明設(shè)計一種新的矢量的數(shù)據(jù)編碼方式。有序點(diǎn)集中存在大量的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，本發(fā)明將四個頂點(diǎn)作為一個聚集進(jìn)行存儲，能夠有效地解決內(nèi)存中數(shù)據(jù)位的浪費(fèi)問題。圖8以η的位數(shù)為9進(jìn)行說明。各取Ρ1、Ρ2、Ρ3 和Ρ4頂點(diǎn)的Χ、Υ坐標(biāo)的第1位，組成一個字節(jié)，如圖虛線框中的總共8位組成一個字節(jié)；然后，順序取其它位形成新字節(jié)；編碼完畢，四個頂點(diǎn)總共形成9個字節(jié)。如果有序點(diǎn)集中點(diǎn)的個數(shù)不能被4整除，也就是可能存在最后剩余1個、2個或者3個頂點(diǎn)的情況，將字節(jié)中其它位用0補(bǔ)齊，在進(jìn)行二進(jìn)制編碼的開始時，預(yù)留一個字節(jié)記錄剩余點(diǎn)的情況。整個存儲的結(jié)構(gòu)如圖9所示。通過有序點(diǎn)集的壓縮存儲，理想的情況下，能將數(shù)據(jù)量減半。傳輸?shù)娇蛻舳撕螅鶕?jù)傳輸?shù)奈粩?shù)η和分辨率En，將字節(jié)流進(jìn)行解碼，形成滿足像素?zé)o損的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。解碼的過程如下(1)判斷傳輸過來的字節(jié)流的總長度nByteCoimt ；(2)計算字節(jié)流中，聚集的個數(shù) nCollection = (nByteCount-1)/η。(3)讀取第一個字節(jié)，并將二進(jìn)制解碼成十進(jìn)制，表示有序點(diǎn)集中點(diǎn)的個數(shù)整除4 的余數(shù)nRemain。(4)循環(huán)讀取字節(jié)流，每次讀取η個。對η個字節(jié)進(jìn)行解碼，分別取η個字節(jié)中的第m位(1 < m < 8)，按順序排位形成一個二進(jìn)制編碼的字節(jié)，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，形成一個數(shù)據(jù)。(5)讀取所有的字節(jié)流。最后一個字節(jié)流中，只對nRemain個頂點(diǎn)進(jìn)行解碼。(6)將解碼得到的數(shù)據(jù)乘以分辨率&，就能恢復(fù)得到像素?zé)o損的低數(shù)據(jù)量版本。有序點(diǎn)集GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從實(shí)際應(yīng)用的范圍來看，OGC簡單要素規(guī)范是對GIS領(lǐng)域常用要素模型的一種最合適概括，因而被廣泛接受，大多數(shù)商業(yè)GIS平臺都提供了對該規(guī)范的支持開源GIS軟件的幾何模型大多直接使用OGC簡單要素規(guī)范。矢量數(shù)據(jù)的存儲有二進(jìn)制和文本兩種基本方法，二進(jìn)制和文本編碼各自有其適用的領(lǐng)域。二進(jìn)制編碼關(guān)注編碼、傳輸和解析的高效，文本編碼具有更好的可讀性和跨平臺互操作性。相同內(nèi)容的矢量數(shù)據(jù)，文本編碼的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)比二進(jìn)編碼大，考慮矢量數(shù)據(jù)的海量特征，如果用文本進(jìn)行編碼，無疑使其數(shù)據(jù)量更加龐大，所以本發(fā)明設(shè)計了二進(jìn)制矢量數(shù)據(jù)編碼方案。OGC在簡單要素規(guī)范的基礎(chǔ)上定義了 WKB (Well Known Binary)和WKT (Well KnownText)兩種編碼交換格式，WKT是基于文本的編碼格式，WKB是基于二進(jìn)制的編碼數(shù)據(jù)格式，可以將OGC簡單要素規(guī)范的幾何類型序列化成字節(jié)流。WKB使用1字節(jié)無符號整數(shù)(byte)、4字節(jié)無符號整數(shù)(uint3》以及8字節(jié)雙精度數(shù)(double，IEEE-7M格式)進(jìn)行編碼。本發(fā)明將以WKB為參照，建立基于本文的研究成果的矢量數(shù)據(jù)的漸進(jìn)式傳輸?shù)亩M(jìn)制結(jié)構(gòu)。首先對WKB格式進(jìn)行簡單介紹，其次定義PPM+模型對應(yīng)的幾何類型二進(jìn)制編碼。 下面的定義使用類C語言作為偽代碼的描述語言。WKB定義了 6種幾何類型，每個類型對應(yīng)了一個編號，其枚舉定義如下。enum wkbGeometryType{wkbPoint = 1, wkbLineString = 2, wkbPolygon = 3,wkbMultiPoint = 4, wkbMultiLineString = 5, wkbMultiPolygon = 6}；不同的計算機(jī)平臺上數(shù)值的字節(jié)順序有所不同，比如Intel平臺上所用的數(shù)據(jù)是大字頭表示方法，而Motorola平臺上所用的數(shù)據(jù)是小字頭表示。WKB定義了其枚舉定義。enum wkbByteOrder{wkbXDR = 0，// 大字頭wkbNDR = 1// 小字頭}；WKB中Point和LinearRing兩個構(gòu)造單元用來定義線和多邊形，其定義如下struct Point {double χ ；double y ；}；struct LinearRing{uint32numPoints ；Point points[numPoints]；}；Point定義了一個坐標(biāo)點(diǎn)，LinearRing定義了一個由有序點(diǎn)集構(gòu)成的封閉環(huán)， WKB定義的wkbPoint、wkbLineString、wkbPolygon等基本幾何類型都可以由上述Point 和 LinearRing 的組合給出，而復(fù)合幾何類型 wkbMultiPoint、wkbMultiLineString、 wkbMultiPolygon則基本類型組合而成，偽代碼如下struct WKBPoint {byte byteOrder ；uint32 wkb Type = wkbPoint ；Point point ；}；struct WKBLineString{byte byteOrder ；uint32 wkbType = wkbLineString ；uint32 numPoints ；Point points[numPoints]；
}；struct WKBPolygon {byte byteOrder ；uint32 wkbType = wkbPolygon ；uint32 numRings ；LinearRing rings[numRings]；}struct WKBMultiPoint{byte byteOrder ；uint32 wkbType = wkbMultiPoint ；uint32 numffKBPoints ；WKBPoint WKBPoints[numffKBPoints]；}struct WKBMultiLineString{byte byteOrder ；uint32 wkbType = wkbMultiLineString ；uint32 numffKBLineStrings ；WKBLineString WKBLineStrings[numffKBLineStrings]；}struct WKBMultiPolygon {byte byteOrder ；uint32 wkbType = wkbMultiLineString ；uint32 numffKBPolygons ；WKBLineString WKBPolygons[numffKBPolygons]；}上述是OGC定義的所有WKB類型的結(jié)構(gòu)，WKB類型的表達(dá)實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制結(jié)構(gòu)與OGC
簡單要素規(guī)范的對應(yīng)性。由以上定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，矢量數(shù)據(jù)可以看成有序點(diǎn)集的集合。 基于有序點(diǎn)集像素?zé)o損壓縮方法能夠?qū)崿F(xiàn)GIS矢量數(shù)據(jù)高效傳輸。
權(quán)利要求
1.基于有序點(diǎn)集像素?zé)o損壓縮的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，該方法包括下列步驟進(jìn)行圖形設(shè)備光柵化圖形的特性和矢量數(shù)據(jù)的可視化；分析頂點(diǎn)像素等價和矢量數(shù)據(jù)頂點(diǎn)坐標(biāo)的整數(shù)化固定精度模型，計算有序點(diǎn)集像素?zé)o損壓縮需要的位數(shù)η ；進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的壓縮與編碼，并基于固定精度模型反算頂點(diǎn)坐標(biāo)，分析GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)GIS矢量數(shù)據(jù)高效傳輸。
2.按權(quán)利要求1所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，以WKB為參照，建立矢量數(shù)據(jù)的二進(jìn)制結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求1所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，點(diǎn)以坐標(biāo)的方式表示，由點(diǎn)組成有序點(diǎn)集。
4.按權(quán)利要求1所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，GIS矢量數(shù)據(jù)與計算機(jī)圖形學(xué)之間的幾何同構(gòu)性、語義轉(zhuǎn)換性，形成了 GIS矢量數(shù)據(jù)可視化的結(jié)果協(xié)同性；所述的幾何同構(gòu)性是指GIS的矢量數(shù)據(jù)與計算機(jī)圖形學(xué)具有相同的幾何學(xué)基礎(chǔ)；所述的語義轉(zhuǎn)換性是指地理要素在“數(shù)量”和“分類”差異的屬性特征轉(zhuǎn)換成為顏色、線型、填充圖案圖形學(xué)中的繪圖參數(shù)；所述的結(jié)果協(xié)同性在于矢量數(shù)據(jù)集經(jīng)過可視化流程處理之后的光柵化圖形在位置上保持地理要素本身固有的相對位置關(guān)系，在拓?fù)渖媳３忠恢滦浴?br> 5.按權(quán)利要求1所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，所述的頂點(diǎn)像素等價是指存在兩個坐標(biāo)不同的矢量數(shù)據(jù)，經(jīng)過相同的可視化過程，光柵化后具有相同的柵格圖像。
6.按權(quán)利要求4所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，所述的像素?zé)o損壓縮是指通過化簡算法，得到地理要素對應(yīng)的低數(shù)據(jù)量版本，且與原始數(shù)據(jù)是像素等價的。
7.按權(quán)利要求6所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，所述的化簡算法是指在固定精度模型下，使用整數(shù)表示坐標(biāo)。
8.按權(quán)利要求7所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，所述的固定精度模型像素等價的條件，是在可視化坐標(biāo)變換下，滿足像素等價的條件是對于坐標(biāo)的最大縮放比為 S’，在二維情況下需要的位數(shù)可以由公式η = /JVr(log2(^S'-ε ·2ν)) + 1求的，INT表示整數(shù)。
9.按權(quán)利要求2所述的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法，其特征是，所述的矢量數(shù)據(jù)二進(jìn)制結(jié)構(gòu)是將矢量數(shù)據(jù)看成有序點(diǎn)集的集合。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于有序點(diǎn)集像素?zé)o損壓縮的矢量數(shù)據(jù)高效傳輸方法。光柵化圖形設(shè)備的特性和矢量數(shù)據(jù)的可視化過程是有序點(diǎn)集像素?zé)o損壓縮傳輸?shù)幕A(chǔ)。本發(fā)明構(gòu)建了頂點(diǎn)像素等價的固定精度模型；通過模型與計算機(jī)中整數(shù)的二進(jìn)制存儲建立聯(lián)系，給出了二進(jìn)制條件下固定精度模型像素?zé)o損與二進(jìn)制整數(shù)位數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計了頂點(diǎn)坐標(biāo)二進(jìn)制位的按需分配算法；基于上述算法建立了有序點(diǎn)集像素?zé)o損的高效的壓縮編碼/解碼方案；基于有序點(diǎn)集的壓縮編碼技術(shù)，對OGC的簡單要素模型進(jìn)行改造，設(shè)計了符合GIS應(yīng)用的矢量高效傳輸技術(shù)。本發(fā)明可應(yīng)用于改造傳統(tǒng)GIS的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，在不影響用戶交互和可視化效果的前提下，有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力。
文檔編號G06F17/30GK102255873SQ20101018061
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者吳明光, 沈經(jīng)緯, 溫永寧, 陳旻 申請人:南京師范大學(xué)