摘要：本文指出地圖掃描矢量化全過(guò)程存在的若干問(wèn)題，分析了問(wèn)題的原因，結(jié)合掃描地圖自動(dòng)矢量化的需要，對(duì)它們進(jìn)行了改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，提出了一種簡(jiǎn)易的輪廓線方向求救方法，對(duì)避免和減少誤差、提高矢量化產(chǎn)品質(zhì)量有一定實(shí)際意義。

　　關(guān)鍵詞：矢量化,柵格化圖像,數(shù)據(jù)格式,細(xì)化

　　1 引言

　　地圖掃描矢量化是獲取數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)的有效手段。傳統(tǒng)矢量化過(guò)程采用交互方式完成，這種方法相對(duì)于早期的手扶跟蹤數(shù)字化方法而言，不管是在效率，還是在京都方面，都有明顯的提高，但是由于仍然需要花費(fèi)大量手工勞動(dòng)，自動(dòng)化度不是很高。

　　隨著地理信息系統(tǒng)(Geographic Informmation System,GIS)技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)字地球的提出，空間數(shù)據(jù)在諸如航空、遙感、地質(zhì)、測(cè)繪、通訊、交通、水電、軍事、旅游、商業(yè)等不同領(lǐng)域展現(xiàn)出日益強(qiáng)大的生命力。空間數(shù)據(jù)采集已成為建立我國(guó)基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。掃描矢量化因充分利用了現(xiàn)有的大量紙地圖，將繪圖人員從傳統(tǒng)的數(shù)字化儀描圖板前解放出來(lái)，同時(shí)利用了計(jì)算機(jī)高速智能化處理能力，從而成為目前國(guó)際上流行的一種全新的數(shù)據(jù)采集手段，但是在地區(qū)掃描矢量化的過(guò)程中，仍存在諸多問(wèn)題有待解決。

　　1.1地理信息系統(tǒng)的組成

　　從系統(tǒng)論和應(yīng)用的角度出發(fā)，地理信息系統(tǒng)被分為四個(gè)子系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，應(yīng)用人員和組織機(jī)構(gòu)。

　　(1).計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件：這是開(kāi)發(fā)、應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其中硬件主要包括計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、掃描儀、數(shù)字化儀等;系統(tǒng)軟件主要指操作系統(tǒng)。

　　(2).數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的功能是完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，它又包括幾何(圖形)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。事實(shí)上，幾何和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)可以合二為一，即屬性數(shù)據(jù)存在以幾何數(shù)據(jù)中，這也是目前地理信息系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容之一。

　　(3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：這是地理信息系統(tǒng)的核心，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，可以完成對(duì)地理數(shù)據(jù)的輸入、處理、管理、分析和輸出。

　　(4)應(yīng)用人員和組織機(jī)構(gòu)：專業(yè)人員，特別是那些復(fù)合人才是地理信息系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，二強(qiáng)有力里德組織是系統(tǒng)運(yùn)行的保障。

　　1.2地理信息系統(tǒng)優(yōu)越的功能和特點(diǎn)

　　(1)分層的空間模型：GIS將顯示世界抽象為互相連接不同特征的層面組合，對(duì)不同專題的信息從邏輯上區(qū)分開(kāi)來(lái)，一邊對(duì)數(shù)據(jù)分門別類地查詢。

　　(2)數(shù)據(jù)輸入、儲(chǔ)存、更新：GIS把要處理的信息分為兩類，第一類是反映事物的地理空間位置信息，稱為空間數(shù)據(jù)，也常稱為地理數(shù)據(jù)或圖形數(shù)據(jù)，第二類是與事物地理位置有關(guān)，反映事物其他特征的信息，可稱為專題屬性數(shù)據(jù)，也稱為屬性數(shù)據(jù)或非圖形數(shù)據(jù)。

　　(3)地物和屬性數(shù)據(jù)雙向查詢和分類：對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行快速搜索和復(fù)雜查詢以及按多種方式分類是GIS的看家本領(lǐng)，尤其是地物屬性數(shù)據(jù)雙向查詢更是獨(dú)樹(shù)一幟。

　　(4)綜合管理和分析：GIS可從空間位置的相互關(guān)系及其相關(guān)屬性進(jìn)行綜合管理和綜合分析，如土地適宜性評(píng)價(jià)、項(xiàng)目選址、發(fā)展模擬、環(huán)境監(jiān)測(cè)、開(kāi)發(fā)控制等。空間信息的查詢和分析是GIS與其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要區(qū)別。

　　(5)可視化表達(dá)輸出：GIS的操作結(jié)果通過(guò)可視化的地圖、影像、多媒體的方式加以直觀表達(dá)，這是GIS無(wú)與倫比的另一優(yōu)勢(shì)。

　　(6)輔助決策：數(shù)據(jù)集成、空間分析、可視化表達(dá)GIS堪稱最佳決策支持系統(tǒng)。

　　1.3地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式

　　目前，根據(jù)GIS數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，GIS數(shù)據(jù)采集方法主要有原始的數(shù)據(jù)和派生的數(shù)據(jù)采集兩種。原始的數(shù)據(jù)采集主要是只從地面直接采集地理空間數(shù)據(jù)的方式，主要包括全數(shù)字野外測(cè)量、GPS測(cè)量、遙感圖片獲取、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等方法;而派生測(cè)量則是從已有地圖數(shù)據(jù)中采集地理空間數(shù)據(jù)，如掃描矢量化、手扶跟蹤矢量化等。無(wú)論哪種方法，獲取的都是自動(dòng)制圖、建立數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)。

　　2 地圖掃描矢量化

　　矢量化技術(shù)的研究始于上世紀(jì)70年代。常見(jiàn)的圖像矢量化算法有以下幾種：基于細(xì)化的方法、基于輪廓線的方法、基于Hough變換的方法、正交方向搜索法、基于網(wǎng)絡(luò)模式的方法、基于游碼的方法和基于稀疏像素的方法。現(xiàn)有的這些算法均存在一定的局限性。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些商品化的矢量化軟件，這些軟件在一定程度上可以進(jìn)行掃描圖紙的矢量化。但普遍存在著畸變、誤識(shí)別嚴(yán)重，以及理解深度不夠，抗噪聲性差，矢量化的精度和速度都不高等問(wèn)題，識(shí)別層次較低，離實(shí)用化還有很大的距離。

　　2.1地圖掃描矢量化的誤差來(lái)源

　　2.1.1掃描矢量化過(guò)程

　　掃描矢量化過(guò)程包括圖像與處理、矢量化跟蹤及圖形編輯。大致分為以下一些步驟：

　　(1)利用掃描儀獲得掃描地圖圖像。

　　(2)掃描圖像預(yù)處理：用掃描后所得的柵格圖像進(jìn)行二值化、平滑及細(xì)化等一系列處理。

　　(3)屏幕數(shù)字化：及按照矢量跟蹤的基本算法進(jìn)行矢量化操作，將柵格圖像存儲(chǔ)為數(shù)字格式，算法的效率直接關(guān)系到矢量數(shù)字地圖的精度和質(zhì)量。

　　(4)矢量化后處理：即對(duì)矢量化后所得的數(shù)字地圖進(jìn)行精度和可靠性檢驗(yàn)，對(duì)圖幅拼接、線化進(jìn)行編輯和修改、加上注記等等。

　　2.1.2地圖掃描矢量化誤差主要來(lái)源

　　(1)材料變形誤差

　　材料變形誤差是由于圖紙存儲(chǔ)過(guò)程中受濕度和溫度影響而產(chǎn)生的。溫度不變的情況下，若濕度由0%增至25%，圖形的尺寸可能改變1.6%，即一張36英寸的圖紙因濕度變化而產(chǎn)生的誤差可能高達(dá)0.576英寸。并且圖紙的膨脹率和收縮率也不相同，即使溫度恢復(fù)原來(lái)的大小，圖紙也不可能恢復(fù)原來(lái)的尺寸。基于聚酯薄膜的底圖與紙質(zhì)地圖相比，材料變形產(chǎn)生的誤差相對(duì)較小。

　　(2)柵格圖像掃描誤差

　　在對(duì)地圖進(jìn)行掃描時(shí)，掃描儀本身的穩(wěn)定性、操作人員的熟練程度、掃描軟件的處理能力等等都是影響掃描精度的因素。

　　(3)軟件誤差

　　在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，實(shí)現(xiàn)掃描矢量化的技術(shù)逐漸形成了一種以細(xì)化、曲線跟蹤擬合為核心的技術(shù)，這種技術(shù)表現(xiàn)為抗干擾性差，產(chǎn)生的識(shí)別畸變直接影響到最終結(jié)果，因此算法的抗干擾性就成為一個(gè)基本要求，據(jù)此提出了各種矢量化方法，但都沒(méi)有重大突破，最終導(dǎo)致由軟件產(chǎn)生的誤差。

　　2.1.3矢量化過(guò)程中產(chǎn)生的誤差

　　矢量化過(guò)程中，手和眼所引起的坐標(biāo)誤差隨操作員和時(shí)間而變化，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過(guò)頭線、不達(dá)結(jié)點(diǎn)、多邊形未封閉等錯(cuò)誤，另外要素本身的寬度、密度和復(fù)雜程度對(duì)矢量化誤差也有顯著影響。

　　2.1.4其他誤差

　　除位置誤差外，還存在屬性識(shí)別、高程主機(jī)識(shí)別、屬性注記等誤差。與位置誤差相比，屬性誤差經(jīng)常不被重視。事實(shí)上，在許多情況下，屬性誤差的影響是很大的。

　　3 矢量化數(shù)據(jù)后處理

　　(1)曲線點(diǎn)抽稀：地形圖矢量化后，還需要對(duì)矢量化提取的線條進(jìn)行抽稀處理。抽稀是在保證矢量化曲線形狀不變的情況下，最大限度地減少曲線上點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

　　(2)逐點(diǎn)篩選法：逐點(diǎn)篩選法是Douglas-Poiker法的求逆過(guò)程。它不是從整體角度去考慮一條完整的曲線，而是從開(kāi)始點(diǎn)一次篩選，排除冗余點(diǎn)。

　　(3)直角化處理：在數(shù)字化的過(guò)程中，由于不可避免的數(shù)據(jù)采集誤差，會(huì)是呈矩形的房屋內(nèi)角與直角存在著差異，因此為了保證GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)質(zhì)量，必須對(duì)房屋進(jìn)行直角化處理。

　　(4)重復(fù)點(diǎn)線處理：為了反映空間拓?fù)潢P(guān)系，又最大限度地節(jié)省存儲(chǔ)空間，適當(dāng)刪除重復(fù)點(diǎn)線及直線中間點(diǎn)是矢量化后處理中一項(xiàng)不可少的工作。

　　(5)接邊處理：由于紙張伸縮、圖數(shù)轉(zhuǎn)換誤差和人工操作的失誤等因素，兩個(gè)相鄰圖幅結(jié)合處可能出現(xiàn)邏輯裂隙(同一個(gè)要素在不同圖幅中具有不同屬性)或幾何裂隙(公共圖廓線兩側(cè)本應(yīng)相互連接的同一地物要素出現(xiàn)位置錯(cuò)位)。接邊是矢量化后一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的方法是將相鄰的圖幅公共圖廓線兩側(cè)的點(diǎn)進(jìn)行距離匹配，距離最近點(diǎn)為匹配點(diǎn)。

　　4 結(jié)論

　　地圖矢量化是地理信息系統(tǒng)建立中非常重要的步驟，紙質(zhì)地圖的掃描矢量化作為GIS的主要數(shù)據(jù)獲取手段之一，對(duì)其各個(gè)步驟理論及算法進(jìn)行研究，將誤差控制在最小范圍，設(shè)計(jì)開(kāi)放、高效、精確、完善的地圖矢量化系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的價(jià)值。

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