基于VP Studio和CASS的柵格地形圖矢量化方法

王慶國(guó)，楊 建，李 陽(yáng)，王沙沙

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢，430081）

柵格圖像矢量化是快速獲取大范圍地理空間矢量數(shù)據(jù)的重要方法?，F(xiàn)有的柵格圖像矢量化作業(yè)模式可分為全人工矢量化、全自動(dòng)矢量化和人機(jī)交互矢量化三種。

全人工矢量化作業(yè)模式的整個(gè)過(guò)程都是人工控制的，作業(yè)效果明確，出錯(cuò)幾率較小。但這種作業(yè)模式的效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)作業(yè)人員的要求高，因此主要適用于少量柵格圖像的矢量化。

全自動(dòng)矢量化完全借助于相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件，以較高的精度和較快的速度實(shí)現(xiàn)柵格圖像向矢量圖形的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。這種作業(yè)模式能顯著提高矢量化的作業(yè)效率，降低作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，人們針對(duì)自動(dòng)矢量化算法和軟件功能模塊等進(jìn)行了大量研究［1－6］。但由于相關(guān)技術(shù)的不成熟以及地理要素自身的復(fù)雜性，全自動(dòng)矢量化作業(yè)模式目前還存在許多問(wèn)題。首先，自動(dòng)矢量化軟件對(duì)柵格圖像本身的要求一般較高。有的軟件只能支持單一或有限格式的柵格圖像，有的需要將柵格圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像才能進(jìn)行矢量化處理。其次，全自動(dòng)矢量化方法雖然速度快，但比較盲目，容易出錯(cuò)，其直接生成的矢量化圖形通常只是一些無(wú)序的矢量線，連接關(guān)系也雜亂無(wú)章［7］，這給后續(xù)的編輯工作帶來(lái)了很大的難度。另外，現(xiàn)有的自動(dòng)矢量化軟件一般不能對(duì)圖像中的文字、數(shù)字和點(diǎn)要素等進(jìn)行矢量化，并普遍存在對(duì)圖像中的噪聲和缺損較為敏感的缺點(diǎn)［8－9］。

人機(jī)交互矢量化的基本思路就是在利用軟件進(jìn)行自動(dòng)矢量化處理的過(guò)程中加入人工干預(yù)，以獲得滿意的結(jié)果。一方面，利用相關(guān)軟件的自動(dòng)矢量化功能實(shí)現(xiàn)柵格圖像向矢量圖形的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高作業(yè)效率；另一方面，通過(guò)加入人工干預(yù)和后處理來(lái)保證作業(yè)的精準(zhǔn)度和完備性。因此，這種方式是目前柵格圖像矢量化作業(yè)中采用得最多的作業(yè)模式。不過(guò)，要取得良好的實(shí)際作業(yè)效果，關(guān)鍵還在于選取合適的軟件以及合理地進(jìn)行人工干預(yù)。

本文基于人機(jī)交互矢量化模式，重點(diǎn)研究如何將人工干預(yù)和自動(dòng)矢量化軟件的功能有機(jī)結(jié)合，以期改進(jìn)柵格地形圖矢量化工藝流程，提高作業(yè)效率和作業(yè)精度，獲得滿意的矢量化效果。

1 柵格地形圖矢量化的基本思路

用于柵格地形圖矢量化的軟件大致可分為通用型矢量化軟件和具有矢量化功能的地理信息系統(tǒng)軟件兩類。相對(duì)于后者來(lái)說(shuō)，通用型矢量化軟件顯得小巧而靈活，功能明確而專一，對(duì)圖像的適應(yīng)性更強(qiáng)，用戶操作更方便。所以，本文考慮以通用型矢量化軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行柵格地形圖的自動(dòng)矢量化。

在現(xiàn)有的通用型矢量化軟件中，VP Studio（以下簡(jiǎn)稱VP）無(wú)疑是最杰出的代表之一。它將柵格圖像編輯、矢量化和矢量編輯三大功能集成在同一個(gè)軟件環(huán)境中，自動(dòng)化程度非常高，能支持多種格式的輸入輸出，特別擅長(zhǎng)對(duì)線狀目標(biāo)的矢量化，而地形圖中70%～80%都是等高線，所以VP很適于對(duì)地形圖的矢量化。

不過(guò)，VP矢量化的結(jié)果只是一些無(wú)序的矢量線，沒(méi)有圖元屬性的定義，可能還包含一些錯(cuò)誤和遺漏，所以還需要借助于后續(xù)的編輯處理加以完善。而CASS軟件是一款基于AutoCAD平臺(tái)的地形地籍成圖軟件，它包含了現(xiàn)有地形圖中各種要素的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，能直接處理VP矢量化的結(jié)果，可以很方便地將地理要素屬性賦值給對(duì)應(yīng)的單個(gè)或成批的圖形要素，并對(duì)圖形進(jìn)行編輯處理。為此，本文提出了將VP和CASS相結(jié)合的柵格地形圖矢量化方法，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提高矢量化作業(yè)效率。

2 柵格地形圖矢量化的作業(yè)流程

VP和CASS相結(jié)合的柵格地形圖矢量化方法的作業(yè)流程包括基于VP的自動(dòng)矢量化處理和基于CASS的編輯與后處理兩部分，如圖1所示。

圖1 基于VP和CASS的矢量化作業(yè)流程Fig.1 Operation procedure of vectorization based on VP and CASS

柵格圖像的幾何校準(zhǔn)是將柵格圖像中幾個(gè)特征點(diǎn)在VP坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與其實(shí)際的地理坐標(biāo)進(jìn)行匹配和糾正，獲取柵格圖像中各像素所對(duì)應(yīng)的實(shí)際地理坐標(biāo)位置。

VP提供了對(duì)柵格圖像進(jìn)行光柵處理的豐富工具，可以對(duì)圖像進(jìn)行凈化，自動(dòng)去除一些小斑點(diǎn)和小孔洞等噪聲，還可以對(duì)柵格圖像進(jìn)行平滑處理以及腐蝕、膨脹、閉合和打開(kāi)等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作。光柵處理有利于提高后續(xù)矢量化的質(zhì)量。

圖2（a）和圖2（b）分別是平滑處理前后的柵格圖像，圖2（c）和圖2（d）分別是平滑處理前后的柵格圖像采用VP進(jìn)行矢量化后的效果。由圖2可見(jiàn)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)平滑處理的柵格圖像矢量化后在線條的邊緣處會(huì)產(chǎn)生毛刺和多余的多邊形等，而通過(guò)平滑處理后，這種錯(cuò)誤得到了消除。

VP提供了多種矢量化參數(shù)的選擇，使用戶能夠根據(jù)柵格圖像的特性和主要的要素類型合理選擇和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行自動(dòng)矢量化。如果自動(dòng)矢量化效果不理想，還可以重新編輯光柵圖像或重新設(shè)置參數(shù)。

圖2 柵格圖像平滑處理前后的矢量化效果Fig.2 Vectorization effect of raster images before and after smoothing

圖3所示為柵格底圖采用VP自動(dòng)矢量化的部分結(jié)果。從圖3可以看出，雖然VP自動(dòng)矢量化的結(jié)果與柵格底圖能很好地吻合，但是矢量化后的各種地形要素類型沒(méi)有明確區(qū)分，全部矢量化成了無(wú)差別的線條，而且，原來(lái)的一條線可能變成了斷開(kāi)的幾條線，采用的也不是標(biāo)準(zhǔn)的地形符號(hào)，所以，自動(dòng)矢量化的結(jié)果不能滿足使用要求，還需對(duì)其進(jìn)行編輯處理。這可借助CASS來(lái)完成。

圖3 VP自動(dòng)矢量化結(jié)果Fig.3 Automatic vectorization results by VP

CASS的編輯處理任務(wù)主要包括3個(gè)方面：

（1）圖形的屬性編輯?？赏ㄟ^(guò)CASS中“地物編輯”菜單下的“圖形特性匹配”命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)不同的要素匹配不同的屬性，既可以處理單個(gè)要素，也可以批量處理。對(duì)于等高線，除了要進(jìn)行屬性匹配外，還需要輸入高程。

（2）斷線的連接。由于柵格圖像自身的質(zhì)量問(wèn)題以及對(duì)圖中注記和斑點(diǎn)等進(jìn)行的清除處理，使得許多本應(yīng)連續(xù)的線條在矢量化時(shí)斷開(kāi)了，故需要將其重新連接起來(lái)。這既可以通過(guò)CASS中“地物編輯”菜單下“復(fù)合線處理”中的“相鄰復(fù)合線的連接”或“分離的復(fù)合線連接”命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)PEDIT命令實(shí)現(xiàn)。

（3）基于CASS手工矢量化部分要素。例如圖中的注記等要素，有些在光柵處理的時(shí)候被清除了，有些雖沒(méi)被完全清除，但其矢量化的結(jié)果沒(méi)有任何含義，需要重新矢量化。這部分工作可采用CASS手工完成。圖4是經(jīng)過(guò)CASS編輯后的最終矢量圖，可以看出其矢量化效果很好。

圖4 CASS編輯后的矢量圖Fig.4 Vector graphics edited by CASS

3 矢量化效率的比較分析

本文提出的矢量化方法采用VP軟件實(shí)現(xiàn)柵格圖像向矢量圖形的快速自動(dòng)轉(zhuǎn)換，節(jié)省了大量的人工圖形繪制時(shí)間，顯著提高了作業(yè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。但是，由于軟件自動(dòng)矢量化功能的不完善，本方法增加了后續(xù)編輯處理的工作量，又制約了作業(yè)效率的提高。

為了對(duì)本方法的矢量化效率進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，本文以基于CASS的人工矢量化方法為參照，對(duì)近30個(gè)地形圖的柵格圖像進(jìn)行矢量化作業(yè)，并選取其中具有代表性的10個(gè)圖像，分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)了兩種方法的矢量化作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，如表1和表2所示。

由表1和表2可看出：①由于等高線是地形圖的主要組成部分，所以，在地形圖的矢量化過(guò)程中，等高線的矢量化最耗時(shí)，而在保證柵格圖像質(zhì)量的前提下，采用本文方法的等高線矢量化具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。②原始柵格圖像質(zhì)量對(duì)本文方法的作業(yè)效率有很大影響。當(dāng)圖像質(zhì)量較差時(shí)（例如“老鴉尖”），本文提出的方法與全人工矢量化方法相比沒(méi)有太大優(yōu)勢(shì)；在圖像質(zhì)量較好的情況下，本方法比全人工矢量化方法的作業(yè)效率平均能提高約一倍，而且勞動(dòng)強(qiáng)度有明顯降低。③針對(duì)不同的圖像內(nèi)容構(gòu)成以及不同的圖像質(zhì)量，采用本文方法矢量化時(shí)，在除等高線編輯以外的許多中間操作步驟上的耗時(shí)沒(méi)有明顯差別。

表1 基于CASS的人工矢量化作業(yè)時(shí)長(zhǎng)（單位：h）Table1 Time consuming of artificial vectorization based on CASS

表2 基于VP與CASS的矢量化作業(yè)時(shí)長(zhǎng)（單位：h）Table2 Time consuming of vectorization based on VP and CASS

4 結(jié)語(yǔ)

在保證矢量化質(zhì)量的前提下提高作業(yè)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度是柵格地形圖矢量化作業(yè)追求的目標(biāo)。在全自動(dòng)矢量化方法仍處于探索研究階段、還有大量問(wèn)題亟待解決的背景下，本文提出將自動(dòng)矢量化軟件VP和地形圖成圖軟件CASS相結(jié)合的人機(jī)交互式矢量化方法，既能保證作業(yè)質(zhì)量，又能明顯提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，是一種較實(shí)用的柵格地形圖矢量化方法。

［1］劉人午，李燕.掃描細(xì)化算法的地圖自動(dòng)矢量化研究［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012，41（2）：309－314.

［2］張東輝，何政偉，楊斌.柵格圖像自動(dòng)矢量化系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（10）：171－174.

［3］李述，劉勇.掃描地形圖等高線自動(dòng)提?。跩］.測(cè)繪通報(bào)，2007（1）：65－67.

［4］韋建波，塔西甫拉提特依拜，田源，等.一種改善地形圖等高線自動(dòng)矢量化精度的方法［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008（6）：61－64.

［5］張曉遠(yuǎn)，趙曉琳.自動(dòng)矢量化后等高線處理研究［J］.地理與地理信息科學(xué)，2008，24（3）：28－31.

［6］王勇，李朝奎.線性要素柵格數(shù)據(jù)矢量化快速簡(jiǎn)便算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪工程，2009，18（5）：44－50.

［7］扶卿華，倪紹祥，郭劍，等.柵格數(shù)據(jù)矢量化及其相關(guān)問(wèn)題的解決方法［J］.地球信息科學(xué)，2004，6（4）：85－89.

［8］史桂嫻，張平.柵格圖像矢量化方法及其研究進(jìn)展［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2008，4（6）：1478－1479.

［9］王晶.比較CASS2008，R2V，EPS三種不同軟件矢量化的優(yōu)缺點(diǎn)［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2013，36（7）：194－195.