《数字化测图原理与方法》课程教学资源（教案讲义）第四章 地形图数字化

第四章地形图数字化为充分利用现有的大比例尺地形图，必须采用地形图数字化的方法，将模拟地形图转换成数字地形图。模拟地形图数字化一般有两种方式：手扶跟踪数字化和扫描失量化。地图数字化实质上就是通过数字化仪将图解图形转换成数字信号并送入到计算机进行存储、管理、显示、分析、检索的过程。本章着重介绍手扶跟踪数字化和扫描矢量化的作业过程和EPSCAN扫描矢量化软件的使用。第一节地形图定位当使用数字化仪对地图进行数据转换时，数字化仪所发送的坐标数据是数字化仪坐标系的坐标，与地图坐标系不一致，因此必须把数字化仪坐标系的坐标数据转换成地图坐标系的坐标数据。地形图定位就是求出两个坐标系之间的转换参数，同时还要能有效地克服图纸的变形误差，以提高数字化的精度，因此变形模型的选择很重要。一、线性正形变换如图4-1所示，设XOY为地图坐标系，XOy为数字化仪坐标系，两坐标系的坐标轴之间的夹角为α。地图西南角图点0的地图坐标为X。和Y，数字化仪坐标为Xo，Jo，即0点相对于xoy坐标原点0的平移距离为Xo，yo。(X,Y)(x.y)图4-1坐标变换对于任一已知点P的地图坐标（X,Y）和数字化仪坐标（x,y）进行线性正形变换的数学模型为X-X。=a(x-xo)cosα+(y-yo)sin α(4-1)Y- Y= (x-x)sin α+(y-yo)cosα令a=Acosαb=Asinα则39

39 第四章 地形图数字化 为充分利用现有的大比例尺地形图，必须采用地形图数字化的方法，将模拟地形图转 换成数字地形图。模拟地形图数字化一般有两种方式：手扶跟踪数字化和扫描矢量化。地 图数字化实质上就是通过数字化仪将图解图形转换成数字信号并送入到计算机进行存储、 管理、显示、分析、检索的过程。本章着重介绍手扶跟踪数字化和扫描矢量化的作业过程 和 EPSCAN 扫描矢量化软件的使用。 第一节 地形图定位 当使用数字化仪对地图进行数据转换时，数字化仪所发送的坐标数据是数字化仪坐标 系的坐标，与地图坐标系不一致，因此必须把数字化仪坐标系的坐标数据转换成地图坐标 系的坐标数据。地形图定位就是求出两个坐标系之间的转换参数，同时还要能有效地克服 图纸的变形误差，以提高数字化的精度，因此变形模型的选择很重要。 一、线性正形变换 如图 4-1 所示，设 XOY 为地图坐标系, y 为数字化仪坐标系，两坐标系的坐标轴之 间的夹角为α。地图西南角图廓点 O 的地图坐标为 X 0 和 Y0 ,数字化仪坐标为  0 , 0 y ,即 0 点 相对于 y 坐标原点 O 的平移距离为  0 , 0 y 。 图 4-1 坐标变换 对于任一已知点 P 的地图坐标（ X ,Y ）和数字化仪坐标（ , y ）进行线性正形变换的 数学模型为             ( )sin ( ) cos ( ) cos ( )sin 0 0 0 0 0 0 Y Y y y X X y y − = − + − − = − + − (4-1) 令 a = cos b = sin 则

X = a(x - xo)+b(y- yo)+ XoY = b(xo - x)+a(y-yo)+Y。令O, = -(axo + byo)+ X。Q,= bxo -ay。+ Y.则X=ax+by+Qx(4-2)Y=-bx+ay+Q,式中一长度比：O,,Q,,a,b一待定转换系数。当有n个已知点时，对于每个已知点都可列出一对误差方程式，即r=ax,+by,+Ox-X,(4-3)V =-bx, +ay, +O, -Y,(i=1,2,3,,n)按间接平差原理计算法方程式系数，则法方程式为ngx +[xla+[]b-[x]=0ng,+-[xb-[]=0[x, +e, +[x? +ya-[xx+y]- 0[ve, +[xe, +[x? +y2 b-[vx - x]= 0由此可得O, --(x]-[xla-[vb)9, = =(]-va+[xb)(4-4)a= x+- +]-[-[nx + 2]-bIx]-[x1]6=n+]-[-[令40

40 0 0 0 0 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) Y b a y y Y X a b y y X = − + − + = − + − +     令 0 0 0 0 0 0 ( ) Q b ay Y Q a by X y = − + = − + +    则 Y b ay Qy X a by Q = − + + = + +    （4-2） 式中  —长度比； Q ,Qy ,a,b —待定转换系数。 当有 n 个已知点时，对于每个已知点都可列出一对误差方程式，即 yi i i y i i i i i v b ay Q Y v a by Q X = − + + − = + + −     (4-3) （ i = 1,2,3,., n ） 按间接平差原理计算法方程式系数，则法方程式为                             0 0 0 0 2 2 2 2 + + + − − = + + + − + = + − − = + + − = y Q Q y b yX Y Q y Q y a X yY nQ y a b Y nQ a y b X y y y            由此可得                                         2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) 1 ( ) 1 n y y n yX Y y X Y b n y y n X yY X y Y a Y y a b n Q X a y b n Q y + − − + − − = + − − + − − = = − + = − −            （4-4） 令

tu=al-blym=InInX'=X-Xmy'=y-ym=Xu=[x/nInX'=X-X.Y'=Y-Ym则[xx'+y'y]a=[x" + y"2][y'x'-x'Y]6=4(4-5)[x" +y"]O,=Xm-xma-ymbO,=Ym-yma+Xmb[](4-6)m=±,V2n-t[]-Z(v) 。式中如取4个定位点，则n=4,t=4。由公式（4-5）可计算出4个定向系数a,b,Q%Q。根据式（4-3）及式（4-6)，可求出定位中误差m。中误差在允许范围内，则确认此4个定向系数：若超限，则需重新进行图纸定位。二、仿射变换与线性正形变换相比，仿射变换还顾及到了XY两个方向比例变化的不一致性，其数学模型为X=ax+ay+ao(4-7)Y=b,x+b,y+bo式中X,Y一地图坐标系坐标：x,J一数字化仪坐标系坐标；aj,br,az,b2ao,b6个定向系数。当有n个已知点时，对于每个已知点都可列出一对误差方程式，即'z=ax+ay+a-X,(4-8)'m=bx+b,y+bo-Y,按间接平差原理，可得矩阵形式的法方程式41

41     m m m m X X X n X X n  = − =  = − =          m m m m Y Y Y n Y Y y y y n y y  = − =  = − = 则         Q Y y a b Q X a y b y y X Y b y X y Y a y m m m m m m        = − + = − −  +    −   =  +    +   = 2 2 2 2 （4-5）   n t vv m − =  2 （4-6） 式中 vv = (vv) 。 如取 4 个定位点，则 n = 4,t = 4。 由公式（4-5）可计算出 4 个定向系数 a b Q Qy , , ,  。根据式（4-3）及式（4-6），可求 出定位中误差 m 。中误差在允许范围内，则确认此 4 个定向系数；若超限，则需重新进行 图纸定位。 二、仿射变换 与线性正形变换相比，仿射变换还顾及到了 X ,Y 两个方向比例变化的不一致性，其数 学模型为 1 2 0 1 2 0 Y b b y b X a a y a = + + = + +   （4-7） 式中 X ,Y —地图坐标系坐标； , y —数字化仪坐标系坐标； 1 1 2 2 0 0 a ,b ,a ,b ,a ,b —6 个定向系数。 当有 n 个已知点时，对于每个已知点都可列出一对误差方程式，即 yi i i i v b b y b Y v a a y a X = + + − = + + − 1 2 0 1 2 0    （4-8） 按间接平差原理，可得矩阵形式的法方程式

ZxE(y,x)Z(xiX,)Zx[aZy.y?Z(xy)a2E(y,x)(4-9)Zy:L ExiZXnao一Ex(y,x)Zx[bl[[E(x,Y)2y.E(x.y,)Zy?b2Z(y,Y)-(4-10)ZyiZxnLbo]LZy,分别求解式（4-9）和（4-10)，便可求得^,a2,o,b,b,bo六个变换参数。按前述步骤，即可求得数字化点的地图坐标。三、地形图定位方法地图定位按已知点的类别可分为图廓点定位和控制点定位两种方式。当图幅内没有已知控制点，或虽有控制点但控制点不满足地图定位要求（点数不够，或点数分布不均，或点位不清晰等），一般采用四个内图廓点作为已知点进行地图定位，四个内图廓点的地图坐标，由地图可直接读取。当采用控制点进行地图定位时应首先确定好控制点的图上点位，然后输入对应的控制点的坐标。1.按图廓点的地形图定位先输入图幅左下角和右上角的地图坐标XYXY，单位为米。然后由数字化仪游标分别对准左上角、左下角、右下角和右上角图廓点依此输入这四个图廓点的数字化坐标。为了保证地图定位的正确性，须重复做一次，两次定位结果符合限差要求，则地形图定位结束，否则重新进行地形图定位。2.按控制点的地形图定位在图幅内选择3～5个控制点，控制点均匀分布，然后对控制点分别进行数字化。将数字化仪游标十字丝对准控制点输入控制点数字化坐标，同时由计算机键盘输入该控制点的地图测量坐标，控制点数字化完后，同样须重复一次。第二节手扶跟踪数字化一、数字化仪概述如何将图上的图形（一系列点）转换成坐标值，并且把它们分门别类地存储起来，就是从图上采集数据的基本内容。从图上获取数据的过程称为图数转换或模数转换，也称数字化。实现这种转换的仪器称为数字化仪。从原图（地形图、地籍图、平面图、城市规划图、用于装绘的局部图等）进行数据采集，是当前数字化测图获取数据的一个重要手段1.数字化仪的结构原理跟踪数字化仪是用手扶跟踪或半自动跟踪的方式，将原图上的图形进行数字化的。跟踪数字化仪主要由：数字化板（操作平台）、图形操作定标器、控制结构（含接口装置）三大部分组成，如图4-2所示。42

42                   y n y y y y i i i i i i i i i i      2 2 ( ) ( )           0 2 1 a a a =              i i i i i X y X X ( ) ( ) (4-9)                   y n y y y y i i i i i i i i i i      2 2 ( ) ( )           0 2 1 b b b =              i i i i i Y y Y Y ( ) ( ) (4-10) 分别求解式（4-9）和（4-10），便可求得 1 2 0 1 2 0 a ,a ,a ,b ,b ,b 六个变换参数。按前述步 骤，即可求得数字化点的地图坐标。 三、地形图定位方法 地图定位按已知点的类别可分为图廓点定位和控制点定位两种方式。当图幅内没有已 知控制点，或虽有控制点但控制点不满足地图定位要求（点数不够，或点数分布不均，或 点位不清晰等），一般采用四个内图廓点作为已知点进行地图定位，四个内图廓点的地图坐 标，由地图可直接读取。当采用控制点进行地图定位时应首先确定好控制点的图上点位， 然后输入对应的控制点的坐标。 1.按图廓点的地形图定位 先输入图幅左下角和右上角的地图坐标 Xs Ys X m Ym , , , ，单位为米。然后由数字化仪游 标分别对准左上角、左下角、右下角和右上角图廓点依此输入这四个图廓点的数字化坐标。 为了保证地图定位的正确性，须重复做一次，两次定位结果符合限差要求，则地形图定位 结束，否则重新进行地形图定位。 2.按控制点的地形图定位 在图幅内选择 3～5 个控制点，控制点均匀分布，然后对控制点分别进行数字化。将数 字化仪游标十字丝对准控制点输入控制点数字化坐标，同时由计算机键盘输入该控制点的 地图测量坐标，控制点数字化完后，同样须重复一次。 第二节 手扶跟踪数字化 一、数字化仪概述 如何将图上的图形（一系列点）转换成坐标值，并且把它们分门别类地存储起来，就 是从图上采集数据的基本内容。从图上获取数据的过程称为图数转换或模数转换，也称数 字化。实现这种转换的仪器称为数字化仪。从原图（地形图、地籍图、平面图、城市规划 图、用于装绘的局部图等）进行数据采集，是当前数字化测图获取数据的一个重要手段. 1.数字化仪的结构原理 跟踪数字化仪是用手扶跟踪或半自动跟踪的方式，将原图上的图形进行数字化的。跟 踪数字化仪主要由：数字化板（操作平台）、图形操作定标器、控制结构（含接口装置）三 大部分组成，如图 4-2 所示

-数字化板定标器（鼠标））一控制机构4-2手扶跟踪数字化仪的基本结构数字化板一般厚约2cm，其塑料表面平整光滑，表面下平板之中嵌入了一组互相垂直规则的栅格状导线（即x，y导线栅格阵列），如图4-3所示，构成了一个具有高分解度的矩阵（一个精细的坐标系）。图形操作定标器（简称定标器，俗称“鼠标器”）是一种图形输入装置，其外型像一只拖着尾巴的老鼠，如图4-4（a）、（b）所示。其内部装有一个中心嵌着十字丝（十字定准线）的感应线圈，作为信号发射源。定标器上一般有16个按键，内部按0一15编号，表面按0一9和A一F标出，如图4-4（c）所示。作业过程由定标器产生磁场信号，由于电磁感应产生电场，引起嵌在数字化板内的格网状导线相应位置上电场的变化，经过逻辑电路的处理，就得到定标器在数字板化上的坐标。作业时将图纸固定在数字化板上的有效范围内，为采记下图形某一点的位置，只要将定标器上的十字丝对准该点，并操作定标器上相应的按键，便可测定和记录下该点在数字化板上的坐标，经转换即可得到该点的图上坐标。控制机构起到由点信号到数字变换的枢纽作用。在控制机构的微处理器中，还有一个能起缓冲作用的临时存储器，在传送到计算机之前，将坐标值和功能键发出的信号暂存在这里，以便发现操作不当和错误时及时纠正。2.数字化仪的性能指标(1)一般常用数字化仪的有效工作幅面有A0～A4几种规格，如表4-1，可方便地用于各种图幅的地图数字化。(2)数字化仪的分辨率（能识别的最小距离）有两种单位：毫米（mm）和英寸（in），通常分辨率能达到0.1mm（10线/mm）~0.01mm（100线/mm）,0.01in（100线/in）~0.001in (1000线/ in)。(3)数字化仪的波特率（异步通信的数据传输速度）有1200，2400，4800，9600，19200b/s常用的为9600b/s。(4)数字化仪的发送数据的输出格式，一般有ASCII码和二进制码两种，具体的数据输出格式可根据需要自行设置。数字化仪的输出速度一般为10对/s～100对/s(5)奇偶检校及数据位：数据位一般为7位或8位，检校位为1位。奇偶检校有5种配置：7位偶检校、7位奇检校、8位无检校、8位偶检校、8位奇检校。43

43 4-2 手扶跟踪数字化仪的基本结构 数字化板一般厚约 2cm，其塑料表面平整光滑，表面下平板之中嵌入了一组互相垂直 规则的栅格状导线（即 x，y 导线栅格阵列），如图 4-3 所示，构成了一个具有高分解度的 矩阵（一个精细的坐标系）。图形操作定标器（简称定标器，俗称“鼠标器”）是一种图形 输入装置，其外型像一只拖着尾巴的老鼠，如图 4-4（a）、（b）所示。其内部装有一个中 心嵌着十字丝（十字定准线）的感应线圈，作为信号发射源。定标器上一般有 16 个按键， 内部按 0—15 编号，表面按 0—9 和 A—F 标出，如图 4-4（c）所示。作业过程由定标器产 生磁场信号，由于电磁感应产生电场，引起嵌在数字化板内的格网状导线相应位置上电场 的变化，经过逻辑电路的处理，就得到定标器在数字板化上的坐标。作业时将图纸固定在 数字化板上的有效范围内，为采记下图形某一点的位置，只要将定标器上的十字丝对准该 点，并操作定标器上相应的按键，便可测定和记录下该点在数字化板上的坐标，经转换即 可得到该点的图上坐标。 控制机构起到由点信号到数字变换的枢纽作用。在控制机构的微处理器中，还有一个 能起缓冲作用的临时存储器，在传送到计算机之前，将坐标值和功能键发出的信号暂存在 这里，以便发现操作不当和错误时及时纠正。 2.数字化仪的性能指标 ⑴一般常用数字化仪的有效工作幅面有 A0～A4 几种规格，如表 4-1，可方便地用于各 种图幅的地图数字化。 ⑵数字化仪的分辨率（能识别的最小距离）有两种单位：毫米（mm）和英寸（in）， 通常分辨率能达到 0.1 mm (10 线/ mm )～0.01 mm (100 线/ mm),0.01 in (100 线/in) ～0.001 in (1000 线/ in)。 ⑶数字化仪的波特率（异步通信的数据传输速度）有 1200，2400，4800，9600，19200b/s, 常用的为 9600 b/s。 ⑷数字化仪的发送数据的输出格式，一般有 ASCII 码和二进制码两种，具体的数据输 出格式可根据需要自行设置。数字化仪的输出速度一般为 10 对/s～100 对/s. ⑸奇偶检校及数据位：数据位一般为 7 位或 8 位，检校位为 1 位。奇偶检校有 5 种配 置：7 位偶检校、7 位奇检校、8 位无检校、8 位偶检校、8 位奇检校

3数字化仪与计算机的连接数字化仪具有RS-232C标准串行接口，用一根串行线把数字化仪的串行接口和计算机的串行接口连接，即可实现数字化仪和计算机的数据通信。二、手扶跟踪数字化地形图数字化方法手扶跟踪地图数字化，将数字化仪和计算机连接，地图固定在数字化板上，先进行菜单定位，还需进行地图定位，然后，遂点数学化地图要素的特征点，并利用菜单或计算机键盘输入地图要素代码，经计算机程序处理，即可在屏幕上显示已数字化的地图图形。1.图板菜单的定位地图数字化除需给出地图要素的地图坐标外，还必须输入相应地图要素类别。这些地图要素类别用规定的代码来表示。代码输入方法通常采用菜单法输入地图要素代码。在数字化桌面上开辟一个菜单区，通常把菜单放在数字化桌的右面，菜单区可以是一个矩形或正方形。在菜单区内按行和列分成相同大小的小方格（矩形或正方形），每个小方格内是以图形表示或文学说明常用地图图式符号和图形处理功能。在使用菜单前必须将菜单进行定位，才能根据菜单格内取点坐标，判别出菜单选项，定位原理与地图定位相同。菜单定位的定向点一般取菜单的左上、左下和右下角三点，定向点在菜单坐标系中的坐标为：左上角：X=L，Y=0Y=0左下角：X=0，右下角：X=0,Y=W这里，L为菜单的竖向长度，W为菜单的横向宽度，单位均为毫米。菜单定位完成后，菜单区内某一位置的行号和列号都可由数字化仪坐标换算出来。在地图数字化系统程序中，每一对行号和列号都和方格所对应的代码或程序功能已联系起来，因此只要在数字化地图要素之前或之后，将数字化仪游标移到菜单区相应的地图图式符号的小方格内，这样就把该地图要素的代码和图形的坐标（几何位置）连在一起，形成一个规定格式的数据串储存在计算机内。数字化菜单除用于输入图形要素代码外，还可输入程序执行命令，进行数字化数据的处理和屏幕图形的编辑，作为人机交互系统中的一个输入设备。2.地形图定位地图定位按已知点的类别可分为图廓点定位和控制点定位。一般采用4个内图廓点（格网点）作为已知点进行地图定位，即数字化仪鼠标的十字丝交点分别对准地形图的左下角、左上角、右上角、右下角4个内图廓点，依此获得它们的数字化仪坐标。当图幅内有分布均匀、点位精度清晰的已知控制点时，可采用控制点进行地图定位。地形图定位定向的实质是进行坐标变换。线性正形变换方法，除了一般的坐标轴平移和旋转外，它还增加了比例尺因子的改正。用以上方法定向后再进行数字化，可以有效地克服地图图纸的不均匀变形和提高数字化的精度。3.数据采集地图数字化的数据采集与野外数据测量类似，只要对地形的特征点进行数字化仪采集，即可得到每一特征点的点位坐标，同时还输入它们的属性编码（由编码绘制图式符号）和连接信息（使本点与应该连接的点相连）。所不同的是，数字化是在图上采集而不是在实地44

44 3.数字化仪与计算机的连接 数字化仪具有 RS-232C 标准串行接口，用一根串行线把数字化仪的串行接口和计算机 的串行接口连接，即可实现数字化仪和计算机的数据通信。 二、手扶跟踪数字化地形图数字化方法 手扶跟踪地图数字化,将数字化仪和计算机连接，地图固定在数字化板上，先进行菜单 定位，还需进行地图定位，然后，逐点数字化地图要素的特征点，并利用菜单或计算机键 盘输入地图要素代码，经计算机程序处理，即可在屏幕上显示已数字化的地图图形。 1.图板菜单的定位 地图数字化除需给出地图要素的地图坐标外，还必须输入相应地图要素类别。这些地 图要素类别用规定的代码来表示。代码输入方法通常采用菜单法输入地图要素代码。 在数字化桌面上开辟一个菜单区，通常把菜单放在数字化桌的右面，菜单区可以是一 个矩形或正方形。在菜单区内按行和列分成相同大小的小方格（矩形或正方形），每个小方 格内是以图形表示或文字说明常用地图图式符号和图形处理功能。在使用菜单前必须将菜 单进行定位，才能根据菜单格内取点坐标，判别出菜单选项，定位原理与地图定位相同。 菜单定位的定向点一般取菜单的左上、左下和右下角三点，定向点在菜单坐标系中的坐标 为： 左上角： X = L ， Y = 0 左下角： X = 0， Y = 0 右下角： X = 0， Y =W 这里， L 为菜单的竖向长度， W 为菜单的横向宽度，单位均为毫米。 菜单定位完成后，菜单区内某一位置的行号和列号都可由数字化仪坐标换算出来。在 地图数字化系统程序中，每一对行号和列号都和方格所对应的代码或程序功能已联系起来， 因此只要在数字化地图要素之前或之后，将数字化仪游标移到菜单区相应的地图图式符号 的小方格内，这样就把该地图要素的代码和图形的坐标（几何位置）连在一起，形成一个 规定格式的数据串储存在计算机内。数字化菜单除用于输入图形要素代码外，还可输入程 序执行命令，进行数字化数据的处理和屏幕图形的编辑，作为人机交互系统中的一个输入 设备。 2.地形图定位 地图定位按已知点的类别可分为图廓点定位和控制点定位。一般采用 4 个内图廓点（格 网点）作为已知点进行地图定位，即数字化仪鼠标的十字丝交点分别对准地形图的左下角、 左上角、右上角、右下角 4 个内图廓点，依此获得它们的数字化仪坐标。当图幅内有分布 均匀、点位精度清晰的已知控制点时，可采用控制点进行地图定位。 地形图定位定向的实质是进行坐标变换。线性正形变换方法，除了一般的坐标轴平移 和旋转外，它还增加了比例尺因子的改正。用以上方法定向后再进行数字化，可以有效地 克服地图图纸的不均匀变形和提高数字化的精度。 3.数据采集 地图数字化的数据采集与野外数据测量类似，只要对地形的特征点进行数字化仪采集， 即可得到每一特征点的点位坐标，同时还输入它们的属性编码（由编码绘制图式符号）和 连接信息（使本点与应该连接的点相连）。所不同的是，数字化是在图上采集而不是在实地

进行，因而采集特征点的顺序可以更有规律性，例如，可按地物类型分类采集，先采集房屋，再采集道路等。一个地物可以被连续采完，这样，采集每一个点所应输入的信息就可以大大省略，而且有效地防止了地物的漏采。如采集一条道路，只要在采集第一点时输入一次道路的编码，采集这条道路其它特征点的编码都可以由程序自动默认填写。连接信息也可以省略，因为都是顺序采点，当前所采的点一般都是与上一采点相连，这一信息自然可以由程序自动默认填写，只有在起始情况下才由人工键入。所以由数字化仪采集数据就比外业测量采集数据更简便快速。数字化软件就是考虑了数字化的这些特点而设计和编程的。在数字化过程中，对手独立地物符号，只需采集符号的定位点：对手折线线状符号，只需采集各转折点：若是曲线线状符号，只采集曲线的特征点（如明显的转弯点），由程序自动拟合为曲线。对于有方向的线状符号，如围墙、栏杆、陡砍、斜坡等要结合图式符号库的具体算法进行采集，只采集其定位线，采集时前进方向右侧（或左侧，按软件的图式符号库规定的方向）为短毛线或小符号。对手面状符号，则只需其轮廓线上的拐角点或特征点。若内部有填充符号，则轮廓线必须闭合，程序根据地物的编码和轮廓线的位置自动配置并填充符号。对于闭合图形，数字化时也需要闭合，闭合的方法因数字化软件的不同而有所区别，有的软件能实现自动闭合，而有的软件则规定在闭合点处重复采集一次。至于注记，一般不进行数字化，在图形编辑时加入，目前的数字化软件都提供了注记功能。公共边的采集需要特殊规定：既满足多边形闭合的条件，以便计算面积，义希望对公共边只采集一次。地图数字化的具体操作是在计算机和数字化仪组成的系统中进行的，计算机内安装有地图数字化软件。数字化采集进行之前，要将地图和台板菜单固定在数字化板面上，以防在数字化过程中图纸和菜单被移动，然后进行地图和台板菜单定位。如果在数字化过程中发现图纸有移动，必须对地图重新定位，之后即可开始大比例尺地形图数字化的工作。地形图的数字化通常需要分层，当然有些功能较强的数字化软件，也可不分层进行数字化，但在需要分层时，数字地形图仍可任意分层。数学化采点时，将数学化仪鼠标的十字交点对准地物的特征点，按鼠标左键，得到该点的平面坐标数据，然后移动鼠标到菜单区，对准该数字化点图式符号所在的小方格，按一下鼠标键，便自动把该点的编码输入到计算机中，并与该点的坐标数据联系在一起，同时在计算机屏幕上显示出刚数字化的图形。逐点进行各类地物的数字化，直到整幅图数字化完成。4.数字化精度数字化精度是数字化工作必须考虑的问题，首先要保证原图的质量，要求图纸变形小和图面清晰。跟踪数字化过程中引起的误差比较复杂，它包括图纸定位误差、采样误差、仪器误差等。1)图纸定位误差定位误差受到定位点本身的误差、定位点的分布情况以及坐标变换模型选择等因素的影响。不同的变换模型对于克服图纸的各种变形的效果不一样，一般需通过实验选用。定位点应均匀分布，图纸定位时应保证有一定的多余观测，即应有多余的定位点，一方面提高精度，另一方面也为剔除粗差创造条件，从而减少粗差的影响。2)采样误差45

45 进行，因而采集特征点的顺序可以更有规律性，例如，可按地物类型分类采集，先采集房 屋，再采集道路等。一个地物可以被连续采完，这样，采集每一个点所应输入的信息就可 以大大省略，而且有效地防止了地物的漏采。如采集一条道路，只要在采集第一点时输入 一次道路的编码，采集这条道路其它特征点的编码都可以由程序自动默认填写。连接信息 也可以省略，因为都是顺序采点，当前所采的点一般都是与上一采点相连，这一信息自然 可以由程序自动默认填写，只有在起始情况下才由人工键入。所以由数字化仪采集数据就 比外业测量采集数据更简便快速。数字化软件就是考虑了数字化的这些特点而设计和编程 的。 在数字化过程中，对于独立地物符号，只需采集符号的定位点；对于折线线状符号， 只需采集各转折点；若是曲线线状符号，只采集曲线的特征点（如明显的转弯点），由程序 自动拟合为曲线。对于有方向的线状符号，如围墙、栏杆、陡砍、斜坡等要结合图式符号 库的具体算法进行采集，只采集其定位线，采集时前进方向右侧（或左侧，按软件的图式 符号库规定的方向）为短毛线或小符号。对于面状符号，则只需其轮廓线上的拐角点或特 征点。若内部有填充符号，则轮廓线必须闭合，程序根据地物的编码和轮廓线的位置自动 配置并填充符号。对于闭合图形，数字化时也需要闭合，闭合的方法因数字化软件的不同 而有所区别，有的软件能实现自动闭合，而有的软件则规定在闭合点处重复采集一次。至 于注记，一般不进行数字化，在图形编辑时加入，目前的数字化软件都提供了注记功能。 公共边的采集需要特殊规定：既满足多边形闭合的条件，以便计算面积，又希望对公 共边只采集一次。 地图数字化的具体操作是在计算机和数字化仪组成的系统中进行的，计算机内安装有 地图数字化软件。数字化采集进行之前，要将地图和台板菜单固定在数字化板面上，以防 在数字化过程中图纸和菜单被移动，然后进行地图和台板菜单定位。如果在数字化过程中 发现图纸有移动，必须对地图重新定位，之后即可开始大比例尺地形图数字化的工作。 地形图的数字化通常需要分层，当然有些功能较强的数字化软件，也可不分层进行数 字化，但在需要分层时，数字地形图仍可任意分层。数字化采点时，将数字化仪鼠标的十 字交点对准地物的特征点，按鼠标左键，得到该点的平面坐标数据，然后移动鼠标到菜单 区，对准该数字化点图式符号所在的小方格，按一下鼠标键，便自动把该点的编码输入到 计算机中，并与该点的坐标数据联系在一起，同时在计算机屏幕上显示出刚数字化的图形。 逐点进行各类地物的数字化，直到整幅图数字化完成。 4.数字化精度 数字化精度是数字化工作必须考虑的问题，首先要保证原图的质量，要求图纸变形小 和图面清晰。跟踪数字化过程中引起的误差比较复杂，它包括图纸定位误差、采样误差、 仪器误差等。 1)图纸定位误差 定位误差受到定位点本身的误差、定位点的分布情况以及坐标变换模型选择等因素的 影响。不同的变换模型对于克服图纸的各种变形的效果不一样，一般需通过实验选用。定 位点应均匀分布，图纸定位时应保证有一定的多余观测，即应有多余的定位点，一方面提 高精度，另一方面也为剔除粗差创造条件，从而减少粗差的影响。 2)采样误差

采样误差主要有采点时的对中误差和取点的代表性误差。采样误差属于偶然误差，当数字化一条粗线时，很难连续地把光标对准在线的中央。对等高线数字化时，操作上就可能产生更多的偏移误差，所以数字化的精度在很大程度上受到操作员的技能及责任心和疲劳情况的影响，另一方面还受到被数字化要素的宽度、密度及复杂性的影响。3)仪器误差仪器误差是指由于数字化仪本身的结构及分辨率等因素引起的误差，属于系统误差。目前数字化仪的精度一般能达到0.1mm0.2mm，这是可以满足数字化图的精度要求的。第三节地形图的扫描数字化一、扫描仪概述扫描仪可以将图形、图像（黑白或彩色）快速、高精度地扫描输入到计算机。线划地形图、遥感和航测照片都可用扫描仪扫描后输入计算机，经过图像处理软件分析和人机交互处理后，生成可供利用的数据。1.扫描图像利用扫描仪扫描，得到的是地形图的点阵图像数据。一幅数字图像可视为一个矩阵，矩阵中一个元素对应图像中的一个像点，而每个矩阵元素的值则对应于该点的灰度级，称这个数字阵列元素为像素。图像数据存储的格式为栅格或网格数据格式。如果图像的所有像素仅有黑和白两个灰度级，则称为二值图像，否则称为灰度图像或彩色图像。常用的栅格数据标准文件格式有TIFF、GIF、PCX、BMP等。2.栅格图像与矢量图形的区别（1）栅格图像是以点阵形式存储，它的基本元素是像素（像元），它是以像素灰度的矩阵形式记录的：矢量图形是以矢量形式存储的，它的基本元素是图形要素，图形要素的几何形状是以坐标方式按点、线、面结构记录的。2）图像的显示是逐行、逐列、逐像元地显示，与内容无关：图形的显示是逐个图形要素按顺序地显示，显示位置的先后没有规律。（3）图像放大到一定的倍数时，图像信息会发生失真，特别是图像目标的边界会发生阶梯效应：图形的放大和缩小，其图形要素、目标不会发生失真。(4)表示效果相同时，栅格图像表示比矢量图形表示所占用的存储空间大得多。栅格数据结构比矢量数据结构简单，但图形数据量大：其空间数据的叠置和组合十分简便，一些空间分析也易于进行：图像表现比较真切，易于与遥感数据匹配应用和分析，因此在GIS中，它与量数据结构并用。3.栅格图像的矢量化矢量数据结构是人们最熟悉的图形表达形式。地形测量，从原理到方法，从测定地形特征点位置到线划地形图中各类地物的表示，以及设计用图，或计算机辅助设计（CAD）等，都是利用矢量数据和矢量算法，数字测图也仍采用矢量法原理、失量数据结构。矢量数据还具有一些优点，如精确度高，数据结构严密，数据量小，显示、输出的图形精确美观。此外，相互连接的线形网络和多边形网络的生成和处理，只有矢量数据结构模式才能进行，有利于网络（如交通运输网络，上水、下水管网等）的分析。地形图的应用，如进行点、线、面、坡度、断面等的计算，各类分析、统计等，也必须用矢量数据表示。46

46 采样误差主要有采点时的对中误差和取点的代表性误差。采样误差属于偶然误差，当 数字化一条粗线时，很难连续地把光标对准在线的中央。对等高线数字化时，操作上就可 能产生更多的偏移误差，所以数字化的精度在很大程度上受到操作员的技能及责任心和疲 劳情况的影响，另一方面还受到被数字化要素的宽度、密度及复杂性的影响。 3)仪器误差 仪器误差是指由于数字化仪本身的结构及分辨率等因素引起的误差，属于系统误差。 目前数字化仪的精度一般能达到 0.1mm～0.2mm，这是可以满足数字化图的精度要求的。 第三节 地形图的扫描数字化 一、扫描仪概述 扫描仪可以将图形、图像(黑白或彩色)快速、高精度地扫描输入到计算机。线划地形 图、遥感和航测照片都可用扫描仪扫描后输入计算机，经过图像处理软件分析和人机交互 处理后，生成可供利用的数据。 1.扫描图像 利用扫描仪扫描，得到的是地形图的点阵图像数据。一幅数字图像可视为一个矩阵， 矩阵中一个元素对应图像中的一个像点，而每个矩阵元素的值则对应于该点的灰度级，称 这个数字阵列元素为像素。图像数据存储的格式为栅格或网格数据格式。如果图像的所有 像素仅有黑和白两个灰度级，则称为二值图像，否则称为灰度图像或彩色图像。常用的栅 格数据标准文件格式有 TIFF、GIF、PCX、BMP 等。 2.栅格图像与矢量图形的区别 (1)栅格图像是以点阵形式存储，它的基本元素是像素(像元)，它是以像素灰度的矩阵 形式记录的；矢量图形是以矢量形式存储的，它的基本元素是图形要素，图形要素的几何 形状是以坐标方式按点、线、面结构记录的。 (2)图像的显示是逐行、逐列、逐像元地显示，与内容无关；图形的显示是逐个图形要 素按顺序地显示，显示位置的先后没有规律。 (3)图像放大到一定的倍数时，图像信息会发生失真，特别是图像目标的边界会发生阶 梯效应；图形的放大和缩小，其图形要素、目标不会发生失真。 (4)表示效果相同时，栅格图像表示比矢量图形表示所占用的存储空间大得多。 栅格数据结构比矢量数据结构简单，但图形数据量大；其空间数据的叠置和组合十分 简便，一些空间分析也易于进行；图像表现比较真切，易于与遥感数据匹配应用和分析， 因此在 GIS 中，它与矢量数据结构并用。 3.栅格图像的矢量化 矢量数据结构是人们最熟悉的图形表达形式。地形测量，从原理到方法，从测定地形 特征点位置到线划地形图中各类地物的表示，以及设计用图，或计算机辅助设计（CAD）等， 都是利用矢量数据和矢量算法，数字测图也仍采用矢量法原理、矢量数据结构。矢量数据 还具有一些优点，如精确度高，数据结构严密，数据量小，显示、输出的图形精确美观。 此外，相互连接的线形网络和多边形网络的生成和处理，只有矢量数据结构模式才能进行， 有利于网络(如交通运输网络，上水、下水管网等)的分析。地形图的应用，如进行点、线、 面、坡度、断面等的计算，各类分析、统计等，也必须用矢量数据表示

按地形图扫描数字化，对原图扫描获得栅格图像数据后，将栅格图像数据转换为矢量图形数据，即以坐标方式记录图形要素的几何形状，这个转换过程称为失量化。失量化后的图形，再经过编辑、修改、加注即生成数字化图。扫描图像数据进入计算机后，目前还不能实现计算机全自动识别地形图的内容，并从栅格数据中提取各类地形要素及区别要素间不同的属性。4.扫描屏幕数字化将栅格图像转换为矢量图形，一般的线段可做到自动跟踪矢量化，但由于地形图上线划分布比较复杂，尤其是大比例尺地形图，地物要素的多样、重叠、交叉以及一些文字符号、注记等，使得全自动跟踪矢量化更加困难。一般都是在计算机屏幕上采用人机交互与自动跟踪相结合的方法完成地形图的矢量化，所以又称为扫描屏幕数字化。由于扫描数字化在同等条件下（如纸张的变形程度、清晰程度）的精度比手扶跟踪数字化高（300点／英寸或500点/英寸的扫描仪分辨率可达0.08mm～0.05mm（800线/mm500线/mm）），自动化程度高，劳动强度小，是地形图数字化的发展方向。随着扫描屏幕数字化软件的不断完善，扫描屏幕数字化的方法将因优于手扶跟踪数字化而得到广泛的应用。二、扫描屏幕数字化的作业过程1.检查工作底图作业前要对工作底图进行检查，检查内容包括图形的精度、变形情况、现势性等，还应检查工作底图是否干净整洁，线划、注记是否清晰。如工作底图质量不好，可进行修补或重新标描。2.扫描地形图将扫描仪与计算机连接好，接通电源并在计算机中启动图形扫描软件。将图纸放入扫描仪中经扫描后形成矢量化软件可以接收的栅格图像文件。当图幅尺寸大于扫描窗口尺寸时可以在工作底图上绘出分块标志分块进行扫描，分块标志可使用坐标格网。3.调入图像文件启动矢量化软件，调入需要进行矢量化的图像文件，可以利用软件中去噪声的功能，去除扫描图像中的噪点。4.地形图定位按前述图点定位或控制点定位的方法，将扫描的地形图图像定位到与该图测量坐标系实地一致的位置，保证图形在坐标系中的绝对位置与实地一致和扫描过程中产生的影像与实际图形间的变形误差。5.图形矢量化根据图上地物特征设定图形编码，然后利用鼠标跟踪影像图，即可得到图形矢量数据。在矢量化中间和结束时要进行数据存盘。6.图形编辑在矢量化结束后应对图形进行必要的编辑，如注记移位、图形接边等。47

47 按地形图扫描数字化，对原图扫描获得栅格图像数据后，将栅格图像数据转换为矢量 图形数据，即以坐标方式记录图形要素的几何形状，这个转换过程称为矢量化。矢量化后 的图形，再经过编辑、修改、加注即生成数字化图。扫描图像数据进入计算机后，目前还 不能实现计算机全自动识别地形图的内容，并从栅格数据中提取各类地形要素及区别要素 间不同的属性。 4.扫描屏幕数字化 将栅格图像转换为矢量图形，一般的线段可做到自动跟踪矢量化，但由于地形图上线 划分布比较复杂，尤其是大比例尺地形图，地物要素的多样、重叠、交叉以及一些文字符 号、注记等，使得全自动跟踪矢量化更加困难。一般都是在计算机屏幕上采用人机交互与 自动跟踪相结合的方法完成地形图的矢量化，所以又称为扫描屏幕数字化。由于扫描数字 化在同等条件下(如纸张的变形程度、清晰程度)的精度比手扶跟踪数字化高(300 点／英寸 或 500 点／英寸的扫描仪分辨率可达 0.08mm～0.05mm(800 线／mm～500 线／mm))，自动化 程度高，劳动强度小，是地形图数字化的发展方向。随着扫描屏幕数字化软件的不断完善， 扫描屏幕数字化的方法将因优于手扶跟踪数字化而得到广泛的应用。 二、扫描屏幕数字化的作业过程 1.检查工作底图 作业前要对工作底图进行检查，检查内容包括图形的精度、变形情况、现势性等，还 应检查工作底图是否干净整洁，线划、注记是否清晰。如工作底图质量不好，可进行修补 或重新标描。 2.扫描地形图 将扫描仪与计算机连接好，接通电源并在计算机中启动图形扫描软件。将图纸放入扫 描仪中经扫描后形成矢量化软件可以接收的栅格图像文件。 当图幅尺寸大于扫描窗口尺寸时可以在工作底图上绘出分块标志分块进行扫描，分块 标志可使用坐标格网。 3.调入图像文件 启动矢量化软件，调入需要进行矢量化的图像文件，可以利用软件中去噪声的功能， 去除扫描图像中的噪点。 4.地形图定位 按前述图廓点定位或控制点定位的方法，将扫描的地形图图像定位到与该图测量坐标 系实地一致的位置，保证图形在坐标系中的绝对位置与实地一致和扫描过程中产生的影像 与实际图形间的变形误差。 5.图形矢量化 根据图上地物特征设定图形编码，然后利用鼠标跟踪影像图，即可得到图形矢量数据。 在矢量化中间和结束时要进行数据存盘。 6.图形编辑 在矢量化结束后应对图形进行必要的编辑，如注记移位、图形接边等