数字化图形的基础

6．数字化图形基础

数字化图件（digital map）是运用计算机系统将图面信息数据化，转变成为图形或图象信息，并按数据结构及类型所形成的图件。它的提出和应用主要是区别于以往手工编绘的各类图件，从而使用计算机制图和建立地理信息系统。在常规的1:5万区域地质调查工作中，各种图件均用手工转绘而成，而借助于计算机技术，这些图件则可以通过地理信息系统（GIS）软件编制。

6.1参考系统

在地理信息系统中，数字化图形中的每一个实体都具有其地理坐标值，即具有标准坐标系中的参考位置。坐标系统可以分为局部（地方）、全国或国际通用坐标系统。我国多采用北京坐标系（1954,1980），而UTM是国际坐标系统之一；对于全球性的世界地图或大区域的小比例尺地图则可能采用世界上的其它坐标系统。

6.1.1 投影与坐标系

投影与坐标系是两个经常使用的概念，但二者并不等同。投影是采用一定的数学法则，把地球的球形表面表示在平面上的一种系统，并且尽可能使得其长度、面积和角度变形最小。比较形象的例子是，首先在橘子表面写上“地理信息系统”六个字，然后将橘子皮展开，你就会发现这六个字几乎无法辨认；同样，如果不使用投影将地球表面展开为平面，那么地球表面的山川、河流、湖泊和海洋也将产生很大的变形，以至于无法辨认。所以当我们使用计算机屏幕来表示地图时也必须使用投影。坐标系则是包括投影在内的一组公式和参数，一旦确定了这些参数，就产生了一个坐标系。坐标系包括了投影类型、大地椭球体、坐标原点、单位、东伪偏移和北伪偏移等。不同的坐标系具有不同的参数值，不同国家和地区分别采用不同的投影和坐标系。

6.1.2 投影的主要类型

投影的分类很多，根据变形的特点可以分为等角投影、等积投影和任意投影；根据投影面形状的不同，有方位投影、圆锥投影和圆柱投影；按投影面与地球面的相对位置则有正轴、横轴和斜轴以及切、割之分。这里主要介绍三种投影：①方位投影是以平面作为投影面，按某种条件，将地球表面上的经纬网投影于平面上的一种投影，在制图实践中多采用非正轴方位投影，它主要适用于南北半球。②圆锥投影是以圆锥面为投影面的系统，常进一步划分为正轴切圆锥投影和正轴割圆锥投影。这种投影适用于中纬度东西宽而南北窄的国家或地区。我国小于1：50万的地形图采用的就是等角圆锥投影。③圆柱投影是以圆柱面作为投影面，按某种条件，将地球面上的经纬线投影到圆柱面上，并沿圆柱母线切开展成平面的一种投影。从几何上看，圆柱投影是圆锥投影中锥顶在无穷远处的特例。我们常用的高斯投影和墨卡托

投影（UTM）都属于该类投影。高斯投影是一种等角横切圆柱投影，因无角度变形，故小块地区图形保持正确，我国1：50万至1：1万的地形图采用的就是这种投影。通用墨卡托投影（UTM）目前已被许多国家用于建立地形图数学基础，它属于横割圆柱投影，与高斯投影同属横圆柱投影。但是，在高斯投影中规定中央经线上长度比为1，而在通用墨卡托投影中则为0.9996，该投影已广泛地被许多国家和地区采用，包括美国、日本、加拿大、泰国、阿富汗、巴西、法国和瑞士等80多个国家。

6.1.3 坐标系的类型

为了满足不同国家和地区的生产、生活、科研和军事等需要，世界上已经建立了许多坐标系统，在Maplnfo中就有300多个坐标系统。你还可以创建自己的坐标系统。根据应用的范围可以分为局部、全国通用和国际通用三种坐标系统。①局部坐标系统是针对某个地区确定的一系列参数而创建的坐标系，对该地区来说，其变形最小，如美国各州平面坐标系和中国香港地区的坐标系。②全国通用的坐标系统是对于一个国家设定的系统，它使得整个国家在地图上变形最小，如我国的北京坐标系和日本的坐标系都是适用于较大区域的坐标系统。

③国际通用坐标系统是全球设定的坐标系统，主要为世界地图和洲际地图确定的坐标系统。

在数字化图形输入和转换时，必然要涉及坐标系统的选择和投影变换。要使一张平面地图具有准确的地理位置，就必须选择正确的座标系统和投影，也必须做正确的坐标变换。因此，在数字化图形输入之前，要进行认真的考虑，选择合适的坐标系。

6.2 点、线、面及文本

地理数据可以概括为三类拓扑概念：点（point）、线（polyline）、面（polygon）。点表示数据的单一位置，如样品点、地质点、客户位置等；线覆盖了给定距离的开放对象，包括直线、折线和圆弧。例如断层、地质界线、街道等；面则是覆盖了给定面积的封闭对象，包括多边形、椭圆和矩形，例如一个国家的范围、邮区和地质体等。另外，还有文本，它是描述地图或其他对象的文字及符号，例如地质图上的代号、村庄名称等标注。原则上，任何一种地理现象都能以点、线、面加上一个文本标注“这是什么”来表示。例如一个油井可以用一个点实体和参考坐标系X和Y加上一个“油井”表示，一个薄片取样点同样可以用一个取样点和参考坐标系X（如4436000）和Y（20657000）加上标注“b800”来表示；一条断层则表示为一个线实体和一系列坐标X、Y（曲线）或只有起止点坐标X、Y（直线）加上一个标注“F10”；一个地质体则包括一系列X、Y坐标加上标注“Area”来表示等。实体是基本地理信息单元，也称为元素。点、线、面、象元和物体的一部分都是实体，每一个实体上都承载着不同的属性，例如一个地质体的属性中有它的位置、大小、名称、代号及其它特征。

6.3 地图与图层

地理数据的表示方法很多，最常用的，也是人们最习惯的方法是以地图的形式来表示地理数据。

地图由一系列的点、线、面组成，它们被称为地图元素。计算机正是利用地图的这一特征，按地图元素的属性进行分层，并以不同图层进行组织专业图件。可以想象，每个图层都是透明的，这些透明层可以一层层叠加；每一图层包含整个地图的不同方面。地图元素由空间参考坐标系中的位置、形状和非空间属性加以定义，亦就是前面所说的文本标记加以标注。地图通常是地理数据的二维表示，但也不排除多维表示，只是三维以上的表示难以在平面上描绘出来罢了。我们用GIS系统设计出的地质图(图12－5)，多数属于二维形式，有时可以表示出地形的模型等，但还没有达到真正的三维效果。

在GIS系统中，每一个图层常常以一个单独的文件存储，当你打开一个文件时，也就打开了一个图层。不同的GIS系统有不同的表示方法，在MAPINFO中，每一图层可以包含不同的地理对象，诸如点、线、面和文本；而MAPGIS中，每一图层只能表示单一对象，如点、线、面，它将点、线、面分别存入不同的文件中。例如我们常用的地形图，可以看成由五个图层组成，第一个图层包括地形线，第二个图层为水系，第三个图层由道路组成，第四个图层是居民地，第五个图层则为各种标注。再如下图（图12－6）所示，第一个图层包含榆关镇幅水系，包括河流及湖泊：第二图层为居民地位置；第三个图层由标注文本组成。通过把这些图层一层层叠加起来，将建立起完整的地图。

在GIS系统中，基本上都是以图层作为地图的构筑块。一旦创建了地图图层，就可以把图层自由组成多种形式，增加和删除图层，或对它们进行重新排序。关于如何进行图层的编辑，我们将在以后的章节中进行讨论。

7. 数字化图件种类及属性

7.1 地理数据的显示和隐式表示

人们靠自己的眼睛能高效率地识别形状和形式，但计算机却不能识别。要使计算机识别形状就必须精确地指出：空间模式应如何处理、如何显示等。在计算机内描述空间实体有两种方式：显示描述和隐式描述。

例如在许多GIS系统介绍中常常引用的一个实例，一个地区地物在计算机中的显示描述就是栅格中的一系列象元（点），使计算机知道这些象元描述的是地物而不是其它物体，这些象元都给予相同的编码值“C”。其实，值“C”不一定用C形式表示，也可以用颜色、符号、数字或灰度值来显示。于是地物的简单数据结构可以描述为：

地物的属性→符号／颜色→象元