数字第一三章

第一章数字测图的基础知识地形图的基本概念地物：地球表面的固定物体。边界线或特征点地貌：地球表面各种高低起伏的形态。等高线地形：地物和地貌的总称地形图：按一定的比例尺，用规定的符号和一定的表示方法表示地物、地貌平面位置和高程的正形投影图。数字地图：以数字形式存储在磁盘或光盘上，用以表达地物、地貌特征点的空间集合形态。现在的数字地图产品主要有:数字高程模型DEM数字线划地图DLG数字栅格地图DRG数字正射影像图DOM第一章数字测图的基本知识一、数字测图概述1、数字测图的产生传统的白纸测图又称为模拟法测图，是测绘人员利用分度器、比例尺等工具模拟测量数量，按图式、符号展绘到白纸上。测图过程：选点控制测量平差计算展绘控制点碎部测量底图整饰上墨绘制二底图…..随着电子技术和计算机技术的发展及其在测绘领域的广泛应用，２０世纪８０年代产生了电子速测仪、电子数据终端，并逐步地构成了野外数据采集系统，将其与内业机助制图系统结合，形成了一套从野外数据采集到内业制图全过程的、实现数字化和自动化的测量制图系统，人们通常称作为数字化测图（简称数字测图）或机助成图。（2）数字测图①测量仪器②计算机等硬件系统③自动化成图软件系统2、数字地图与纸质地图的区别数字测图实质是一种全解析机助测图方法，传统的测图则为模拟测图方法。存储形式不同纸质地图的载体是图纸数字地图的载体是磁盘等计算机存储介质。表现形式不同纸质地图通过描述在图纸上的符号、线条、文字等形式来模拟表现地理元素的位置、形状、大小和属性。数字地图通过数据来描述。精度不同纸质地图受缩距、刺点、绘图、图纸伸缩变形影响便于编辑、修改的不同便于实现标准化的不同管理和维护不同应用方面的不同纸质地图对地图的比例尺、内容无法选择，而数字地图比较灵活。3.数字测图的特点测图用图自动化数字测图则使野外测量自动记录，自动解算，使内业数据自动处理，自动成图，自动绘图，并向用图者提供可处理的数字图，用户可自动提取图数信息。图形数字化方便地传输、处理和供多用户共享。不仅可以自动提取点位坐标、两点距离、方位以及地块面积等，还可以供工程规划、ＣＡＤ（计算机辅助设计）使用和供ＧＩＳ（地理信息系统）建库使用。数字地图的管理，既节省空间，操作又十分方便。点位精度高传统的经纬仪配合小平板、半圆仪白纸测图，地物点平面位置的误差主要受解析图根的测定误差和展绘误差、测定地物点的视距误差、方向误差、地形图上的地物点的刺点误差等影响，综合影响使地物点平面位置的测定误差图上约为士0.5ｍｍ（１：1000比例尺），主要误差源为视距误差和刺点误差。经纬仪视距高程法测定地形点高程时，即使在较平坦地区,视距为150ｍ，地形点高程测定误差也达土0.06ｍ，而且随着倾斜角的增大，高程测定误差会急剧增加。在数字测图中，野外采集的数据的精度毫无损失，也与图的比例尺无关。总结出来为：承载信息量大不受图幅限制，减少接边问题。能以多种形式输出成果可与多种空间信息拟合测图和加密可并行（“一步测图法”）成图速度快、成本低、效益好。（测距更长）便于存储、传输、复制、更新、使用方便成果的深加工利用数字测图分层存放，可使地面信息无限存放（这是模拟图无法比拟的优点），不受图面负载量的限制，从而便于成果的深加工利用，拓宽测绘工作的服务面，开拓市场。可作为ＧＩＳ的重要信息源，数字测图能提供现势性强的地理基础信息，一个好的数字测图系统应该是GＩＳ的一个子系统。二、数字地图的获取方法地形数据采集：1野外数据采集2原图数据采集（数字化仪数字化，扫描仪数字化）3航片数据采集4数字摄影测量扫描议数字化：扫描矢量化，利用平台式扫描仪或滚筒式扫描仪将地图扫描得到栅格形式的地图数据，即一组阵列式排列的灰度数据(数字影像)。利用数字化软件将栅格数据转换成矢量数据，形成数字地图。航片数据采集以航空摄影获取的航片作为数据源，即利用测区的航空摄影测量获取的立体像对，在解析测图仪上或立体量测仪上采集地形特征点，并自动传输到计算机，经过软件处理，自动生成数字地形图。三.数字测图系统概念数字测图系统是以计算机为核心，连接测量仪器的输入、输出设备，在硬件和软件的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、编辑、成图、输出、管理的测绘系统。1、数字测图的发展经历了“两种模式、三阶段”。数字测记模式（野外测记，室内成图）第一阶段：全站仪测量+电子手簿记录+画草图+手工（人机交互编辑）绘图。第二阶段：测记模式+计算机成图软件开发智能化的外业采集软件，使外业人员键入的数据减少。数据被传到计算机后，计算机自动检索编辑图形文件，无需人工编辑图形文件。外业采集软件可以实时计算点位坐标，如配置小型绘图仪，现场就可以按坐标实时展绘草图。电子平板测图模式：全站仪+便携机+相应测图软件内外业一体化，所显即所测，实时成图。2、数字测图技术的发展展望1）全站仪自动跟踪测量模式。2）GPS测量模式（RTK的应用）3）GPS接收机与全站仪相结合的新型全站仪问世RTK(realtimekinematic)实时动态定位技术，流动站不仅接受来自参考站的数据，还直接接收GPS卫星数据，观测数据组成的相位差差分观测值，进行实时处理，实时给出厘米级的定位结果。第三章，计算机绘图基础1.2地形图的基本知识地形图的概念（1）：按一定的比例尺，用规定的符号和一定的表示方法表示地物、地貌的平面位置和高程的正形投影图。地形图的概念（2）：既表示道路、河流、居民地等一系列固定物体的平面位置，又表示各种起伏形态，并经过各种综合取舍，按一定比例缩小后用规定的符号和一定的表示方法描绘在图纸上的正形投影图。图上一段直线长度与地面上相应线段的实际水平长度之比，称为图的比例尺比例尺的精度＊定义人们用肉眼能分辨的图上最小距离0.lmm，把相当于图上0.lmm的实地水平距离称为比例尺精度，即0.lmm*M。1根据地形图比例尺确定实地量测精度，2可根据用图需要表示地物、地貌的详细程度，确定所选用地形图的比例尺人眼分辨角值为60″。。＊大比例尺图l:500，l:1000,l:2000,l:5000＊中比例尺图l:1万，1:2．5万,1:5万,1:10万＊小比例尺图l:20万、1:50万、l:l00万地图多具备的要素：＊经纬度标记＊公里格网线＊三北方向（真北，磁北，坐标北）＊坐标系及高程系统说明＊邻接图表＊图名和图号＊比例尺＊测图时间•地图是制图对象的空间形态和空间关系的图解表象，它实际上是一种表述空间信息的数学模型。它有三个基本特征：●数学基础如投影方式、坐标系统、比例尺等。●制图综合对空间信息的取舍和化简。●地图符号计算机地图制图是以地图学理论为指导，按一定的数学法则，利用计算机及其输入输出设备作制图工具，应用数据库技术和图形的数字化处理方法，实现地图信息的获取、变换、传输、识别、存储、处理和显示，最后以自动的或人机结合的方式输出地图。基本图形显示一、坐标变换测量坐标系，据实际需要取一参考点，一般以m、km为单位，数值可为任意实数屏幕坐标系绘图仪坐标系，以设备的某一固定点为原点，单位取值与设备的技术性能有关，以设备最小分辨率为单位。坐标变换问题的实质：分析不同坐标系之间的差别，建立反映不同坐标系之间的平移、缩放、旋转关系的数学模型。1、基本图元——直线的生成•直线——主要研究存在于两个端点之间的任意点。•斜线的绘制——像素和绘笔•扫描转换直线段•求与直线段充分接近的像素集•三个常用算法：1.1逐点比较法，对任意点偏差函数的一般公式：1.2数值微分法（DDA）1.3Bresenham算法过各行各列象素中心构造一组虚拟网格线。按直线从起点到终点的顺序计算直线与各垂直网格线的交点，然后根据误差项的符号确定该列象素中与此交点最近的象素。2、曲线的生成•⑴已知曲线的方程，要求画出曲线。这类问题称为规则曲线的绘制。•⑵由试验或观测得到一批数据点，要求用一个函数近似地表明数据点坐标间的关系，并画出函数的图像（曲线）。这类问题称为曲线拟合。•⑶由试验、观测或计算得到了由若干个离散点组成的点列，要求用光滑的曲线把这些离散点连结起来，这类问题称为曲线插值。•⑷曲线拟合与曲线插值不同，拟合并不要求曲线通过数据点。•⑸在曲线形状设计中，给定了折线轮廓，要求用曲线逼近这个折线轮廓。这类问题称为曲线逼近。iAAiixyxyF2、曲线的生成•2.1圆弧的生成•2.2规则曲线的生成—可以用标准代数方程来描述的曲线。•2.3自由曲线的生成•圆弧的生成算法有：①逐点比较法②数值微分法（DDA）③正负法。④正多边形逼近法广义的讲：自由曲线是一条无法用标准代数方程来描述的曲线。自由曲线的生成通常有两类方法：⑴插值方法：要求生成的曲线通过每个数据点。有多项式插值、分段多项式插值和样条函数插值等。⑵拟合方法：要求生成曲线靠近每个数据点，但不一定要求通过每个点。有最小二乘法、贝塞尔方法和B样条方法等。曲线的形式有许多种，考虑到既要保证一定的精度，又要使计算不至于太复杂，一般取三次多项式的曲线作为此种曲线的近似曲线，称之为三次样条曲线。3、二维裁剪裁剪通常对用户坐标系中，窗口边界进行裁剪，然后把窗口内部影像映射到视区中。也有的首先将图形映射到设备坐标系中（如显示屏），然后针对视区边界进行裁剪。3.1基本概念进行图形设计时，图形输出程序中的图形都是在用户坐标系中定义的。此坐标系拥有的区域在理论上是无限的，在使用时我们可以把它当作是一个有限的矩形区，这就是用户域。用户可以在用户域中指定任意区域输出到屏幕上，这个指定的区域称为窗口区，简称窗口（Window）。视图区，简称视图（Viewport），是在屏幕上定义的一个小于或等于屏幕区域的一个矩形块。同样也是用该矩形左下角和右上角两点坐标来定义大小和位置。视图区可用来显示某一窗口内的图形。所以人们利用窗口来选择需要观察的那一部分图形，而利用视图区来指定这一部分图形在屏幕上的显示位置。窗口和视图是在不同坐标系中定义的，因此，在把窗口中图形信息送到视图区之前，须进行坐标变换，即把用户坐标系的坐标值转化为设备（屏幕）坐标系的坐标值，这个变换称窗口—视图变换。3.2点的裁剪裁剪算法中最基本的情况是点的裁剪，判断某一点P（x，y）是否可见，要把所有的图形元素转换成点，然后用不等式判别是否可见，是很不现实的。用时过长，也不经济。3.3直线段裁剪直线段裁剪算法是复杂图元裁剪的基础。复杂的曲线可以通过折线段来近似，从而裁剪问题也可以化为直线段的裁剪问题图元关于窗口内外关系的判别算法：1）Cohen-Sutherland端点编码：定义为它所在区域的编码，相似直角三角形比例关系，直线与窗口四条边的交点坐标2）矢量剪裁法；3）中点分割算法*；4）梁友栋_Barskey算法二位码线段裁剪方法与Cohen-Sutherland端点编码很一样。将平面分成9个区域，每个区域用两个代码Cx和Cy来表示中点分割算法首先对线段端点进行编码，并把线段与窗口的关系分为三种情况:–完全在、完全不在。进行一样的处理。–线段和窗口有交，用中点分割的方法求出线段与窗口的交点。A、B分别为距p1、p0最远的可见点，Pm为p0p1中点（1）检验直线段P1P2是否完全被排斥在窗口外。如果是，过程结束，无输出线段（如线段a）；否则继续执行下一步。（2）检验P2是否可见。如果是，则P2就是离P1点最远的可见点，过程结束（如线段b）。如果P2点不可见（如线段c、d），继续执行下一步3）分割直线段P1P2于中点Pm（这是为估计离P1点最远的可见点，把它简单地取作中点）。(4)如果线段PmP2完全在窗口之外，那么原估计不足（如线段d），便以线段P1Pm作为新的P1P2线段从算法的第一步重新开始执行。(5)如果线段PmP2不完全在窗口之外，则以线段PmP2为新的线段P1P2（如线段c）从算法的第一步重新开始执行。反复执行上述步骤，直到找到离P1点最远的可见点为止。这个过程确定了距离P1点最远的可见点。然后对调该线段的两个端点，以线段P2P1为新的P1P2线段，重新开始实