海岛(礁)要素地图综合数据模型与方法研究

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海岛(礁)要素位于水圈与陆地圈相互作用地带,具有自然性与多样性等地理特征。对海岛(礁)要素进行地图综合是地图综合领域由几何特征转向地理特征综合的典型案例。水深点、海岸线、岛屿群在几何层次上从属于GIS数据的点、线、面类型,但同时在地理层次上表达了地质内力与环境外力共同作用下形成的各典型海岛礁地貌单元的类型特征。论文针对海岛(礁)要素地图综合问题,以海岸线、岛屿群、水深点为例,理论结合实践,对面向地理特征地图综合涉及的理论基础、支撑模型、算子算法与软件设计等问题进行了深入研究。解决了如下关键问题:1)剖析了面向地理特征地图综合的含义。从对象、目标、方法三个方面总结分析了面向地理特征综合与面向几何特征综合的差别。从综合对象基本规律、综合支撑模型方法、目标识别规律三方面阐述面向地理特征地图综合的理论基础,重点分析海岸地貌学、Gestalt认知原则、Delaunay三角网模型在海岛(礁)要素地图综合领域的应用。2)探讨了面向地理特征的海岸线化简方法。在分析线化简算法研究现状、存在问题的基础上,提出面向地理特征的岸线化简策略。该策略基本思路是在分析海岸线所处地理单元特征基础上设计岸线化简方法,将地理知识与数学模型相结合实现保持地理特征的岸线化简,并用地理规律知识检验化简方法的有效性。为实现面向地理特征的海岸线化简策略,论文就两方面进行了重点研究:①面向地图综合的海岸线分类方案;②顾及地理特征保持的岸线化简方法。论文面向地图综合应用需求,从海岸的地理成因出发,结合考虑岸线制图表达的图形结构特征,提出面向地图综合的海岸线分类方案。该方案将海岸线分为四个一级类,九个二级类。在分类基础上,从曲折程度、整体形态、与其他要素关系三方面归纳各类海岸线的图形结构特征,以图形结构特征为约束条件给出各类海岸线化简方法。以溺谷海岸线为例探讨了顾及地理保持的岸线化简方法的算法实现。在地理层次上分析溺谷海岸的成因、地理特征,指出溺谷海岸线具有侵蚀层次特征,在整体形态呈树枝状特征,在算法层次上利用约束Delaunay三角网为几何构造模型建立河口的层次化组织模型,计算出河口长度、宽度、面积等参数,通过参数集成判断河口重要性,进而通过次要河口的删除实现溺谷海岸线化简。3)提出顾及线性岛屿阵列保持的岛屿群选取方法。在理论层面上,通过图形对比观测得出邻近性、紧凑性、同质性、直线性、延展性为主导线性岛屿阵列视觉感知组织的Gestalt因素。在算法层次上,将顾及线性岛屿阵列保持的岛屿群选取方法分为阵列识别、质量评价、选取实施三个阶段。在识别阶段,以Delaunay三角网为工具建立岛屿群空间邻近图与MST树模型以表达岛屿群空间邻近关系,基于线性岛屿阵列识别遵循的Gestalt认知效应,通过MST树的三次剪枝导出线性岛屿阵列结构。在质量评价阶段,建立线性岛屿阵列包络圈模型表达表达线性岛屿阵列这一抽象认知整体,定义了紧凑度、直线度、宽度变异度、延展度等Gestalt参数量化评价岛屿完形趋势的强弱,并在量化评价基础上利用模糊集合为工具结合认识实验实现了质量评价的定性化表达。在选取实施阶段,在阵列识别与质量评价基础上,以岛屿群空间等剖分结构为支撑结构计算出岛屿群分布范围、密度、模式结构等空间分布特征,进一步将外围岛屿、线性阵列岛屿构成岛屿群骨架,通过骨架岛屿的提取、背景岛屿的渐进式删除实现顾及线性岛屿阵列保持的岛屿群选取。4)提出顾及多重约束条件的水深注记综合方法。在问题分析方面,归纳了水深注记综合约束条件,分析了水深注记综合问题的实质,指出水深注记综合是多重约束条件制约下的水深注记选取问题,它既要顾及水深注记表示内容与形式的统一,也需考虑应用层次上的航海安全性约束。在算法实现方面,以水深Delaunay三角网和Voronoi图为支撑几何结构,形式化定义了海底地形约束、空间分布特征约束、拓扑特征约束,分析了地图使用用途与制图区域地理特征对水深注记综合约束条件重要性影响,并据此对水深注记综合约束条件重要性进行排序,通过反映地形、空间分布、邻近关系等主体特征的重要水深的选取与背景抽稀相结合的方式实现水深注记综合。5)从系统实现与应用角度讨论了海岛(礁)地图综合系统的开发。从工程应用角度研发海岛(礁)地图综合系统ChartGen,实现了前序章节的模型、算子算法及综合策略,重点讨论了软件研发过程中面向海岛(礁)要素的模型与算法软件实现、缩编流程等问题。
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