地表形态是地形图的重要内容,通过等高线或数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)2种类型的数据都可以对其实现可视化表达。等高线以图形的形式在二维平面上表达三维地形,对其他要素的表达影响较小,同时也便于地图使用者对坡度等地形指标进行手工量算,因此仍是系列比例尺地形图描绘地形的最有效的方式。
目前,在地图生产过程中,等高线综合仍由作业人员手工完成,由于其数据量巨大,需要花费大量时间处理,因此开发等高线自动综合算法可以极大地提高地图编绘工作的效率。等高线的综合主要包括抽稀和化简2个步骤,其中抽稀只需根据等高距的倍数关系对不同高程的等高线进行选取即可,难点在于抽稀后等高线线型的化简。
现有算法能较好地保持主要地形结构特征,但是不能定量控制化简过程带来的误差,也不能防止拓扑错误的出现。
为防止化简后出现相交现象,一些学者对每条等高线建立互不相交的误差带,将化简后的线要素限制在误差带内避免相交问题。
针对现有研究中存在的问题,本文以系列比例尺地图等高线化简为应用导向,提出了一种空间拓扑条件控制下的等高线化简策略,化简后的等高线需满足的空间拓扑条件为:①在误差带内部;②与所有相邻等高线隔离带相离;③所有节点的最大水平偏移距离小于阈值。
对于一条等高线而言,误差带是在其周围误差小于一定阈值的连续区域。本文将误差限差定为2/3倍目标比例尺等高距,即26.67m。
隔离带是等高线周围若出现其他符号会影响其清晰显示的连续区域。目标比例尺地图对应的隔离半径为30m。
化简后的等高线需满足:①在误差带内部;②与所有相邻等高线的隔离带相离;③所有节点的最大水平偏移距离小于阈值D(300m)。
输入:等高线C及其高程值HC、规则格网DEM、目标比例尺地图等高距ΔH和高程限差倍率α。
输出:等高线C两侧误差带内外边界{e+1,e+2,e+3,∙∙∙}和{e-1,e-2,e-3,∙∙∙}。
1. 以等高线首节点为种子点,由近到远对其两侧的DEM邻接单元i和j进行探测,分别在等高线两侧的高程上升和下降方向计算判别式。
2. 连接起始邻接单元i和j,则误差带边界起始点e-1(或e+1)在该线段上。
3. 连接规则格网DEM中所有一阶临近的单元,则构成了若干网格。从包含起始邻接单元的网格开始,按照标准顺次查找下一符合条件的邻接单元对,并计算下一边界点坐标。
空间拓扑条件控制下的VBS算法,首先识别等高线上表征谷地的弯曲,再根据几何指标对弯曲进行选取。
输入:原始等高线集合{C1,C2,∙∙∙,Cm}、规则格网DEM、面积阈值area、目标比例尺地图等高距ΔH、高程限差倍率α、隔离半径RI和最大偏移距离D。
输出:化简后的等高线集合{C'1,C'2,∙∙∙,C'n} (n≤m)。
1. 根据目标比例尺下的等高距,对原始等高线集合进行抽稀。
2. 建立每条等高线的误差带和隔离带。
3. 调整等高线坐标串顺序,使其右侧为高程上升方向。
4. 识别谷地弯曲并建立等高线局部弯曲树。
5. 按高程升序逐条处理等高线,检查空间拓扑条件。
空间拓扑条件控制下的DP算法,采取"分而治之"的方式对等高线进行化简。
输入:原始等高线集合{C1,C2,∙∙∙,Cm}、规则格网DEM、长度阈值d、目标比例尺地图等高距ΔH、高程限差倍率α、隔离半径RI和最大偏移距离D。
输出:化简后的等高线集合{C'1,C'2,∙∙∙,C'n} (n≤m)。
1. 根据目标比例尺下的等高距,对原始等高线集合进行抽稀。
2. 建立每条等高线的误差带和隔离带。
3. 处理闭合型等高线,计算节点间最大距离并断开。
4. 对于开放型等高线,查找距离端点连线最远的节点。
5. 迭代处理直至曲线无法再二分,检查空间拓扑条件。
图1 空间拓扑条件控制下等高线化简技术路线
面积阈值为15000m²,红色虚线圈标注了化简后出现相交的位置
面积阈值为15000m²,有效避免了相交现象
长度阈值为80m,红色虚线圈标注了化简后出现相交的位置
长度阈值为80m,有效避免了相交现象
1. 提出了一种控制等高线化简过程的空间拓扑条件,利用误差带、隔离带和最大水平偏移距离进行限制,并且对误差带和隔离带的几何含义进行了数学化描述。在空间拓扑条件的控制下,可以避免化简后的等高线之间出现相交现象,并且能对等高线在化简过程产生的误差进行限制。
2. 利用空间拓扑条件对VBS算法和DP算法进行改进,得到STCC-VBS算法和STCC-DP算法。实验结果表明,同时以改进前的方法为参考,在算法参数相同的情况下,分别在节点约减率降低8.33%和2.06%同时,使等高线偏移率降低了22.97%和12.65%,化简效果得到显著改善。
3. 本文提出的化简策略具有一定的尺度适应性和信息载体适应性,可以根据制图综合任务的目标尺度和地图展示方式对参数进行设置,在地图应用多元化的今天具有一定的应用前景。
本文提出的空间拓扑条件可以适用于地形起伏较为明显区域系列比例尺地形图和专题地图的化简任务。由于平原地区地形起伏较小,相邻等高线之间距离较大,误差带和隔离带无法起到有效的控制作用,因此本文提出的空间拓扑条件不能适用于平原地区的等高线化简任务。
此外,对于等高线连续多尺度变化的化简任务,因为幅度较小的尺度减小不会引起等高距的变化,误差带范围不会改变,而隔离带会随着目标比例尺减小而增大,从而限制等高线的化简,可能使得尺度减小后的等高线图形信息变得更详细,与等高线化简的初衷向违背,因此本文策略也无法适用。
本文提出的策略可以为描述海洋地貌的等深线化简提供参考。在化简等深线时,可以考虑利用数字水深模型(DDM)建立误差带,根据航海或非航海应用需求设定相应的空间拓扑条件,实现对化简过程的控制。