扫描矢量化软件在地图数字化生产中的应用.pdf

28 铁道勘察 2 0 0 4年第 3期 扫描矢量化软件在地图数字化生产 中的应用 姜雁飞 铁道第 一勘察设计 院 ， 陕西西 安 7 1 0 0 4 3 Di s c u s s i o n o f S c a n n i n g a n d Ve c t o r i z a t i o n S o f t wa r e s i n Di g i t a l M a p p i n g J i a n g Ya n f e i 摘 要 对几种地 图矢量化软件做 了应用比较 ， 给 出了生产作业流程 ， 对一些关键应用难点做 了重点说 明 。 关键词 软件 矢量化 地图数字化 应 用 目前 ， 随着各种平板和滚筒式扫描仪的普及 ， 曾经 在计算机辅助制图和地理信息系统等领域 中作为重要 输入设备 的数字化仪基本上退出了实际应用 。扫描后 的各种图形和图像是以栅格文件的形式存贮在各种介 质上 。为了后续 C A D需要或 G I S入库的 目的 ， 对栅格 数据文件的矢量化处理是与图纸打交道的很多单位经 常要做 的一项工作。 在扫描图纸的数量不多和没有专用矢量化软件的 情况下 ， 可以把栅格图形文件插入到 A u t o C A D和 MA P ． I N F O等软件平 台的图形环境里 ， 用 图形元素 的生成和 编辑命令在屏幕上完全 以人工方式跟踪绘制各种图形 元素 。这种作业模式相 当于把 当年的数字化仪搬到了 计算机屏幕上。 面对图纸量大 、 要素多 、 工期紧 、精 度要求高 的 情况 ， 使用专业矢量化软件可提高效率和保证精度 。 市场上出售的专业矢量化 软件越来越 多 ， 笔者选 择了以下 3种拥有较多用户群 的著名软件矢量化功能 模块作 了应用对 比 ①武汉中地信息工程有限公 司研制 的 MA P G I S 6 ． 5 内嵌矢量化处理功能 。 ②美 国 E S R I 公 司 A r c G i s 8 ． 3中的扩 展模 块 A r c s c a n 英文版 ③美 国 B E N T L E Y公司的基于 Mi c r o S t a t i o n v 8 ． 1的 扩展模块 M i c r o S t a t i o n D e s c a r t e s 英文版 。 收稿 日期 2 0 0 40 5 一l 0 作者简介 姜雁飞 ， 男 ， 西南 交通 大学 航测 专业 毕业 ， 工学 学 士 ， 高级工 程 师， Mc s E 微软公司认证 系统工 程师 。 1 地形图矢量化一般步骤和相关问题的探讨 地 形矢 量化 操作 一般 遵循 以下 所示 步骤 如 图 图 1 地 形 矢量 化 操 作 步 骤 在具体应用 中， 根据软件功能和 图面信息繁简情 况 ， 以上步骤略有变化 。 扫描地形 图时 ， 可 以用 P H O T O S H O P等专 业 图处 理软件来进行 ， 便于直接用这 些软件的强大图像 编辑 功能做一 定 的图像修 正和处 理， 而且 能够实 现 B M P 、 T I F F 、 J P E G、 P D F 、 R A W 等 2 0多种常见图像文件格式的 相互转换 。有些软件使用了内部 自定义的特殊图像格 式来进行矢量化跟踪， 但应该有接 口功能可 以对通用 的格式文件转换进入。从软件可支持的色彩类型分 ， 有二色 、灰度 、 全彩 色几种 ， 具体 情况 因软件 功能而 不 同。 矢量化跟踪之前 ， 做好读 图分层 的计划工作是重 要的。其 目的是确定地 图要素矢量化 的顺序 ， 以保证 整个工作过程的有条不紊 ， 同时考虑方便 和减少后续 图形编辑工作。如果是 为了录入 G I S数据的 目的， 在 所用软件功能支持 的情况下 ， 可考 虑将有些属性数据 在矢量化跟踪作业 中输入 。 所谓地理坐标配准就是根据一定数量的控制点实 维普资讯 扫描矢量化软 件在地图数字化生产 中的应用 姜雁飞 2 9 现扫描图像从像方空间到实际地理空间 的几何变换 ， 控制点就是那些在两个空间 中坐标都是 已知 的点位 。 地形图有严格 的精度要求 ， 对扫描后所 获得 的图像 存 在各种误差影响 ， 坐标 转换 中如果只进行平移 、 旋转 、 缩放是不能满足较高精度要求 的。矢量化软件平台还 采取了多项式拟合法 ， 支持 从一阶到多阶 的多项式几 何变换。理论上认为 ， 不同阶 的多项式几何校正变换 所需控制点数 的最小值应满足 一 阶多项式几何校正不少于 3个控制点 ； 二阶多项式几何校正不少于 6个控制点 ； 三阶多项式几何校正不少于 1 0个控制点。 为了选择较高 的精度 ， 实际选择 的控制点至少为 理论数 的 3 倍 。在工作 中， 可以根据软件功能特点 ， 对 图像在矢量化前做配准 ， 或者图形编辑完之后 ， 再对数 字地图数据做精确校正。 矢量化软件一般都有缺省参数和选项设 置 ， 用户 需要 自行设定各类参数和选项。软件一般有 以下主要 参数填写和选项设定内容 。 ①栅格线宽度 范围 R a s t e r L i n e w i d t h 捕捉该宽 度范围的线性要素 。 ②最小线长 小于最小线长的线将被舍去。 ③压缩 系数 C o m p r e s s i o n T o l e r a n c e 为 了减 少 系 统的冗余点 ， 在不影响精度 的条件下 自动进行线上节 点的数据压缩。 ④间隙弥合限差 G a p C l o s u r e o r j u m p T o l e r a n c e 往往由于扫描质量不好 ， 引起栅格线条上存在间隙， 软 件可以将小于限差 的间隙 自动跳过 ， 继续矢量化跟踪 过 程 。 矢量化过程可以分 为栅格捕捉 、 交互跟踪和全 自 动 3种。地图矢量化中 ， 人工导 向的交互跟踪方式最 为常用 ， 为了方便操作 ， 软件里通常设定功能键和命令 来实现退点 、 改向、 加点等要求 ， 光标 的屏 幕居中功能 在作业过程 中也十分必要 。 2 软件地 图矢量化 应用和探讨 2． 1 MA P GI S软 件 文件操作命令有装入光栅 、 保存光栅 、 清除光栅和 光栅反求 ， 可 以直接处理 T I F F 非压缩 格式 的图像文 件 ， 或是经过 M A P G I S图像 处理系统处 理得到 的内部 格式 R B M 文件 ， 可以是二值 灰度或彩色的。一般情 况下 ， 先矢量化后再对矢量图形数据进行校正。 把要生成的 目标要素层置 为可编辑状态 ， 设置矢 量化参数和高程参数 ， 高程值输到属性表对应 的字段 中。对话框窗 口如图 2所示。 图 2 对话 框窗 口 抽稀因子的作用如前所述压缩系数。同步步数是 在矢量化线 的过程 中， 在搜索光栅线的中点时 ， 允许 向 前搜索 的最大光栅点数 。最小线长控制着 自动矢量化 时的最小线长 ， 小于最小线长 的线将被 舍去。若设置 自动处理清除过光栅 ， 则每条线矢量化后 ， 将在光栅文 件 中抹去这一条线。选择 了即时属性 赋值 ， 可 以在跟 踪完一条栅格线后 ， 弹出对话框输入对应 的属性数据 ， 该功能为 G I S建库提供 了方便 。 该软件支持 自动和交互矢量化两种方式 。全 自动 矢量化对于那些图面 比较清洁 、 线条 比较分明、 干扰 因 素 比较少 的图， 跟踪出来 的效果 比较好 ， 但对 于那些干 扰因素 比较大的图 注释 、 标记特别多 的图 就需要人 维普资讯 铁道勘察 2 O O 4年第 3期 工干预， 才能追踪出比较理想的图。交互矢量化时 ， 能 自动调整窗 口位置 ， 以保证矢量化的导向光标始终处 在屏幕中央 还有如下常用功能键 ． 能方便操作 F 4 高程递加 F 5 放大屏幕 移动屏幕 F 7 缩小屏幕 鹏 加点 退点 F I l 改向 F I 2 抓线头 矢量化跟踪完后 ， 进入到误差校正 系统 中， 调 入 点 、 线 、 面等图形文件 添加合适数量和位置分布的控 制点， 对图形进行校正处理。 2． 2 A r c s c a n模 块 对影像的坐标配准是通过 地理参考工具 G e o f e r e n c i n g 栏完成 。 打开 A r c M a p ， 增加 G e o r e f c mc i n g工 具条。把需要 进行纠正的影像增加到 A r c M a p中， 会发现 G e o mf e m c - i n 工具条中的工具被激活。首先在 G e o r e f e mc i n g工具 条上， 点击 A d d C o n t r o l P o i n t 按钮。使用该工具在扫描 图上精确到找一个控制点点击 ， 然后鼠标右击输入该 点实际的坐标位置 用相同的方法， 在影像上增加多 个控制点， 输入它们的实际坐标 增加所有控制点后， 在 G e 0 r e f e r e n c i n g 菜单下． 点击 U p d a t e D i s p l a y ， 更新后变 成真实的坐标。在 G e o r e f e r e n c i n g 菜单下， 点击 R e c t ， 将校准后的影像另存， 这时存为 G e o T iff格式的固像文 件 本身包含有了地理坐标 。 图像二值化处理。尽管 A r c M a p电能读 人灰度和 彩色图， 可是 A r s c a n只能识别二值图 所以要把图像 重新 s y mb o l i z e ， 使 c l a s s i f y 分成两种类型 如 01 2 fi ， 1 2 6 2 5 5 ， 把 图像 二 值化。在 图像 上 鼠标 右击 ． 选取 p r o p e r t i e s ， 选 s y m b o l g y标 签， 在 s h o w 中 选 c l a s s i fi e d c t a , ,s e s等于 2 。 在 a r t C a t a l o g中新建 s h p文件 分 几层建几个 ， 有 点 、 线 、 多边形、 多点 4种类型 ， 将图像 和 S H P文件一 起加入到 A R C M A P中， 对 S H P文件进行编辑 ， 此时可 以激活 r c s c r 1 ． 准备进行矢量化。 点击 S t y l e s后， 弹出下面的对话框 ， 直观地显示 了 预设几组参数所针对的不同地图要素类别 如图 3 。 图 3 不同地圉要 素的显示 可 以在图案上点击 ． 选择好对应的设置。 行修改相关参数适应跟踪要求。 也可 自 生成要素 命令可以进行 自动矢量化。 甩 S h o w P re v i e w 显 示预 演和 G e n e r a t e F e a t u r e s 踪 点击 A res c a n工具条上的按钮， 开始线条矢量化跟 当遇到交点和断点时停止， 用鼠标引导方向， 此时 维普资讯 扫描 量化被件在地图毁宇化生产中的应用 姜雁 b 3 l 遇到困难交叉点 ， 计算机无法跟踪下去 ， 可以按住 S 键 悬挂跟踪作业 ， 用鼠标加点通过 这一段 ， 然 岳松开 s 键， 继续跟踪 。结束一条线跟踪可以按 砣 键 一些辅 助功能是通过把光标置于节点上点击 鼠标右键 ， 会 出 现 1 个对话框 。 对话框中， D e l e t e V e rt e x 是退点， F li p 是反向， 删除 当前跟踪 的线 条可 以用 D e l e t e S k e t c h ， 部分确认则选 F i n i s h P a r t 。碰到窗口边界， 光标 自动居中 2． 3 De s c a r t e s模 块 启动安装了 D e s c a t e s 模块 的 M i c r o S t a t i o n v 8 ． 1后， 打开 F il e 下的 R a s t e r Ma n a g e r对话框 ， 然后选择其中的 F i l e A t t a c h ， 选中要 处理的光栅 文件 放置 到视窗里 如图4所示 。 盈 4 R a s t P r M a n a g e r 对话框 i n v e r t 反转 选项控制二值 图两种颜色 的转换 ． 要 把准 备跟踪 的光栅 目标 颜色设 为前 景 色 F o r e g r o u n d C o l o r 。如果是灰度和彩色图 ． 需要对其做 C o l o r M a s k 颜色遮罩 操作 ， 进行动态二值化处理 ， 通过相应的对 话框和工具条中的命令功能。 把需要矢量化的要素颜 色加入到 c o l o r M a s k中。 可以通过 C o l o r Ma s k T o o l s H i g h I i g h t 命令 ， 让加入 C o l o r M a s k中的颜色高亮显示出来 图像坐标配准改正是通过 R e g i s t e r 工具栏和对话 框中的相应命令完成的。 增加控 制点后 ， 给 B a s e S y s t e m 输 入真实大 地坐 标 ， 还要把建立的模型存成文件 ， 然后选择 A p p l y t oi m ． a g e ， 出现 R e s a m p l i n g对话框 用其 中的 S e l e c t 选择图 像和模型文件 ． 点击 R u n P a E e按钮对图像纠正处理。 开始矢量化。点击 R a s t e r T o o l s V e e t o r l z e ， 弹 出矢 量化工具栏。设定好各项参数 一般在 A u t o C o n t i n u e 前打勾 ， 然后可以从选 定线 上的任意位置开始跟踪 ， 点击鼠标左键导引方向， 第一 次点击右键则反向， 第 2 次点击右键结束一条线的跟踪 。常用功能键如下 退点 恢复点 光标居中 F 6 光标置于最后一点 F 7 闭合元索 F 9 栅格捕捉开关 3 结论 1 在支持图像格式上 ， m a p g i s相对单一 ， 只有 t i ff 和g e o tiff两种通用格式， A r c s c a n 和 D e c a r ts 则能读人和 显示常用的几乎所有图像格式 。 2 在处理 的图像类 型上， 唧 s在全 自动矢量 时， 只支持二值图， 在人工导向交互式时， 能直接处理 灰度和彩色图像， 无需事先预处理， 能十分方便地处理 小比例尺彩图D e c a r t s 则要进行 动态二值化 ， 也能较 好的处理灰度 图和彩色图。A r c s c a n是用静态 二值化 的方法 ， 对灰度图处理较好 ， 但对彩色 图块较 多的图 像， 很难进行实际生产作业。 3 在人工导向矢量化跟踪时 ， m a p g i s的辅助功能 键退点和反向等方便齐全 ， 十分好用 D e c a r t s的反向 功能是靠点击 鼠标 右键 只能反向一次 ， 没有跟踪到 边界时的 自动居中功能。A r ase a n一些辅助功能是靠 在节点上点击 鼠标右键 。 弹出对话框选择相应命令来 实现 ， 使用上可定义成快捷方式 综上所述， 笔者认 为， 在处理 l 5万彩色地形 图 时 ， 采用 m a 目 最好 ， d e c a r t s 次之， a r l3 fi c K n不可用。对 灰度图纸的处理 ， m 丑 凼 自动化程度高， 设置项较少， 而 用 d e c a r t s 和 a r c 8 4 2 a n可以进行精细的参数化设置 ， 对不 同类别地图适应性好。 维普资讯