基于地理云數(shù)據(jù)的空間匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間匹配技術(shù)，尤其是涉及一種基于地理云數(shù)據(jù)的空間匹配方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息社會(huì)的到來(lái)，人類(lèi)獲取空間信息的能力較過(guò)去有了明顯提高，面對(duì)海量 信息，人們對(duì)于信息的需求要求發(fā)生巨大變化，對(duì)信息的廣泛性、精準(zhǔn)性、快速性及綜合性 要求越來(lái)越高。
[0003] 傳統(tǒng)的GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫(kù)往往都是單 獨(dú)存在，信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，各部門(mén)根據(jù)自己的具體情況和應(yīng)用需求不同，從而導(dǎo)致GIS數(shù) 據(jù)在結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)格式上存在差異，數(shù)據(jù)難以共享。雖然現(xiàn)階段WebGIS(網(wǎng)絡(luò) 地理信息系統(tǒng)）也能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)的共享需求，但現(xiàn)階段基于語(yǔ)義匹配的研究 還有待進(jìn)一步完善。
[0004] 眾所周知，數(shù)據(jù)的采集和更新是GIS工程中最耗時(shí)耗力的一項(xiàng)工作，許多GIS應(yīng)用 系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)更新周期過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，這是由于空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的滯后，許多空間數(shù)據(jù) 在數(shù)據(jù)模型和格式以及比例尺，地圖投影等方面存在差異，為了充分利用已有信息，加快數(shù) 據(jù)采集的高效性，這就需要基于地理數(shù)據(jù)庫(kù)的空間匹配技術(shù)，其定義就是將同一實(shí)體不同 數(shù)據(jù)庫(kù)的空間位置信息和屬性信息相互匹配或者同一地區(qū)兩個(gè)以上不同來(lái)源的數(shù)據(jù)庫(kù)合 并生成更具完善的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。
[0005] 基于目標(biāo)空間匹配主要是通過(guò)對(duì)目標(biāo)幾何、拓?fù)浜驼Z(yǔ)義進(jìn)行相似性度量，識(shí)別出 同一地區(qū)的空間數(shù)據(jù)集中的同義地物，從而建立兩個(gè)空間數(shù)據(jù)集之間的相互關(guān)聯(lián)。匹配技 術(shù)在計(jì)算機(jī)識(shí)別、模式識(shí)別、圖像分析、圖像理解等領(lǐng)域已經(jīng)運(yùn)用，現(xiàn)有的匹配方法主要基 于多種類(lèi)型的圖像特征來(lái)進(jìn)行圖像匹配技術(shù)，缺乏完善的協(xié)同智能化的方法。
[0006]目前，解決不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)集配準(zhǔn)問(wèn)題的直接方法有在被測(cè)物體上貼固定球和使用 高精度的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，固定球會(huì)使部分物體不可見(jiàn)，一般應(yīng)貼在相對(duì)較平坦的區(qū)域流動(dòng)式 光學(xué)掃描儀Atos是在物體上或固定物體的工具上貼特制的圓形標(biāo)簽，其作用相當(dāng)于固定 球。根據(jù)前后2個(gè)視角觀(guān)察的3個(gè)或3個(gè)以上不共線(xiàn)的公共標(biāo)簽來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，利用 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)可直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，但是物體底部和下部的數(shù)據(jù)點(diǎn)是無(wú)法采集的。
[0007] 針對(duì)復(fù)雜的匹配問(wèn)題，一方面設(shè)計(jì)更加高效的搜索算法引入更多的圖結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義 信息降低匹配問(wèn)題復(fù)雜度，另一方面采用近似算法允許匹配結(jié)果中存在一定概率的錯(cuò)誤保 證算法達(dá)到多項(xiàng)式級(jí)的時(shí)間復(fù)雜度。在實(shí)際應(yīng)用中，由于圖數(shù)據(jù)的形式、結(jié)構(gòu)、規(guī)模以及包 含信息不同又產(chǎn)生了適合不同應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展圖匹配問(wèn)題。
[0008] 點(diǎn)云配準(zhǔn)是將2個(gè)或2個(gè)以上坐標(biāo)系中的大容量3維空間數(shù)據(jù)點(diǎn)集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐 標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程。ICP算法是一種迭代算法，具有很高的匹配精度。但由算法描述 可知，它存在計(jì)算量較大且迭代過(guò)程可能無(wú)法收斂到全局最優(yōu)解的缺陷。ICP算法最耗費(fèi) 時(shí)間的步驟是求解鄰近點(diǎn)對(duì)的過(guò)程，因?yàn)樗捎玫氖侨炙阉?。為適應(yīng)不同的環(huán)境并克服 ICP算法自身的部分缺陷，近十幾年，研究學(xué)者為改善ICP(Iterative Closest Point，迭代 最近點(diǎn)算法）算法效率和精度，對(duì)搜索最近點(diǎn)過(guò)程和加快收斂速度方面進(jìn)行了改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于地理云數(shù)據(jù)的空間匹配方 法，采用分布式網(wǎng)絡(luò)一體化集成管理，及對(duì)ICP算法的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更 新管理，區(qū)域地物實(shí)時(shí)快速精準(zhǔn)匹配。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：一種基于地理云數(shù)據(jù)的空間匹配方 法，包括：
[0011] 建立分布式空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用ICP算法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)；
[0012] 進(jìn)行同名實(shí)體的目標(biāo)匹配；
[0013] 其中，所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過(guò)程包括：
[0014] 在兩個(gè)測(cè)試單元內(nèi)分別得到各自的公共點(diǎn)三維空間坐標(biāo)0AXAY AZA、ObXbYbZb，且兩者 具有的坐標(biāo)變換關(guān)系為：
其中，Mba為轉(zhuǎn)換矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0016] 采用多點(diǎn)的最小二乘擬合法進(jìn)行平差，求取轉(zhuǎn)換矩陣MBA ;
[0017] 采用比較點(diǎn)間歐式距離的方法進(jìn)行點(diǎn)對(duì)匹配；
[0018] 所述同名實(shí)體的目標(biāo)匹配過(guò)程包括：
[0019] 集中搜集與待匹配對(duì)象存在匹配關(guān)系的候選匹配對(duì)象；
[0020] 對(duì)待匹配對(duì)象與所述候選匹配對(duì)象進(jìn)行相似性評(píng)價(jià)，以確定它們之間的匹配關(guān) 系。
[0021] 優(yōu)選地，所述分布式空間數(shù)據(jù)庫(kù)包括分布式多空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，所述分布式多 空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)存在于多個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和非空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之上。
[0022] 優(yōu)選地，所述分布式多空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用Client/Server結(jié)構(gòu)。
[0023] 優(yōu)選地，采用多點(diǎn)的最小二乘擬合法進(jìn)行平差，求取轉(zhuǎn)換矩陣MBA的過(guò)程包括：
[0024] 采用4個(gè)或4個(gè)以上的點(diǎn)，將兩個(gè)坐標(biāo)變換關(guān)系寫(xiě)成為：
[0026] 式中，XJP Xb包括兩個(gè)坐標(biāo)系下4個(gè)或4個(gè)以上點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，則轉(zhuǎn)換矩陣Mba的 解為：
[0028] 優(yōu)選地，采用比較點(diǎn)間歐式距離的方法進(jìn)行點(diǎn)對(duì)匹配的過(guò)程包括：
[0029] 初始化迭代，迭代次數(shù)為k，設(shè)置歐式距離均方差閥值r以及最大迭代次數(shù)Kmax ;
[0030] 對(duì)待匹配掃描模型中的每個(gè)點(diǎn)搜索其在參考掃描模型中歐式距離最近的點(diǎn)，生成 整個(gè)掃描模型的鄰近點(diǎn)對(duì)集合Yk ;
[0031] 由所述參考掃描模型中的掃描點(diǎn)和匹配點(diǎn)對(duì)集合，計(jì)算掃描模型間的變換矩陣Pk =(PR k|PT k)T和匹配點(diǎn)對(duì)間的歐式距離誤差dk;
[0032] 根據(jù)變換矩陣Pk = (PR k I PT k) T變換當(dāng)前掃描模型Sr中的所有掃描點(diǎn)位置；
[0033] 計(jì)算變換后，參考掃描模型與當(dāng)前掃描模型間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)間的歐式距離誤差 dk+Ι，并計(jì)算第k和k+Ι次迭代中誤差變化量，當(dāng)該變化量小于歐式距離均方差閥值r或迭 代次數(shù)k大于k max時(shí)，停止迭代。
[0034] 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換矩陣Mba中共有12個(gè)未知量，且旋轉(zhuǎn)矩陣R :
[0036] 滿(mǎn)足的正交條件為：
[0038] 本發(fā)明的有益效果是：
[0039] 1、本發(fā)明主要采用建立分布式空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，從而快速查詢(xún) 和調(diào)用地理信息空間位置信息和屬性信息，通過(guò)進(jìn)一步運(yùn)用同名實(shí)體匹配方法來(lái)實(shí)現(xiàn)空間 數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)匹配。
[0040] 2、采用最小二乘法擬合，通過(guò)三維空間中的多個(gè)點(diǎn)求取轉(zhuǎn)換矩陣，計(jì)算方法簡(jiǎn)單， 可以有效提高配準(zhǔn)精度。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1是本發(fā)明基于地理云數(shù)據(jù)的空間匹配方法的流程示意圖；
[0042] 圖2是本發(fā)明建立的分布式空間數(shù)據(jù)庫(kù)的原理示意圖；
[0043] 圖3a和圖3b是本發(fā)明模式圖P在數(shù)據(jù)圖G中存在的兩個(gè)與其匹配的子圖的原理 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0045] 如圖1所示，本發(fā)明所揭示的一種基于地理云數(shù)據(jù)的空間匹配方法，包括：
[0046] 步驟一，建立分布式空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并采用ICP算法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。
[0047] 結(jié)合圖1和圖2所示，本發(fā)明建立的分布式多空間數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)采用了 Client/Serve結(jié)構(gòu)，它是完全獨(dú)立的參與空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)，各自管理各自的數(shù)據(jù)庫(kù)。 分布式多空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是在這些獨(dú)立的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和非空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理 系統(tǒng)之上運(yùn)行的一層軟件，它負(fù)責(zé)管理全局的控制信息，包括全局模式、全局元數(shù)據(jù)、提交 和控制涉及不止一個(gè)參與空間數(shù)據(jù)庫(kù)的全局查詢(xún)和全局事務(wù)。多空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)參 與空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)做出任何改動(dòng)，全局用戶(hù)可以透明地訪(fǎng)問(wèn)分布的異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)源。
[0048] 多空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是已經(jīng)存在的若干個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)之上，為全局用戶(hù)提供一個(gè)統(tǒng) 一的存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)環(huán)境，并且規(guī)定了本數(shù)據(jù)由本地?fù)碛泻凸芾?，采用的分割式組織方式，按 照某種邏輯劃分在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中。
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