空间数据的处理

例如，在一幅地形图中，有等高线、道路、河流等多种线地物，尽管不 同地物有不同的线型、颜色，但是对于计算机系统而言，仍然难以对它 们进行自动区分）
扫描矢量化以及处理流程
纸地图
扫描转换
拼接子图块
裁剪地图
矢量图编辑
矢量图合成
图像处理矢量化
地图信息处理流程图
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将栅格图像转换为矢量地图一般需要以下一系列步骤[Musavi 1988]： 1）图像二值化（Threshold） 2）平滑（Smooth） 图像平滑用于去除图像中的随机噪声，通常表现为斑点。 3）细化 细化将一条线细化为只有一个像素宽。 4）链式编码 链式编码将细化后的图像转换成为点链的集合，其中每个点链对应于一条弧 段。 5）矢量线提取 将每个点链转化成为一条矢量线。 除了上述五个步骤以外，还需要一些处理以方便图像矢量化过程，如图像拼接和 剪裁等等。
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图像拼接/裁剪
1)图像拼接
以两相邻地图图像的部分重叠区为基础， 把它们合成为一幅整图的过程叫做图像 拼接，分上下拼接和左右拼接。
以左右拼接为例，取左图右边缘一个矩 形区域A，取右图左边缘一个矩形区域B， 如果A和B有一定的重叠区，可以利用计 算机实现自动的匹配，其拼接算法如下:
1）由A中右侧边缘从右至左依次取若干个列L1（0），L1 （1），…，L1（n），以各列内像素灰度的长度序列为特
弧段捕捉容差
弧段捕捉容差值使得一条弧段的末端被捕捉到另一条已有的 弧段。左图示数字化弧段超延，因为超延部分小于弧段捕捉 容差值，该数字化弧段的末端被捕捉到已有的弧段
节点捕捉容差
节点捕捉容差值可使节点捕捉到一起，左图示数字化弧段未 达到本应到达的终点。由于两节点间距小于节点捕捉容差值， 该弧段的末端被捕捉到另一个节点。
压缩算法好，可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；
3、偏角法 4、间隔取点法
二、曲线光滑（拟合）
是假象曲线为一组离散点，寻找形式较简单、性能良好的曲线解析式。 插值方式：曲线通过给定的离散点。如拉格朗日插值，三次样条曲线 逼近方式：曲线尽量逼近给定离散点。如贝塞尔和B样条曲线。
而等高线的录入由于数据量大，使用流方式可 以加快录入速度。
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ARCINFO提供命令帮助使用者进行数字化
ARCSNAP命令允许使用者指定距离，在 该距离内的弧段将被“捕捉”到已有的弧 段。
NODESNAP命令具有与ARCSNAP命令同 样的功能，只不过它是把一个节点捕捉到 已有的节点。
INTERSECTARCS命令可以计算弧段交叉 点数量以及在交叉点上添加节点
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数字化仪采用的两种数字化方式
1.点方式（Point Mode）
点方式是当录入人员按下游标(Puck)的按键时， 向计算机发送一个点的坐标。
a.点状地物：必须使用点输入方式； b.线和多边形地物的录入可以使用点方式，在输入 时，输入者可以有选择地输入曲线上的采样点，而 采样点必须能够反映曲线的特征。
3）人工拼接 即固定A，通过人机交互控制B以一定步长上下 左右移动，直到A和B重叠区对齐为止。
4）根据步骤2匹配情况或步骤3的偏移情况对两相邻地图图像 进行修正和合成。
L1(n) L1(2) L1(1) L1(0) L2(n) L2(n-1)
L2(0)
图像裁剪
2把一幅图像裁成两两相邻的规则图块的过 程称为地图裁剪。图像裁剪非常简单，实 际应用中，可以根据不同的硬件配置确定 采用和不采用图像裁剪技术
空间数据编辑流程
空间数据录入后的处理
手扶跟踪数字化（Manual Digitising）
使用数字化仪进行数字化叫做手扶跟踪数字化。 数字化仪有一个内置的电子网，用来感知游标的 位置。操作者只要将游标的十字丝对准测量点后 点击游标的按钮即可将点的x，y坐标传送到与之 相连的计算机。大尺寸的数字化仪的绝对精度通 常可达0.001in
第四章 空间数据的处理
空间数据来源种类多，不同的数据来源输入方法 不同，不论采用什么方法输入数据，都会有一些 问题，如输入过程中出现意外的错误，输入数据 与使用格式不一致，各种来源数据的比例尺、投 影不统一，图幅间不匹配等。
因此必须对空间数据进行编辑，才能得到纯净， 统一的数据文件，使存储的空间数据符合规范、 标准的要求，满足使用和分析的需要，
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图像细化预处理二值图像平滑
在将地图扫描或摄像输入时，由于线不光 滑以及扫描、摄像系统分辨率的限制，使 得一些曲线目标带来多余的小分支（即毛 刺噪声）；此外，还有孔洞和凹陷噪声， 如下图所示：
扫描图像的“毛刺”和“凹陷孔洞”
去除毛刺噪声的影响：
采用如下图所示的 3×3 模板进行处理。处理的过程是： 按点阵格式扫描图像上每一像素，只要图像相应区域与下图 中的模板（包括其三次 900 旋转所形成的模板）匹配，则判定 为毛刺，对应于模板中心的像素数值变为 O。根据需要可进 行多次这种匹配运算。
Douglas-Peucker算法
1）在曲线首尾两点A、B之间连接一条直线段AB，该直线
称为曲线的弦；
2）得到曲线上离该直线段距离最大的点C，并计算其与AB 的距离d；
3）比较该距离与预先给定阈值ε的大小，如果小于ε，则将 该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕；
4）如果距离大于阈值，则用C将曲线分为两段AC和BC，并 分别对两段曲线进行1-3步的处理。
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2.流方式（Stream Mode）
流方式录入能够加快线或多边形地物的 录入速度，在录入过程中，当录入人员 沿着曲线移动游标时，能够自动记录经 过点的坐标。
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采用流方式录入曲线时，往往采集点的数目要多 于点方式，造成数据量过大。
解决的方案：
1.对记录的点进行实时采样，即尽管系统接收到了 点的坐标，但是可以根据采样原则确定是否记录 该点。 2. 在整个曲线录入完毕后，使用曲线离散化算法 去掉一些非特征点。
相交弧段选项计算弧段相交点，并在相交点上添加节点， 左图示相交处未添加节点的数字化弧段，右图示用相交弧段 选项创建了节点
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数据压缩与光滑
一、数据压缩
图形显示输出
矢量数据压缩
数据压缩
光滑
栅格数据压缩
数据存储
1、 Douglas—Peucker
压缩效果好，但必须在对 整条曲线数字化完成后才能 进行，且计算量较大；
其具体的输入方式与地理信息系统软件的实现有关，另 外一些GIS系统也支持用数字化仪输入非空间信息，如等高 线的高度，地物的编码数值等等。
1.应用于已有地图的数字化。 2.可以输入：点地物、线地物以及多边形 边界的坐标。
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在进行数字化之前的准备工作：
首先要确定需要数字化哪些信息。
•例如：在目前由于大多数GIS软件对空 间数据采用分层管理，所以要确定输入 哪些图层，以及每个图层包含的具体内 容。
手扶跟踪数字化
输入前的准备工作 两种数字化方式
ARCINFO相关命令
数据压缩与光滑
扫描矢量化
扫描矢量化以及处理流程
栅格图像转换为矢量地图步骤
涉及算法
图像拼接/裁剪
细化前处理
细化 链码（弗里曼码）
矢量线生成 曲线离散化算法
空间数据输入
基本坐标变换 图形修改
拓扑生成 拓扑关系建立
图幅接边与分割 数据格式的转换 开窗处理
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图像细化（Thinning）
细化算法对二值图像进行处理，得到细化后 的图像。
线细化，就是不断去除曲线上不影响连通性 的轮廓像素的过程，对细化的一般要求是： 保证细化后曲线的连通性 细化结果是原曲线的中心线 保留细线端点
下面介绍一个常用的细化算法，其它算法基本是此算法的改进。 首先介绍几个相关的概念和符号。对于二值栅格图像中每个像素
目前大多数系统采取两种采样原则，即距 离流方式（Distance Stream）和时间流方 式（Time Stream）(如图)
(a)
(b)
时间流与距离流比较
采用时间流方式录入时，一个优点是当录 入曲线比较平滑时，录入人员往往移动游 标比较快，这样记录点的数目少；而曲线 比较弯曲时，游标移动较慢，记录点的数 目就多。
点 p，以及该像素直接相邻的 8 个像素点（下图），令：
p
像素周围的 8 个直接相邻像素
1）N(p)为 p 的邻点的数值的和； 2）图像像素联接数 T(p)，如果旋转着看像素周围的点，T(p)就 是 p 周围 8 个点从 0 变成 1 的次数，它反映了像素邻点的联接的块数
（下图）。 3）pW，pE，pS，pN 分别指像素左侧、右侧、下边、上边邻点的数
空间数据的输入
矢量数据录入方式：
键盘录入 鼠标录入
使用鼠标录入，通常是将地图扫 描后，作为底图显示在屏幕上，用鼠 标参照底图进行采点。由于鼠标定位 不如数字化仪精确，所以一般用于输 入一些示意图。
手扶跟踪数字化仪输入 自动扫描数字化输入 解析测图仪空间数据输入 全球定位系统 已有数字空间数据的输入
如果 2N(p)6 并且 T(p)=1 并且 pNpSpE=0 并且 pWpEpS=0
则标志 p 点； 2：将所有被标志的栅格点赋值为 0，如果没有被标志的点，则算法结束； 3：对于栅格图像中的每个点 p，进行如下操作：
如果 2N(p)6 并且 T(p)=1 并且 pNpSpW=0 并且 pWpEpN=0
而采用距离流方式时，容易遗漏曲线拐点， 从而使曲线形状失真。所以在保证曲线的 形状方面，时间流方式要优于距离流方式。
在实际的录入过程中，可以根据不同的录入对象 选择不同的录入方式。
例如：当录入地块图时，由于其边界多为直线， 并且点的数据较少，可以采用点方式录入；
录入交通线时，因为要保证某些特征点位置的 准确性，也可以使用点方式；
000 010 ⅩⅩⅩ 图：去毛刺模板，X 为任意数值
去除孔洞及凹陷噪声：
采用如下图所示的模板进行处理，只要图像对应区域与该模 板（包括其三次 90O 旋转）匹配，则区域中心点数值变为 1。
X1 X 101 ⅩⅩⅩ 图：去孔洞凹陷模板
总之，通过以上两种平滑处理，基本上消除了毛刺和孔洞凹陷 噪声的影响，为进一步进行细化处理打下了基础。
值。
1
(a)T = 0 11 11 1
(d)T = 1 111
1 111
(g)T = 2
像素联Байду номын сангаас数
111 111 111
(b)T = 0
11 11
1
(e)T = 2
1
1
1
1
(h)T = 3
1 1
(c)T = 1
1
1
1
(f)T = 2
1
1
1
1
1
(i)T = 4
算法步骤如下[Zhang-Suen，1984]： 1：对于栅格图像中的每个点 p，进行如下操作：
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扫描矢量化及常用算法
扫描矢量化以及处理流程
由于手扶跟踪数字化需要大量的人工操作， 使得它成为以数字为主体的应用项目瓶颈。 扫描技术的出现无疑为空间数据录入提供 了有力的工具。
在扫描后处理中，需要进行栅格转矢量的 运算，一般称为扫描矢量化过程。
扫描矢量化可以自动进行，但是扫描地图 中包含多种信息，系统难以自动识别分辨， 所以在实际应用中，常常采用交互跟踪矢 量化，或者称为半自动矢量化。
其次，输入至少三个定位点（Tick Marks）
由于数字化过程不可能一次完成，在两次输入之 间地图的位置可能相对于数字化板发生错动，这 样前后两次录入的坐标就会偏移或旋转。解决该 问题的办法就是，在每次录入之前，先输入至少 三个定位点，或称为注册点（Register Points），这些点相对于地图的位置是固定的， 这样两次输入的内容就可以根据定位点坐标之间 的关系进行匹配。
5）当所有曲线都处理完毕后，依次连接各个分割点形成的 折线，即可以作为曲线的近似。
很明显，该算法是一个递归算法。
2、垂距法
每次顺序取曲线上的三个点，计算中间 点与其它两点连线的垂线距离d，并与 限差D比较。若d＜D，则中间点去掉； 若d≥D，则中间点保留。然后顺序取下 三个点继续处理，直到这条线结束。
征向量，分别求出以上各列的特征向量V1（0），V1 （1），…，V1（n）。
2）自动拼接 即由B中左侧从左至右依次取若干列L2（n）， L2（n-1），…，L2（0），以各列内像素灰度的长度序列
为特征向量，分别求出以上各列的特征向量V2（n）：V2 （n-1），…，V2（0）。若向量序列[V1（0）；V1 （1）,…，V1（n）］和[V2（0），V2（1），…，V2 （n）］匹配，则转向步骤4。