基于VP Studio和CASS的栅格地形图矢量化方法

王庆国，杨 建，李 阳，王沙沙

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081）

栅格图像矢量化是快速获取大范围地理空间矢量数据的重要方法。现有的栅格图像矢量化作业模式可分为全人工矢量化、全自动矢量化和人机交互矢量化三种。

全人工矢量化作业模式的整个过程都是人工控制的，作业效果明确，出错几率较小。但这种作业模式的效率低、劳动强度大，对作业人员的要求高，因此主要适用于少量栅格图像的矢量化。

全自动矢量化完全借助于相关的计算机软件，以较高的精度和较快的速度实现栅格图像向矢量图形的自动转换。这种作业模式能显著提高矢量化的作业效率，降低作业的劳动强度。因此，人们针对自动矢量化算法和软件功能模块等进行了大量研究［1－6］。但由于相关技术的不成熟以及地理要素自身的复杂性，全自动矢量化作业模式目前还存在许多问题。首先，自动矢量化软件对栅格图像本身的要求一般较高。有的软件只能支持单一或有限格式的栅格图像，有的需要将栅格图像转换成二值图像才能进行矢量化处理。其次，全自动矢量化方法虽然速度快，但比较盲目，容易出错，其直接生成的矢量化图形通常只是一些无序的矢量线，连接关系也杂乱无章［7］，这给后续的编辑工作带来了很大的难度。另外，现有的自动矢量化软件一般不能对图像中的文字、数字和点要素等进行矢量化，并普遍存在对图像中的噪声和缺损较为敏感的缺点［8－9］。

人机交互矢量化的基本思路就是在利用软件进行自动矢量化处理的过程中加入人工干预，以获得满意的结果。一方面，利用相关软件的自动矢量化功能实现栅格图像向矢量图形的自动转换，提高作业效率；另一方面，通过加入人工干预和后处理来保证作业的精准度和完备性。因此，这种方式是目前栅格图像矢量化作业中采用得最多的作业模式。不过，要取得良好的实际作业效果，关键还在于选取合适的软件以及合理地进行人工干预。

本文基于人机交互矢量化模式，重点研究如何将人工干预和自动矢量化软件的功能有机结合，以期改进栅格地形图矢量化工艺流程，提高作业效率和作业精度，获得满意的矢量化效果。

1 栅格地形图矢量化的基本思路

用于栅格地形图矢量化的软件大致可分为通用型矢量化软件和具有矢量化功能的地理信息系统软件两类。相对于后者来说，通用型矢量化软件显得小巧而灵活，功能明确而专一，对图像的适应性更强，用户操作更方便。所以，本文考虑以通用型矢量化软件为基础进行栅格地形图的自动矢量化。

在现有的通用型矢量化软件中，VP Studio（以下简称VP）无疑是最杰出的代表之一。它将栅格图像编辑、矢量化和矢量编辑三大功能集成在同一个软件环境中，自动化程度非常高，能支持多种格式的输入输出，特别擅长对线状目标的矢量化，而地形图中70%～80%都是等高线，所以VP很适于对地形图的矢量化。

不过，VP矢量化的结果只是一些无序的矢量线，没有图元属性的定义，可能还包含一些错误和遗漏，所以还需要借助于后续的编辑处理加以完善。而CASS软件是一款基于AutoCAD平台的地形地籍成图软件，它包含了现有地形图中各种要素的标准符号，能直接处理VP矢量化的结果，可以很方便地将地理要素属性赋值给对应的单个或成批的图形要素，并对图形进行编辑处理。为此，本文提出了将VP和CASS相结合的栅格地形图矢量化方法，以充分发挥两者的优势，提高矢量化作业效率。

2 栅格地形图矢量化的作业流程

VP和CASS相结合的栅格地形图矢量化方法的作业流程包括基于VP的自动矢量化处理和基于CASS的编辑与后处理两部分，如图1所示。

图1 基于VP和CASS的矢量化作业流程Fig.1 Operation procedure of vectorization based on VP and CASS

栅格图像的几何校准是将栅格图像中几个特征点在VP坐标系中的坐标与其实际的地理坐标进行匹配和纠正，获取栅格图像中各像素所对应的实际地理坐标位置。

VP提供了对栅格图像进行光栅处理的丰富工具，可以对图像进行净化，自动去除一些小斑点和小孔洞等噪声，还可以对栅格图像进行平滑处理以及腐蚀、膨胀、闭合和打开等数学形态学操作。光栅处理有利于提高后续矢量化的质量。

图2（a）和图2（b）分别是平滑处理前后的栅格图像，图2（c）和图2（d）分别是平滑处理前后的栅格图像采用VP进行矢量化后的效果。由图2可见，没有经过平滑处理的栅格图像矢量化后在线条的边缘处会产生毛刺和多余的多边形等，而通过平滑处理后，这种错误得到了消除。

VP提供了多种矢量化参数的选择，使用户能够根据栅格图像的特性和主要的要素类型合理选择和设置相关参数，然后进行自动矢量化。如果自动矢量化效果不理想，还可以重新编辑光栅图像或重新设置参数。

图2 栅格图像平滑处理前后的矢量化效果Fig.2 Vectorization effect of raster images before and after smoothing

图3所示为栅格底图采用VP自动矢量化的部分结果。从图3可以看出，虽然VP自动矢量化的结果与栅格底图能很好地吻合，但是矢量化后的各种地形要素类型没有明确区分，全部矢量化成了无差别的线条，而且，原来的一条线可能变成了断开的几条线，采用的也不是标准的地形符号，所以，自动矢量化的结果不能满足使用要求，还需对其进行编辑处理。这可借助CASS来完成。

图3 VP自动矢量化结果Fig.3 Automatic vectorization results by VP

CASS的编辑处理任务主要包括3个方面：

（1）图形的属性编辑。可通过CASS中“地物编辑”菜单下的“图形特性匹配”命令来实现，对不同的要素匹配不同的属性，既可以处理单个要素，也可以批量处理。对于等高线，除了要进行属性匹配外，还需要输入高程。

（2）断线的连接。由于栅格图像自身的质量问题以及对图中注记和斑点等进行的清除处理，使得许多本应连续的线条在矢量化时断开了，故需要将其重新连接起来。这既可以通过CASS中“地物编辑”菜单下“复合线处理”中的“相邻复合线的连接”或“分离的复合线连接”命令来实现，也可以通过PEDIT命令实现。

（3）基于CASS手工矢量化部分要素。例如图中的注记等要素，有些在光栅处理的时候被清除了，有些虽没被完全清除，但其矢量化的结果没有任何含义，需要重新矢量化。这部分工作可采用CASS手工完成。图4是经过CASS编辑后的最终矢量图，可以看出其矢量化效果很好。

图4 CASS编辑后的矢量图Fig.4 Vector graphics edited by CASS

3 矢量化效率的比较分析

本文提出的矢量化方法采用VP软件实现栅格图像向矢量图形的快速自动转换，节省了大量的人工图形绘制时间，显著提高了作业效率，降低了劳动强度。但是，由于软件自动矢量化功能的不完善，本方法增加了后续编辑处理的工作量，又制约了作业效率的提高。

为了对本方法的矢量化效率进行定量评价，本文以基于CASS的人工矢量化方法为参照，对近30个地形图的栅格图像进行矢量化作业，并选取其中具有代表性的10个图像，分项统计了两种方法的矢量化作业时长，如表1和表2所示。

由表1和表2可看出：①由于等高线是地形图的主要组成部分，所以，在地形图的矢量化过程中，等高线的矢量化最耗时，而在保证栅格图像质量的前提下，采用本文方法的等高线矢量化具有明显的效率优势。②原始栅格图像质量对本文方法的作业效率有很大影响。当图像质量较差时（例如“老鸦尖”），本文提出的方法与全人工矢量化方法相比没有太大优势；在图像质量较好的情况下，本方法比全人工矢量化方法的作业效率平均能提高约一倍，而且劳动强度有明显降低。③针对不同的图像内容构成以及不同的图像质量，采用本文方法矢量化时，在除等高线编辑以外的许多中间操作步骤上的耗时没有明显差别。

表1 基于CASS的人工矢量化作业时长（单位：h）Table1 Time consuming of artificial vectorization based on CASS

表2 基于VP与CASS的矢量化作业时长（单位：h）Table2 Time consuming of vectorization based on VP and CASS

4 结语

在保证矢量化质量的前提下提高作业效率、降低劳动强度是栅格地形图矢量化作业追求的目标。在全自动矢量化方法仍处于探索研究阶段、还有大量问题亟待解决的背景下，本文提出将自动矢量化软件VP和地形图成图软件CASS相结合的人机交互式矢量化方法，既能保证作业质量，又能明显提高作业效率，降低劳动强度，是一种较实用的栅格地形图矢量化方法。

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