基于Morphing变换的空间数据多尺度表达机制研究

空间数据多尺度表达能在较宽的尺度范围内多层次地展示地表现象不同详细程度的细节信息，具有广泛的应用需求。本研究将计算机动画技术中的Morphing变换引入到空间数据的多尺度表达，在两端比例尺尺度控制下，通过形状内插获得该范围内任意尺度下的新的图形表达。针对地理空间数据不同于单纯几何定位数据的专业特色，从GIS应用角度对Morphing变换进行扩展，增加地理特征剖分、特征匹配数据预处理，之后再实行几何形状内插。本研究在突破多尺度表达产生的大数据量、多级版本跳跃变化等问题解决上有贡献作用，可提高空间数据连续尺度变换的粒度、效率和质量，实现动态、连续、光滑的多尺度表达，对多层次空间分析、网络环境矢量数据渐进式传输、多源数据集成与融合、自适应动态可视化以及地形图自动更新等具有重要的应用价值。

空间数据多尺度表达是GIS领域研究的热点问题之一。目前，多尺度空间数据库有两种构建机制，即静态多版本机制和动态在线综合机制。受地图综合这一国际难题的影响，实时在线处理在智能决策和快速响应方面面临瓶颈问题，动态在线综合方法进展缓慢。目前的多尺度数据库主要是基于静态多版本机制的，它只能在几个不同细节层次的有限尺度之间跳跃，既难满足不同层次用户的需求，又容易导致用户观察焦点的丢失。在数字技术、网络传输、多媒体可视化等技术平台支撑下，人们不再满足于静态、有限分辨率的空间表达，提出了多维动态的空间认知要求，这是IT行业日益兴起的 “个性化”“自适应”条件的表现。作为IT家族的一员，GIS应当为用户提供“无级变焦”式可视化功能，实现场景的动态、连续、光滑变换，以维护用户连续、渐变的心像地图。结合这一需求，本研究将计算机动画技术中的Morphing变换引入到空间数据的多尺度表达，在两端比例尺尺度控制下，通过形状内插获得该范围内任意尺度下的新的图形表达。针对地理空间数据不同于单纯几何定位数据的专业特色，从GIS应用角度对Morphing技术进行扩展，在特征提取、特征匹配以及形状内插各个阶段都顾及了空间数据的地理特征，在保持主体地理特征的基础上实现形状渐变。提出一种基于模拟退火思想的线状要素Morphing方法，针对同名线状要素在大小比例尺下的两种表达，首先提取小比例尺地图上线状要素的弯曲特征点，然后采用模拟退火技术在特征点与大比例尺线状数据顶点之间建立全局最优匹配，匹配结果将两线状要素分割成多对对应折线段，最后针对每一组对应折线段采用常规线性插值方法进行Morphing插值。实验证明，本研究提出的线状要素Morphing 方法较好地顾及了线状要素尺度变换过程中的弯曲化简、删除、夸大、典型化等综合操作，变换结果能有效地保持原线状要素的结构特征，提高了Morphing变换的精度。本研究在突破多尺度表达产生的大数据量、多级版本跳跃变化等问题解决上有贡献作用，可提高空间数据连续尺度变换的粒度、效率和质量，实现动态、连续、光滑的多尺度表达，对多层次空间分析、网络环境矢量数据渐进式传输、多源数据集成与融合、自适应动态可视化以及地形图自动更新等具有重要的应用价值。