一种基于全球格网的面状目标栅格化方法_蓝振家.pdf

2023.02ELECTRONICS QUALITY一种基于全球格网的面状目标栅格化方法蓝振家，彭程（中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京210007）摘 要：针对当前面状目标栅格化结果一致性表达、栅格化精度和数据冗余等问题，提出了一种基于多层级全球格网模型的面状目标栅格化方法。首先，对全球地理空间进行多层级网格划分与编码构建全球格网剖分模型；其次，依据全球格网模型与面状目标的外轮廓点计算面状目标多层级栅格化网格；最后，按照自下而上的方式，聚合多层级栅格化网格，选取聚合后栅格化网格作为面状目标栅格化结果。实验表明，该方法在保证栅格化精度的同时，能极大地减少栅格数据量，具有一定的推广使用价值。关键词：多层级；全球格网；面状目标；聚合；栅格化中国分类号：P 208文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）02-0055-04doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.02.012A Rasterized Method of Area Target Based on Global GridLAN Zhenjia，PENG Cheng（The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China）Abstract：Aiming at the problems of results consistent representation，accuracy and data redundancy of objectrasterization at present，a rasterized method of area target based on multi-level global grid method is proposed.Firstly，a global grid subdivision model is constructed by multi-level grid division and coding in global geographicspace.Then，according to global model and outer contour points of area target，the multi rasterized grids of areatarget are calculated.Finally，according to the bottom-up method，the multi-level rasterized grid is aggregated，andthe rasterized grid after polymerization is selected as the rasterized result of area target.The experiment indicates thatthe method can greatly reduce the amount of grid data while ensuring the accuracy of rasterization，which has acertain popularization value.Keywords：multi-level；global grid；area target；aggregating；rasterization收稿日期：2022-12-20作者简介：蓝振家（1991），男，畲族，浙江衢州人，中国电子科技集团公司第二十八研究所工程师，硕士，从事空间数据挖掘方面的研究工作。0引言空间数据结构的转化是地理信息系统中一个非常重要的研究分支，尤其是矢量数据向栅格数据的转化1。栅格数据结构是指将二维表面分割成规则的栅格单元，在各个栅格单元上用相应的属性值来表示地理实体的一种数据（阵列数据）组织形式。栅格数据的每个元素可用行和列唯一的标识，而行和列的多少则由栅格的分辨率（或大小）和实体的特性决定。栅格数据十分有利于空间分析中的叠置分析、区域分析和缓冲分析2，因而通常需要将矢量数据转换成栅格数据。矢量地球科学Earth Science55ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY数据栅格化主要包括点状目标的栅格化、线状目标的栅格化和面状目标的栅格化3-4。在大区域地理计算中，经常需要将面状目标转换为栅格数据5，当前面状目标矢量数据转换为栅格数据的算法较多，例如：内部点扩展法、扫描线法、复数积分法、边界代数多边形填充法和边界追踪法等6-9，这些算法主要考虑如何快速地实现矢量转栅格，但没有考虑以下2个问题：1）栅格化结果的一致性表达问题，不同的面状目标基于不同的栅格大小得到的结果无法相互转换；2）栅格化精度与数据冗余问题，精度要求越高，栅格大小越小，栅格量越大，数据冗余越大。本文通过在全球地理空间建立多层级格网模型，在全球任意地理位置的面状目标都能基于同一模型栅格化，保证了栅格化结果的一致性；同时采用聚合方式，对多个层级的面状目标栅格化结果进行聚合，选取聚合后的网格集合，极大地减少了面状目标栅格化后的数据量。1多层级全球格网剖分模型的构建选取全球格网范围为经度方向-180，180，纬度方向-90，90，在该范围内构建多层级全球格网模型，具体包括全球多层级网格划分和全球多层级网格编码2个步骤，网格层级为n。1.1 全球多层级网格划分第1级网格划分，经度方向从-180（西经180）按经度间隔J1s逆时针划分到180（东经180），全球第1级网格列数为3603 600/J1=R（R为整数且大于1）；纬度方向从赤道开始分别按南北方向每间隔W1s进行划分，南北半球第1级网格行数分别为903 600/W1=T（T为整数且大于1）。第n级网格划分，经度间隔为Jns，纬度间隔Wns，其中Jn1，Wn1，Jn-1/Jn=Nn（Nn为整数，Nn1）且Jn-1%Jn=0，Wn-1/Wn=Mn（Mn为整数，Mn1）且Wn-1%Wn=0。1.2 全球多层级网格编码第1级网格编码，南北半球标识码取值为N（北半球）和S（南半球），经度方向用01-R编码，纬度方向从赤道分别向南北半球按01-T编码。第1级网格编码由南北半球标识、经向标识码和纬向标识码组成。第n级网格编码，将第n-1级大小（Jn-1s，Wn-1s）网格按照（Jns，Wns）的标准划分成Nn*Mn个第n级网格，由第n-1级网格编码和第n级标识码组成，第n级标识码按照“Z”序采用01-Nn*Mn编码。2栅格化面状目标某一层级面状目标栅格化网格由面状目标边界网格和面状目标内部网格两部分组成。根据网格信息、面状目标的边界点集合信息计算某一层级面状目标栅格化网格，包括计算面状目标边界网格、计算面状目标内部网格和合并面状目标内部与边界网格3个步骤。2.1 计算面状目标边界网格根据网格信息（经度间隔Jn、纬度间隔Wn），面状目标的边界点集合信息p1、p2pi，点坐标由经纬度坐标组成（lng，lat），计算面状目标边界的网格，过程如下所述。a）依次计算相邻2点组成的线段与网格行或列的交点集合。1）计 算2点 第n层 级 的 行 差：r=abs（Pi.lat3 600+903 600Wn-P（i-1）.lat3 600+903 600Wn）2）计 算2点 第n层 级 的 列 差：c=abs（Pi.lng3 600+903 600Jn-P（i-1）.lng3 600+903 600Jn）如果r=0且c=0，则无交点；如果r0或c0且rc，则计算线段与网格行、中心行的交点集合，如图1a所示；否则计算线段与网格列、中心列的交点集合如图1b所示。b）遍历交点集合pt1、pt2pti与线段2个端点，依次计算点所在的网格，获取网格集合C。点所在的网格编码由该点的第1级网格编码和后续层级的网格标识号组成，计算点在第n层级网格编码的过程如下所述。1）判断点的南北标识：Dir=S，pti.lat0N，pti.lat0；2）计算点的第1级网格编码行号：Row1=abs（pti.lat3 600w1）+1，列 号：Col1=（pti.lng3 600+1803 600J1）；562023.02ELECTRONICS QUALITY3）计算点的第n级网格标识号：Pidn=（Nn*Mn-Nn+1）-（abs（pti.lat3 600)%Wn）Wn-1Nn+（abs（pti.lng3 600)%Jn）Jn-1所以点的第n层网格编码组成为：Coden=Dir+Row1+Col1+2nPidk，k 2，nc）将各线段网格集合C1、C2Ci求并集，得到面状目标边界网格集合Cout=C1C2Ci。2.2 计算面状目标内部网格a）计算面状目标所在层级网格的最大最小行范围。遍历点集合，比较经度值大小，得到最大纬度Latmax和 最 小 纬 度Latmin；则 最 大 行 为Rowmax=Lat.max3 600+903 600Wn；最 小 行 为Rowmin=Lat.min3 600+903 600Wn。b）计算网格中心行线与面状目标交点集合，按照经度大小对交点集合递增排序，取交点区间内的网格集合，如图2所示，取中心线L3与面状目标相交2个交点间的网格集合C3。c）依次将L1、L2Li形成的网格集合CInner=C1C2Ci求并集，得到面状目标内部网格集合CIn-ner=C1C2Ci。2.3 合并面状目标边界与内部网格将面状目标边界网格集合Cout和面状目标内部网格集合CInner求并集，获得面状目标在第n层级的栅格化网格集合AreaRn=CoutCInner。3聚合多层级栅格化网格根据栅格化面状目标步骤，依次计算各层级面 状 目 标 栅 格 化 网 格 集 合AreaR1、AreaR2AreaRn，从第n级开始依次将栅格化网格向上聚合，直至到第1级网格，得到聚合的栅格化网格结果，包括相邻层级间网格关系判断以及聚合与选取网格两个步骤。3.1 相邻层级间网格关系判断a）比较相邻层级间网格的关系假设第n-1层某网格单元的编码为K，长度为n+2位，第n层某网格单元的编码为G，长度为n+3位，如果编码G的前n+2位字符与K相同，那么网格单元G是网格单元K的子网格，K是G的父网格。b）判断相邻层级间网格能否聚合第n-1级的网格单元由NnMn个第n级网格单元组成，假设第n-1级面状目标栅格化网格AreaRn-1集合中某网格单元K，在AreaRn集合中有NnMn个子网格单元，称为集合Q，说明AreaRn集合中的子集合Q能被聚合，网格单元K聚合成功，否则不成功。b线段与列相关图1线段与行列相交情况a线段与行相交图2计算面状目标网格内部栅格示意图地球科学Earth Science57ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY3.2 聚合与选取网格将面状目标1n级栅格化网格集合，聚合后形成的栅格化网格SET作为面状目标栅格化的结果，具体处理过程如下所述。a）聚合AreaRn-1与AreaRn面状目标栅格化网格，选取第n级中没有被聚合的网格单元集合到SET，将n-1级中聚合成功的网格单元形成新的第n-1级栅格化网格AreaRn-1。b）聚合AreaRn-2与AreaRn-1面状目标栅格化网格，选取第n-1级中没有被聚合的网格单元集合到SET，将n-2级中聚合成功的网格单元形成新的第n-2级栅格化网格AreaRn-2。c）依次选取下一级中没有被聚合成功的网格单元集合到SET，将上一级中聚合成功的网格单元形成新的集合参与聚合过程，直到第1层级网格；选取第1级中聚合成功的网格单元集合到SET。4实验与分析实验选取11、1515、55、11、55等5种网格大小剖分全球空间，面状目标经纬度点集（117647，185945）、（1181616，19452）、（1182111，181235）、（1165259，182541），第15级面状目标栅格化参数与结果如表1所示，基于第4级网格的面状目标栅格化聚合前与聚合后的显示效果如图3所示。如图3所示，基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法得到了验证，且由表1可知，基于本文中的方法，栅格越小，精度越高的情况下，在保持精度不变的情况下，能极大地减少栅格数量。5结束语本文提供了一种基于多层级全球格网的面状目标栅格化方法。该方法实现了对全球地理空间多层级的剖分，满足全球任意位置面状矢量目标的多层级栅格化，保证了栅格化结果的一致性，同时采用聚合方式，在栅格越小、精度越高的情况下，能极大地减少栅格化后的栅格数量。参考文献：1魏桂花.浅析几种矢量数据向栅格数据转化算法J.甘肃科技，2017，33（5）：29-32；106.2王媛媛.矢量数据栅格化过程中的尺度效应研究J.西部大开发（土地开发工程研究），2018，3（7）：6-12.3王建，杜道生.矢量数据向栅格数据转换的一种改进算法J.地理与地理信息科学，2004（1）：31-34.4王晓理，孙庆辉，江成顺.面积误差最小约束下矢量数据向栅格数据转换的优化算法J.测绘学报，2006（3）：273-277；290.5陈振杰，周琛，李飞雪，等.矢量多边形栅格化算法快速并行化方法研究J.遥感信息，2014，29（5）：3-8；12.6杨存建，张增祥.矢量数据在多尺度栅格化中的精度损失模型探讨J.地理研究，2001（4）：416-422.7徐伟，严逸.一种基于网格编码的嵌入式地图动态注记方法J.电子质量，2010（11）：5-8.8丁乙，李荣宽，汪敏，等.面向军用微服务的服务网格架构研究与设计J.指挥信息系统与技术，2020，11（1）：18-23.9张硕，金鑫，李兆峰，等.基于网格LOF和自适应K-means的离群点检测算法J.指挥信息系统与技术，2019，10（1）：90-94.b聚合后图3第四层级面状目标栅格化示意图a聚合前表1 15级面状目标栅格化参数与结果层级网格大小赤道附近大致距离聚合前栅格数聚合后栅格数1110128 km552151530 km282835510 km166624112 km3 560576555166 m494 08619 00558