地图的数字化
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§4.1 地图数字化概述
一、地图数字化概念
地图数字化：把纸质地形图通过图形数字化仪或扫描仪
等设备输入到计算机，再用专业软件进行处理和编辑将其 转换成计算机能存储和处理的数字地形图。 实质：将图形转化为数据。
数字化方法有：
手扶跟踪数字化 地图扫描屏幕数字化
注：地形图数字化后，地形要素的位置精度不会高于原
3.地形图数字化
§4.2 栅格数据运算与矢量化原理
一、栅格数据运算 1.灰度值变换
“临界值操作”是指凡低于(或高于)某一个临界值的灰度值都被置成 一种新灰度值(例如0)，其余的也可均置为另一种不同的灰度值常量 。
2.栅格图像的平移
3.栅格图像的算术组合与逻辑组合
算术运算：将两个栅格图像互相叠置，使它们对应像
元的灰度值相加、相减、相乘等 将两个图像相对应的像元，利用逻辑算子
“或”、“异或”、“与”和“非”进行逻辑组合。
用集合运算的符号表示: A“或”B的结果是 A∪B={x：x∈A或x∈B}； A“与”B的结果是 A∩B={x：x∈A且x∈B}； A“异或”B的结果是 A“非”B的结果即为A集与B集的差：
A或B
A与B
A异或B
A非B
4.加粗和减细
加粗：将原图向上、右、下、左平移得到私服新图与原图进行“或”运
算。
二、线状栅格数据的细化
为了便于线状影像的自动跟踪矢量化，应进行线状栅格 数据的细化，即提取线状栅格的中轴线。
1.最大值计算法
细化原理：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， 其中要素栅格灰度为“1”，背景栅格灰度为“0”。因为 每点周围至多为四个“1”，所以Vmax＝4，Vmin＝0，然后 选取最大V值的点。显然，最大V值点不可能位于线划边缘， 而位于线划内部。如果经一次细化仍嫌太粗，还可以将所 有最大V值点的灰度值重新赋为“1”，而将其它V值点的灰 度值重新赋为“0”，进而再选取最大V值点,……。
特点：坐标平移、旋转和地图图纸的不均匀变形
4.二次变换
当地图图纸的变形不均匀时，还可采用二次曲线方程， 称为二次变换，其数学模型为
12个变换参数，至少需要6个定向点，实际作业中，通 常选择地图的4个图廓点和若干个方里网线交叉点作为定向 点。
特点：坐标平移、旋转和地图图纸的不均匀变形
三、手扶跟踪数字化方法简介 1.地图定向 2.菜单定位
一、扫描屏幕数字化工作步骤
扫描矢量化过程的实质：解译栅格图像并用矢 量元素替代的过程。
扫 工描预细
作 地
图 像
处
化 处
图输理理 入
矢量化
地物、注记 识别和输入
扫描矢量化的作业流程
检输 查 与 编 辑出
1.预处理
扫描地形图工作底图得到的原始光栅文件，还需进行 多项处理才能完成矢量化。预处理过程实际上是对原始光 栅文件进行修正。
2.边缘跟踪剥皮法
细化原理：先寻找到一个位于线划影像边缘上的像元，接着以此像元为
中心，按一定顺序(例如，顺时针方向)检测其八个邻域的灰度值。通过这次 检测，可以同时达到两个目的，一是决定本中心像元应不应该被置成“0”； 二是找到与本中心像元相邻的边缘像元，以便继续“剥皮”和跟踪。
判别依据：在测试中通过有条件的计数，得到除中心像元外，八个邻域
终止条件：跟踪到了起始像元(即跟踪轨迹已闭合)。
三、栅格数据自动跟踪矢量化
1.细化线的跟踪 2.区域边线的跟踪 3.预测跟踪法
§4.3 地图扫描屏幕矢量化方法
地图扫描数字化：将图纸通过扫描仪录入计算机，生成按行
和列规则划分的栅格数据，然后用扫描矢量化软件，采用人机 交互与自动化跟踪相结合的方法完成地形图的矢量化。
➢ 噪声消除 ➢ 图像纠正 ➢ 图层设置 ➢ 地物编码
图幅定位 图幅定向
2.细化处理
细化处理过程是在正式光栅数据中，寻找扫描 图像线条的图形原骨架也就是线条中心线的过程。
➢寻找线条中心线
➢人工补断和毛刺剔除
内存容量
➢细化质量
处理精度 细化畸变
处理速度
3.矢量化
（1）线段自动跟踪矢量化
① 制定线段的起点，记录其坐标； ② 以起点为中心，沿顺时针方向按上、右上、右等8个方向的 像素，搜索下一个未跟踪过的点，搜寻到后即记录其坐标，否 则推出；
6个变换参数，至少需要3个定向点，一般采用3个以上 的定向点采用平差的方法求解。实际作业中，通常选择地图 的4个图廓点作为定向点。
特点：坐标平移、旋转和X、Y 方向 不同缩放
3.双线性变换
与赫尔默特和线性变换相比，双线性变换还考虑到了地 图图纸的不均匀变形，其数学模型为
8个变换参数，至少需要4个定向点，实际作业中，通常 选择地图的4个图廓点和若干个方里网线交叉点作为定向点。
中自相连通的像元块数 NB。若NB <2，则当前被考察的点(i，j)可以被 “剥”掉；反之，若NB ≥2，则不可“剥”去，否则将破坏曲线的连通性。
在跟踪分析过程中，被判别为应该删掉的“1”像元，作上标记“3”， 被判为应该保留的像元，作上标记“2”。等整幅影像中所有的边缘都被 跟踪过一遍后，将全图栅格灰度值作一个统一处理：凡是灰度值为“3” 的像元均置成“0”，凡是灰度值为“2”的像元均恢复为“1”。此时， 可谓一次细化已完成。
③ 以新找到的点作为新的判别中心，重复操作，按此循环，
追踪到线段的另一个端点。
在跟踪过程中，当遇到线段的断点或交叉点时，需要人 工干预后继续跟踪。
移距离为x0，y0 。
式中：l为尺度因子。
令
，
，
和
，则
上式即赫尔黙特变换模型，a，b，c1，c2 共4个参数，坐标 转换时至少需要两个定向点。实际作业中，一般选取4个图廓点 作为定向点。
特点：坐标平移、旋转和X、Y 相同缩放
2.仿射变换
与线性变换相比，仿射变换还顾及到了X，Y 两个方向
比例变化的不一致性，其数学模型为
地形图的精度。
二、地图定向
图纸定位：将数字化仪坐标系转换成地形图坐 标系的过程或将图纸坐标转换成测量坐标的过 程。
实质：坐标变换（确定坐标系间的变换参数）
平移
坐标变换
旋转
缩放
1.赫尔黙特变换
设XOY为地图坐标系， xoy 为数字化仪坐标系，两坐标系 的坐标轴之间的夹角为a。地图 西南角图廓点O的地图坐标为X0 和Y0 ，数字化仪坐标为x0和y0， 即O点相对于xoy坐标原点o的平
一、地图数字化概念
地图数字化：把纸质地形图通过图形数字化仪或扫描仪
等设备输入到计算机，再用专业软件进行处理和编辑将其 转换成计算机能存储和处理的数字地形图。 实质：将图形转化为数据。
数字化方法有：
手扶跟踪数字化 地图扫描屏幕数字化
注：地形图数字化后，地形要素的位置精度不会高于原
3.地形图数字化
§4.2 栅格数据运算与矢量化原理
一、栅格数据运算 1.灰度值变换
“临界值操作”是指凡低于(或高于)某一个临界值的灰度值都被置成 一种新灰度值(例如0)，其余的也可均置为另一种不同的灰度值常量 。
2.栅格图像的平移
3.栅格图像的算术组合与逻辑组合
算术运算：将两个栅格图像互相叠置，使它们对应像
元的灰度值相加、相减、相乘等 将两个图像相对应的像元，利用逻辑算子
“或”、“异或”、“与”和“非”进行逻辑组合。
用集合运算的符号表示: A“或”B的结果是 A∪B={x：x∈A或x∈B}； A“与”B的结果是 A∩B={x：x∈A且x∈B}； A“异或”B的结果是 A“非”B的结果即为A集与B集的差：
A或B
A与B
A异或B
A非B
4.加粗和减细
加粗：将原图向上、右、下、左平移得到私服新图与原图进行“或”运
算。
二、线状栅格数据的细化
为了便于线状影像的自动跟踪矢量化，应进行线状栅格 数据的细化，即提取线状栅格的中轴线。
1.最大值计算法
细化原理：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， 其中要素栅格灰度为“1”，背景栅格灰度为“0”。因为 每点周围至多为四个“1”，所以Vmax＝4，Vmin＝0，然后 选取最大V值的点。显然，最大V值点不可能位于线划边缘， 而位于线划内部。如果经一次细化仍嫌太粗，还可以将所 有最大V值点的灰度值重新赋为“1”，而将其它V值点的灰 度值重新赋为“0”，进而再选取最大V值点,……。
特点：坐标平移、旋转和地图图纸的不均匀变形
4.二次变换
当地图图纸的变形不均匀时，还可采用二次曲线方程， 称为二次变换，其数学模型为
12个变换参数，至少需要6个定向点，实际作业中，通 常选择地图的4个图廓点和若干个方里网线交叉点作为定向 点。
特点：坐标平移、旋转和地图图纸的不均匀变形
三、手扶跟踪数字化方法简介 1.地图定向 2.菜单定位
一、扫描屏幕数字化工作步骤
扫描矢量化过程的实质：解译栅格图像并用矢 量元素替代的过程。
扫 工描预细
作 地
图 像
处
化 处
图输理理 入
矢量化
地物、注记 识别和输入
扫描矢量化的作业流程
检输 查 与 编 辑出
1.预处理
扫描地形图工作底图得到的原始光栅文件，还需进行 多项处理才能完成矢量化。预处理过程实际上是对原始光 栅文件进行修正。
2.边缘跟踪剥皮法
细化原理：先寻找到一个位于线划影像边缘上的像元，接着以此像元为
中心，按一定顺序(例如，顺时针方向)检测其八个邻域的灰度值。通过这次 检测，可以同时达到两个目的，一是决定本中心像元应不应该被置成“0”； 二是找到与本中心像元相邻的边缘像元，以便继续“剥皮”和跟踪。
判别依据：在测试中通过有条件的计数，得到除中心像元外，八个邻域
终止条件：跟踪到了起始像元(即跟踪轨迹已闭合)。
三、栅格数据自动跟踪矢量化
1.细化线的跟踪 2.区域边线的跟踪 3.预测跟踪法
§4.3 地图扫描屏幕矢量化方法
地图扫描数字化：将图纸通过扫描仪录入计算机，生成按行
和列规则划分的栅格数据，然后用扫描矢量化软件，采用人机 交互与自动化跟踪相结合的方法完成地形图的矢量化。
➢ 噪声消除 ➢ 图像纠正 ➢ 图层设置 ➢ 地物编码
图幅定位 图幅定向
2.细化处理
细化处理过程是在正式光栅数据中，寻找扫描 图像线条的图形原骨架也就是线条中心线的过程。
➢寻找线条中心线
➢人工补断和毛刺剔除
内存容量
➢细化质量
处理精度 细化畸变
处理速度
3.矢量化
（1）线段自动跟踪矢量化
① 制定线段的起点，记录其坐标； ② 以起点为中心，沿顺时针方向按上、右上、右等8个方向的 像素，搜索下一个未跟踪过的点，搜寻到后即记录其坐标，否 则推出；
6个变换参数，至少需要3个定向点，一般采用3个以上 的定向点采用平差的方法求解。实际作业中，通常选择地图 的4个图廓点作为定向点。
特点：坐标平移、旋转和X、Y 方向 不同缩放
3.双线性变换
与赫尔默特和线性变换相比，双线性变换还考虑到了地 图图纸的不均匀变形，其数学模型为
8个变换参数，至少需要4个定向点，实际作业中，通常 选择地图的4个图廓点和若干个方里网线交叉点作为定向点。
中自相连通的像元块数 NB。若NB <2，则当前被考察的点(i，j)可以被 “剥”掉；反之，若NB ≥2，则不可“剥”去，否则将破坏曲线的连通性。
在跟踪分析过程中，被判别为应该删掉的“1”像元，作上标记“3”， 被判为应该保留的像元，作上标记“2”。等整幅影像中所有的边缘都被 跟踪过一遍后，将全图栅格灰度值作一个统一处理：凡是灰度值为“3” 的像元均置成“0”，凡是灰度值为“2”的像元均恢复为“1”。此时， 可谓一次细化已完成。
③ 以新找到的点作为新的判别中心，重复操作，按此循环，
追踪到线段的另一个端点。
在跟踪过程中，当遇到线段的断点或交叉点时，需要人 工干预后继续跟踪。
移距离为x0，y0 。
式中：l为尺度因子。
令
，
，
和
，则
上式即赫尔黙特变换模型，a，b，c1，c2 共4个参数，坐标 转换时至少需要两个定向点。实际作业中，一般选取4个图廓点 作为定向点。
特点：坐标平移、旋转和X、Y 相同缩放
2.仿射变换
与线性变换相比，仿射变换还顾及到了X，Y 两个方向
比例变化的不一致性，其数学模型为
地形图的精度。
二、地图定向
图纸定位：将数字化仪坐标系转换成地形图坐 标系的过程或将图纸坐标转换成测量坐标的过 程。
实质：坐标变换（确定坐标系间的变换参数）
平移
坐标变换
旋转
缩放
1.赫尔黙特变换
设XOY为地图坐标系， xoy 为数字化仪坐标系，两坐标系 的坐标轴之间的夹角为a。地图 西南角图廓点O的地图坐标为X0 和Y0 ，数字化仪坐标为x0和y0， 即O点相对于xoy坐标原点o的平