《数字地图制图》doc版.doc

袃肇膆莇羅节蒅莆蚅肅莁莅螇芁芇蒄袀肄膃蒃羂袆蒁蒃蚁肂蒇蒂袄袅莃蒁羆膀艿蒀蚆羃膅葿螈膈蒄蒈袀羁莀薇羃膇芆薇蚂羀膂薆螅膅肈薅羇羈蒇薄蚇芃莂薃蝿肆芈薂袁节膄薁羄肄蒃蚁蚃袇荿蚀螅肃芅虿袈袆膁蚈蚇肁膇蚇螀羄蒆蚆袂腿莂蚅羄羂芈蚅蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆莈螂羁罿芄螁螁膄芀莈袃肇膆莇羅节蒅莆蚅肅莁莅螇芁芇蒄袀肄膃蒃羂袆蒁蒃蚁肂蒇蒂袄袅莃蒁羆膀艿蒀蚆羃膅葿螈膈蒄蒈袀羁莀薇羃膇芆薇蚂羀膂薆螅膅肈薅羇羈蒇薄蚇芃莂薃蝿肆芈薂袁节膄薁羄肄蒃蚁蚃袇荿蚀螅肃芅虿袈袆膁蚈蚇肁膇蚇螀羄蒆蚆袂腿莂蚅羄羂芈蚅蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆莈螂羁罿芄螁螁膄芀莈袃肇膆莇羅节蒅莆蚅肅莁莅螇芁芇蒄袀肄膃蒃羂袆蒁蒃蚁肂蒇蒂袄袅莃蒁羆膀艿蒀蚆羃膅葿螈膈蒄蒈袀羁莀薇羃膇芆薇蚂羀膂薆螅膅肈薅羇羈蒇薄蚇芃莂薃蝿肆芈薂袁节膄薁羄肄蒃蚁蚃袇荿蚀螅肃芅虿袈袆膁蚈蚇肁膇蚇螀羄蒆蚆袂腿莂蚅羄羂芈蚅蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆莈螂羁罿芄螁螁膄芀莈袃肇膆莇羅节蒅莆蚅肅莁莅螇芁芇蒄袀肄膃蒃羂袆蒁蒃蚁肂蒇蒂袄袅莃蒁羆膀艿 第 8 章 数字地图制图教学目的和要求：1.了解数字地图制图的技术基础。2.掌握数字地图制图的基本流程、电子地图的概念和特点。本章重点：数字地图制图的基本流程。本章难点：数字地图的数据结构。教学时数：5学时从20世纪50年代开始，电子计算机技术引入地图学领域，经过理论探讨、应用试验、设备研制和软件发展，已形成地图学中一门新的制作地图的应用技术分支学科，即计算机地图制图学。 计算机地图制图是根据地图原理，以电子计算机的硬、软件为工具，应用数学逻辑方法，研究地图空间信息的获取、变换、存贮、处理、识别、分析和图形输出的理论方法和技术工艺，模拟传统的制图方法，进行地图的设计和编绘。计算机地图制图系统有三个组成部分：硬件、软件、数据。从一定意义上讲，计算机地图制图技术也可称为数字制图技术。 1 数字地图制图的技术基础1.1 信息科学与技术基础 1.计算机图形学 (Computer Graphics)定义:研究应用计算机生成、处理和显示图形的学科。它是以解析几何原理为基础，将显示器看作平面直角坐标系，使屏幕光栅点阵与图面直角坐标系形成对应。计算机图形基本分为两大类： (1)以线条为主的图形，如AutoCad、MicroStation等 (2)自然和人工实体的两维、三维造型，如3D MAX；CorelDraw等计算机图形学主要研究内容：基本图形元素的生成算法、图形几何变换、图形显示、交互输入、几何模型建立、彩色真实感图形的生成、三维动画方法等。2.数据库技术 数据库中的数据，不仅包括反映事物数量的数值，还包括各种非数值的信息：文字材料、图形图像、声音等。数据特点：数据量大、需长期保存及反复使用、多用户共用。集中并以一定组织方式存于存储器中，从而能以最佳方式、最少的重复，为多种应用服务数据库。对数据库中数据的各种操作统一由一个软件执行，即数据库管理系统（DBMS），数据库和数据库管理系统合称为数据库系统。在地图学中的应用表现为对空间和非空间数据的管理。3.数字图像处理数字图像是以栅格阵列的像元数值来记录图像的，像元数值表现为0-255灰阶。数字图像处理技术包括了对图像进行抽象、表示、变换等基础方法，图像处理的有效方法还有：图像增强与恢复、图像分割、图像匹配与识别、图像信息的压缩与编码、图像的二维与三维重建等。数字图像处理技术：图像增强与恢复，图像分割，图像匹配与识别，图像信息压缩与编码等。航空与航天遥感图像是地图的重要数据源。4.多媒体技术多媒体技术是20世纪90年代以来随着信息技术的发展而形成的一个领域。狭义的多媒体指的是文本、图像、图形动画、声音等多种可供传递的形式载体。多媒体的出现，拓宽了计算机处理信息的范围，提高了计算机处理信息的深度。多媒体技术是以计算机为核心对文本、图形、图像、动画、音频、视频等多种媒体实施综合、交互处理的一门综合信息处理技术。多媒体的关键特性：多样性：在5个感觉空间内，多媒体技术已实现视、听和触觉三方面的数字信息处理和传输。集成性：多媒体信息的集成和多媒体设备的集成。交互性：计算机的人机“交互性”。多媒体地图信息系统将成为数字地图制图发展的主流方向。1.2 数字地图制图的硬件配置数字地图制图的硬件配置包括：计算机硬件系统、地图数字化输入设备、地图输出设备。1. 计算机硬件硬件组成： 控制器、运算器、存储器和输入、输出设备。2.数字地图输入设备包括键盘、鼠标、磁盘和数字化仪等，后者是将地图图形转换成数字的重要设备，分为两类：跟踪式和扫描式。跟踪式数字化仪包括手扶、半自动、全自动三种。操作方式：点方式、时间方式、距离方式扫描式：是将原图分解为栅格像元，记录每个像元点灰阶值，将图形数字化。扫描仪包括平台式和滚筒式。扫描仪主要指标：扫描精度、扫描速度、图像质量3.地图输出设备数字地图输出分为电子数据显示输出和纸质输出两类。1.3数字地图制图技术1.数字地图制图技术的发展初期阶段：20世纪60年代 牛津自动制图系统 哈佛SYMAP制图系统发展阶段：20世纪60年代后期至 80年代中期 计算机及外部设备大发展 主要侧重数字地图应用飞跃阶段： 20世纪80年代中期至今 硬、软件进一步完善，软件形成两分支（地图绘图系统、地理信息系统） 向大型网络、数据仓库、空间和属性统一发展2. 数字地图制图软件系统数字地图制图系统，应具有完整的地理信息输入、处理、分析、制图等功能，软件是是系统的灵魂。数字地图制图软件系统组成部分： 地理资料输入软件 地理信息分析软件 图形输出软件3.数字地图主要软件产品介绍MapGIS 6.6（武汉中地信息工程有限公司）SuperMapGIS（北京超图地理信息技术有限公司）GeoStar（武汉吉奥信息工程技术有限公司）方正智绘（北大方正技术研究所）IntergraphArc/InfoMapInfoAutoCADMap2 数字地图的数据结构及其数据库将地理系统中复杂的地理现象进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体，简称实体(Entity)。对实体的描述信息输入计算机，即构成数字地图。地图数据分为空间数据和非空间数据两种。2.1 空间数据结构 空间数据对应于地图基本要素即实体，称几何数据，其表现形式有两种：矢量（图形）数据和栅格（图像）数据。 矢量（Vector）：在计算机图形中指一个有向线段，每个有向线段由有序的特征点来表示，其集合构成了图形。 栅格（Raster）：将图像或地图分成若干行和列的栅格，记录全图每个栅格点数据，得到每个点的属性特征值，其空间特征已隐含其中。1.图形数据的基本要素为点、线、面和体图形要素只出现在三维空间数据结构中，表达地图要素的图形都可看作是点的集合。图形数据的另一重要结构是拓扑结构，即点、线、面、体之间具有邻接、关联和包含的拓扑关系。“topology(拓扑)” 一词来自希腊文，意为“形状的研究”，是研究图形在保持连续状态下变形时，那些不变的性质。拓扑数据结构基本拓扑要素： 线段（arc）：又称弧段，联结两结点，与其他线段无相关。 结点（node）：线段的两个端点。 多边形（ploygon）：由数条线段有序地连接而成。 层（layer）：具有相同属性的拓扑要素的组合。拓扑要素之间的关系可以描述为邻接（contiguity）、关 联（connectivity）、包 含（inclusion）邻接：指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。表现：弧段和左右多边形的拓扑关系（Left-right topology），即一个具有方向性的弧段，沿弧段方向有左边和右边之分。根据左边和右边的关系来判断位于该弧段两边多边形的邻接性。关联：指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。 表现：弧段与结点的拓扑关系（arc-node topology）,即每一个弧段都有一个起始端点和一个终止端点，从起始点到终止端点表示了弧段的方向，所有弧段的端点序列则定义了弧段与结点的拓扑关系。包含：指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。表现：多边形与弧段的拓扑关系（polygon-arc topology）表现了多边形区域定义。矢量模型中，多边形区域是一系列弧段序列组成2.图像数据的最小单元为像元(pixel)像元又称像素，图像数据的数据结构实质是像元阵列，像元由行列号确定其位置，且具有表示实体属性的编码值。图像栅格数据是连续两维平面信息的离散化，栅格像元大小决定信息表达的分辨率和信息量。栅格数据以平面笛卡儿空间描述地理实体，每个平面空间表达一种属性，每个像元只能有一个属性特征值。不同类型地理实体（属性）以不同的平面空间表达，形成 “层”。3.图形数据的组织形式（1）面向栅格单元的组织方式（2）面向地理实体的组织方式（3）以“层”的方式存取2.2 非空间数据结构非空间数据包括：专题属性数据、质量属性数据、时间属性数据。地图数据库的非空间数据组织模式：简单表格数据结构、层次数据结构、网络数据结构、关系数据结构。层次数据结构优点：存取方便且速度快、结构清晰、数据修改和数据库扩展都比较容易、检索关键属性十分方便。缺点：结构呆板，缺乏灵活性；要保留大量索引文件。网络数据结构优点：能够明确而方便的表示数据间的复杂关系，数据冗余小； 缺点：数据间联系通过指针表示（使数据量加大）；修改数据库时指针也要变化。2.3 地图数据库数据组织1.非空间数据作为空间数据的悬挂体非空间数据是作为空间数据记录的一部分进行存储的。当数据量不大时此种方式效果较好。2.非空间数据和空间数据自成体系空间数据非和空间数据各有独立的数据库管理子系统，相互间以特定的工具联系，且数据之间可以互相访问和定位。连接工具之一：开放数据库连接 (Open Database Connectivity, 简称ODBC2.4 地图数据库的管理与设计1.地图数据库管理系统（1）对不同的应用目的，建立不同的管理系统。（2）对通用DBMS进行功能附加，管理空间数据。（3）分别建立空间和属性子系统，总控于DBMS。（4）建立真正的DBMS，直接管理空间和属性库。2.地图数据库系统中的坐标体系（1）用户坐标体系 常规地图上的各种坐标系，与设备无关。（2）设备物理坐标体系 地图数据在输入输出时，所用设备的坐标体系。（3）数据库标准坐标体系 用户定义的便于地图数据库应用的特定坐标体系， 通常是将两字节整型数的值域定为标准坐标。3.地图数据库的功能设计1）空间数据和非空间数据的相互检索（2）空间数据的自动概括（3）专题地图的自动生成3 数字地图的编辑与制印3.1 数字地图制图的基本流程1.编辑准备阶段这一阶段的工作与传统的制图过程基本相同，包括收集、分析评价和确定编图资料，根据编图要求选定地图投影、比例尺、地图内容、表示方法等并按自动制图的要求做些编辑准备工作。2.数字化阶段将地图图形和具有实际意义的属性转化为计算机可接受的数字，称为数字化。数字化的方法有手扶跟踪和扫描数字化两种，相应的数字记录结构：矢量格式和栅格格式。3.数据处理和编辑阶段这是数字制图的核心工作，数字化信息输入计算机后要进行两方面处理：一是对数字化信息本身做规范化处理，主要有数字的检查、纠正，重新生成数字化文件，转换特征码，统一坐标原点，进行比例尺的变换，不同资料的数据合并归类等；另一方面是为实施地图编制而进行的数据处理，包括地图数学基础的建立，不同地图的投影变换，对数据进行选取和概括，各种专门符号、图形和注记的绘制处理。4. 图形输出阶段图形输出是将经计算机处理后的数据转换为图形，可以在显示器的屏幕上显示，可以存贮在磁盘上，也可以通过绘图仪或打印机以纸质输出。 3.2 地图投影与坐标系选择1.地图投影选择地图投影的选取决定于地图的应用及其比例尺，在数字制图软件中，都可以通过相应参数的设定作出选择。如 MapInfo 软件以两级下拉菜单形式提供了300多个预定义坐标系。2.坐标系选择坐标系可以明确地图对象的空间定位坐标，它包括：坐标系名称、投影类型、基准面、坐标单位、原点坐标、方位角、比例系数等。3.3 地图数字化与图形要素编辑1.地图数字化 是将模拟形式转换为数字方式的主要途径。2.图形要素编辑编辑内容：图形单元的修改、增加、删除和图幅拼接。3.坐标变换 建立一种地图坐标系与另一种地图坐标系的变换模型。 通常采用两种方法： (1) 仿射变换(affine transformation)坐标的缩放(scale)、平移(translate)、旋转(rotate)(2) 相似变换(similarity transformation) x轴、y轴同尺度缩放、平移、旋转3.4 地图分层 分层是数字地图重要的概念。不同的图形要素类型具有不同的图形空间结构，所以应当将不同图形要素类型分为不同的图层存放。通过图形要素的分层可以方便的实现不同数字产品之间数据的“共享”，从而大大减小数字化作业量，同时也可保证地图数据的质量。 所以数字化一幅地图的分层工作往往先需确定图上的构成要素，例如道路、地块、水域、地名等；然后明确各图形要素是以面状、线状还是注记方式表示。 3.5 专题地图设计 制作专题地图是根据某个特定的专题对地图进行渲染的过程。 在桌面制图软件环境下，一般的专题制图步骤为： （1）根据所执行的专题变量，确定使用专题表示方法。 （2）确定从何处获取数据，特别是使用不同图表上的数据时，需要通过数 据之间的聚合来实现。 （3）自定义专题图例 （4）保存专题地图3.6 图面配置与输出 最终的数字地图产品不仅包括各种分层的图形要素，还可能包括与图形相关的各类统计图表、图例乃至图片，所以需要将不同的图形窗口、统计图窗口和图例窗口在一个页面上妥善的安排，这就是图面的配置问题。 地图输出功能设计一般包括了输出设备类型、输出幅面、比例尺、黑白或彩色等参数的选择。 4 电子地图4.1 电子地图的概念电子地图，也称为数字地图，是地图制作和应用的一个系统，是一种数字化了的地图。电子地图可以存放在数字存储介质上，地图图形可以显示在计算机屏幕上也可以随时打印输出到纸面上。电子地图上可以表示的信息量远远大于普通地图 。电子地图技术是集地理信息系统技术、数字制图技术、多媒体技术和虚拟现实技术等多项现代技术为一体的综合技术。电子地图是一种以可视化的数字地图为背景，用文本、照片、图表、声音、动画、视频等多媒体为表现手段展示城市、企业、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品，它可以存贮于计算机外存，以只读光盘、网络等形式传播，以桌面计算机或触摸屏计算机等形式提供大众使用。 电子地图可以非常方便地对普通地图的内容进行任意形式的要素组合、拼接，形成新的地图。 电子地图很方便地与卫星影像、航空照片等其他信息源结合，生成新的图种。 电子地图可以利用数字地图记录的信息，派生新的数据。 电子地图可用于城市规划建设、交通、旅游、汽车导航等许多部门。所有这些数字地图将各部门日常工作由原来一大堆地图翻来翻去，变成为计算机前作业，科学、准确、直观,大大提高效率。 4.2 电子地图的优点 1.交互性2.无级缩放3.无缝4.动态载负量调度5.多维化6.信息丰富7.共享性8.计算、统计和分析功能4.3 电子地图的图种举例 1.导航图 2.多媒体地图 3.遥感地图 4.地形图 5.网络图 信息时代的到来，使人类构造了一个与现实世界相对应的虚拟的信息世界。人们将生活在由原子组成的现实空间和由比特（bit）构成的信息空间(cyberspace)中，现实空间与信息空间的物理界面（interface）是由计算机及网络和数据