06-地图数据化

109万事开头难。中国俗语第六章空间数据获取导读：空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有多种实现方式包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中已有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力资源的工作。在GIS中，录入的内容包括空间信息和非空间信息，前者是录入的主体。目前，空间信息的录入主要有两种方式，即手扶跟踪数字化和扫描矢量化，本章具体介绍了两种方式，以及相关的算法，如曲线近似拟合，栅格图形细化跟踪等。在图形数据录入完毕后，需要进行各种处理，包括坐标变换、拼接等等，其中最重要的是建立拓扑关系。在拓扑建立过程中，需要先对各种错误修改，本章描述了各种具体的错误情形，最后则介绍了多边形自动拓扑生成算法。1．地图数字化1．1概述无论古代、现代还是将来，地图总是重要的信息形式。在计算机图形图像技术应用于地图制作之前，各部门一般都使用纸质地图或工程图纸，纸图在查阅、计算距离和标注地名符号等方面都是人工操作；另外不能对一幅纸地图进行修改、缩小比例和分层读图，至于地图局部放大只能借助于放大镜，被放大的区域很小且操作不方便。随着技术的发展，人们对地图的要求进一步提高。由于传统纸地图效率、速度和精度很低，因此难以适应现代和未来科技发展。而通过GIS工具，可以把纸地图经过一系列处理而转换成可以在屏幕上显示的电子化地图，可以满足人们使用地图的新的要求。为了讨论问题方便，将矢量电子地图定义如下：当纸地图经过计算机图形图像系统光——电转换量化为点阵数字图像，经图像处理和曲线矢量化，或者直接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸地图相对应的计算机数据文件称为矢量化电子地图。这种地图工作时需要有应用软件和硬件系统的支撑。对矢量化地图的操作是以人机交互方式，通过GIS应用软件对硬件设备的控制来实现的。在硬件系统及相应的地理信息系统软件支持下，矢量电子地图与纸地图相比有如下优点：．计算距离和标注地名符号快速准确；．可对地图局部放大、全图缩小和移动显示、漫游功能很强；．分层显示地图（当对地图上各种信息分不同层归类存放后，则可以显示某些层，关闭不显示的层）；．可以以图元为单位进行信息编缉修改，人机交互画线标注符号文字，删除地图上多余的信息；．可以通过计算机网络进行电子地图传递，提供信息共享，传递的速度快，保密性强；．如果能有效解决地图符号自动分割和识别问题，则能实现地图的智能矢量化。这里智能化是指自动矢量化和自动标注符号，最佳路径优化选择和自动跟踪目标等。矢量电子地图与点阵地图图像相比有如下优点：110．相同信息量下前者的文件相对要小得多，图越复杂表现越明显；．前者可以以图元为单位进行信息编缉修改删除，人机交互画线标注符号文字；后者只能以像素为基本单位（如矩形图像块）进行拷贝，移动和删除，即它的编辑功能很差；．前者可对所有图元分层显示，后者只能做到对整图某区域（矩形区）的开窗显示控制。1．2地图数据类型为地图自动制图目的所搜集的上述资料，要适应计算机处理的需要，必须同时考虑通过这些资料，最后能获取各种不同性质的地图数据。为此，可以定义地图数据是载荷地理信息的数字集合。它们应指被输入到某种计算机系统中进行处理，必要时可重新生成人的视觉可以感受的地理信息。在这一层意义上，地图数据可以分为：1）空间数据（或图形数据）空间数据是构成地图内容要素的几何图形，例如地图上的井、山峰、灯塔、河流、道路、等值线、湖泊、森林界线和土壤类型界线等。为表示这些要素在二维平面上空间图形的定位特征，常用一对平面直角坐标（X,Y）来表示，这种地图数据称为矢量数据；或用其通过栅格单元的左下角坐标（行和列）来表示，称此为栅格数据。地图要素图形大致可以分为点、线、面三种基本类型。面——可由环绕它们的线表示；也可以由其区域内的点表示；线——可离散化成为点的集合；而点则能用一对平面坐标系中的坐标来确定。在实际应用中，仅有坐标数据是不够的，必须依照不同地图要素的意义，通过特别的编码加以区别。2）语义数据(属性数据)语义数据又称为非几何数据，包括定性数据和定量数据。定性数据用来描述要素的分类或对要素进行标名。定量数据是说明要素的性质、特征或强度的，例如距离、面积、人口、产量、收人、流速，以及温度和高程等．对于语义数据，基本上是一个地理编码问题。以科学的分类分级系统为基础，对地理环境中各基本实体及其联系进行编码，以便唯一地对某一系统中所有地图要素进行认别和处理，这种功能不仅在用户环境中而且在计算机系统内也是十分重要的。当前，要为满足各方面全部需求而建立一种通用的编码是不可能的。因此，最现实的是研制多样性编码满足各部门的不同需要，同时兼顾符合建立数据库的规定。一般来说编码的一些基本要求包括：（2．1）要素类别——如地名，实体类型及等级等；（2．2）要素特征（属性）——每一要素可具有与它有联系的大量的属性值，它承载关于要素特征的信息；（2．3）作用范围的描述——例如，一个区域的土壤类型；（2．4）地理定义——在某些情况下编码可以是一个实体集合的间接参考，而集合中的每一个实体也会被它自身的地理代码所说明，如水系、地质层的编码。在GIS数据录入过程中，空间数据的录入更为重要，因为处理空间数据和空间信息正是GIS的核心功能。与属性数据录入相比，空间数据录入的工作量更大，并且需要GIS软件工具的支持（利用通用的数据库软件即可以进行属性数据录入）。1111．3数字化仪数字化1．3．1手扶跟踪数字化尽管手扶跟踪数字化（ManualDigitising）工作量非常繁重，但是它仍然是目前最为广泛采用的将已有地图数字化的手段。利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标。其具体的输入方式与地理信息系统软件的实现有关，另外一些GIS系统也支持用数字化仪输入非空间信息，如等高线的高度，地物的编码数值等等。手扶跟踪数字化仪的通讯和参数：手扶跟踪数字化仪是通过RS-232（串口）接口与计算机进行连接的，为了能够进行正确的数据发送和接收，需要进行通讯参数的设置，包括波特率、数据位、校验位、停止位等等。此外，数字化仪还包括坐标原点、分辨率、采点方式、数据格式等参数。数字化仪的参数通常可以利用数字化板上的开关和菜单确定。为了保证数据录入的正确，必须设置数字化软件的参数与数字化仪的一致。在进行数字化之前，首先要确定需要数字化哪些信息，在目前由于大多数GIS软件对空间数据采用分层管理，所以要确定输入哪些图层，以及每个图层包含的具体内容。另外，由于数字化过程不可能一次完成，在两次输入之间地图的位置可能相对于数字化板发生错动，这样前后两次录入的坐标就会偏移或旋转。解决该问题的办法就是，在每次录入之前，先输入至少三个定位点（TickMarks），或称为注册点（RegisterPoints），这些点相对于地图的位置是固定的，这样两次输入的内容就可以根据定位点坐标之间的关系进行匹配。通常，数字化仪采用两种数字化方式，即点方式（PointMode）和流方式（StreamMode），点方式是当录入人员按下游标(Puck)的按键时，向计算机发送一个点的坐标。输入点状地物要素时必须使用点输入方式；而线和多边形地物的录入可以使用点方式，在输入时，输入者可以有选择地输入曲线上的采样点，而采样点必须能够反映曲线的特征。流方式录入能够加快线或多边形地物的录入速度，在录入过程中，当录入人员沿着曲线移动游标时，能够自动记录经过点的坐标。采用流方式录入曲线时，往往采集点的数目要多于点方式，造成数据量过大，一个解决的方案是对记录的点进行实时采样，即尽管系统接收到了点的坐标，但是可以根据采样原则确定是否记录该点*。目前大多数系统采取两种采样原则，即距离流方式（DistanceStream）和时间流方式（TimeStream）(图6-1)。(a)(b)图6-1：距离流方式和时间流方式(a)距离流方式是当前接收的点与上一点距离超过一定阈值，才记录该点；*也可以在整个曲线录入完毕后，使用下面描述曲线离散化算法去掉一些非特征点。112(b)采用时间流方式时，按照一定时间间隔对接收的点进行采样。采用时间流方式录入时，一个优点是当录入曲线比较平滑时，录入人员往往移动游标比较快，这样记录点的数目少；而曲线比较弯曲时，游标移动较慢，记录点的数目就多。而采用距离流方式时，容易遗漏曲线拐点，从而使曲线形状失真。所以在保证曲线的形状方面，时间流方式要优于距离流方式。在实际的录入过程中，可以根据不同的录入对象选择不同的录入方式。例如，当录入地块图时，由于其边界多为直线，并且点的数据较少，可以采用点方式录入；录入交通线时，因为要保证某些特征点位置的准确性，也可以使用点方式；而等高线的录入由于数据量大，使用流方式可以加快录入速度。其它的矢量数据录入方式：尽管手扶跟踪数字化是目前最主要的矢量格式地理数据的录入手段，但是在某些场合下，也可以采用其它的数据输入方式：1）其它数据转换：其它格式数据的转换包括三种情形：（1．1）其它矢量格式数据（往往是由其它GIS软件制订）的转换；（2．2）坐标数据，往往表现为关系数据库表的形式（表6-1）；（2．3）位置描述信息，以关系数据表形式存取，同样可以转换为不太精确的坐标数据（表6-2）。表6-1：测站信息表（部分）测站编码经度纬度68013344107.229.868026785115.530.2表6-2：企业员工信息表（部分）姓名住址张三北京市海淀区李四河北省石家庄市2）键盘录入：对于数据量较小、并且已知地物精确坐标的情况下，可以采用键盘录入。此外键盘录入也是录入属性数据的主要手段。3）鼠标录入：如果不愿意手扶跟踪数字化，而扫描矢量化又难以识别地物时，可以使用鼠标录入，通常是将地图扫描后，作为底图显示在屏幕上，用鼠标参照底图进行采点。由于鼠标定位不如数字化仪精确，所以一般用于输入一些示意图。4）其它定点测量设备：目前GPS已经成为流行的定位导航设备，它同样可以为GIS提供矢量格式的坐标数据。其它的定点测量设备包括平板测图仪等，使用这些设备，最重要的是要考虑精度问题。1．3．2曲线离散化算法在数字化过程中，需要对曲线进行采样简化，即在曲线上取有限个点，将其变为折线，并且能够在一定程度上保持原有的形状。下面介绍Douglas-Peucker算法（图6-2）。1）在曲线首尾两点A、B之间连接一条直线段AB，该直线称为曲线的弦；2）得到曲线上离该直线段距离最大的点C，并计算其与AB的距离d；3）比较该距离与预先给定阈值ε的大小，如果小于ε，则将该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕；4）如果距离大于阈值，则用C将曲线分为两段AC和BC，并分别对两段曲线进行1-3步的处理。5）当所有曲线都处理完毕后，依次连接各个分割点形成的折线，即可以作为曲线的近似。很明显，该算法是一个递归算法。113(a)(b)(c)(d)(e)(f)ABCd图6-2：曲线的离散算法1．4扫描矢量化及常用算法1．4．1扫描矢量化以及处理流程随着计算机软件和硬件更加便宜，并且提供了更多的功能，空间数据获取成本成为GIS项目中最主要的成分。由于手扶跟踪数字化需要大量的人工操作，使得它成为以数字为主体的应用项目瓶颈。扫描技术的出现无疑为空间数据录入提供了有力的工具。常见的地图扫描处理的过程如图6-3所示。由于扫描仪扫描幅面一般小于地图幅面，因此大的纸地图需先分块扫描，然后进行相邻图对接；当显示终端分辨率及内存有限时，拼接后的数字地图还要裁剪成若干个归一化矩形块，对每个矩形块进行矢量化（Vectorization）处理后生成便于编辑处理的矢量地图，最后把这些矢量化的矩形图块合成为一个完整的矢量电子地图，并进行修改、标注、计算和漫游等编辑处理。114纸地图扫描转换拼接子图块裁剪地图矢量图编辑矢量图合成图像处理矢量化图6-3：地图信息处理流程图在扫描后处理中，需要进行栅格转矢量的运算，一般称为扫描矢量化过程。扫描矢量化可以自动进行，但是扫描地图中包含多种信息，系统难以自动识别分