專利名稱：紙質(zhì)矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖形數(shù)字化技術(shù)，特別涉及一種能快速精確的將矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法，適用具有不同色差、色彩或灰度的地學(xué)地圖的數(shù)字化過程。
背景技術(shù)：
有史以來，人類就開始利用繪制線劃地圖(矢量圖)來顯示和記載行政邊界、自然地物邊界等信息。經(jīng)過上千年的努力、智慧和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，人類社會(huì)積累了大量極為珍貴的線劃紙質(zhì)矢量地圖，如行政區(qū)界圖、地形圖、地質(zhì)圖、地貌圖、土壤圖和交通圖等。這些紙質(zhì)地圖中又蘊(yùn)涵著大量的極有價(jià)值的信息。因此，這些紙質(zhì)地圖在相關(guān)領(lǐng)域中極具研究與應(yīng)用價(jià)值。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，為了便于對(duì)地圖信息的存儲(chǔ)、分析和綜合處理，人們需要將這些紙質(zhì)地圖數(shù)字化?，F(xiàn)存的紙質(zhì)地圖數(shù)字化方式不外乎以下三種①利用數(shù)字化儀直接在原始地圖上人工跟蹤每條界線，進(jìn)行數(shù)字化，形成矢量圖；②利用掃描儀，將原地圖數(shù)字化成柵格圖像，然后將柵格圖像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，利用人工目視方法進(jìn)行人機(jī)交互，將界線手工逐一跟蹤，形成矢量圖；③利用手工將所需地圖界線提取轉(zhuǎn)繪到透明聚脂薄膜上，然后進(jìn)行掃描、轉(zhuǎn)換、數(shù)字化成矢量圖。它們的共同缺點(diǎn)為手工操作過程繁復(fù)；工作量很大又單調(diào)；與原地圖相比，精度要有所不同程度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供特別適用具有不同色差、色彩或灰度的地學(xué)地圖的數(shù)字化過程的、能快速精確的紙質(zhì)矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供了一種紙質(zhì)矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法，包括以下步驟
(1)原始紙質(zhì)地圖掃描輸入利用掃描儀將原始紙質(zhì)地圖進(jìn)行掃描，生成柵格圖像；(2)柵格圖像配準(zhǔn)、校正在原始紙質(zhì)矢量地圖上確定分布相對(duì)均勻、并能在柵格圖像中準(zhǔn)確定位幾何地理坐標(biāo)位置的控制點(diǎn)，通過這些控制點(diǎn)對(duì)柵格圖像進(jìn)行地理空間配準(zhǔn)和校正；(3)信息的自動(dòng)識(shí)別提取在上一步驟生成的柵格圖像中選擇所需要的特定圖形或線條顏色或灰度作為目標(biāo)物，進(jìn)行聚類、識(shí)別、提取和保存所需要的信息，同時(shí)刪除其它無關(guān)內(nèi)容；(4)柵格圖像的矢量轉(zhuǎn)換將上一步驟提取、保存的信息，利用從柵格到矢量轉(zhuǎn)換程序或方法進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，形成矢量文件；(5)建立拓?fù)潢P(guān)系根據(jù)地理信息原理，將上一步驟生成的矢量文件建立拓?fù)潢P(guān)系，將數(shù)字矢量圖像中所有折線轉(zhuǎn)換成與原始紙質(zhì)矢量地圖中實(shí)際相符的連續(xù)曲線。
(6)給新矢量圖賦屬性值參照原始紙質(zhì)矢量地圖，對(duì)數(shù)字矢量圖像中各圖斑和線劃的屬性賦值。
作為一種改進(jìn)，步驟(5)之后還包括對(duì)生成的矢量圖進(jìn)行校正與檢驗(yàn)的步驟。
作為一種改進(jìn)，步驟(5)的建立拓?fù)潢P(guān)系過程中，包括簡(jiǎn)化線形對(duì)矢量圖像進(jìn)行簡(jiǎn)化線性要素和線性要素綜合，使之成為連續(xù)的、圓滑的曲線；以及進(jìn)行中心線獲取，使矢量圖形簡(jiǎn)化為單一的曲線。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用了圖像聚類分析、自動(dòng)識(shí)別方法，區(qū)分所需的信息和背景，且將提取的有用信息直接矢量化，克服了在常規(guī)方法中存在的操作繁復(fù)、單調(diào)、工作量大以及數(shù)字化過程中存在的不同程度精度下降問題。而且矢量化過程，也是從柵格到線劃矢量自動(dòng)轉(zhuǎn)化而成，可以十分準(zhǔn)確的確定中心部位。比常規(guī)的利用數(shù)字化儀手工跟蹤或手工在計(jì)算機(jī)顯示屏上數(shù)字化要來的準(zhǔn)確、詳盡；整個(gè)轉(zhuǎn)化過程可以完整保存原有地圖的信息。與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本技術(shù)發(fā)明可以極大地提高工效，減少工時(shí)，減少繁復(fù)的手工操作勞動(dòng)；同時(shí)提高地圖數(shù)字化的精度。有史以來，人們就產(chǎn)生和積累了大量的紙質(zhì)線劃矢量地圖，例如各式各樣、不同比例尺的地形圖、地質(zhì)圖、地貌圖、水文圖、土地利用圖、土壤圖等無數(shù)地圖。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字地球”、“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字土壤”等的提出和實(shí)施，需要將原有積累的紙質(zhì)地圖進(jìn)行數(shù)字化，本發(fā)明十分適用于這些數(shù)字化過程。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中紙質(zhì)矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化方法的流程圖具體實(shí)施方式
參考附圖，下面將結(jié)合浙江省1∶25萬土壤圖的數(shù)字化過程的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
1.原始紙質(zhì)地圖的掃描輸入利用掃描儀將原始紙質(zhì)地圖進(jìn)行掃描，生成柵格圖像。圖像掃描的分辨率以及校正過程中重采樣像元值的大小設(shè)置對(duì)空間數(shù)據(jù)的精度有重要的影響。紙質(zhì)地圖的肉眼可分辨的圖上距離是0.1mm，根據(jù)地圖比例尺換算實(shí)際距離為0.1*250000＝25(m)，所以按照原土壤圖數(shù)字化誤差小于25m是允許的范圍。假定在圖像重采樣中，重采樣大小設(shè)定值為20m，那么掃描分辨率設(shè)定值計(jì)算方法為地面20m相當(dāng)于圖上20*100/250000＝0.008(cm)，1英寸＝2.54cm則掃描分辨率＞2.54/0.008＝317.5DPI。
因該土壤圖為彩色，故選用彩色掃描儀對(duì)原始土壤圖進(jìn)行掃描。分辨率設(shè)置為350DPI，選擇更大或更小象素都不合適。更小分辨率會(huì)使掃描后的土壤邊界線不容易被計(jì)算機(jī)辨別，不利于聚類分類。更大分辨率會(huì)需要較多的掃描時(shí)間。若所掃描的圖件比較多，易造成掃描儀的超負(fù)荷運(yùn)行，不利于控制柵格圖像的精度。為了增加掃描后的柵格土壤圖的精度和減小圖像變形，每掃描完一張圖像，需要有一定的時(shí)間間隔然后再掃描下一張圖像，以防止掃描儀過熱，圖像變形而帶來的誤差。
2.柵格圖像配準(zhǔn)、校正在原始紙質(zhì)矢量地圖上確定分布相對(duì)均勻、并能在柵格圖像中準(zhǔn)確定位幾何地理坐標(biāo)位置的控制點(diǎn)，通過這些控制點(diǎn)對(duì)柵格圖像進(jìn)行地理空間配準(zhǔn)和校正。
因?yàn)榧堎|(zhì)地圖存在著圖紙的變形，特別是比較陳舊的圖件。因此，對(duì)土壤圖掃描后的校正是土壤圖數(shù)字化必需的步驟。我們根據(jù)原始地圖上所標(biāo)注的經(jīng)緯度對(duì)掃描后的柵格地圖進(jìn)行配準(zhǔn)校正。所使用的空間地理參照系統(tǒng)信息克拉克橢球1866；阿伯斯等積圓錐投影；東偏移0.000000米；北偏移0.000000米；中央經(jīng)線110.000000度；第一標(biāo)準(zhǔn)緯線25.000000度；第二標(biāo)準(zhǔn)緯線47.000000度；起始緯線12.000000度。
3.圖像的自動(dòng)聚類，特定信息的自動(dòng)識(shí)別、提取在上一步驟生成的柵格圖像中選擇所需要的特定圖形或線條顏色或灰度作為目標(biāo)物，進(jìn)行聚類、識(shí)別、提取和保存所需要的信息，同時(shí)刪除其它無關(guān)內(nèi)容。
由于土壤界線的顏色或灰度在圖幅中是相同的，而且我們只需要土壤圖中的土壤界線，所以可以對(duì)柵格圖像進(jìn)行監(jiān)督分類，單獨(dú)提取土壤邊界線。監(jiān)督分類中最重要的是定義分類模板，研究中提取了原土壤圖中土壤邊界線的顏色為分類模板，但由于監(jiān)督分類模板選取精確度、原始柵格圖像中土壤邊界顏色的深淺以及存在一些與土壤邊界線顏色一致的數(shù)字等，所以對(duì)原始柵格圖像進(jìn)行監(jiān)督分類聚類后一般會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題a、分類后的土壤邊界線有小部分并沒有完全連接；b、分類后出現(xiàn)了許多與土壤邊界線顏色一致的數(shù)字以及一些面積很小的圖斑。無論從專題制圖的角度還是從實(shí)際應(yīng)用的角度，都必須要對(duì)這些小圖斑進(jìn)行剔除。解決方法對(duì)第一個(gè)問題可以在第九步中通過原始柵格圖像和矢量圖形的對(duì)比從而進(jìn)行修改和連接。對(duì)第二個(gè)問題則要用到去除分析功能。
去除分析中的最小圖斑設(shè)在300～400個(gè)像元。選擇更大的像元數(shù)會(huì)把一些有用的圖斑去除合并掉；選擇更小的像元數(shù)則達(dá)不到去除目的。
4.柵格圖像矢量化應(yīng)用通用的商用軟件程序(例如ESRI公司的ERDAS軟件)將上一步經(jīng)過聚類分析、目標(biāo)提取和零碎小圖標(biāo)去除分析的柵格圖像轉(zhuǎn)換成多邊形圖斑的矢量圖像。
5.建立該矢量圖的拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)用通用的商用軟件程序(例如ESRI公司的ARCGIS軟件)，根據(jù)地理信息原理對(duì)矢量化后的圖形建立拓?fù)潢P(guān)系。
6.簡(jiǎn)化線形幾乎所有的由柵格轉(zhuǎn)換而來的矢量圖都存在鋸齒或階梯狀線性，故對(duì)該矢量圖要進(jìn)行簡(jiǎn)化線性要素，進(jìn)行線性要素綜合，使之成為連續(xù)的、圓滑的曲線。
7.建立中心線經(jīng)過上一步驟處理的圖像還要進(jìn)行中心線獲取。進(jìn)行第六步和第七步的原因和目的由于柵格圖像特有的原理，其圖像的組成方式是由一個(gè)個(gè)小的正方形像元組成。將柵格圖像轉(zhuǎn)換為矢量圖形后，為許多小正方形連成的窄長(zhǎng)的不規(guī)則“曲線圖形”，并且線條往往成階梯或鋸齒狀彎曲十分厲害。在每一小正方形中建立中心線，從而簡(jiǎn)化為單一的曲線。
8.重新按拓?fù)湓斫D層上述處理的圖像文件要按地理信息原理和拓?fù)鋵W(xué)，重新建立具有正確拓?fù)潢P(guān)系的圖層。
9.圖形的校正與檢驗(yàn)經(jīng)過了上面的步驟后，同時(shí)打開原始柵格圖像和矢量圖形進(jìn)行兩圖疊加對(duì)比。依據(jù)原始柵格圖像對(duì)矢量圖形進(jìn)行修改。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)需要編輯修改的線性要素。
10.重新建立圖形的拓?fù)潢P(guān)系上述的編輯修改過程，將引起原有拓?fù)潢P(guān)系的改變，故需重新建立圖形(圖層)的拓?fù)潢P(guān)系。
11.給新矢量圖賦屬性值參照原始紙質(zhì)矢量地圖，為數(shù)字化后的新矢量圖形賦上屬性值，完成為矢量圖形賦屬性值的過程。
本發(fā)明不僅可以極大地提高紙質(zhì)地圖數(shù)字化的工效，減少繁復(fù)的手工操作勞動(dòng)，提高數(shù)字化的精度等，還可以發(fā)現(xiàn)原紙質(zhì)地圖中存在的遺漏和錯(cuò)誤。在本次試驗(yàn)中，數(shù)字化后的土壤圖，通過與原紙質(zhì)土壤圖的對(duì)比檢驗(yàn)，可以檢查出原紙質(zhì)土壤圖中存在的為數(shù)不少的遺漏和錯(cuò)誤，且這些遺漏和錯(cuò)誤直接影響地圖的質(zhì)量?，F(xiàn)以浙江省玉環(huán)縣紙質(zhì)土壤圖數(shù)字化為例，通過數(shù)字化，我們發(fā)現(xiàn)了原紙質(zhì)土壤圖中存在未賦屬性和一斑多碼的圖斑共計(jì)32個(gè)，而此土壤圖的總圖斑數(shù)為372個(gè)，占總圖斑數(shù)的8.6％。(見表一)。而浙江省其他縣市的與玉環(huán)縣基本相似，原紙質(zhì)土壤圖中均存在著占總數(shù)5％～10％的圖斑未賦屬性和一斑多碼。
表1

表1中屬性一列中的數(shù)字表示各圖斑的土壤類別，如80代表粘涂土。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種紙質(zhì)矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法，包括以下步驟(1)原始紙質(zhì)地圖掃描輸入利用掃描儀將原始紙質(zhì)地圖進(jìn)行掃描，生成柵格圖像；(2)柵格圖像配準(zhǔn)、校正在原始紙質(zhì)矢量地圖上確定分布相對(duì)均勻、并能在柵格圖像中準(zhǔn)確定位幾何地理坐標(biāo)位置的控制點(diǎn)，通過這些控制點(diǎn)對(duì)柵格圖像進(jìn)行地理空間配準(zhǔn)和校正；(3)信息的自動(dòng)識(shí)別提取在上一步驟生成的柵格圖像中選擇所需要的特定圖形或線條顏色或灰度作為目標(biāo)物，進(jìn)行聚類、識(shí)別、提取和保存所需要的信息，同時(shí)刪除其它無關(guān)內(nèi)容；(4)柵格圖像的矢量轉(zhuǎn)換將上一步驟提取、保存的信息，利用從柵格到矢量轉(zhuǎn)換程序或方法進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，形成矢量文件；(5)建立拓?fù)潢P(guān)系根據(jù)地理信息原理，將上一步驟生成的矢量文件建立拓?fù)潢P(guān)系，將數(shù)字矢量圖像中所有折線轉(zhuǎn)換成與原始紙質(zhì)矢量地圖中實(shí)際相符的連續(xù)曲線；(6)給新矢量圖賦屬性值參照原始紙質(zhì)矢量地圖，對(duì)數(shù)字矢量圖像中各圖斑和線劃的屬性賦值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙質(zhì)矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法，其特征在于，步驟(5)之后還包括對(duì)生成的矢量圖進(jìn)行校正與檢驗(yàn)的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紙質(zhì)矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法，其特征在于，步驟(5)的建立拓?fù)潢P(guān)系過程中，包括簡(jiǎn)化線形對(duì)矢量圖像進(jìn)行簡(jiǎn)化線性要素和線性要素綜合，使之成為連續(xù)的、圓滑的曲線；以及進(jìn)行中心線獲取，使矢量圖形簡(jiǎn)化為單一的曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圖形數(shù)字化技術(shù)，旨在提供一種能快速精確的將矢量地圖自動(dòng)數(shù)字化的方法。本發(fā)明提供的方法包括原始紙質(zhì)地圖掃描輸入、柵格圖像配準(zhǔn)校正、信息的自動(dòng)識(shí)別提取、柵格圖像的矢量轉(zhuǎn)換、建立拓?fù)潢P(guān)系和給新矢量圖賦屬性值。本發(fā)明克服了在常規(guī)方法中存在的操作繁復(fù)、單調(diào)、工作量大以及數(shù)字化過程中存在的不同程度精度下降問題，可以極大地提高工效，減少工時(shí)，減少繁復(fù)的手工操作勞動(dòng)；同時(shí)提高地圖數(shù)字化的精度，十分適用于紙質(zhì)地圖數(shù)字化過程。
文檔編號(hào)G06K9/00GK1804863SQ20061004909
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月16日
發(fā)明者吳嘉平, 姚偉, 吳春發(fā) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)