一种面向渲染的空间数据实时坐标变换/投影转换方法

摘要

本发明提供一种面向渲染的空间数据实时投影转换方法。在空间数据快速渲染与制图中，数据的投影转换耗费了大量时间，其效率直接决定了数据渲染的效率。本发明首先判断待渲染的空间数据同画布的投影方式是否相同，如果不同则需要采用本发明的投影转换方法。本发明主要思路是首先对待变换的空间范围进行逆变换，得到源投影上的空间范围，再对此范围的外接矩形进行正向投影变换后进行数据渲染。本发明最大优点是所有操作均只需要对原始数据的部分子集进行，且所有操作均可在内存中进行，不需要数据落盘，能够大大提高投影转换及后端数据渲染的效率。本发明中的算法效率高，可广泛用于需要进行多次实时投影转换的数据显示、渲染、制图等系统与应用。

说明书

技术领域

本发明涉及地理信息系统与遥感领域的快速渲染制图中的坐标变换/投影转换方法，具体 地说，涉及在地理信息系统、遥感及测绘领域中，对不同投影(或地理坐标)的数据进行快 速投影并进行实时地图渲染的方法，本发明可适用于多种面向数据渲染与制图的空间数据(包 括GIS数据与遥感数据)的快速空间坐标变换/投影转换应用。

背景技术

在进行空间数据的渲染与制图过程中，很多时候待渲染的空间数据同画布/屏幕的投影坐 标系并不一致，就需要不同坐标系统间转换问题。常用的坐标转换包括各种空间直角坐标系 与大地坐标系、地心空间直角坐标系与参心空间直角坐标系以及不同参心空间直角坐标系之 间的相互转换。相关的参考文献包括：杨斌，顾秀梅等.基于ArcGIS的空间数据投影坐标转 换方法研究.测绘科学.201204：、Jen-Bin Huang，Zen Chen et al.Pose determination of a  cylinder using reprojection transformation Original Research Article.Pattern Recognition Letters， 199617(10)：1089-1099等。

对于坐标变换/投影转换来说，国内外相关的文献较多，相应的参考文献如徐庆安.高斯 一克吕格投影坐标转换成地理坐标的一种方法.安徽地质.201222(4)：314-317、陈姝.地图投 影转换类的设计与研究.测绘与空间地理信息.201235(4)：165-169、Anne Gelb，Jared Tanner. Robust reprojection methods for the resolution of the Gibbs phenomenon Original Research Article. Applied and Computational Harmonic Analysis，200620(1)：3-25、R.Guedouar，B.Zarrad.A new  reprojection method based on a comparison of popular reprojection models Original Research  Article.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators， Spectrometers，Detectors and Associated Equipment.2010619(1-3)：270-275等。开源库GDAL 及OGR提供了一些基本的空间数据转换方法与函数接口，实现了较高的转换效率，对于整个 文件的空间转换来说，可以直接调用其函数进行实现，相应的参考文献参见网站： http：//www.gdal.org、http://www.gdal.org/gdal_alg_8h.html等。然而，对于用户快速实现缩放 操作的实时快速投影来说，此方法则无法满足空间数据的实时坐标变换/投影转换的需求，因 此需要在此方面应用新的策略进行实现。

在面向空间数据渲染与制图的坐标变换/投影转换方面，特别是针对用户某些操作的快速 实时渲染响应方面，目前己经查到的专利/文献并不多，相应的少量文献也很少专门针对快速 坐标变换/投影转换的策略这一瓶颈性问题进行深入的探讨。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向渲染的空间数据实时坐标变换/投影转换方法，特别是针对 空间数据的实时局部数据渲染/制图的效率问题，本发明则主要是针对此问题进行解决。

本发明的思路为：判断待渲染的空间数据同画布的投影方式是否相同，如果不同则需要 采用本发明中的坐标变换/投影转换方法。本发明中坐标变换/投影转换的主要思路是首先对待 变换的空间范围进行逆向变换或正向变换，得到源坐标/投影上的空间范围，再对此范围的外 接矩形的数据进行反向变换后进行数据渲染。本发明的最大优点是操作均需要只对原始数据 的部分子集进行，且所有操作均可在内存中进行，不需要数据落盘，能够大大提高坐标变换/ 投影转换及后端数据渲染的效率。

本发明的技术方案提供了一种面向渲染的空间数据实时坐标变换/投影转换方法，其特征 在于包括以下的实施步骤：

1)，判断画布的坐标系/投影系α与待渲染的数据坐标系/投影系β是否一致，如果一致 则不需要进行坐标变换/投影转换，直接转向步骤6，如果不一致则需要进行实时坐标变 换/投影转换，并转向步骤2；

2)，当α为全球经纬度坐标系而β为局部坐标系(如UTM WGS84坐标系)时，则直接 将数据范围的四个角点向α进行坐标变换/投影转换，再与画布范围进行裁切并得到实际 需要渲染的数据范围ξ；否则需要进行逆向转换，即将画布的四个角点向β进行逆向投 影并与数据范围进行裁切，进而得到需要渲染的有效数据范围ξ；

3)，确定了需要渲染的数据范围ξ之后，再分别按步骤4或步骤5进行数据子集的提取， 并进行步骤6的渲染过程；

4)，如果该空间数据类型为矢量数据，需要在步骤2的基础上，对待渲染的矢量空间数 据进行坐标范围ξ的过滤(判断与坐标范围ξ相交的矢量Feature保留)，以减少需要进 行坐标变换/投影转换的矢量Feature个数，再对保留的矢量Feature正向坐标变换/投影 转换到画布所在的α坐标中；

5)，如果该空间数据类型为栅格数据，需要在步骤2的基础上，对待渲染的栅格空间数 据进行坐标范围ξ的过滤(根据该栅格数据的地理变形参数计算该坐标范围ξ所对应的 栅格数据行列范围)，进行行列的裁切以减少需要进行投影的栅格数据量，再对计算出 来的对应范围的栅格数据正向坐标变换/投影转换到画布所在的α坐标中；

6)，通过步骤4或步骤5进行的坐标变换/投影转换过程后再将待渲染的数据坐标变换/ 投影转换至画布的坐标系α中，判断其与画布是否相交，如果相交就进行渲染并完成渲 染过程。

上述实施步骤的特征在于：

步骤1)中需要首先确定是否需要坐标变换/投影转换，如果需要则采用本发明中的步骤 2～步骤5进行实现。

步骤2)则是判断逆向坐标变换/投影转换是否可行，如果可行则采用逆向变换进行坐标 转换，如果不可行则采用正向变换进行坐标转换。

步骤3)主要是确定数据的有效范围，即实际需要参与渲染的数据范围。

步骤4)是针对矢量数据的投影及有效数据的过滤过程。

步骤5)是针对栅格数据的投影及有效数据的过滤过程。

步骤6)是进行画布的数据渲染与制图。

本发明与现有技术相比具有如下特点：本发明通过对待变换的空间范围进行逆向变换或 正向变换并得到源坐标/投影上的空间范围，并对此范围内的部分数据进行坐标/投影变换的思 路，所有的操作均需要只对原始数据的子集进行，且可完全在内存中进行实现，大大提高投 影的效率。

附图说明

图1是面向渲染的空间数据实时坐标变换/投影转换方法流程示意图

图2是空间数据实时坐标变换/投影转换策略与实现方法，其中：

(a)示意了画布范围(b)为将画布进行逆向投影后的范围及其对应的外接矩形范围 (c)为将(b)中的进行坐标变换/投影转换的空间范围(d)为 的外接矩形范围此范围用于裁切用于渲染的数据

图3是面向矢量数据的数据裁切效果示意图，其中：

(a)示意了画布范围(b)为基于进行矢量数据过滤的效果

图4是面向栅格数据的数据裁切效果示意图，其中：

(a)示意了画布范围(b)为基于进行栅格数据裁切的效果

图5是应用本发明专利对5层数据进行实时坐标变换/投影转换的效果图

具体实施方式

图1示意了本发明的主要实现思路。在进行空间数据的快速渲染与制图中，很多时候需 要对数据进行坐标变换/投影转换，而实时进行坐标变换/投影转换的效率将直接决定数据可视 化渲染、制图等的效率。本发明中首先判断待渲染的空间数据同画布的坐标系统/投影方式是 否相同，如果不同则需要采用本发明中的坐标变换/投影转换方法。本发明的主要思路是首先 对待变换的空间范围进行逆变换，得到源坐标/投影上的空间范围，再对此范围的外接矩形的 数据进行正变换后进行数据渲染。本发明的最大优点是所有的操作均需要只对原始数据的部 分子集进行，且所有操作均可在内存中进行，不需要数据落盘，能够大大提高坐标变换/投影 转换及后端数据渲染的效率。

如图1所示，在进行空间数据的渲染之前，需要首先判断待渲染的数据的坐标/投影β同 画布的坐标/投影方式α是否一致，如果一致则不需要坐标变换/投影转换，直接采用画布的坐 标范围对数据进行内存获取并进行画布渲染即可；如果不一致，则需要进行坐标变换/投影转 换。首先需要判断α是否为全球经纬地理坐标而β为局部投影坐标系，这将决定是否需要进 行逆向投影。所谓的逆向投影，就是指本来应该将数据从其投影系β投影到画布α上并与画 布坐标范围进行裁切，而实际上却是先将画布自α向β进行坐标变换/投影转换，计算其转 换公式，并与数据进行裁切并得到最终需要在画布上渲染的有效数据范围ξ的过程，通过此 过程能够减少需要进行变换的数据量并进而提高效率。这里之所以要判断，是因为对于很多 情况下是无法将某一范围的全球经纬度坐标转换到一个局部坐标系的(或转换过程会出错)， 对于这种情况，则需要直接进行正向坐标变换/投影转换，即将数据的四个角点进行自β向α的 投影计算，并与画布进行裁切并得到ξ的过程。

通过确定待渲染的数据中的实际有效数据范围ξ，能够有效避免数据中其他不必要的部 分的数据读写与坐标变换/投影转换的计算过程，大大提高实时投影的转换计算效率。对于矢 量数据来说需要对其中的矢量特征对象进行基于范围ξ的过滤，而对于栅格数据来说，则是 基于其空间范围ξ及其栅格数据仿射变换参数(Affine Geotransform Parameters)折算出对应 的数据的行列范围，再对此行列范围进行数据过滤/裁切，以减少需要时行投影变换的数据量； 同时，这里如果对应的栅格数据已经存在金字塔，则可以直接读取其金字塔，进一步提高数 据的读写效率。最后对数据进行正向的β至α的坐标变换/投影转换，并根据画布范围进行裁 切，进行画布的数据渲染过程。

图2示意了数据进行渲染过程中的需要进行逆向变换的空间转换效果示意图。图2(a)示 意了画布范围，图2(b)为将画布进行逆向变换后的范围及其对应的外接矩形范围 这里示意了对于2(b)所示的β坐标/投影来说，数据范围经过变换后能够得 到α坐标/投影系下所对应的画布范围而实际进行数据抽析时，主要采用数据的外接 矩形进行抽析，即这种方法虽然可能引入一些实际上不需要进行渲染的数据，但 通过数据外接矩形的方式通过达到快速的数据读写的目的，相对来说也能够获得更好的效率。 2(c)为将2(b)中的进行坐标变换/投影转换至α投影系下所对应的空间范围 (d)为的外接矩形范围此范围用于裁切用于渲染的数 据，即有效数据范围ξ。因此，实际上，从数据中提取的参与渲染的数据的空间范围会比实 际的范围稍大些，以确保坐标变换/投影转换之后能够满足画布的各个角点均能够有效覆盖的 问题。

当确定了数据的有效数据范围ξ之后，就可以应用该范围进行β投影系下的数据裁切过 滤，坐标变换/投影转换并进行渲染了。图3示意了对于矢量数据的过滤过程，图4示意了对 于栅格数据的过滤过程。图3中以线状矢量为例，根据最终红色区域的范围，与 此矩形相交的数据将是有效数据，即最终参与渲染的数据，尽管其中也存在最终画布不上需 要渲染的多余矢量Feature(如图中FID为2、9的Feature)；而与此范围不相交的Feature(如 图中FID为1、4、10的Feature)则可以直接过滤掉，既不参与坐标变换/投影转换，也不参 与渲染。其中构造投影变换的公式可参考OGR提供的函数 OGRCreateCoordinateTransformation()进行实现。

图4示意了对于栅格数据的过滤(裁切)过程，在确定最终红色区域的的有 效数据范围之后，需要根据栅格数据的仿射变换参数(可参考OGR提供的GetGeoTransform() 函数实现)，将相应的范围转换到影像的行列范围，向外扩充取整后获取影像的 子区域，再对此子区域进行内存的投影变化到α投影系即可。对于图4示意的有效行列范围 为

应用本专利上述算法对全球国界矢量数据(图5(a)中的数据A，不需要坐标变换/投影转 换)、广东土地利用数据(图5(a)中的数据B，需要坐标变换/投影转换)、影像控制参数数据 (图5(b)中的数据C，不需要坐标变换/投影转换)、全球重点城市数据(图5(b)中的数据D， 不需要坐标变换/投影转换)、以及大连地区影像数据(图5(b)中的数据E，需要坐标变换/投 影转换)，在此数据集的坐标变换/投影转换并制图过程中，商用软件ArcGIS则耗时长达24s， 而本文算法的耗时仅为1.93s，大大提高了数据实时操作过程中的坐标变换/投影转换的效率， 相应的坐标变换/投影转换制图与渲染效果相同。

本发明的实例在PC平台上实现，经实验证明，本发明能够较常规的坐标变换/投影转换 策略有着较大的效率方面的改进，能够满足大数据量实时数据渲染的要求。本发明中所提及 方法可广泛应用于空间数据的坐标变换/投影转换与渲染等应用。