CN1804863A - 纸质矢量地图自动数字化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图形数字化技术，旨在提供一种能快速精确的将矢量地图自动数字化的方法。本发明提供的方法包括原始纸质地图扫描输入、栅格图像配准校正、信息的自动识别提取、栅格图像的矢量转换、建立拓扑关系和给新矢量图赋属性值。本发明克服了在常规方法中存在的操作繁复、单调、工作量大以及数字化过程中存在的不同程度精度下降问题，可以极大地提高工效，减少工时，减少繁复的手工操作劳动；同时提高地图数字化的精度，十分适用于纸质地图数字化过程。
Description
技术领域
本发明涉及图形数字化技术，特别涉及一种能快速精确的将矢量地图自动数字化的方法，适用具有不同色差、色彩或灰度的地学地图的数字化过程。
背景技术
有史以来，人类就开始利用绘制线划地图(矢量图)来显示和记载行政边界、自然地物边界等信息。经过上千年的努力、智慧和经验的总结，人类社会积累了大量极为珍贵的线划纸质矢量地图，如行政区界图、地形图、地质图、地貌图、土壤图和交通图等。这些纸质地图中又蕴涵着大量的极有价值的信息。因此，这些纸质地图在相关领域中极具研究与应用价值。随着计算机的出现和现代信息技术的快速发展，为了便于对地图信息的存储、分析和综合处理，人们需要将这些纸质地图数字化。现存的纸质地图数字化方式不外乎以下三种：①利用数字化仪直接在原始地图上人工跟踪每条界线，进行数字化，形成矢量图；②利用扫描仪，将原地图数字化成栅格图像，然后将栅格图像显示在计算机屏幕上，利用人工目视方法进行人机交互，将界线手工逐一跟踪，形成矢量图；③利用手工将所需地图界线提取转绘到透明聚脂薄膜上，然后进行扫描、转换、数字化成矢量图。它们的共同缺点为：手工操作过程繁复；工作量很大又单调；与原地图相比，精度要有所不同程度降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供特别适用具有不同色差、色彩或灰度的地学地图的数字化过程的、能快速精确的纸质矢量地图自动数字化的方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种纸质矢量地图自动数字化的方法，包括以下步骤：
(1)原始纸质地图扫描输入：利用扫描仪将原始纸质地图进行扫描，生成栅格图像；
(2)栅格图像配准、校正：在原始纸质矢量地图上确定分布相对均匀、并能在栅格图像中准确定位几何地理坐标位置的控制点，通过这些控制点对栅格图像进行地理空间配准和校正；
(3)信息的自动识别提取：在上一步骤生成的栅格图像中选择所需要的特定图形或线条颜色或灰度作为目标物，进行聚类、识别、提取和保存所需要的信息，同时删除其它无关内容；
(4)栅格图像的矢量转换：将上一步骤提取、保存的信息，利用从栅格到矢量转换程序或方法进行自动转换，形成矢量文件；
(5)建立拓扑关系：根据地理信息原理，将上一步骤生成的矢量文件建立拓扑关系，将数字矢量图像中所有折线转换成与原始纸质矢量地图中实际相符的连续曲线。
(6)给新矢量图赋属性值：参照原始纸质矢量地图，对数字矢量图像中各图斑和线划的属性赋值。
作为一种改进，步骤(5)之后还包括对生成的矢量图进行校正与检验的步骤。
作为一种改进，步骤(5)的建立拓扑关系过程中，包括简化线形对矢量图像进行简化线性要素和线性要素综合，使之成为连续的、圆滑的曲线；以及进行中心线获取，使矢量图形简化为单一的曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用了图像聚类分析、自动识别方法，区分所需的信息和背景，且将提取的有用信息直接矢量化，克服了在常规方法中存在的操作繁复、单调、工作量大以及数字化过程中存在的不同程度精度下降问题。而且矢量化过程，也是从栅格到线划矢量自动转化而成，可以十分准确的确定中心部位。比常规的利用数字化仪手工跟踪或手工在计算机显示屏上数字化要来的准确、详尽；整个转化过程可以完整保存原有地图的信息。与现有技术方法相比，本技术发明可以极大地提高工效，减少工时，减少繁复的手工操作劳动；同时提高地图数字化的精度。有史以来，人们就产生和积累了大量的纸质线划矢量地图，例如各式各样、不同比例尺的地形图、地质图、地貌图、水文图、土地利用图、土壤图等无数地图。随着信息技术的发展，“数字地球”、“数字中国”、“数字城市”、“数字土壤”等的提出和实施，需要将原有积累的纸质地图进行数字化，本发明十分适用于这些数字化过程。
附图说明
图1为本发明实施例中纸质矢量地图自动数字化方法的流程图
具体实施方式
参考附图，下面将结合浙江省1∶25万土壤图的数字化过程的实施例对本发明进行详细描述。
1.原始纸质地图的扫描输入：
利用扫描仪将原始纸质地图进行扫描，生成栅格图像。图像扫描的分辨率以及校正过程中重采样像元值的大小设置对空间数据的精度有重要的影响。纸质地图的肉眼可分辨的图上距离是0.1mm，根据地图比例尺换算实际距离为0.1*250000＝25(m)，所以按照原土壤图数字化误差小于25m是允许的范围。假定在图像重采样中，重采样大小设定值为20m，那么扫描分辨率设定值计算方法为：地面20m相当于图上20*100/250000＝0.008(cm)，1英寸＝2.54cm则扫描分辨率＞2.54/0.008＝317.5DPI。
因该土壤图为彩色，故选用彩色扫描仪对原始土壤图进行扫描。分辨率设置为350DPI，选择更大或更小象素都不合适。更小分辨率会使扫描后的土壤边界线不容易被计算机辨别，不利于聚类分类。更大分辨率会需要较多的扫描时间。若所扫描的图件比较多，易造成扫描仪的超负荷运行，不利于控制栅格图像的精度。为了增加扫描后的栅格土壤图的精度和减小图像变形，每扫描完一张图像，需要有一定的时间间隔然后再扫描下一张图像，以防止扫描仪过热，图像变形而带来的误差。
2.栅格图像配准、校正：
在原始纸质矢量地图上确定分布相对均匀、并能在栅格图像中准确定位几何地理坐标位置的控制点，通过这些控制点对栅格图像进行地理空间配准和校正。
因为纸质地图存在着图纸的变形，特别是比较陈旧的图件。因此，对土壤图扫描后的校正是土壤图数字化必需的步骤。我们根据原始地图上所标注的经纬度对扫描后的栅格地图进行配准校正。所使用的空间地理参照系统信息：
克拉克椭球1866；阿伯斯等积圆锥投影；
东偏移0.000000米；北偏移0.000000米；
中央经线110.000000度；
第一标准纬线25.000000度；第二标准纬线47.000000度；
起始纬线12.000000度。
3.图像的自动聚类，特定信息的自动识别、提取：
在上一步骤生成的栅格图像中选择所需要的特定图形或线条颜色或灰度作为目标物，进行聚类、识别、提取和保存所需要的信息，同时删除其它无关内容。
由于土壤界线的颜色或灰度在图幅中是相同的，而且我们只需要土壤图中的土壤界线，所以可以对栅格图像进行监督分类，单独提取土壤边界线。监督分类中最重要的是定义分类模板，研究中提取了原土壤图中土壤边界线的颜色为分类模板，但由于监督分类模板选取精确度、原始栅格图像中土壤边界颜色的深浅以及存在一些与土壤边界线颜色一致的数字等，所以对原始栅格图像进行监督分类聚类后一般会出现两个问题：a、分类后的土壤边界线有小部分并没有完全连接；b、分类后出现了许多与土壤边界线颜色一致的数字以及一些面积很小的图斑。无论从专题制图的角度还是从实际应用的角度，都必须要对这些小图斑进行剔除。解决方法：对第一个问题可以在第九步中通过原始栅格图像和矢量图形的对比从而进行修改和连接。对第二个问题则要用到去除分析功能。
去除分析中的最小图斑设在300～400个像元。选择更大的像元数会把一些有用的图斑去除合并掉；选择更小的像元数则达不到去除目的。
4.栅格图像矢量化：
应用通用的商用软件程序(例如ESRI公司的ERDAS软件)将上一步经过聚类分析、目标提取和零碎小图标去除分析的栅格图像转换成多边形图斑的矢量图像。
5.建立该矢量图的拓扑关系：
应用通用的商用软件程序(例如ESRI公司的ARCGIS软件)，根据地理信息原理对矢量化后的图形建立拓扑关系。
6.简化线形：
几乎所有的由栅格转换而来的矢量图都存在锯齿或阶梯状线性，故对该矢量图要进行简化线性要素，进行线性要素综合，使之成为连续的、圆滑的曲线。
7.建立中心线：
经过上一步骤处理的图像还要进行中心线获取。进行第六步和第七步的原因和目的：由于栅格图像特有的原理，其图像的组成方式是由一个个小的正方形像元组成。将栅格图像转换为矢量图形后，为许多小正方形连成的窄长的不规则“曲线图形”，并且线条往往成阶梯或锯齿状弯曲十分厉害。在每一小正方形中建立中心线，从而简化为单一的曲线。
8.重新按拓扑原理建立图层：
上述处理的图像文件要按地理信息原理和拓扑学，重新建立具有正确拓扑关系的图层。
9.图形的校正与检验：
经过了上面的步骤后，同时打开原始栅格图像和矢量图形进行两图叠加对比。依据原始栅格图像对矢量图形进行修改。通过对比可以发现需要编辑修改的线性要素。
10.重新建立图形的拓扑关系：
上述的编辑修改过程，将引起原有拓扑关系的改变，故需重新建立图形(图层)的拓扑关系。
11.给新矢量图赋属性值：
参照原始纸质矢量地图，为数字化后的新矢量图形赋上属性值，完成为矢量图形赋属性值的过程。
本发明不仅可以极大地提高纸质地图数字化的工效，减少繁复的手工操作劳动，提高数字化的精度等，还可以发现原纸质地图中存在的遗漏和错误。在本次试验中，数字化后的土壤图，通过与原纸质土壤图的对比检验，可以检查出原纸质土壤图中存在的为数不少的遗漏和错误，且这些遗漏和错误直接影响地图的质量。现以浙江省玉环县纸质土壤图数字化为例，通过数字化，我们发现了原纸质土壤图中存在未赋属性和一斑多码的图斑共计32个，而此土壤图的总图斑数为372个，占总图斑数的8.6％。(见表一)。而浙江省其他县市的与玉环县基本相似，原纸质土壤图中均存在着占总数5％～10％的图斑未赋属性和一斑多码。
表1
| 面积 | 周长 | 属性 | 面积 | 周长 | 属性 |
| 0.599 | 6.384 | 96/75/76 | 0.036 | 1.269 | 无 |
| 0.069 | 1.057 | 32/7 | 0.020 | 0.884 | 无 |
| 0.105 | 2.340 | 54/96 | 0.013 | 0.699 | 无 |
| 0.536 | 6.385 | 12/17 | 0.038 | 0.916 | 无 |
| 0.212 | 5.035 | 12/75 | 0.023 | 1.009 | 无 |
| 0.168 | 3.290 | 75/96 | 0.140 | 0.521 | 无 |
| 0.598 | 6.665 | 12/15 | 0.065 | 1.657 | 无 |
| 0.224 | 20246 | 68/80 | 0.146 | 2.568 | 无 |
| 0.134 | 2.003 | 无 | 0.038 | 1.184 | 无 |
| 0.010 | 0.490 | 无 | 0.014 | 0.555 | 无 |
| 0.012 | 0.463 | 无 | 0.027 | 0.784 | 无 |
| 0.025 | 1.071 | 无 | 0.016 | 0.531 | 无 |
| 0.061 | 1.526 | 无 | 0.019 | 0.638 | 无 |
| 0.049 | 1.223 | 无 | 0.180 | 2.581 | 无 |
| 0.021 | 0.629 | 无 | 0.036 | 0.729 | 无 |
| 0.020 | 0.831 | 无 | 0.026 | 1.238 | 无 |
表1中属性一列中的数字表示各图斑的土壤类别，如80代表粘涂土。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1、一种纸质矢量地图自动数字化的方法，包括以下步骤：
(1)原始纸质地图扫描输入：利用扫描仪将原始纸质地图进行扫描，生成栅格图像；
(2)栅格图像配准、校正：在原始纸质矢量地图上确定分布相对均匀、并能在栅格图像中准确定位几何地理坐标位置的控制点，通过这些控制点对栅格图像进行地理空间配准和校正；
(3)信息的自动识别提取：在上一步骤生成的栅格图像中选择所需要的特定图形或线条颜色或灰度作为目标物，进行聚类、识别、提取和保存所需要的信息，同时删除其它无关内容；
(4)栅格图像的矢量转换：将上一步骤提取、保存的信息，利用从栅格到矢量转换程序或方法进行自动转换，形成矢量文件；
(5)建立拓扑关系：根据地理信息原理，将上一步骤生成的矢量文件建立拓扑关系，将数字矢量图像中所有折线转换成与原始纸质矢量地图中实际相符的连续曲线；
(6)给新矢量图赋属性值：参照原始纸质矢量地图，对数字矢量图像中各图斑和线划的属性赋值。
2、根据权利要求1所述的纸质矢量地图自动数字化的方法，其特征在于，步骤(5)之后还包括对生成的矢量图进行校正与检验的步骤。
3、根据权利要求1所述的纸质矢量地图自动数字化的方法，其特征在于，步骤(5)的建立拓扑关系过程中，包括简化线形对矢量图像进行简化线性要素和线性要素综合，使之成为连续的、圆滑的曲线；以及进行中心线获取，使矢量图形简化为单一的曲线。
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