專利名稱：紙質矢量地圖自動數字化的方法
技術領域：
本發明涉及圖形數字化技術，特別涉及一種能快速精確的將矢量地圖自動數字化的方法，適用具有不同色差、色彩或灰度的地學地圖的數字化過程。
背景技術：
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。經過上千年的努力、智慧和經驗的總結，人類社會積累了大量極為珍貴的線劃紙質矢量地圖，如行政區界圖、地形圖、地質圖、地貌圖、土壤圖和交通圖等。這些紙質地圖中又蘊涵著大量的極有價值的信息。因此，這些紙質地圖在相關領域中極具研究與應用價值。隨著計算機的出現和現代信息技術的快速發展，為了便于對地圖信息的存儲、分析和綜合處理，人們需要將這些紙質地圖數字化。現存的紙質地圖數字化方式不外乎以下三種①利用數字化儀直接在原始地圖上人工跟蹤每條界線，進行數字化，形成矢量圖；②利用掃描儀，將原地圖數字化成柵格圖像，然后將柵格圖像顯示在計算機屏幕上，利用人工目視方法進行人機交互，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繪到透明聚脂薄膜上，然后進行掃描、轉換、數字化成矢量圖。它們的共同缺點為手工操作過程繁復；工作量很大又單調；與原地圖相比，精度要有所不同程度降低。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供特別適用具有不同色差、色彩或灰度的地學地圖的數字化過程的、能快速精確的紙質矢量地圖自動數字化的方法。
為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的本發明提供了一種紙質矢量地圖自動數字化的方法，包括以下步驟
(1)原始紙質地圖掃描輸入利用掃描儀將原始紙質地圖進行掃描，生成柵格圖像；(2)柵格圖像配準、校正在原始紙質矢量地圖上確定分布相對均勻、并能在柵格圖像中準確定位幾何地理坐標位置的控制點，通過這些控制點對柵格圖像進行地理空間配準和校正；(3)信息的自動識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物，進行聚類、識別、提取和保存所需要的信息，同時刪除其它無關內容；(4)柵格圖像的矢量轉換將上一步驟提取、保存的信息，利用從柵格到矢量轉換程序或方法進行自動轉換，形成矢量文件；(5)建立拓撲關系根據地理信息原理，將上一步驟生成的矢量文件建立拓撲關系，將數字矢量圖像中所有折線轉換成與原始紙質矢量地圖中實際相符的連續曲線。
(6)給新矢量圖賦屬性值參照原始紙質矢量地圖，對數字矢量圖像中各圖斑和線劃的屬性賦值。
作為一種改進，步驟(5)之后還包括對生成的矢量圖進行校正與檢驗的步驟。
作為一種改進，步驟(5)的建立拓撲關系過程中，包括簡化線形對矢量圖像進行簡化線性要素和線性要素綜合，使之成為連續的、圓滑的曲線；以及進行中心線獲取，使矢量圖形簡化為單一的曲線。
與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明利用了圖像聚類分析、自動識別方法，區分所需的信息和背景，且將提取的有用信息直接矢量化，克服了在常規方法中存在的操作繁復、單調、工作量大以及數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轉化而成，可以十分準確的確定中心部位。比常規的利用數字化儀手工跟蹤或手工在計算機顯示屏上數字化要來的準確、詳盡；整個轉化過程可以完整保存原有地圖的信息。與現有技術方法相比，本技術發明可以極大地提高工效，減少工時，減少繁復的手工操作勞動；同時提高地圖數字化的精度。有史以來，人們就產生和積累了大量的紙質線劃矢量地圖，例如各式各樣、不同比例尺的地形圖、地質圖、地貌圖、水文圖、土地利用圖、土壤圖等無數地圖。隨著信息技術的發展，“數字地球”、“數字中國”、“數字城市”、“數字土壤”等的提出和實施，需要將原有積累的紙質地圖進行數字化，本發明十分適用于這些數字化過程。
圖1為本發明實施例中紙質矢量地圖自動數字化方法的流程圖具體實施方式
參考附圖，下面將結合浙江省1∶25萬土壤圖的數字化過程的實施例對本發明進行詳細描述。
1.原始紙質地圖的掃描輸入利用掃描儀將原始紙質地圖進行掃描，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置對空間數據的精度有重要的影響。紙質地圖的肉眼可分辨的圖上距離是0.1mm，根據地圖比例尺換算實際距離為0.1*250000＝25(m)，所以按照原土壤圖數字化誤差小于25m是允許的范圍。假定在圖像重采樣中，重采樣大小設定值為20m，那么掃描分辨率設定值計算方法為地面20m相當于圖上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原始土壤圖進行掃描。分辨率設置為350DPI，選擇更大或更小象素都不合適。更小分辨率會使掃描后的土壤邊界線不容易被計算機辨別，不利于聚類分類。更大分辨率會需要較多的掃描時間。若所掃描的圖件比較多，易造成掃描儀的超負荷運行，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、校正在原始紙質矢量地圖上確定分布相對均勻、并能在柵格圖像中準確定位幾何地理坐標位置的控制點，通過這些控制點對柵格圖像進行地理空間配準和校正。
因為紙質地圖存在著圖紙的變形，特別是比較陳舊的圖件。因此，對土壤圖掃描后的校正是土壤圖數字化必需的步驟。我們根據原始地圖上所標注的經緯度對掃描后的柵格地圖進行配準校正。所使用的空間地理參照系統信息克拉克橢球1866；阿伯斯等積圓錐投影；東偏移0.000000米；北偏移0.000000米；中央經線110.000000度；第一標準緯線25.000000度；第二標準緯線47.000000度；起始緯線12.000000度。
3.圖像的自動聚類，特定信息的自動識別、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物，進行聚類、識別、提取和保存所需要的信息，同時刪除其它無關內容。
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，所以可以對柵格圖像進行監督分類，單獨提取土壤邊界線。監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字等，所以對原始柵格圖像進行監督分類聚類后一般會出現兩個問題a、分類后的土壤邊界線有小部分并沒有完全連接；b、分類后出現了許多與土壤邊界線顏色一致的數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際應用的角度，都必須要對這些小圖斑進行剔除。解決方法對第一個問題可以在第九步中通過原始柵格圖像和矢量圖形的對比從而進行修改和連接。對第二個問題則要用到去除分析功能。
去除分析中的最小圖斑設在300～400個像元。選擇更大的像元數會把一些有用的圖斑去除合并掉；選擇更小的像元數則達不到去除目的。
4.柵格圖像矢量化應用通用的商用軟件程序(例如ESRI公司的ERDAS軟件)將上一步經過聚類分析、目標提取和零碎小圖標去除分析的柵格圖像轉換成多邊形圖斑的矢量圖像。
5.建立該矢量圖的拓撲關系應用通用的商用軟件程序(例如ESRI公司的ARCGIS軟件)，根據地理信息原理對矢量化后的圖形建立拓撲關系。
6.簡化線形幾乎所有的由柵格轉換而來的矢量圖都存在鋸齒或階梯狀線性，故對該矢量圖要進行簡化線性要素，進行線性要素綜合，使之成為連續的、圓滑的曲線。
7.建立中心線經過上一步驟處理的圖像還要進行中心線獲取。進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個小的正方形像元組成。將柵格圖像轉換為矢量圖形后，為許多小正方形連成的窄長的不規則“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，從而簡化為單一的曲線。
8.重新按拓撲原理建立圖層上述處理的圖像文件要按地理信息原理和拓撲學，重新建立具有正確拓撲關系的圖層。
9.圖形的校正與檢驗經過了上面的步驟后，同時打開原始柵格圖像和矢量圖形進行兩圖疊加對比。依據原始柵格圖像對矢量圖形進行修改。通過對比可以發現需要編輯修改的線性要素。
10.重新建立圖形的拓撲關系上述的編輯修改過程，將引起原有拓撲關系的改變，故需重新建立圖形(圖層)的拓撲關系。
11.給新矢量圖賦屬性值參照原始紙質矢量地圖，為數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。
本發明不僅可以極大地提高紙質地圖數字化的工效，減少繁復的手工操作勞動，提高數字化的精度等，還可以發現原紙質地圖中存在的遺漏和錯誤。在本次試驗中，數字化后的土壤圖，通過與原紙質土壤圖的對比檢驗，可以檢查出原紙質土壤圖中存在的為數不少的遺漏和錯誤，且這些遺漏和錯誤直接影響地圖的質量。現以浙江省玉環縣紙質土壤圖數字化為例，通過數字化，我們發現了原紙質土壤圖中存在未賦屬性和一斑多碼的圖斑共計32個，而此土壤圖的總圖斑數為372個，占總圖斑數的8.6％。(見表一)。而浙江省其他縣市的與玉環縣基本相似，原紙質土壤圖中均存在著占總數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明的具體實施例子。顯然，本發明不限于以上實施例子，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種紙質矢量地圖自動數字化的方法，包括以下步驟(1)原始紙質地圖掃描輸入利用掃描儀將原始紙質地圖進行掃描，生成柵格圖像；(2)柵格圖像配準、校正在原始紙質矢量地圖上確定分布相對均勻、并能在柵格圖像中準確定位幾何地理坐標位置的控制點，通過這些控制點對柵格圖像進行地理空間配準和校正；(3)信息的自動識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物，進行聚類、識別、提取和保存所需要的信息，同時刪除其它無關內容；(4)柵格圖像的矢量轉換將上一步驟提取、保存的信息，利用從柵格到矢量轉換程序或方法進行自動轉換，形成矢量文件；(5)建立拓撲關系根據地理信息原理，將上一步驟生成的矢量文件建立拓撲關系，將數字矢量圖像中所有折線轉換成與原始紙質矢量地圖中實際相符的連續曲線；(6)給新矢量圖賦屬性值參照原始紙質矢量地圖，對數字矢量圖像中各圖斑和線劃的屬性賦值。
2.根據權利要求1所述的紙質矢量地圖自動數字化的方法，其特征在于，步驟(5)之后還包括對生成的矢量圖進行校正與檢驗的步驟。
3.根據權利要求1所述的紙質矢量地圖自動數字化的方法，其特征在于，步驟(5)的建立拓撲關系過程中，包括簡化線形對矢量圖像進行簡化線性要素和線性要素綜合，使之成為連續的、圓滑的曲線；以及進行中心線獲取，使矢量圖形簡化為單一的曲線。
全文摘要
本發明涉及一種圖形數字化技術，旨在提供一種能快速精確的將矢量地圖自動數字化的方法。本發明提供的方法包括原始紙質地圖掃描輸入、柵格圖像配準校正、信息的自動識別提取、柵格圖像的矢量轉換、建立拓撲關系和給新矢量圖賦屬性值。本發明克服了在常規方法中存在的操作繁復、單調、工作量大以及數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，減少繁復的手工操作勞動；同時提高地圖數字化的精度，十分適用于紙質地圖數字化過程。
文檔編號G06K9/00GK1804863SQ20061004909
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月16日 優先權日2006年1月16日
發明者吳嘉平, 姚偉, 吳春發 申請人:浙江大學