第四章 地图的数字化

§4.1地图数字化概述一、地图数字化概念地图数字化：把纸质地形图通过图形数字化仪或扫描仪等设备输入到计算机，再用专业软件进行处理和编辑将其转换成计算机能存储和处理的数字地形图。实质：将图形转化为数据。数字化方法有：手扶跟踪数字化地图扫描屏幕数字化注：地形图数字化后，地形要素的位置精度不会高于原地形图的精度。图纸定位：将数字化仪坐标系转换成地形图坐标系的过程或将图纸坐标转换成测量坐标的过程。实质：坐标变换（确定坐标系间的变换参数）二、地图定向平移旋转缩放坐标变换1.赫尔黙特变换设XOY为地图坐标系，xoy为数字化仪坐标系，两坐标系的坐标轴之间的夹角为a。地图西南角图廓点O的地图坐标为X0和Y0，数字化仪坐标为x0和y0，即O点相对于xoy坐标原点o的平移距离为x0，y0。式中：l为尺度因子。令，，和，则上式即赫尔黙特变换模型，a，b，c1，c2共4个参数，坐标转换时至少需要两个定向点。实际作业中，一般选取4个图廓点作为定向点。特点：坐标平移、旋转和X、Y相同缩放2.仿射变换与线性变换相比，仿射变换还顾及到了X，Y两个方向比例变化的不一致性，其数学模型为6个变换参数，至少需要3个定向点，一般采用3个以上的定向点采用平差的方法求解。实际作业中，通常选择地图的4个图廓点作为定向点。特点：坐标平移、旋转和X、Y方向不同缩放3.双线性变换与赫尔默特和线性变换相比，双线性变换还考虑到了地图图纸的不均匀变形，其数学模型为8个变换参数，至少需要4个定向点，实际作业中，通常选择地图的4个图廓点和若干个方里网线交叉点作为定向点。特点：坐标平移、旋转和地图图纸的不均匀变形4.二次变换当地图图纸的变形不均匀时，还可采用二次曲线方程，称为二次变换，其数学模型为12个变换参数，至少需要6个定向点，实际作业中，通常选择地图的4个图廓点和若干个方里网线交叉点作为定向点。特点：坐标平移、旋转和地图图纸的不均匀变形三、手扶跟踪数字化方法简介1.地图定向2.菜单定位3.地形图数字化§4.2栅格数据运算与矢量化原理一、栅格数据运算1.灰度值变换“临界值操作”是指凡低于(或高于)某一个临界值的灰度值都被置成一种新灰度值(例如0)，其余的也可均置为另一种不同的灰度值常量。2.栅格图像的平移3.栅格图像的算术组合与逻辑组合算术运算：将两个栅格图像互相叠置，使它们对应像元的灰度值相加、相减、相乘等。ABA+B逻辑组合：将两个图像相对应的像元，利用逻辑算子“或”、“异或”、“与”和“非”进行逻辑组合。用集合运算的符号表示:A“或”B的结果是A∪B={x：x∈A或x∈B}；A“非”B的结果即为A集与B集的差：A或BA与BA异或BA非BA“与”B的结果是A∩B={x：x∈A且x∈B}；A“异或”B的结果是4.加粗和减细加粗：将原图向上、右、下、左平移得到私服新图与原图进行“或”运算。减细：加粗0像元就是减细1像元。二、线状栅格数据的细化为了便于线状影像的自动跟踪矢量化，应进行线状栅格数据的细化，即提取线状栅格的中轴线。1.最大值计算法细化原理：计算原始栅格数据格线交点的V值，每点的V值是该点左上、右上、左下、右下四个栅格灰度值的和，其中要素栅格灰度为“1”，背景栅格灰度为“0”。因为每点周围至多为四个“1”，所以Vmax＝4，Vmin＝0，然后选取最大V值的点。显然，最大V值点不可能位于线划边缘，而位于线划内部。如果经一次细化仍嫌太粗，还可以将所有最大V值点的灰度值重新赋为“1”，而将其它V值点的灰度值重新赋为“0”，进而再选取最大V值点,……。2.边缘跟踪剥皮法细化原理：先寻找到一个位于线划影像边缘上的像元，接着以此像元为中心，按一定顺序(例如，顺时针方向)检测其八个邻域的灰度值。通过这次检测，可以同时达到两个目的，一是决定本中心像元应不应该被置成“0”；二是找到与本中心像元相邻的边缘像元，以便继续“剥皮”和跟踪。判别依据：在测试中通过有条件的计数，得到除中心像元外，八个邻域中自相连通的像元块数NB。若NB2，则当前被考察的点(i，j)可以被“剥”掉；反之，若NB≥2，则不可“剥”去，否则将破坏曲线的连通性。终止条件：跟踪到了起始像元(即跟踪轨迹已闭合)。在跟踪分析过程中，被判别为应该删掉的“1”像元，作上标记“3”，被判为应该保留的像元，作上标记“2”。等整幅影像中所有的边缘都被跟踪过一遍后，将全图栅格灰度值作一个统一处理：凡是灰度值为“3”的像元均置成“0”，凡是灰度值为“2”的像元均恢复为“1”。此时，可谓一次细化已完成。三、栅格数据自动跟踪矢量化1.细化线的跟踪2.区域边线的跟踪3.预测跟踪法§4.3地图扫描屏幕矢量化方法地图扫描数字化：将图纸通过扫描仪录入计算机，生成按行和列规则划分的栅格数据，然后用扫描矢量化软件，采用人机交互与自动化跟踪相结合的方法完成地形图的矢量化。一、扫描屏幕数字化工作步骤扫描矢量化的作业流程扫描矢量化过程的实质：解译栅格图像并用矢量元素替代的过程。工作地图扫描图像输入细化处理预处理检查与编辑输出矢量化地物、注记识别和输入噪声消除图像纠正图层设置地物编码1.预处理扫描地形图工作底图得到的原始光栅文件，还需进行多项处理才能完成矢量化。预处理过程实际上是对原始光栅文件进行修正。图幅定位图幅定向细化处理过程是在正式光栅数据中，寻找扫描图像线条的图形原骨架也就是线条中心线的过程。2.细化处理寻找线条中心线人工补断和毛刺剔除细化质量内存容量处理精度细化畸变处理速度（1）线段自动跟踪矢量化①制定线段的起点，记录其坐标；②以起点为中心，沿顺时针方向按上、右上、右等8个方向的像素，搜索下一个未跟踪过的点，搜寻到后即记录其坐标，否则推出；③以新找到的点作为新的判别中心，重复操作，按此循环，追踪到线段的另一个端点。在跟踪过程中，当遇到线段的断点或交叉点时，需要人工干预后继续跟踪。3.矢量化（2）人工交互方式矢量化大比例尺地形图的地物、地貌要素符号多数是以各种线段或以规则图形表示的，同时还要赋予如地物属性和等高线高程等内容，大部分地形要素需要采用人机交互方式矢量化来完成。中心线矢量化方法轮廓线矢量化方法二、利用CASS软件扫描矢量化图像扫描插入光栅图像纠正光栅图像加图框裁剪光栅图像设置光栅图像透明交互矢量化扫描数字化方法误差的主要来源有：原图固有误差扫描屏幕数字化方法本身的误差§4.4地图扫描矢量化方法的精度分析扫描屏幕数字化方法本身的误差包括：图幅定向误差md图纸扫描误差my图像细化误差mx矢量化误差ms一、图纸扫描误差扫描误差也称扫描仪响应误差，主要由扫描仪的性能参数、扫描对象的均匀度、原图中线划的粗细、线划的密度、曲线复杂程度、图面洁净程度和处理扫描图的软件所决定。300pdi分辨率的扫描仪器图纸扫描误差取±0.1mm。二、图幅定向误差工作底图定向误差包括：定向点误差采样点量测误差定向点误差与扫描分辨率的大小成反比，提高扫描分辨率可减小该项误差的影响；300pdi分辨率的扫描仪器定向误差一般取±0.12mm。三、图像细化误差细化误差产生的点位误差为一个像素距，按300pdi计算所产生的图上误差为0.09mm左右，故取±0.1mm。四、矢量化误差在跟踪矢量化过程中，一般采用变步长保精度跟踪矢量化法，由折线代替曲线所产生的最大点位误差为一个像素点距，同上分辨率的前提下矢量化误差应取±0.1mm。扫描屏幕数字化方法的误差可由下式计算：五、扫描屏幕数字化方法的的精度估算扫描屏幕数字化方法的误差为：