一种基于语义关系的电子地图节能配色方法及装置

本发明涉及地理信息系统(gis)和计算机地图制图(cac)领域，尤其涉及一种基于语义关系的电子地图节能配色方法及装置。

背景技术：

1、电子地图作为一种数字形式的工具，可以为可持续发展现状、策略、进展提供可视化、空间化的支持，但是其设计和运行需要消耗大量的能量。随着电子地图在各行各业的广泛应用，耗电量和温室气体排放量会快速增加，同时移动设备显示电子地图能耗过高导致的续航不足在极端情况下也可能存在重大安全隐患。近年来国内外研究人员开始意识到电子地图的能耗问题，将能耗作为一项电子地图设计的约束条件，并与其形式、内容、交互、用户体验等一起综合考虑。

2、目前主流的地图节能显示技术包括颜色调暗技术和颜色调整技术，颜色调暗技术通过降低背光强度来节省显示能耗，但未考虑到地图的内容和形式特征，易造成颜色失真、变形，产生难以识别的结果，从而影响电子地图的可读性。颜色调整技术通过改变颜色的色相、亮度和饱和度替换高能耗的颜色来降低显示能耗，为节能电子地图设计提供了新方法。新兴的有机发光二极管((organic light-emitting diode,oled)正迅速取代传统的液晶显示器(liquid crystal display,lcd)，由于其每个像素都是自发光的，可以在像素级调整地图显示的内容以达到节能效果，因此地图内容的设计可以影响地图本身的能耗。当前主要的颜色调整方法一般将能耗作为目标函数，将地图设色规则作为约束条件构建地图节能模型。颜色语义关系规则作为一种重要的地图设色规则，被越来越多地应用于地图设计中，在调整颜色以节省能量时，应保持语义关系，以减少地图节能过程中产生的歧义。然而，目前尚未形成一个可以自动提取语义关系并应用于地图自适应节能配色方法。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于解决地图自适应节能过程中语义关系设置效率低的问题，提供一种基于语义关系的电子地图节能配色方法及装置，实现地图颜色语义关系的快速提取和自适应电子地图节能显示。

2、技术方案：根据本发明的第一方面，一种基于语义关系的电子地图节能配色方法，包括以下步骤：

3、对原始地图颜色进行空间化处理，根据感知均匀性规则将颜色建模为cielab颜色空间中的离散点云；

4、根据色差规则对颜色点进行聚类分析，并基于聚类结果获取颜色点之间的语义关系，其中，当两个颜色点之间的距离小于第一邻域半径时被划分为同一颜色簇，当颜色簇内两个颜色点之间的距离小于第二邻域半径时被划分为同一颜色子簇；各颜色簇之间为差异关系；当一个颜色簇内仅包含两个颜色点时，该簇颜色点间形成关联关系；当一个颜色子簇内各颜色点之间的饱和度距离大于饱和度距离阈值且亮度距离大于亮度距离阈值时，判定该子簇各颜色点之间为顺序关系，否则判定为关联关系；

5、建立差异关系、顺序关系、关联关系的评价模型，并进行组合得到整幅地图的语义关系评价模型；

6、在rgb颜色空间中重新组织原始地图颜色，根据各颜色的红、绿、蓝分量值建立适应不同地图类型的能耗估算模型；

7、根据语义关系评价模型和能耗估算模型建立多目标、多约束的优化问题，采用启发式搜索算法寻找节能的替代颜色，通过分析帕累托前沿解集得到最优节能配色方案。

8、进一步地，语义关系评价模型为：

9、

10、其中i和j表示任意两种要素类的编号，ci和cj表示第i个要素类和第j个要素类的颜色，n表示要素类的个数，rij表示各要素类间语义关系，当要素类间体现为差异关系时，rij为d；当要素类间体现为关联关系时，rij为a；当要素类间体现为顺序关系时，rij为o。

11、其中，差异关系的得分fr(ci,cj,d)根据下式计算：

12、

13、其中μ表示划分差异关系和关联关系的距离阈值，表示两种颜色在cielab颜色空间中的距离，θ表示色相角度差阈值，表示两种颜色之间的色相角度差，式中分别表示第i个要素类和第j个要素类颜色在cielab颜色空间中的分量a和分量b。

14、关联关系的得分fr(ci,cj,a)根据下式计算：

15、

16、其中μ表示划分差异关系和关联关系的距离阈值，表示两种颜色在cielab颜色空间中的距离。

17、顺序关系的得分fr(ci,cj,o)根据下式计算：

18、

19、其中γ表示划分关联关系和顺序关系的距离阈值，α表示顺序关系中的饱和度距离阈值，β表示顺序关系中的亮度距离阈值，表示两种颜色在cielab颜色空间中的距离，li和lj表示第i个要素类和第j个要素类的亮度，和表示第i个要素类和第j个要素类的饱和度，式中a*和b*分别表示cielab颜色空间中的分量a和分量b。

20、进一步地，能耗估算模型表示为：

21、

22、其中e(c)表示地图配色方案的整体能耗，n表示要素类个数，ei表示第i个颜色的能耗，wi表示第i个颜色的占比，对于矢量地图，pi表示第i个要素类的面积，对于栅格地图，pi表示第i个要素类的像素数，ri表示红色通道分量值，gi表示绿色通道分量值，bi表示蓝色通道分量值。

23、进一步地，所述优化问题引入颜色一致性规则和可辨识规则作为约束条件，所述颜色一致性规则和可辨识规则表示为：

24、

25、式中i和j表示任意两种要素类的编号，ci和cj表示第i个要素类和第j个要素类的颜色，c′i表示第i个要素类调整后的颜色，n表示要素类个数，表示颜色在cielab颜色空间中的距离，ε表示颜色可辨识距离阈值，∈表示调整前后颜色距离阈值；

26、所述优化问题在求解过程中将颜色在hsv颜色空间中重新组织并搜索，经过多次迭代得到帕累托前沿解集，作为一系列节能配色方案，其中pareto前沿面是一个连续的曲面，曲面上存在一个或多个拐点，即曲面函数的一阶导数突变点，采用第一个拐点作为节能地图配色方案的满意解；当拐点不明确时，采用pareto前沿面的中心点，即兼顾节能程度与语义关系的解作为满意解。

27、根据本发明的第二方面，一种基于语义关系的电子地图节能配色装置，包括：

28、颜色空间处理模块，用于对原始地图颜色进行空间化处理，根据感知均匀性规则将颜色建模为cielab颜色空间中的离散点云；

29、语义关系提取模块，用于根据色差规则对颜色点进行聚类分析，并基于聚类结果获取颜色点之间的语义关系，其中，当两个颜色点之间的距离小于第一邻域半径时被划分为同一颜色簇，当颜色簇内两个颜色点之间的距离小于第二邻域半径时被划分为同一颜色子簇；各颜色簇之间为差异关系；当一个颜色簇内仅包含两个颜色点时，该簇颜色点间形成关联关系；当一个颜色子簇内各颜色点之间的饱和度距离大于饱和度距离阈值且亮度距离大于亮度距离阈值时，判定该子簇各颜色点之间为顺序关系，否则判定为关联关系；

30、语义关系评价模型构建模块，用于建立差异关系、顺序关系、关联关系的评价模型，并进行组合得到整幅地图的语义关系评价模型；

31、能耗估算模型构建模块，在rgb颜色空间中重新组织原始地图颜色，根据各颜色的红、绿、蓝分量值建立适应不同地图类型的能耗估算模型；

32、优化问题构建及求解模块，用于根据语义关系评价模型和能耗估算模型建立多目标、多约束的优化问题，采用启发式搜索算法寻找节能颜色，通过分析帕累托前沿解集得到最优节能配色方案。

33、根据本发明的第三方面，提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于语义关系的电子地图节能配色方法的步骤。

34、根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于语义关系的电子地图节能配色方法的步骤。

35、有益效果：本发明通过对原始地图的颜色建模为离散点云，利用聚类算法自动提取颜色点之间的语义关系，在调整配色降低能耗的过程中保持地图颜色间的语义关系，与颜色调暗方法相比，本方法可以避免颜色语义关系丢失，提高地图的可读性；与颜色调整方法相比，本方法引入多个地图设色规则，提高了地图节能显示的效果。和已有的顾及语义关系的颜色调整方法相比，本发明实现语义关系的自动提取，进一步提高地图自适应节能效率。本发明优化了地图节能过程，提高了节能效率，适用于不同比例尺、不同专题的矢量或者栅格电子地图。