地形图数字化

地形图数字化
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地形图数字化
武汉大学测绘学院 潘正风
数字地形图除采用地面数字测图方法外,也可采用地形图数字化方法。

采用常规测图方法测绘的图解地形图通过地形图数字化，可转换成计算机能存储和处理的数字地形图,但其地形要素的位置精度不会高于原地形图的精度。

地形图数字化方法按采用的数字化仪不同分为手扶跟踪数字化和扫描屏幕数字化。

一．手扶跟踪数字化
1．跟踪数字化仪
数字化仪输出的数据是数字化仪坐标系的坐标。

2.数字化仪坐标转换成地形图测量坐标
()()()()⎭
⎬⎫⋅-+⋅+-⋅=-⋅-+⋅-⋅=-αλαλαλαλcos sin sin cos 00v y u x Y Y v y u x X X
⎭
⎬⎫++-=++=y x Q ay bx Y Q by ax X 式中,x Q 、y Q 、a 和b 为待定换算系数。

3.手扶跟踪地形图数字化方法
⑴ 地形图定位
进行地形图定位,计算坐标转换系数。

⑵ 菜单定位
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，只要在数字化地形图要素之前或之后,将数字化仪游标移到菜单区相应的地形图图式符号的小方格内,这样就把该地形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。

⑶ 地形图符号的数字化
4．利用数字化仪在地形图上量算面积
()()∑=++-+=n
i i i i i y y x x P 1
1121 或 ()∑=++-=n
i i i i i y x y x P 11121 式中,ｎ为多边形顶点的个数，11x x n =+,11y y n =+。

二．地形图扫描屏幕数字化
1.数字图像
将连续的光强图像进行离散化为一幅数字图像。

利用一定的成像设备,如数码相机、扫描仪等,将函数ｆ（x ，y )在空间上按一定方式离散划分为小区域（i x ,i y )(i ＝
0,1,…，m －１; j = 0,1,２,…,n －1 ),该区域称为图像元素,简称为像素或像元。

m 和 n 是图像分别在ｘ和y 两个方向的像素个数。

经过离散后的数字图像从数学形式上看,就是一个m × n 的数学矩阵。

该数学矩阵的元素排列的位置代表对应像素点在图像上的空间位置，矩阵中元素值对应于像素点的灰度值，这种以像素灰度值组成矩阵形式的数据称为栅格数据。

如果一个图像灰度值只有两种(通常用1表示前景,用0表示背景),则这个图像也称二值图像。

2．坐标变换
地形图扫描后，栅格的位置以像素坐标行号和列号表示,因此栅格数据变转成矢量数据就要将像素坐标变换成地形图测量坐标。

扫描屏幕数字化坐标变换可采用在手扶跟踪数字化中讲述的相似变换和仿射变换方法外，一般按双线性变换公式计算:
⎭
⎬⎫+++=+++=xy b y b x b b Y xy a y a x a a X 32103210 式中，a 0、a 1、a 2、a 3 和 b 0、b 1、b 2、b ３ 为8个坐标转换系数。

x 、y 为像素坐标,X 、Y 为地形图测量坐标。

为求得坐标转换系数,需要有4个已知点，一般以4个图廓点作为已知点。

3.线状栅格数据的细化
线状栅格影像一般具有一定的粗度,并呈现粗细不均的形状，因此,栅格数据矢量化应先进行线状栅格数据的细化，即提取线状栅格的中轴线。

细化的方法很多,下面介绍最大数值计算法。

最大数值计算法是计算原始栅格数据格线交点的V 值,每点的V 值是该点左上、右上、左下、右下四个栅格灰度值的和,其中要素栅格灰度值为1，背景栅格灰度值为０。

因为每点周围至多有四个1,所以最大Ｖ值为4。

然后保留最大Ｖ值的点,并将哪些消除后不破坏连通性的点消除,否则也保留。

4．栅格数据矢量化
⑴栅格数据自动跟踪矢量化
经过细化的栅格线划影像，已是单网格宽的影像，矢量化处理通常采用跟踪方法,其步骤如下：
(1）从第1列起从上到下寻找起始中心栅格；
(2）以所找到的栅格为中心,从上一邻居开始顺时针方向判别其八方向邻居（上、右上、右、右下、下、左下、左、左上)的内容，把首先搜索到有1值的邻居作为前进方向上的下一个中心栅格;
(３)把判别中心移至新找到的中心栅格，然后计算上一中心栅格的中心点坐标，记入数组,接着将该栅格值冲零;
（４）重复执行第(2）、(３)步，当八邻居都无值或已到边界时,则整条曲线（无交叉)或部分曲线(有交叉）追踪完毕；
(５）重复执行(1)~（４）步，直到所有栅格都变成零,则栅格数据都变成了矢量数据。

⑵人机交互方式矢量化
这种方法是在计算机屏幕上显示扫描图，适当放大扫描图后,利用鼠标标志效仿地图手扶跟踪数字化的方法进行数字化。