叠加分析算法对比研究（vector map overlay algorithm）
叠加分析算法对比研究（vector map overlay algorithm）
--- by wangsh
1. 介绍：
叠加分析是 GIS中的一项非常重要的空间分析功能。是指在统一空间参考系统下，通过对两个数据进行的一系列集合运算，产生新数据的过程。这里提到的数据可以是图层对应的数据集，也可以是地物对象。叠加分析的目的就是通过对空间数据的加工或分析，提取用户需要的新的空间几何信息。在叠加分析中至少涉及到三个数据，其中一个数据的类型可以是点、线、面等，被称作输入数据（Demo中称作被操作图层/地物）；另一个数据是面数据被称作叠加数据（Demo中称作操作图层/地物）；还有一个数据就是叠加结果数据，包含叠加后数据的几何信息和属性信息。
叠加分析类型包括：
（参见http://i.supermap.com.cn:7080/demo/help/OverlayAnalystHelp_GL.htm介绍）
- 裁剪：裁剪运算是用一个叠加数据从一个源数据中抽取部分特征（点、线、面）集合的运算。
- 擦除：擦除运算是用来擦除掉源数据中与叠加数据中多边形（集合）相重叠部分的操作。
- 同一：同一运算是对两个数据进行相交计算。如果源数据为点数据或者线数据，则新生成的数据中保留源数据的所有对象；如果源数据为面数据，则保留源数据中所有的面对象，并且将与叠加数据相交的对象在相交的地方分割成多个对象。
- 求交：求交运算是求两个数据的交集的操作，两个数据中共同的部分将被输出到结果数据中，其余部分将被排除。
- 对称差：对称差运算是在两个面数据之间进行的交集取反操作。运算的结果会保留两个数据中所有的对象，同时对那些存在于不同的数据中并且相交的面对象进行操作。操作的结果是，对于每一个面对象，去掉其与另一个数据中的几何对象相交的部分，而保留下的剩下的部分。
- 合并：合并运算是求两个数据集的并集的操作，只限于两个面数据之间进行
2. 说明：本文介绍了叠加分析的主要算法进展，没有做过对比试验，仅仅列出开源项目的代码位置和相关的项目信息。
3. 开源项目介绍
参考资料1给出了拥有overlay开源项目总结，但是我不同意Blog主的想法，从代码风格来看CGAL固然好，但是GEOS和GRASS的代码也是各有千秋，值得大家学习的。
JTS（见参考资料2）是一个成熟的开源GIS项目，Java语言实现的拓扑分析的开发套件。（源码位置参见com.vividsolutions.jts.operation.overlay）
GEOS（见参考资料3）是一个成熟的开源GIS项目，是JTS的C++版本，现在已经到了3.1版本，为QGIS等开源GIS平台使用（代码位置geos31/source/geom/Geometry.cpp），参见：
代码参见：
Geometry*Geometry::intersection(constGeometry *other)const
{
return OverlayOp::overlayOp(this,other, OverlayOp::opINTERSECTION);
}
Geometry*Geometry::Union(constGeometry *other)const
//throw(TopologyException *, IllegalArgumentException *)
{
Geometry *out =NULL;
#ifdefSHORTCIRCUIT_PREDICATES
// if envelopes are disjoint return a MULTI geom or
// a geometrycollection
if ( ! getEnvelopeInternal()->intersects(other->getEnvelopeInternal()) )
{
//cerr<<"SHORTCIRCUITED-UNION engaged"<
const GeometryCollection *coll;
size_t ngeoms, i;
vector<Geometry *> *v =new vector<Geometry *>();
if ( NULL != (coll = dynamic_cast<const GeometryCollection *>(this)) )
{
ngeoms = coll->getNumGeometries();
for (i=0;i<ngeoms;i++)
v->push_back(coll->getGeometryN(i)->clone());
} else {
v->push_back(this->clone());
}
if ( NULL != (coll = dynamic_cast<const GeometryCollection *>(other)) )
{
ngeoms = coll->getNumGeometries();
for (i=0;i<ngeoms;i++)
v->push_back(coll->getGeometryN(i)->clone());
} else {
v->push_back(other->clone());
}
out = factory->buildGeometry(v);
return out;
}
#endif
return OverlayOp::overlayOp(this,other, OverlayOp::opUNION);
}
Geometry*Geometry::difference(constGeometry *other)const
//throw(IllegalArgumentException *)
{
return OverlayOp::overlayOp(this,other, OverlayOp::opDIFFERENCE);
}
Geometry*Geometry::symDifference(constGeometry *other)const
{
return OverlayOp::overlayOp(this,other, OverlayOp::opSYMDIFFERENCE);
}
CGAL（见参考资料4）是一个经典的计算几何开源库，重在计算精度，效率一般，模板设计比较好，代码风格一致，是一个计算几何库的经典之作。
代码
#include
| template |
|||
| void |
|
||
GRASS（见参考资料5）是一个开源的GIS平台项目，是用c语言实现的项目，C实现，具有图层间overlay的能力，代码很复杂，代码位置：grass-6.4.0RC6/lib/vector/Vlib/overlay.c
代码：
/*!
/brief Overlay 2 vector maps and create new one
/param AMap vector map A
/param AList unused ?
/param AAList unused ?
/param BMap vector map B
/param BList unused ?
/param BAList unused ?
/param operator operator code
/param OMap output vector map
/return 0 on success
*/
intVect_overlay(structMap_info *AMap,int atype, struct ilist *AList, struct ilist *AAList,/* map A */
struct Map_info *BMap, int btype, struct ilist *BList,struct ilist *BAList, /* map B */
int operator, struct Map_info *OMap)
{ /* output map */
switch (operator) {
case GV_O_AND:
Vect_overlay_and(AMap,atype, AList, AAList, BMap, btype, BList,
BAList,OMap);
break;
default:
G_fatal_error("Vect_overlay(): %s",_("unknown operator"));
}
return 0;
}
LEDA 是优秀的计算几何库（参考资料6），可惜现在已经不开源了，我这仅有3.3版本，这里不贴代码，只是强调这是一个高效的计算几何源码库。
Wykobi是一个简单的计算几何开源版本，对于计算小数据量计算几何算子演示非常出色，参见参考资料7.
众多与叠加分析算法相关计算几何的优秀源码参考资料8.
4. 参考资料
a) 拥有overlay开源项目http://www.scrumo.com/ricepig/?p=93
b) JTS http://www.vividsolutions.com/JTS/javadoc/overview-summary.html
c) GEOS http://download.osgeo.org/geos/doxygen/classgeos_1_1operation_1_1overlay_1_1OverlayOp.html
d) CGAL http://www.cgal.org/Manual/3.3/doc_html/cgal_manual/Arrangement_2_ref/Function_overlay.html
e) GRASS http://grass.itc.it/grass57/tutorial/vectoroverlay.html
f) LEDA http://www.algorithmic-solutions.com/index.htm
g) Wykobihttp://www.wykobi.com/
http://www.codeproject.com/KB/recipes/Wykobi.aspx
h) 计算几何源码http://compgeom.cs.uiuc.edu/~jeffe/compgeom/code.html
（转载注明来源：http://blog.csdn.net/wsh6759）