摘要:針對地圖掃描矢量化的作業(yè)特點，數(shù)據(jù)誤差來源及誤差性質(zhì)，作者總結(jié)出提高精度減少誤差的一些方法，供同行進行參考。

　　關(guān)鍵詞： 地圖掃描,矢量化

　　1 前言

　　所謂地圖矢量化，就是把柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)的處理過程。當(dāng)紙質(zhì)地圖經(jīng)過計算機圖形、圖像系統(tǒng)光—電轉(zhuǎn)換量化為點陣數(shù)字圖像，經(jīng)圖像處理和曲線矢量化，或者直接進行手扶跟蹤數(shù)字化后，生成可以為地理信息系統(tǒng)顯示、修改、標注、漫游、計算、管理和打印的矢量地圖數(shù)據(jù)文件，這種與紙質(zhì)地圖相對應(yīng)的計算機數(shù)據(jù)文件稱為矢量化電子地圖。

　　地理信息系統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)立和發(fā)展，與地理空間信息的表示、處理、分析和應(yīng)用手段的不斷發(fā)展緊密相連。地理信息系統(tǒng)起源于地圖，它們都是地理信息的載體，具有獲取、存儲、編輯、處理、分析與顯示地理數(shù)據(jù)的功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對地圖的要求進一步提高。由于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖效率、速度和精度很低，因此難以適應(yīng)現(xiàn)代和未來科技的發(fā)展。通過GIS工具，可以把紙質(zhì)地圖經(jīng)過一系列處理轉(zhuǎn)換成能夠在屏幕上顯示的電子化地圖，滿足人們使用地圖的新要求。

　　2 地圖掃描矢量化作業(yè)流程及特點

　　掃描數(shù)字化是對掃描得到的柵格圖像利用繪圖軟件編輯成矢量化地圖，掃描數(shù)字化精度與收手扶跟蹤數(shù)字化比，其對原圖的質(zhì)量要求較高，受人為因素影響較小，采用了半自動和全自動方式矢量化，操作人員勞動強度較小，作業(yè)效率高且數(shù)據(jù)可靠性較強。目前國內(nèi)地圖掃描矢量化有兩種作業(yè)方式： ⑴.把柵格圖像作為底圖定向，定位后由操作員在屏幕上用鼠標對特征點逐點采集進行矢量數(shù)字化;⑵.用軟件對柵格圖像進行分析，在少量的人工干預(yù)下自動追蹤線狀符號得到數(shù)字化信息。

　　3 地圖掃描矢量化的誤差來源及分析

　　3.1 材料變形誤差

　　材料變形誤差是由于圖紙在存儲過程中受濕度和溫度影響而產(chǎn)生的。在溫度不變的情況下,若濕度由0 %增至25 % , 圖紙的尺寸可能改變116 % ,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01576 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。而聚脂薄膜的底圖與紙質(zhì)地圖相比,材料變形產(chǎn)生的誤差相對較小，是一種較為理想的介質(zhì)。

　　3.2　柵格圖像掃描誤差及控制

　　在對地圖進行掃描時,掃描儀本身的精度及穩(wěn)定性、操作人員的熟練程度、掃描軟件的處理能力等都是影響掃描精度的因素。為提高圖像掃描精度,可適當(dāng)提高掃描儀的掃描分辨率,但隨著分辨率的提高,圖像掃描數(shù)據(jù)也相應(yīng)增大。譬如,對一幅1∶500 的40cm ×50cm 的地圖以300dpi 的分辨率進行掃描時,約需500kb 的空間來存儲TIF 格式文件,如將掃描分辨率提高到600dpi ,則約需115Mb的存儲空間。對于BMP 格式的文件,所需的存儲空間約為TIF 格式的8 倍。為解決分辨率和存儲空間的矛盾,一種更高壓縮比的圖像文件格式有待問世。

　　在實際工作中,通常采用幾何糾正來減少材料變形誤差和掃描過程中產(chǎn)生的隨機誤差。柵格圖幾何糾正一般以圖廓四個角點粗略糾正,然后選擇多個十字格網(wǎng)精確糾正。糾正所用的數(shù)字模型視每幅圖的具體情況而采用線性或非線性變換公式。為確保掃描圖像的質(zhì)量,矢量化之前需要對柵格圖像進行細化處理,細化就是把掃描圖像線條的圖形中心線抽取出來。為減少細化誤差、避免圖像失真,細化前一般采用消噪聲和平滑等預(yù)處理除去圖像上的黑色斑點、孔洞、毛刺和凹陷等噪聲。

　　3.3 　矢量化過程中產(chǎn)生的誤差

　　矢量化是一種單調(diào)乏味、容易出錯的工作,手和眼所引起的坐標誤差隨操作員和時間而變化,經(jīng)常會出現(xiàn)過頭線、不達結(jié)點、多邊形未封閉等錯誤(如圖2 所示) 。另外,要素本身的寬度、密度和復(fù)雜程度對矢量化誤差也有顯著影響,例如,矢量化一條線時,不可能總在線的中央采樣。這些都影響數(shù)據(jù)精度并增加圖形編輯工作量。

　　3.4 　其它誤差

　　除位置誤差外,還存在屬性識別、高程注記識別、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。事實上,在許多情況下,屬性誤差的影響是很大的。這一方面有人為的因素,另一方面也與軟件的自動識別能力有關(guān)。

　　4 　矢量化數(shù)據(jù)后處理

　　對現(xiàn)階段國內(nèi)使用的矢量化軟件,矢量化后的數(shù)據(jù)仍存在一些問題需要在以下幾個方面進行處理。

　　4.1 　曲線點稀釋

　　矢量化追蹤得到的矢量數(shù)據(jù)大多點數(shù)較多,數(shù)據(jù)量大,占用的空間較多,特別是等高線,所以對矢量線條還要進行抽稀處理。抽稀要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(shù)。如果按曲線上相鄰兩點間的最小距離來定義抽稀因子,則曲線上的特征點如曲線弧段起始處、曲線拐彎處、曲率變化較大處的點均可能被抽稀而引起曲線變形。因此,結(jié)合間距與曲率來考慮抽稀因子是比較合理的。

　　4.2 　房屋直角化

　　對于矢量化后不規(guī)則的房屋,需進行直角改正。雖然,矢量化軟件一般都具有直角化功能,問題是房屋的直角改正以改正多大為宜,直角化后房屋的點位誤差、房屋與鄰近地物間的距離誤差是否仍滿足規(guī)范和說明書的有關(guān)規(guī)定。

　　4.3 　直線中間點與重復(fù)點、線處理

　　為準確反映空間拓撲關(guān)系,又最大限度地節(jié)省存儲空間,適當(dāng)刪除直線中間點與重復(fù)點、線是很必要的。

　　4.4 　懸掛點處理

　　矢量化時弧段相交處如不吻合,則會出現(xiàn)懸掛點。這是矢量化產(chǎn)品質(zhì)量標準所不允許的,必須進行處理,正確反映出地物間的位置關(guān)系。

　　4.5 　數(shù)字、文本、符號等的識別及其位置的調(diào)整

　　4.6 　接邊處理

　　接邊是矢量化后一個非常重要的環(huán)節(jié)。每幅圖矢量化完成后都需與相鄰圖幅進行接邊檢查,確保矢量化后的整體圖形忠實于原圖。實際上,由于紙張伸縮和矢量化誤差,相鄰圖幅公共圖廓線兩側(cè)本應(yīng)相互連接的地圖要素會發(fā)生錯位。傳統(tǒng)的接邊方法是將具有相同特征碼的點進行最近距離匹配。但對于多點匹配時,容易產(chǎn)生距離搜索錯誤。最有效的方法是設(shè)置程序進行接邊擬合,將公共圖廓點視為已知點,并加以分析診斷和剔除粗差的功能。

　　以上矢量化后處理工作,主要是在圖形編輯中進行加工,但也可以利用編程語言來實現(xiàn)矢量化軟件的處理能力。

　　5　矢量化產(chǎn)品及其質(zhì)量管理

　　矢量化產(chǎn)品的主要形式是數(shù)字地圖。過去存在一種誤解,認為只要有了數(shù)字化的地圖,用戶就可以根據(jù)需要以任意比例輸出。這對依比例的地物是可行的,但對不依比例的符號、地物及注記就行不通了,如稻田、圍墻、管線、陡坎等。針對這種情況,一方面是從數(shù)據(jù)源端想辦法,要求軟件開發(fā)商擴展其軟件功能,但這種辦法只能對該系統(tǒng)生產(chǎn)的數(shù)字地圖工作。另一方面是從數(shù)據(jù)輸出端想辦法,如從Autocad 上想辦法,這種辦法難度較大,其工具是編程。

　　另外,矢量化產(chǎn)品的質(zhì)量管理也是一個急需解決的問題。至今還沒有簡便有效的檢核條件和完善的檢驗理論。目前對矢量化地圖的檢驗方法主要是屏幕檢查與圖檢(即與底圖對照檢查) 。這種方法充分利用了圖形的直觀性與一覽性特點,但只停留在“看”的水平,即看屏幕與看回放圖。這無異于將“數(shù)字產(chǎn)品”當(dāng)“模擬產(chǎn)品”來檢驗。且缺乏檢驗規(guī)范與驗收標準,人為的因素很多。為突出“數(shù)字”檢測的特點,可開發(fā)通過“數(shù)據(jù)處理過程”來檢測矢量化產(chǎn)品質(zhì)量水平的處理軟件。

　　結(jié)語：

　　掃描數(shù)字化是一種值得推廣的高效率的地圖數(shù)字化方法，但是其數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制也是一個復(fù)雜的過程，要控制好及質(zhì)量必須從各環(huán)節(jié)入手，采用一定的方法減少各種誤差。我們相信隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，未來對掃描矢量化的技術(shù)，質(zhì)量會更加完美。