紙質(zhì)地形圖數(shù)字化的方法

摘 要：地圖數(shù)字化是將紙質(zhì)地形圖轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)和處理的數(shù)字地形圖，這一過(guò)程稱為紙質(zhì)地形圖的數(shù)字化，簡(jiǎn)稱地圖數(shù)字化，其常見(jiàn)方法為兩種：手扶跟蹤數(shù)字化法和掃描屏幕數(shù)字化法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；手扶跟蹤；掃描屏幕

1 數(shù)字化儀和掃描儀概述

數(shù)字化儀是數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)中一種圖形數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要用來(lái)獲取矢量數(shù)據(jù)，用它從地圖上獲取空間位置數(shù)據(jù)。數(shù)字化儀工作的實(shí)質(zhì)是把圖上的位置點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的平面坐標(biāo)點(diǎn)信息，并輸入給計(jì)算機(jī)。其硬件主要有感應(yīng)板，定位器（檢測(cè)器）及電子處理器三部分。圖形感應(yīng)板是一個(gè)長(zhǎng)方形面板，里面印刷著等距離的平行網(wǎng)線路。工作時(shí)，掃描脈沖依次加到網(wǎng)格陣列X，Y方向的各條線上。

掃描儀數(shù)字測(cè)圖是系統(tǒng)中又一種重要的輸入設(shè)備，主要用來(lái)獲取柵格數(shù)據(jù)，即將各種圖件轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)，再輸入給計(jì)算機(jī)。掃描儀是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，它的硬件主要有光學(xué)成像部分，機(jī)械傳動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換電路部分，其核心是完成光電轉(zhuǎn)換的電耦合器件CCD。掃描儀將自身攜帶的光源照射到圖件上，以反射光或透射光的形式，將光信號(hào)傳給CCD器件，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，把形成的數(shù)字圖像信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)。

地圖圖形是由點(diǎn)、線、面三種圖形要素構(gòu)成的。其數(shù)據(jù)格式分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相比矢量數(shù)據(jù)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，表示效果相同時(shí)，柵格數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量比矢量數(shù)據(jù)大，在逐級(jí)放大時(shí)會(huì)發(fā)生失真。矢量數(shù)據(jù)精確度高，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密、數(shù)據(jù)量小，顯示、輸出的圖形精確美觀，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其有利于網(wǎng)絡(luò)的分析。

2 手扶跟蹤數(shù)字化法

手扶跟蹤數(shù)字化的操作方法是首先將數(shù)字化儀同安裝有專門的數(shù)字化軟件的電腦相連接。手持定標(biāo)器（鼠標(biāo)）對(duì)地形圖進(jìn)行定向，建立數(shù)字化儀設(shè)備坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。然后用定標(biāo)器對(duì)準(zhǔn)地圖上的每一個(gè)地形特征進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)軟件編輯后獲得最終的矢量數(shù)據(jù)，即數(shù)字化地形圖。

2.1 地形圖定位方法

當(dāng)圖幅內(nèi)沒(méi)有已知控制點(diǎn)，或雖有控制點(diǎn)但控制點(diǎn)不滿足地圖定位要求，一般采用四個(gè)內(nèi)圖廓點(diǎn)作為已知點(diǎn)進(jìn)行地圖定位，四個(gè)內(nèi)圖廓點(diǎn)的地圖坐標(biāo)，由地圖可直接讀取。當(dāng)采用控制點(diǎn)進(jìn)行地圖定位時(shí)應(yīng)首先確定好控制點(diǎn)的圖上點(diǎn)位，然后輸入對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)的坐標(biāo)。在數(shù)字化桌的右面開(kāi)辟一個(gè)矩形或正方形的菜單區(qū)。在菜單區(qū)內(nèi)按行和列分成相同大小的小方格，每個(gè)小方格內(nèi)是以圖形表示或文字說(shuō)明常用地形圖圖式符號(hào)和圖形處理功能。

2.2 手扶跟蹤數(shù)字化流程

地形圖數(shù)字化數(shù)據(jù)采集就是要對(duì)地形、地物的每一特征點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行采集，然后輸入其屬性信息和點(diǎn)的連接信息。對(duì)于地形圖的分層，其分層方法是任意的，如圖廓層、點(diǎn)號(hào)層、高程注記層等，也可按其它分層方法。對(duì)于數(shù)字化完成的相鄰兩幅地形圖，如有地物跨兩幅地形圖，因兩幅地形圖分別數(shù)字化，由于誤差影響，將產(chǎn)生拼接誤差，如誤差在允許范圍內(nèi)，采用移動(dòng)地物點(diǎn)方式使其無(wú)縫相接，如誤差超過(guò)允許范圍，則查明原因，改正有錯(cuò)數(shù)據(jù)。接邊后的數(shù)據(jù)要保證接邊處的地物完整、連續(xù)。數(shù)字化精度是數(shù)字化工作必須考慮的問(wèn)題，它包括圖紙定位誤差、采樣誤差、儀器誤差等。

3 掃描屏幕數(shù)字化

手扶數(shù)字化儀數(shù)字化是較早采用的紙質(zhì)地圖數(shù)字化方法，其幾何精度較低，速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大。而地圖掃描屏幕數(shù)字化則速度很快，精度較高。地形圖掃描屏幕數(shù)字化是利用掃描儀，將地圖掃描，形成一定的分解力且按行和列規(guī)則劃分的柵格數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式包括BMP、TIFF、PCX等。地形圖的掃描屏幕數(shù)字化是利用掃描儀將紙質(zhì)地圖掃描成柵格文件，又將柵格數(shù)據(jù)利用數(shù)字化軟件轉(zhuǎn)變成矢量數(shù)據(jù)的過(guò)程，其作業(yè)效率高于手扶跟蹤數(shù)字化。

3.1 圖像處理

圖像經(jīng)過(guò)掃描處理后，得到光柵圖像，而后需要對(duì)光柵圖像進(jìn)行預(yù)處理、細(xì)化處理和糾正工作。

（1）光柵圖像預(yù)處理。圖像掃描時(shí)掃描儀由于圖紙不干凈、線不光滑以及受掃描、攝像系統(tǒng)分辨率的影響，掃描出來(lái)的圖像會(huì)有斑點(diǎn)、孔洞和毛刺等噪聲。因此原始光柵文件必須進(jìn)行多項(xiàng)處理后才能完成矢量化與地圖編輯。預(yù)處理要完成消除原始光柵圖像中的噪聲，防止圖像失真；對(duì)原始光柵圖像進(jìn)行圖幅定位坐標(biāo)糾正，修正圖紙坐標(biāo)的偏差，圖幅定向等工作。

（2）光柵圖像的細(xì)化。細(xì)化處理是尋找掃描圖像線條原骨架（中心線）的過(guò)程。細(xì)化處理時(shí)要保證圖像中的線段連通性，雖然進(jìn)行了預(yù)處理但由于種種關(guān)系，圖像上總會(huì)出現(xiàn)毛刺和斷點(diǎn)，因此要進(jìn)行必要的毛刺剔除和人工補(bǔ)斷。

（3）光柵圖像糾正。紙質(zhì)地圖在打印、保管過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致地圖的數(shù)學(xué)要素的變化。也就是說(shuō)圖幅坐標(biāo)格網(wǎng)、圖幅大小、圖幅的方向等與相應(yīng)比例標(biāo)準(zhǔn)的地形圖有差異，因此必須將其糾正為正確的位置。對(duì)于光柵的糾正各種數(shù)字化軟件的操作大體相同，這里以CASS為例介紹其糾正過(guò)程。

3.2 編輯數(shù)字化地形圖

地圖符號(hào)是將客觀物體經(jīng)過(guò)分類、分級(jí)抽象，用特定的符號(hào)表示在地形圖上。地圖符號(hào)根據(jù)空間實(shí)物的抽象特征可分為點(diǎn)符號(hào)、線狀符號(hào)、面狀符號(hào)和體積符號(hào)，另外按地圖符號(hào)比例尺關(guān)系可分為依比例符號(hào)、半依比例符號(hào)和不依比例符號(hào)。對(duì)于不同比例尺的地形圖所用的符號(hào)有所區(qū)別。對(duì)于地圖注記來(lái)說(shuō)，根據(jù)被注物體的特點(diǎn)，分為水平注記、垂直注記、雁行注記和屈曲注記等。對(duì)于點(diǎn)狀地物，其注記多以水平字列或垂直字列方式；線狀地物用水平字列、垂直字列、雁行字列或屈曲字列沿線狀地物的中心線排列；面狀地物則選擇其中部或沿面狀地物伸展的方向注記。相鄰圖幅接邊時(shí)，同一地物地貌應(yīng)保持連續(xù)性，其裂隙不能超過(guò)規(guī)范規(guī)定的比例尺測(cè)圖接邊限差，如果地貌之間的偏差過(guò)大無(wú)法拼接時(shí)，則應(yīng)到實(shí)地重新采集點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后在內(nèi)業(yè)對(duì)圖紙?jiān)谶M(jìn)行編輯與修正。

3 數(shù)字化圖紙精度檢查

在數(shù)字化圖紙的質(zhì)量檢查與控制中，特征點(diǎn)的坐標(biāo)精度必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，并分析誤差產(chǎn)生的原因并加以改正。點(diǎn)位的坐標(biāo)精度就是地圖中地物地貌的圖示位置與真實(shí)的地面位置之間的誤差。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（全野外數(shù)字測(cè)量、攝影測(cè)量采集數(shù)據(jù)）的數(shù)字地形圖，地物點(diǎn)對(duì)相鄰控制點(diǎn)位置中誤差以及相鄰地物點(diǎn)間的間距中誤差不得大于相應(yīng)比例尺測(cè)圖規(guī)范的規(guī)定。掃描圖矢量化采集數(shù)據(jù)的數(shù)字產(chǎn)品其誤差以偏離中心位置為衡量標(biāo)準(zhǔn)，主要地物的誤差不得超過(guò)0.2mm，次要地物的誤差不得超過(guò)0.3mm，線狀目標(biāo)位移中誤差不得大于±0.35mm。

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作者簡(jiǎn)介：孫艷崇（1978，3-），男，漢族，遼寧綏中，講師，注冊(cè)測(cè)繪師，碩士研究生，研究方向：數(shù)字化測(cè)圖技術(shù)。