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，結合掃描地圖自動矢量化的需要，對它們進行了改進和重新設計，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、提高矢量化產品質量有一定實際意義。

　　關鍵詞：矢量化,柵格化圖像,數據格式,細化

　　1 引言

　　地圖掃描矢量化是獲取數字化地圖數據的有效手段。傳統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(Geographic Informmation System,GIS)技術的飛速發展和數字地球的提出，空間數據在諸如航空、遙感、地質、測繪、通訊、交通、水電、軍事、旅游、商業等不同領域展現出日益強大的生命力。空間數據采集已成為建立我國基礎地理信息產業的一項重要基礎工作。掃描矢量化因充分利用了現有的大量紙地圖，將繪圖人員從傳統的數字化儀描圖板前解放出來，同時利用了計算機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據采集手段，但是在地區掃描矢量化的過程中，仍存在諸多問題有待解決。

　　1.1地理信息系統的組成

　　從系統論和應用的角度出發，地理信息系統被分為四個子系統，即計算機硬件和系統軟件，數據庫系統，數據庫管理系統，應用人員和組織機構。

　　(1).計算機硬件和系統軟件：這是開發、應用地理信息系統的基礎。其中硬件主要包括計算機、打印機、繪圖儀、掃描儀、數字化儀等;系統軟件主要指操作系統。

　　(2).數據庫系統：系統的功能是完成對數據的存儲，它又包括幾何(圖形)數據和屬性數據庫。事實上，幾何和屬性數據庫可以合二為一，即屬性數據存在以幾何數據中，這也是目前地理信息系統研究的主要內容之一。

　　(3)數據庫管理系統：這是地理信息系統的核心，通過數據庫管理系統，可以完成對地理數據的輸入、處理、管理、分析和輸出。

　　(4)應用人員和組織機構：專業人員，特別是那些復合人才是地理信息系統成功應用的關鍵，二強有力里德組織是系統運行的保障。

　　1.2地理信息系統優越的功能和特點

　　(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分開來，一邊對數據分門別類地查詢。

　　(2)數據輸入、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，稱為空間數據，也常稱為地理數據或圖形數據，第二類是與事物地理位置有關，反映事物其他特征的信息，可稱為專題屬性數據，也稱為屬性數據或非圖形數據。

　　(3)地物和屬性數據雙向查詢和分類：對空間數據進行快速搜索和復雜查詢以及按多種方式分類是GIS的看家本領，尤其是地物屬性數據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系及其相關屬性進行綜合管理和綜合分析，如土地適宜性評價、項目選址、發展模擬、環境監測、開發控制等。空間信息的查詢和分析是GIS與其他數據處理系統的主要區別。

　　(5)可視化表達輸出：GIS的操作結果通過可視化的地圖、影像、多媒體的方式加以直觀表達，這是GIS無與倫比的另一優勢。

　　(6)輔助決策：數據集成、空間分析、可視化表達GIS堪稱最佳決策支持系統。

　　1.3地理信息系統的數據獲取方式

　　目前，根據GIS數據來源的不同，GIS數據采集方法主要有原始的數據和派生的數據采集兩種。原始的數據采集主要是只從地面直接采集地理空間數據的方式，主要包括全數字野外測量、GPS測量、遙感圖片獲取、數字攝影測量等方法;而派生測量則是從已有地圖數據中采集地理空間數據，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、建立數據庫和地理信息系統的基礎資料和數據。

　　2 地圖掃描矢量化

　　矢量化技術的研究始于上世紀70年代。常見的圖像矢量化算法有以下幾種：基于細化的方法、基于輪廓線的方法、基于Hough變換的方法、正交方向搜索法、基于網絡模式的方法、基于游碼的方法和基于稀疏像素的方法。現有的這些算法均存在一定的局限性。目前，國內外已經出現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行掃描圖紙的矢量化。但普遍存在著畸變、誤識別嚴重，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)掃描圖像預處理：用掃描后所得的柵格圖像進行二值化、平滑及細化等一系列處理。

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

　　(4)矢量化后處理：即對矢量化后所得的數字地圖進行精度和可靠性檢驗，對圖幅拼接、線化進行編輯和修改、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生的誤差可能高達0.576英寸。并且圖紙的膨脹率和收縮率也不相同，即使溫度恢復原來的大小，圖紙也不可能恢復原來的尺寸。基于聚酯薄膜的底圖與紙質地圖相比，材料變形產生的誤差相對較小。

　　(2)柵格圖像掃描誤差

　　在對地圖進行掃描時，掃描儀本身的穩定性、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

　　在相當長一段時間里，實現掃描矢量化的技術逐漸形成了一種以細化、曲線跟蹤擬合為核心的技術，這種技術表現為抗干擾性差，產生的識別畸變直接影響到最終結果，因此算法的抗干擾性就成為一個基本要求，據此提出了各種矢量化方法，但都沒有重大突破，最終導致由軟件產生的誤差。

　　2.1.3矢量化過程中產生的誤差

　　矢量化過程中，手和眼所引起的坐標誤差隨操作員和時間而變化，經常會出現過頭線、不達結點、多邊形未封閉等錯誤，另外要素本身的寬度、密度和復雜程度對矢量化誤差也有顯著影響。

　　2.1.4其他誤差

　　除位置誤差外，還存在屬性識別、高程主機識別、屬性注記等誤差。與位置誤差相比，屬性誤差經常不被重視。事實上，在許多情況下，屬性誤差的影響是很大的。

　　3 矢量化數據后處理

　　(1)曲線點抽稀：地形圖矢量化后，還需要對矢量化提取的線條進行抽稀處理。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的個數。

　　(2)逐點篩選法：逐點篩選法是Douglas-Poiker法的求逆過程。它不是從整體角度去考慮一條完整的曲線，而是從開始點一次篩選，排除冗余點。

　　(3)直角化處理：在數字化的過程中，由于不可避免的數據采集誤差，會是呈矩形的房屋內角與直角存在著差異，因此為了保證GIS數據庫中數據質量，必須對房屋進行直角化處理。

　　(4)重復點線處理：為了反映空間拓撲關系，又最大限度地節省存儲空間，適當刪除重復點線及直線中間點是矢量化后處理中一項不可少的工作。

　　(5)接邊處理：由于紙張伸縮、圖數轉換誤差和人工操作的失誤等因素，兩個相鄰圖幅結合處可能出現邏輯裂隙(同一個要素在不同圖幅中具有不同屬性)或幾何裂隙(公共圖廓線兩側本應相互連接的同一地物要素出現位置錯位)。接邊是矢量化后一個非常重要的環節，傳統的方法是將相鄰的圖幅公共圖廓線兩側的點進行距離匹配，距離最近點為匹配點。

　　4 結論

　　地圖矢量化是地理信息系統建立中非常重要的步驟，紙質地圖的掃描矢量化作為GIS的主要數據獲取手段之一，對其各個步驟理論及算法進行研究，將誤差控制在最小范圍，設計開放、高效、精確、完善的地圖矢量化系統在實際應用中具有很大的價值。

　　參考文獻

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