地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)矢量化若干問題分析

吳健敏

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

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

Abstract: This paper points out the several problems existing in map scanning vectorization process, and analyzes the causes. And combined with the need of map scanning automatic vectorization, the improvement and redesign are conducted, and a simple method of contour direction is proposed, which has some practical significance to avoid and reduce errors, and improve the vectorization project quality.

Key words: vectorization; rasterized image; data format; detailing

中圖分類號：K99文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

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)矢量化過程采用交互方式完成，這種方法相對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大量手工勞動，自動化度不是很高。

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?？臻g數(shù)據(jù)采集已成為建立我國基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)業(yè)的一項重要基礎(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，同時利用了計算機(jī)高速智能化處理能力，從而成為目前國際上流行的一種全新的數(shù)據(jù)采集手段，但是在地區(qū)掃描矢量化的過程中，仍存在諸多問題有待解決。

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)被分為四個子系統(tǒng)，即計算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，應(yīng)用人員和組織機(jī)構(gòu)。

（1）.計算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件：這是開發(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)庫系統(tǒng)：系統(tǒng)的功能是完成對數(shù)據(jù)的存儲，它又包括幾何（圖形）數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)庫。事實上，幾何和屬性數(shù)據(jù)庫可以合二為一，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)庫管理系統(tǒng)：這是地理信息系統(tǒng)的核心，通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以完成對地理數(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

（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，對不同專題的信息從邏輯上區(qū)分開來，一邊對數(shù)據(jù)分門別類地查詢。

（2）數(shù)據(jù)輸入、儲存、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)雙向查詢更是獨樹一幟。

（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，如土地適宜性評價、項目選址、發(fā)展模擬、環(huán)境監(jiān)測、開發(fā)控制等?？臻g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無與倫比的另一優(yōu)勢。

（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)字野外測量、GPS測量、遙感圖片獲取、數(shù)字?jǐn)z影測量等方法；而派生測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。無論哪種方法，獲取的都是自動制圖、建立數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(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?，F(xiàn)有的這些算法均存在一定的局限性。目前，國內(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題，識別層次較低，離實用化還有很大的距離。

2.1地圖掃描矢量化的誤差來源

2.1.1掃描矢量化過程

掃描矢量化過程包括圖像與處理、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：即對矢量化后所得的數(shù)字地圖進(jìn)行精度和可靠性檢驗，對圖幅拼接、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源

（1）材料變形誤差

材料變形誤差是由于圖紙存儲過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)原來的大小，圖紙也不可能恢復(fù)原來的尺寸?；诰埘ケ∧さ牡讏D與紙質(zhì)地圖相比，材料變形產(chǎn)生的誤差相對較小。

（2）柵格圖像掃描誤差

在對地圖進(jìn)行掃描時，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)長一段時間里，實現(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基本要求，據(jù)此提出了各種矢量化方法，但都沒有重大突破，最終導(dǎo)致由軟件產(chǎn)生的誤差。