专利名称：一种栅格数字图像快速矢量化方法
技术领域：
本发明属于遥感数字图像处理和地理信息系统(GIS)中数据转换技术领域，具体涉及一种提取栅格数字图像中面状图斑信息的栅格数字图像快速矢量化方法。
背景技术：
栅格数字图像矢量化是对栅格数字图像中的图斑进行边缘勾绘，以提取图斑的面状信息为目的，将其转换为矢量区域信息的技术。栅格和矢量作为GIS两种基本数据类型经常需要互相转换，由于遥感数据不断大量增加，GIS的应用不断丰富，对栅格数字图像矢量化的需求与日俱增，面对海量数据，迫切需要有新的方法提高矢量化效率。以提取栅格数字图像中面状信息为目的的矢量化过程主要有2个关键过程(I)是勾绘栅格图斑生成矢量区域边界；(2)是描述多边形拓扑包含关系形成完整区域信息。·目前，在上述两个处理过程中，针对勾绘栅格图斑形成矢量边界，前人提出了有向边界法、游程编码法和四叉树压缩编码法等技术方法，这些技术方法虽然在一定程度上提高了追踪栅格图斑边界的效率，但是其中仍然存在大量的冗余的弧段搜索和连接判断，因此在处理大量甚至海量数据时效率仍比较低；针对描述多边形拓扑包含关系形成完整区域信息，前人提出的矢量化方法都是通过构造完整的多边形拓扑关系来解决，由于多边形拓扑关系构建非常复杂，故效率较低，是目前栅格数字图像矢量化方法中最主要的效率瓶颈。因而在对海量栅格数字图像进行面状栅格图斑矢量化的过程中，由于转换效率低下的问题，传统方法已经越来越不能满足相关领域生产与应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种栅格数字图像快速矢量化方法，该方法充分利用了计算机系统资源和栅格数字图像中所蕴含的图斑空间信息，能够解决现有矢量化方法存在的效率不闻的缺点。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种栅格数字图像快速矢量化方法，该方法首先根据单个像元与其四邻域像元属性(像元值)的异同，确定该像元的像元有向边类型；然后通过记录像元有向边首尾结点矢量坐标及其两侧多边形信息构造连接索弓丨，再根据像元有向边类型和连接索引从以下四种方式中选择一种方式对像元进行处理，扫描完所有像元后，每一个内多边形及归属于该内多边形的所有外多边形共同构成一个矢量区域
(1)构建内多边形；
(2)构建外多边形，利用隐含射线法判断外多边形归属；
(3)根据连接索引连接像元有向边，动态构造多边形边界；
(4)根据多边形边界连接关系进行多边形归并处理。进一步地,所述像元有向边具有方向，该方向与矢量化区域边界拓扑正向一致。进一步地，所述连接索引是记录像元有向边首尾结点的出入信息。进一步地，所述隐含射线法判断外多边形归属具体为在扫描过程中，通过记录最新扫描的内多边形实现隐含射线法，并以此判断外多边形的归属。进一步地，所述根据多边形边界连接关系进行多边形归并处理具体为通过连接多边形边界、更新内多边形孤岛链表、更新区域列表和更新多边形类型实现多边形的归并。本发明的有益效果是
(I)根据扫描顺序和像元有向边类型构建新的多边形，使构造矢量区域简单高效。使用扫描线方法遍历栅格数据时是按照从上到下，从左到右的顺序进行，因此对于任意一个图斑来说，总是先遍历到它的左上角像元，当扫描至“左上角像元”时就遇到了一个新的栅格图斑，需要构建新的内多边形，即一个新的区域。对于任意含有“洞”的图斑来说，总是先遇至IJ“洞”的顶边，即具有“下”边且不能插入至现有多边形边界的像元有向边需要构建新的外多边形。由于充分利用了栅格图斑中所蕴含的邻接关系，直接避免了构建矢量区域的起始搜索弧段过程。
(2)根据连接索引直接连接像元有向边，使构造矢量区域边界简单高效。使用扫描线方法按照从左到右，从上到下的顺序遍历栅格数据时，像元有向边只可能在所属像元正上方左右两个结点处发生连接。对每一个矢量坐标列记录其像元有向边首尾出入信息，就可以引导其它像元有向边直接连接至相应多边形的边界，直接避免了组织多边形边界时复杂的判断与追踪过程，从而大幅提高构建栅格图斑矢量边界的效率。(3)通过隐含射线法实现快速孤岛归属判别。一个完整区域由一个内多边形及其所包含的若干外多边形共同构成，外多边形不能独立存在，必须作为孤岛归属于某个内多边形。根据扫描线从左到右逐行遍历栅格数据的特点，从任意一个外多边形边界向左发出一条射线(即隐含射线)，遇到的第一个内多边形就是它所归属于的内多边形。因此在每行扫描过程中不断记录与更新边界与扫描线相交的内多边形，该内多边形即是新生成的外多边形所归属的内多边形，从而直接避免多边形拓扑关系构建的复杂过程，大幅提高了构建完整矢量区域信息的效率。(4)根据任意一条像元有向边都唯一属于某多边形边界的特点，通过多边形连接与归并处理，实现对在扫描过程中由于对未扫描区域的不确定而产生的离散多边形进行整合而最终构成完整的矢量区域。由于扫描线逐行扫描栅格数字图像，对图斑扫描是逐步完成的。在扫描过程中由于对未扫描区域的不确定性，必然会产生一些离散多边形或类型错误的多边形，根据像元有向边唯一性的特点，通过连接这些多边形的像元有向边的连接索弓丨，可以直接判断出这些多边形的连接关系或归并关系，从而大幅提高了动态构建矢量区域的效率。(5)本发明以单个像元为基本处理单元，处理过程不依赖其它信息，可以方便的实现分块并行处理。(6)本发明以单个像元为基本处理单元，算法复杂度基本为线性阶，具有较高的处
理效率。(7)本发明算法结构简单清晰，实现方便。
这里包含的附图用于更好理解本发明，并结合到说明书中作为说明书的组成部分，但本发明并不局限于附图中的图表，在这些附图中图I是本发明中有关定义说明图。图中为一个3*3大小的栅格数字图像，每一个方格代表一个像元，像元中间的数字表示该像元的像元值(如230、179);黑色粗线表示多边形边界，粗浅箭头所指方向表示该多边形边界的方向(多边形边界实际上与像元边界重合，由于同一像元边界可能存在两个不同多边形的边界，因此为了表示清楚，本发明所有附图将内多边形边界向实际像元边界内侧绘制，外多边形边界向世界像元边界外侧绘制)；R1> R2表示内多边形，Il表示外多边形；R1与Il的交集共同组成区域。图2是16种像元有向边类型示意图。图3是扫描像元Pl时，构建内多边形Regionl示意图。图中像元中间的文字是为了叙述方便而给像元的编号(如PU P2等)；像元边界处的数字表示以像元行列号为基础所建立的矢量坐标系坐标(如O、1、2、3等);黑色五角星指示当前正在扫描的像元；黑色粗虚线表示当前扫描像元的像元有向边；黑色粗实线表示矢量化所生成的多边形边界；栅格数字图像上方对应像元纵向边界的方框中文字表示该矢量结点出的连接索引(如N/R1等，其中N表示无多边形，Rl表示Regionl,以下附图中R2表示Region2, Il表示Islandl);右侧部
分文字表示矢量化过程中计算机所存储的数据内容(如区域链表等)，本发明以下附图中与该图中相同图示均与该图表示内容一致。图4是扫描像元P2时，其“上”边根据连接索引直接与内多边形Regionl边界连接示意图。图5是连接索引构建方法图。该图示出了连接索引的构建方法与记录方式，其中LeftCode、RightCode为矢量化过程中生成的多边形指针。图6是连接规则图。该图示出了边界根据连接索引直接与相应多边形边界进行连接的连接规则。图7是连接索引更新规则图。该图示出了像元有向边根据索引直接连接至相应的多边形边界后，连接索引的更新规则。图8是扫描至像元P2时，其“下”边构建外多边形Islandl示意图。图9是隐含射线法判断外多边形归属原理图。图10是扫描至像元P3、P4时，其像元有向边根据连接索引与相应的多边形边界连接示意图。图11是扫描至像元P5时，构建内多边形Region2示意图。图12是扫描至P6、P7、P8、P9时，其像元有向边根据连接索引与相应的多边形边界连接示意图。图13是扫描完所有像元时,矢量化结果示意图。图14是归并两个内多边形方法示意图。图15是归并两个外多边形方法不意图。图16是归并外多边形至内多边形方法示意图。图17是归并内多边形至外多边形方法示意图。
具体实施例方式下面针对具有广泛代表性的一个3X3大小的栅格数字图像(附图I)矢量化过程，具体说明本发明。为方便下面的描述，特做如下定义定义I.内多边形简单多边形的边界将平面分为内部和外部两部分，其边界所包围的内部区域称为内多边形，参见附图I中的R1。定义2.外多边形(孤岛)简单多边形的边界将平面分为内部和外部两部分，其边界所分割出的外部区域称为外多边形，参见附图I中Ii的补集。定义3.区域一个区域可以由一个内多边形和有限个外多边形组成，内多边形和外多边形的交集构成了一个完整的区域，其中外多边形即为归属于内多边形的孤岛，参见附图I中的区域Rl包含有一个孤岛G。定义4.拓扑正向当沿着某一方向在区域边界上前进时，边界所包围的区域总在其右侧时，该方向即为拓扑正向。本发明中定义当垂直纸面向上为正时，顺时针方向为拓扑正向。定义5.像元有向边定义带有拓扑正向的单个像元产生的图斑边界为像元有向 边。单个像元是栅格数据中的最小单位，是具有空间大小的正方形区域，其像元有向边是构成图斑边界的最小单位，共有以下16种类型，参见附图2。本发明方法是以扫描线的方式依次顺序扫描栅格数字图像中的栅格像元，根据像元排列关系，针对不同类型像元有向边的进行处理，通过组织像元有向边动态构造矢量多边形边界，通过组织多边形拓扑包含关系构造完整矢量区域信息。在以下具体示例中，按照从左至右，从上到下的扫描顺序，依次顺序扫描与处理栅格像元，具体步骤为
步骤I :扫描至Pl像元时，构建内多边形Regionl，如附图3所示。本发明方法由于按照从左至右，从上到下的顺序依次扫描与处理栅格像元，扫描至第一个像元时，其所在栅格图斑必定为矢量化过程中所遇到的第一个栅格图斑，因此需要构建新的内多边形。根据定义3，区域是由内多边形及其所包含的所有外多边形共同组成，即所有内多边形最终都会形成区域，因此将矢量化所产生的所有内多边形组织成链表(如附图3中的区域链表)，作为最终矢量化结果的输出依据。步骤2 :扫描至P2像元时，P2像元的“上”边可以根据连接索引直接与内多边形Regionl边界进行连接,如附图4所示。本发明方法在扫描线扫描栅格像元过程中，通过连接索引可以直接将像元有向边与相应的多边形边界进行连接。本发明方法中连接索引构建方法为在逐行扫描栅格数据的过程中，记录像元有向边首尾点所在边界沿拓扑正向时左右两侧的多边形来指针，参见附图5。本发明方法中像元有向边根据连接索引直接与相应多边形边界进行连接的具体规则参见附图6。在完成像元有向边与相应多边形边界连接后需要更新连接索引以指导下面的像元有向边进行连接，具体连接索引更新规则参见附图7 ;竖直方向的像元有向边连接后只是纵向延展，不需要更新连接索引；构建准外多边形时需要同时更新左结点的LeftCode和右结点的RightCode。步骤3 :扫描至像元P2时，其“下”边构建新的外多边形Islandl，并判断其归属为内多边形Regionl,如附图8所示。本发明方法在扫描线扫描栅格数据过程中，当扫描像元的像元有向边具有“下”边并且根据连接索引不能与已有多边形边界连接时，需要构建新的外多边形，同时利用隐含射线法判断外多边形的归属。本发明方法中通过隐含射线法判断外多边形归属的方法为在每行扫描过程中不断记录和更新边界与扫描线相交的内多边形。该内多边形即是新生成的外多边形所归属的内多边形，例如附图9中当前扫描像元生成的外多边形G归属于内多边形C。步骤4:扫描至P3、P4像元时，其像元有向边可以根据连接索引直接连接至相应的内多边形Regionl和外多边形Islandl的边界中，如附图10所示。连接索引构建方法、连接规则及连接索引更新规则在步骤2中已有详细说明，故此处不再赘述。步骤5 :扫描至P5像元时,构建新的内多边形Region2,如附图11所示。本发明方法在扫描线扫描栅格像元过程中，当扫描至“左上角像元”(即像元有向边具有左上角结构的像元，如附图2中的“左-上”和“下-左-上”)时，且该像元有向边 根据连接索引不能与现有多边形进行连接，需要构建新的内多边形。步骤6 :扫描至P6、P7、P8、P9像元时，其像元有向边可以根据连接索引直接连接至相应的多边形边界中，如附图12所示。连接索引构建方法、连接规则及连接索引更新规则在步骤2中已有详细说明，故此处不再赘述。步骤7 :当扫描完所有栅格像元后即完成了对整个栅格数字图像的矢量化过程。根据定义3，一个区域是由一个内多边形及其所包含的外多边形组成。因此只要依次输出内多边形的边界链表及其包含的孤岛边界链表既可以得到相应的矢量区域边界，内多边形的属性即为矢量区域的属性，从而得到具有拓扑包含关系的完整矢量区域信息，如附图13所
/Jn ο特殊情况I :本发明方法在扫描线扫描栅格像元过程中，当某像元有向边首尾均可根据连接索引直接连接且连接至两个不同内多边形时，需要连接这两个内多边形。连接方法为1)将待连接内多边形边界连接至目标内多边形边界；2)将待连接内多边形包含的所有外多边形归属属性修改为目标内多边形并连接至目标内多边形的孤岛链表；3)更新目标内多边形边界首尾结点连接索引；4)销毁待连接内多边形。如附图14所示。特殊情况2 :本发明方法在扫描线扫描栅格像元过程中，当某像元有向边首尾均可以根据连接索引直接连接且连接至两个不同外多边形时，需要连接这两个外多边形。连接方法为1)将待连接外多边形边界连接至目标外多边形边界；2)更新目标外多边形边界首尾结点连接索引；3)在包含待连接外多边形的内多边形孤岛链表中删除待连接外多边形；4)销毁待连接外多边形。如附图15所示。特殊情况3 :本发明方法在扫描线扫描栅格像元过程中，当某像元有向边首尾均可根据连接索引连接且连接至两个不同类型的多边形，同时内多边形比外多边形先生成时，需要连接外多边形(待连接外多边形)至内多边形(目标内多边形)。连接方法为1)将待连接外多边形边界连接至目标内多边形边界；2)更新目标内多边形边界首尾结点连接索引；3)在包含待连接外多边形的内多边形孤岛链表中删除待连接外多边形；4)销毁待连接外多边形。如附图16所示。特殊情况4:本发明方法在扫描线扫描栅格像元过程中，当某像元有向边首尾均可根据连接索引连接且连接至两个不同类型的多边形，同时外多边形比内多边形先生成时，需要连接内多边形(待连接内多边形)至外多边形(目标外多边形)。连接方法为I)将待连接内多边形边界连接至目标外多边形边界；2)将归属于待连接内多边形的所有外多边 形的归属属性修改为目标外多边形的归属属性，并将其连接至包含目标外多边形的内多边形的孤岛链表中；3)更新目标外多边形边界首尾结点连接索引；4)销毁待连接内多边形。如附图17所示。上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种栅格数字图像快速矢量化方法，其特征在于，该方法首先根据单个像元与其四邻域像元属性的异同，确定该像元的像元有向边类型；然后通过记录像元有向边首尾结点矢量坐标及其两侧多边形信息构造连接索引，再根据像元有向边类型和连接索引从以下四种方式中选择一种方式对像元进行处理，扫描完所有像元后，每一个内多边形及归属于该内多边形的所有外多边形共同构成一个矢量区域 (1)构建内多边形； (2)构建外多边形，利用隐含射线法判断外多边形归属； (3)根据连接索引连接像元有向边，动态构造多边形边界； (4)根据多边形边界连接关系进行多边形归并处理。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述像元有向边具有方向，该方向与矢量化区域边界拓扑正向一致。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述连接索引是记录像元有向边首尾结点所在像元边界左右两侧的多边形信息。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述隐含射线法判断外多边形归属具体为在扫描过程中，通过记录最新扫描的内多边形实现隐含射线法，并以此判断外多边形的归属。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述根据多边形边界连接关系进行多边形归并处理具体为通过连接多边形边界、更新内多边形孤岛链表、更新区域列表和更新多边形类型实现多边形的归并。
全文摘要
本发明公开了一种栅格数字图像快速矢量化方法，本发明以像元为着眼点，充分利用了栅格图斑之间的邻接关系，从根本上避免了通过追踪结点生成弧段以构造区域边界而产生的大规模搜索过程，避免了通过追踪弧段构建多边形拓扑关系以解决带有洞的复杂区域而产生的复杂处理，从而大幅提高了矢量化的效率。同时，由于该方法以单个像元为基本操作单元，扫描线扫描过程中直接将栅格数字图像中的栅格图斑动态转换成矢量区域，矢量化过程中不产生、不依赖任何中间数据，使得计算机内存的利用效率高且管理方便，上述诸多特点提高了栅格数字图像的矢量化效率。
文档编号G06T9/00GK102881028SQ20121015939
公开日2013年1月16日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者章孝灿, 苏程, 俞伟斌, 倪广翼, 黄智才 申请人:浙江大学