[发明专利]基于扫描线法的多边形栅格化并行转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种矢量数据的栅格化方法，特别是涉及基于扫描线法的多边形栅格化并行转换方法。

背景技术

地理信息系统( GIS )是以空间数据为基础，获取、表达、处理、管理、分析和显示空间数据并为地理研究和地理决策服务的计算机服务系统。空间数据通常有矢量数据(Vector Data)和栅格数据(Raster Data)两种形式。矢量数据是通过记录坐标的方式，表示点、线、多边形等地理实体，自然地理实体的位置是用其在坐标参考系中的空间位置来定义的，坐标空间设为连续，其特点是定位明显，属性隐含。而栅格数据又称为网格数据(grid cell)，即将平面划分为m×n个像元（正方形小方格），每个像元由行列号唯一地确定其所在平面位置，给像元赋予属性以表达该覆盖的自然地理实体的类型，其最明显的特点是属性明显，定位隐含。

在GIS空间分析时，由于栅格形式的GIS 数据非常适合诸如空间叠加、空间相关和空间模拟等空间分析，因而通常需要把矢量数据转化成栅格数据。矢量数据栅格化被广泛认为是地理信息系统中的基础问题。矢量数据栅格化包括点的栅格化、线的栅格化以及多边形的栅格化。点和线的栅格化方法目前已经比较成熟，方法也趋于固定。多边形的栅格化就是对矢量数据的面状图斑根据给定的栅格化像元的大小离散化为像元的集合，像元值为矢量面状图斑所具有的某种属性值。长期以来以矢量多边形栅格化的研究最为热点。多边形的栅格化已有很多算法，传统的串行算法如内部点扩散法、复数积分算法、射线法、扫描法和边界代数法等，这些方法各有优缺点，目前还没有一种标准统一的最优算法。随着计算机的快速发展，又产生了许多新方法，比如：2004年，王建等在《地理与地理信息科学》20卷第3期中发表“矢量数据向栅格数据转换的一种改进算法”一文，总结和分析了多边形栅格化的传统算法与新方法，提出了一种改进的折线边界跟踪方法，保证了多边形填充的精度；2005年，章孝灿等在《计算机辅助设计与图形学学报》17卷第6期中发表“面状矢量拓扑数据快速栅格化算法”一文，提出了一种快速栅格化算法—差分边界标志与累加扫描算法，2009年，武广臣等在《测绘科学》43卷第1期中发表“矢量数据栅格化的一种有效方法—环绕数法”一文，提出了一种基于计算几何转角理论的环绕数法，着重处理了自相交多边形的栅格化问题；2010年，李青元等在《武汉大学学报 信息科学版》35卷第8期中发表“基于绘制—检出的矢量数据栅格化方法研究”一文，探讨了基于绘制—检出的矢量数据栅格化方法。然而研究的重点都是围绕改进串行算法展开的，对于海量多边形的栅格化效率的提升相当有限。

随着对地观测技术的长足发展，海量栅格数据需求迅速激增，数据量为T级的栅格数据普遍存在（1TB=1024GB）。海量矢量数据栅格化呈现出计算高度密集的特点，耗时巨大。现有的矢量数据栅格化串行算法模式和传统的硬件平台，已经无法满足海量地理数据处理的需求。基于并行计算集群与多核处理器的新型硬件架构的逐渐普及，为受制于计算性能而难以展开的地理数据转换提供了契机。本发明充分利用现有的高性能计算机和并行处理技术，基于数据并行策略采用对等式的并行程序设计模式，提出了一种基于矢量多边形扫描线的数据并行方法，有效地解决了海量的矢量数据栅格化的问题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对如上所述，从数据需求方面说，矢量数据向栅格数据的转换是GIS一直研究的基础问题；从软硬件上来说，逐渐普及的并行计算集群与多核处理器的新型硬件架构需要得到有效利用；最重要的从效率上来说，海量的矢量数据的栅格化运行时间过长、效率过低的问题，本发明提供了基于扫描线法的多边形栅格化并行转换方法，该方法采用数据并行策略，即将待处理的矢量多边形按进程数进行划分，然后分发给各个进程，每个进程同时进行多边形的栅格化。这样数据划分策略是基于目标栅格数据的逻辑划分，可以有效完成大数据量的矢量多边形的栅格化，且不必考虑生成的栅格数据的拼接问题，取得了良好的栅格化效果和较高的效率，满足海量的矢量数据的栅格化要求。

2.技术方案

发明原理：一般来说，数据并行的实现过程是主进程将待处理的数据分派到其他若干子进程分别处理，再由主进程负责收集不同子进程的数据处理结果并进行组合，达到多处理器共同完成某一个任务的目的。本发明中利用栅格数据行列规整的特征，先由一个进程生成一个像素值初始化为0的栅格数据集，接着按给定的进程数划分该栅格数据，得到与进程数相等的栅格数据分块。然后查询栅格分块范围内的多边形（包括与该栅格分块相交的多边形）并提取出来分发给各个进程，每个进程进行相同的多边形栅格化的操作。