计算机制图中的面状要素配置方法

技术领域

本发明属于计算机制图技术领域，特别涉及计算机制图中的面状要素配置方法。

背景技术

地图注记是地图生产中一个重要的环节，也是在地图数据采集后最耗时的一项工作。据统计，一个制图员的平均工作效率是1小时20-30个注记，地图注记配置的工作约占整个地图生产的过程的50％甚至更多。人工制图耗费巨大且不精确，而自动化制图则尚未能完全事实现。因为地图注记与地理要素之间的关系非常复杂，注记自动配置涉及模式识别、图像处理、计算几何等学科，是一个复杂的过程。尤其面状要素形态复杂、分布形式多样，其自动配置研究的文献相对比较少。目前很多学者把面状要素注记配置研究重点放在单个多边形上，强调单个多边形的化简算法或者求取骨架线算法。但实际地形图中，存在居民地、水系、道路及境界等复杂要素的注记配置问题。这些要素各自特点的不同，而且不是简单的单个多边形注记配置问题，如多个居民地面状要素同名问题。现有技术中自动化地图注记手段的不完备，使得本产业仍以手工配置或计算机辅助人机交互配置为主，严重影响了地图生产和出版的发展。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术不足，提供一种计算机制图环境下的面状要素注记智能化配置的方法，克服地图注记技术中的瓶颈问题。

本发明的技术方案包括以下步骤：步骤1，将地理数据输入计算机系统后，判断地理数据中待注记要素的要素类型；步骤2，根据要素类型确定待注记要素的注记模式类型；步骤3，根据注记模式类型的配置规则为待注记要素进行注记配置。

而且，注记模式类型包括点模式、内部水平/垂直注记、骨架线模式、边界线模式和散列式模式，

点模式的注记配置规则为，在点要素的周围确定2个以上注记候选位置并标注优先级，优先级最高的位置为初始化注记配置位置；

内部水平/垂直注记模式的注记配置规则为，对多边形首先进行单调化和栅格化处理，记录栅格化后的行列号，然后以注记矩形不断在不同栅格编号中去探测合适的注记位置，直到找到符合制图要求的最佳内部注记位置；

架线模式的注记配置规则为，求取多边形骨架线，然后在骨架线上按一定的间隔距离配置多边形注记；

边界线模式的注记配置规则为，采用多边形三角剖分法拆分狭长多边形为两条链，然后沿着其中的一条链的缓冲线进行面注记自动配置；

散列式模式的注记配置规则为，求取散列式面域注记的凸壳，在凸壳外接矩形上按确定步长求取一系列定位点，然后求得这些点距离凸壳的最近点，根据左上、左下、右上、右下四种注记方式确定每个注记候选位置的注记定位点，并标记注记候选位置的优先级，优先级最高的注记候选位置为初始化注记配置位置。

而且，进行点模式或散列式模式注记配置时，若产生注记冲突或压盖，寻找下一个次优位置进行最优配置，再判断是否有冲突压盖，如果有继续移动到下一次优位置直至无冲突或压盖。

而且，点模式的注记配置规则为，在点要素的周围确定8个注记候选位置，注记候选位置的优先级为1～8，优先级为1的注记候选位置为初始化注记配置位置；

而且，要素类型包括水系要素、居民地要素和行政区划要素，当要素类型为水系要素或行政区划要素时，标注模式类型的确定首先要计算水系要素或行政区划要素所对应多边形的面积，如果面积小过一定的阈值则按照点模式注记，否则判断是否能直接水平或垂直注记于多边形内部；若不能直接水平或垂直注记于多边形内部，则判断经自适应调整是否可沿多边形骨架线注记；如果经自适应调整后仍不能沿骨架线注记于多边形内部则按边界线模式进行注记；

当要素类型为居民地要素时，标注模式类型的确定首先要计算居民地要素对应多边形的面积，如果面积小过一定的阈值则按照点模式注记，否则按照散列式模式进行注记。

本发明提出了一种全新的面状要素注记自动配置解决思路，创造性的提出了按要素类型分模式进行配置，克服了现有技术中按面状要素形状进行处理的偏见。本发明提高了面状要素注记自动化注记效率，解决了多要素或者全要素制图环境下面状要素智能化配置的问题，并有效解决注记与注记之间冲突、注记与其他要素之间的压盖问题，保证了地图标注质量。

附图说明

图1本发明实施例的水系、行政区划面状要素注记配置流程图；

图2本发明实施例的居民地面状要素注记配置流程图；

图3本发明实施例的面状要素注记的基本模式；

图4本发明实施例的点模式注记示意图；

图5本发明实施例的内部水平/垂直注记模式；

图6本发明实施例的一般线模式注记方法示意图；

图7本发明实施例的骨架线模式注记示意图；

图8本发明实施例的边界线模式注记示意图；

图9本发明实施例的散列式注记候选位置示意图；

图10本发明实施例的散列式注记位置选择方式；

图11本发明实施例的散列式凸壳内部最优位置选择示意图。

具体实施方式

本发明的技术方案包括以下步骤：步骤1，将地理数据输入计算机系统后，判断地理数据中待注记要素的要素类型；步骤2，根据要素类型确定待注记要素的注记模式类型；步骤3，根据注记模式类型的配置规则为待注记要素进行注记配置。在制图规范中，面状要素被用于表达水系、行政和居民地等，而各类型要素各有其标注特点，例如居民地要素的标注不能标在要素内部；水系要素在表达江河时，往往要素形状狭长，需要考虑沿流域标注。各类型要素的标注也会有共同之处，例如当要素面积过小时，标注不可能标在要素内部，此时均需采用点要素的标注方式。这些复杂情况在现有技术中尚未能够得到妥善处理，本发明提出按要素类型分模式进行配置，使得问题迎刃而解。

本发明还提供了进一步的技术方案，根据各种面状要素的注记特点进行了归纳优化，划分的注记模式能够满足所有面状要素的需要：包括点模式、内部水平/垂直注记、骨架线模式、边界线模式和散列式模式。点模式适用于居民地要素、水系要素及行政区划等，面要素的图幅面积很小的时候采用点模式的方法进行注记；直接水平或垂直注记模式适用于面积较大的水系及行政区划要素，不适应于居民地要素，因为对于居民地要素不允许注记在要素内部；骨架线注记模式适于不能直接水平或垂直注记于多边形内部的水系及行政区划要素，不适应于居民地要素；边界线注记模式适用于水系要素中，如狭长的双线河流，直接注于内部或沿骨架线注记效果不好，此类特征的面域数据最好沿河流一条边界，顺着其流域进行注记；几个面状要素拥有相同的注记名称时，采用散列式模式。这种模式划分既考虑了不同类型面状要素标注的共性，有利于提高注记效率；也能够处理特殊情况，提高了智能化程度，例如几个面状要素拥有相同的注记名称，而这在现有技术中多边形算法是不能解决的。

地理数据不仅包括面状要素，还会包括线要素和点要素，因此具体实施时可以先行判断，然后作对应处理，参见图1和图2：先对要素形状进行判断，点要素则采用点模式；线要素则判断是否点模式，是则采用点模式，否则采用线模式；若是面要素，进行注记配置时，根据要素类型判断注记模式类型的过程与上述划分相应。当要素类型为水系要素或行政区划要素时，标注模式类型的确定首先要计算水系要素或行政区划要素所对应多边形的面积，如果面积小过一定的阈值(一个字体)则按照点模式注记，否则判断是否能直接水平或垂直注记于多边形内部；若不能直接水平或垂直注记于多边形内部，则判断经自适应调整是否可沿多边形骨架线注记；如果经自适应调整后仍不能沿骨架线注记于多边形内部则按边界线模式进行注记；当要素类型为居民地要素时，标注模式类型的确定首先要计算居民地要素对应多边形的面积，如果面积小过一定的阈值则按照点模式注记，否则按照散列式模式进行注记。

参见图3，点模式、边界线模式、散列式模式为要素外部标记，内部水平/垂直注记模式为要素内部标记。考虑到要素外部的注记可能会产生冲突或压盖(如注记与注记的冲突，注记与要素之间的压盖等)，本发明提供了进一步方案：点模式和散列式模式注记配置时，按规则首先确定初始化注记配置位置，若没产生注记冲突或压盖，初始化注记配置位置即是注记配置结果；若产生注记冲突或压盖，寻找下一个次优位置进行最优配置，再判断是否有冲突压盖，如果有继续移动到下一次优位置直至无冲突或压盖。

本发明提供了实施例中各注记模式类型的配置规则详细说明，以便具体实施：

1)点模式

点模式一般在面要素的面积小于一个注记字体面积时采用，这一类型的面要素的注记模式与一般的点要素注记的方法相同，如图4所示。图4中的小圆圈代表符号化后的点符号，有8个候选注记位置环绕着此点符号，其优先级与图中所示优先级相同，位置1优先级最高，随后依次为2、3、4、5、6、7、8。位置1为初始化注记配置位置。位置9为符号中心，H表述水平方向。

2)内部水平或垂直直接注记模式

内部水平/垂直注记模式的注记配置规则为，对多边形首先进行单调化和栅格化处理，判断注记矩形是否可以直接注记在多边形内部其基本的步骤是：

(1)对多边形进行单调化。

(2)多边形外接矩形的栅格剖分。

(3)在每一个栅格几何中心上，按照所要注记的最小外接矩形探测每个栅格中心点是否能将注记外接矩形(按水平或垂直方向)包含在单调化后多边形的内部。如果能，沿所选方向按固定步长增加注记外接矩形的长度，直到外接矩形与单调化后多边形相交前停止。记录栅格点的位置和注记矩形的长度。

(4)在被记录所有定位点中选择最优的注记位置。注记的最佳位置描述为：注记矩形几何中心为中心，优先级向四周降低，在以几何中心为圆心的圆上，优先级相同。

(5)配置注记，如图5所示矩形位置。

3)骨架线模式

本发明实施例选择了Delaunay三角剖分的方法求出多边形的骨架线，首先对多边形进行三角剖分，然后连接所有三角型的重心得到多边形骨架线。实际的骨架线往往不能直接连接成一条直线。采用二叉树的遍历提取骨架线中连通的最长的一条骨架线。求取骨架线后按线注记自动配置的方法进行配置，如图6为一般线要素注记方法示意图，图7为骨架线模式注记。

沿骨架线注记时，有些注记可能不在多边形内部，但是根据调整注记字间的距离(自适应调整)实现注记沿骨架线注记，所以在首次沿骨架线注记后，首先经过自适应调整看是否能注记多边形内部，如果经调整后仍然不行，则转向下一步骤。

4)边界线模式

水系要素中，如狭长的双线河流，可沿河流一条边界顺着其流域进行注记。特殊的是，如果河流太长，还要按照12-15cm间隔重复进行注记。

其自动注记的基本步骤是：

(1)拆分多边形，将多边形的边界分为，左岸和右岸。

若对多边形进行三角剖分得到其最长骨架线，然后按骨架线和多边形数据的交点拆分，如图8所示。

(2)然后配置注记边界的缓冲线。

(3)沿缓冲线按线要素注记自动配置的方法进行配置，如图6为一般线要素注记方法示意图，

5)散列模式

前几种面要素注记模式是针对单个多边形，但是实际中，可能好几个面状要素拥有相同的注记名称，如国家1：5万地形图数据中居民地要素。这种情况下不能对每个面状要素都进行注记，这样不仅增加注记的工作量，而且还影响地图的质量。

散列式面状要素注记自动配置的方法：

(1)面域的合并，即将多边形要素中注记相同，字体，字大，字色等都相同的面域划归为一个整体，对于这个整体只注记一次。地理数据中注记存在同名可能，可根据距离关系处理，如距离过大，则分为二注记，否则，合并为同一个注记体。

(2)求同一注记体内，包含的所有多边形面域的凸壳。

(3)在获取的凸壳外接矩形上均匀确定一定数量的定位点，如图9所示，图中圆圈代表图形几何中心，C表示凸壳面域，R为凸壳外接矩形。

(4)求取16个定位点1、2、3…16中距离凸壳上最近的点位，在凸壳上确定面注记的16个候选位置。此时不能直接在定位点进行注记配置，如图10所示，确定不同定位点注记方式，从而确定其注记点位，并按照点模式的优先级计算方法确定其注记优先关系。

(5)求取凸壳内部最佳注记位置。

凸壳内部注记位置可能是多个，如图11所示，1-4代表4个内部位置，根据Gestalt的接近性原则，位置4的注记效果更佳。接近性的程度的定量表达，作者认为，某种程度上注记外接矩形占凸壳的内部面积最大，就认为它与注记体的接近性程度越高。但这不是判断最优的唯一标准，因为当注记进入凸壳的内部时，优先级就相同。因此，需要判断注记全部进入凸壳内部优先级确定方法：注记的最佳位置为注记外接矩形几何中心与凸壳几何中心最近的点。

获得最佳初始注记位置方法：

1)对多边形凸壳栅格剖分。

2)按照每个栅格中心4种可能注记位置分别判断，注记与注记体内各多边形是否相交。如不相交，则对注记的效果评分并记录评分结果。

评分方法是：将注记的外接矩形分为N×N(N＝40)栅格区域。栅格几何中心代表所属的栅格区域N_ij。用函数F(x)表示N²个栅格点是否位于凸壳内。

评分(Score)公式为：如果点N_ij在凸壳内

$>\mathrm{Score}=\underset{i=0,j=0}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{\mathrm{ij}}\left(x\right)+w*d$>

(如果$>\underset{i=0,j=0}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{\mathrm{ij}}\left(x\right)=N^2,$>则w＝1，否则为w＝0，其中d＞0)

其中d为注记外接矩形几何中心与凸壳几何中心的距离。如果注记评分为0，表示注记体不能在凸壳内部注记。

(5)找出记录中得分最高的注记点，此点是其最佳初始注记位置。

本发明实施时可以采用计算机软件实现自动化：输入地理数据后，系统会自动判断要素类新，然后按照要素的注记配置流程智能化选择最佳的注记配置方式，完成注记的自动配置。这些过程都是通过计算机智能实现，必要时可以通过人机交互方式解决。