地理信息系统数据矢量化若干问题分析

吴健敏

摘要：本文指出地图扫描矢量化全过程存在的若干问题，分析了问题的原因，结合扫描地图自动矢量化的需要，对它们进行了改进和重新设计，提出了一种简易的轮廓线方向求救方法，对避免和减少误差、提高矢量化产品质量有一定实际意义。

关键词：矢量化；栅格化图像；数据格式；细化

Abstract: This paper points out the several problems existing in map scanning vectorization process, and analyzes the causes. And combined with the need of map scanning automatic vectorization, the improvement and redesign are conducted, and a simple method of contour direction is proposed, which has some practical significance to avoid and reduce errors, and improve the vectorization project quality.

Key words: vectorization; rasterized image; data format; detailing

中图分类号：K99文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1 引言

地图扫描矢量化是获取数字化地图数据的有效手段。传统矢量化过程采用交互方式完成，这种方法相对于早期的手扶跟踪数字化方法而言，不管是在效率，还是在京都方面，都有明显的提高，但是由于仍然需要花费大量手工劳动，自动化度不是很高。

随着地理信息系统（Geographic Informmation System,GIS）技术的飞速发展和数字地球的提出，空间数据在诸如航空、遥感、地质、测绘、通讯、交通、水电、军事、旅游、商业等不同领域展现出日益强大的生命力。空间数据采集已成为建立我国基础地理信息产业的一项重要基础工作。扫描矢量化因充分利用了现有的大量纸地图，将绘图人员从传统的数字化仪描图板前解放出来，同时利用了计算机高速智能化处理能力，从而成为目前国际上流行的一种全新的数据采集手段，但是在地区扫描矢量化的过程中，仍存在诸多问题有待解决。

1.1地理信息系统的组成

从系统论和应用的角度出发，地理信息系统被分为四个子系统，即计算机硬件和系统软件，数据库系统，数据库管理系统，应用人员和组织机构。

（1）.计算机硬件和系统软件：这是开发、应用地理信息系统的基础。其中硬件主要包括计算机、打印机、绘图仪、扫描仪、数字化仪等；系统软件主要指操作系统。

（2）.数据库系统：系统的功能是完成对数据的存储，它又包括几何（图形）数据和属性数据库。事实上，几何和属性数据库可以合二为一，即属性数据存在以几何数据中，这也是目前地理信息系统研究的主要内容之一。

（3）数据库管理系统：这是地理信息系统的核心，通过数据库管理系统，可以完成对地理数据的输入、处理、管理、分析和输出。

（4）应用人员和组织机构：专业人员，特别是那些复合人才是地理信息系统成功应用的关键，二强有力里德组织是系统运行的保障。

1.2地理信息系统优越的功能和特点

（1）分层的空间模型：GIS将显示世界抽象为互相连接不同特征的层面组合，对不同专题的信息从逻辑上区分开来，一边对数据分门别类地查询。

（2）数据输入、储存、更新：GIS把要处理的信息分为两类，第一类是反映事物的地理空间位置信息，称为空间数据，也常称为地理数据或图形数据，第二类是与事物地理位置有关，反映事物其他特征的信息，可称为专题属性数据，也称为属性数据或非图形数据。

（3）地物和属性数据双向查询和分类：对空间数据进行快速搜索和复杂查询以及按多种方式分类是GIS的看家本领，尤其是地物属性数据双向查询更是独树一帜。

（4）综合管理和分析：GIS可从空间位置的相互关系及其相关属性进行综合管理和综合分析，如土地适宜性评价、项目选址、发展模拟、环境监测、开发控制等。空间信息的查询和分析是GIS与其他数据处理系统的主要区别。

（5）可视化表达输出：GIS的操作结果通过可视化的地图、影像、多媒体的方式加以直观表达，这是GIS无与伦比的另一优势。

（6）辅助决策：数据集成、空间分析、可视化表达GIS堪称最佳决策支持系统。

1.3地理信息系统的数据获取方式

目前，根据GIS数据来源的不同，GIS数据采集方法主要有原始的数据和派生的数据采集两种。原始的数据采集主要是只从地面直接采集地理空间数据的方式，主要包括全数字野外测量、GPS测量、遥感图片获取、数字摄影测量等方法；而派生测量则是从已有地图数据中采集地理空间数据，如扫描矢量化、手扶跟踪矢量化等。无论哪种方法，获取的都是自动制图、建立数据库和地理信息系统的基础资料和数据。

2 地图扫描矢量化

矢量化技术的研究始于上世纪70年代。常见的图像矢量化算法有以下几种：基于细化的方法、基于轮廓线的方法、基于Hough变换的方法、正交方向搜索法、基于网络模式的方法、基于游码的方法和基于稀疏像素的方法。现有的这些算法均存在一定的局限性。目前，国内外已经出现了一些商品化的矢量化软件，这些软件在一定程度上可以进行扫描图纸的矢量化。但普遍存在着畸变、误识别严重，以及理解深度不够，抗噪声性差，矢量化的精度和速度都不高等问题，识别层次较低，离实用化还有很大的距离。

2.1地图扫描矢量化的误差来源

2.1.1扫描矢量化过程

扫描矢量化过程包括图像与处理、矢量化跟踪及图形编辑。大致分为以下一些步骤：

（1）利用扫描仪获得扫描地图图像。

（2）扫描图像预处理：用扫描后所得的栅格图像进行二值化、平滑及细化等一系列处理。

（3）屏幕数字化：及按照矢量跟踪的基本算法进行矢量化操作，将栅格图像存储为数字格式，算法的效率直接关系到矢量数字地图的精度和质量。

（4）矢量化后处理：即对矢量化后所得的数字地图进行精度和可靠性检验，对图幅拼接、线化进行编辑和修改、加上注记等等。

2.1.2地图扫描矢量化误差主要来源

（1）材料变形误差

材料变形误差是由于图纸存储过程中受湿度和温度影响而产生的。温度不变的情况下，若湿度由0%增至25%，图形的尺寸可能改变1.6%，即一张36英寸的图纸因湿度变化而产生的误差可能高达0.576英寸。并且图纸的膨胀率和收缩率也不相同，即使温度恢复原来的大小，图纸也不可能恢复原来的尺寸。基于聚酯薄膜的底图与纸质地图相比，材料变形产生的误差相对较小。

（2）栅格图像扫描误差

在对地图进行扫描时，扫描仪本身的稳定性、操作人员的熟练程度、扫描软件的处理能力等等都是影响扫描精度的因素。

（3）软件误差

在相当长一段时间里，实现扫描矢量化的技术逐渐形成了一种以细化、曲线跟踪拟合为核心的技术，这种技术表现为抗干扰性差，产生的识别畸变直接影响到最终结果，因此算法的抗干扰性就成为一个基本要求，据此提出了各种矢量化方法，但都没有重大突破，最终导致由软件产生的误差。