第1章 数字化测图概述

数字化测图西南科技大学王卫红副教授9/28/20231课程名称：数字化测图

【英文译名】：TheDigitizingtopographicalsurveyingandmapping教学环节：2.5+2学分理论教学（40学时）实习（2周）9/28/20232一、课程性质和教学目的

大比例尺地形图测量是工程测量单位主要的测量工作之一，目前国内大比例尺地形测量已实现数字化测绘，数字化地形图取代了传统的纸质地形图。本课程作为讲授数字化测图技术的专业课程，是测绘专业最重要的专业必修课程之一。9/28/20233本课程在测绘学基本理论基础上，讲授数字化野外地形数据采集、记录及计算机编辑成图的理论与方法。通过学习本课程，学生要掌握数字化地形图数据采集，计算机地形图编辑、制作及大比例尺数字地形图的工程应用方法。

一、课程性质和教学目的（续）9/28/20234二、本课程的基本要求熟悉大比例尺数字化测图的基本理论，掌握野外地形定位点及地形、地物属性数据采集、记录方法，能运用地形地籍绘图软件编辑、制作数字地形图。

9/28/20235三、本课程与其他课程的关系先修课程：《测量学》、《控制测量学》、《AUTOCAD》等。后继课程：《电子地图原理及应用》、《地理信息系统》等。9/28/20236四、课程教学内容（1）、基本知识点：大比例尺数字化测图基本理论：讲授大比例数字化测图方法、原理，要求深刻理解。计算机绘图理论：讲授数字化地形图编辑成图的算法，要求理解。野外数据采集方法：讲授数字化测图的外业作业方法，要求熟练掌握。数字地形图计算机编辑成图方法：讲授计算机地形图编辑成图方法，要求熟练掌握。9/28/20237四、课程教学内容（续）（2）、重点与难点1、地形、地貌的表示方法及合理的取舍问题2、等值线绘制的理论与方法9/28/20238五、教学方法理论结合实际，实践环节穿插在理论课中间进行。在机房讲授理论课，通过地形图编辑的实际演示，帮助学生深入理解；另一方面，让学生有随时上机练习的机会。9/28/20239六、考核方式笔试考试，试题取自题库。卷面成绩占总成绩的比例的70％，其余30％根据课堂作业、上机操作、出勤等确定。9/28/202310七、选用教材及主要参考书1、教材：《大比例尺数字化测图技术》李玉宝曹志翔等，西南交通大学出版社。

2、参考书：《CASS地形地籍成图软件参考手册》南方测绘仪器公司9/28/202311第1章数字化测图概述1.1数字化测图概念1.2数字化测图系统的组成1.3数字测图的优势1.4数字测图的现状与展望9/28/2023121.1数字化测图概念1.1.1数字化测图是地形测量技术的革命性进步地形测量：是指测量地球表面局部区域内各种地形、地物在确定的参照系统中的位置和几何形状，以一定的比例尺缩小，并按特定的符号绘制成平面图形的测量工作。9/28/202313回顾结合大一地形测量实习总结白纸测图的作业流程。9/28/202314白纸测图（模拟法测图）传统的大比例尺地形测量是测量地形、地物特征点到测站的距离及其相对某一参考方向的水平角，使用半圆仪、比例尺等绘图工具，直接在绘图纸上定点，并按规定的绘图符号手工绘制地形图。这种测图方法，因为直接在绘图纸上绘图，被称为白纸测图或模拟法测图。

9/28/202315传统方式大比例尺地形测图：使用仪器和工具：经纬仪、图板、塔尺、皮尺、计算器、半圆仪、直尺、铅笔、绘图笔、图纸等经纬仪+半圆仪模式作业流程和方法：

准备图纸→绘制坐标格网→展点

→安置仪器→定向（实地和图纸对应）→读数（水平角、垂直角、视距）→量角→计算平距和高程→量距刺点、上高程→连线→清绘等成果：纸质地形图（底图和蓝图）9/28/202316传统地形测量方法的缺点和不足成果载体为纸张，不能满足信息化时代计算机处理图形和数据的要求。为了利用要将其扫描矢量化成为数字化图。劳动强度大、作业效率低。质量难以保证。成图过程的读数、记数、量角、距离换算、展点绘图等众多环节精度不高，出错机率大，使得地形图成果质量难以保证。9/28/202317传统地形测量方法的缺点和不足（续）数据利用率低。以图纸为载体受图面负载能力局限，只能按一种比例尺作业，数据利用率低。受人眼分辨能力的局限，即使采用高精度测量仪器测量，碎部点点位误差也不会小于图面0.1mm所代表的实际距离。成图周期长、不便于更新维护、图纸会产生伸缩变形、影响成果精度。9/28/202318数字化测图全站型电子速测仪等电子仪器与计算机辅助制图系统，两者结合逐步形成了一套从野外数据采集到内业制图，实现了全过程数字化的大比例尺地形测图方法，即所谓野外数字测图技术，简称为数字化测图。数字化测图实质上是一种全解析计算机辅助测图的方法。9/28/202319数字化大比例尺测图a.使用仪器和工具:全站仪（GPS等）、棱镜（杆）、电子手簿、对讲机等；计算机和专业软件（成图系统）、绘图仪等b.作业流程和方法：野外数据采集→数据传输→展点→编辑→显示及绘图输出c.成果：数字地形信息、可绘图输出纸质地形图9/28/202320数字地形信息数字化的大比例尺地形测图的成果不再仅仅是绘制在纸上的地形图，而是以计算机存储介质为载体的，可供计算机传输、处理、多用户共享的数字地形信息。数字地形信息以其存储与传输方便、精度与比例尺无关、不存在变形及损耗，能方便、及时地进行局部修测更新，便于保持地形图现势性的巨大优势，极大地丰富了地形测量资料应用范围，使其能在经济建设各部门发挥出更大的作用。所以，数字化测图技术出现，标志着大比例尺测图技术理论与实践的革命性进步。9/28/202321请同学们思考一下，说说大比例尺数字化测图与白纸测图的共同点有哪些？9/28/202322大比例尺数字化测图比白纸测图的优越性何在？9/28/2023231.1.2数字化测图的基本原理数字化测图的基本原理是采集地面上的地形、地物要素的三维坐标以及描述其性质与相互关系的信息，然后录入计算机，借助于计算机绘图系统处理，显示、输出与传统地形图表现形式相同的地形图。

9/28/202324数据采集：将地形、地物要素转换为数字信息的过程。数据采集完成后，要使计算机软件能识别所采集的数据，并据此绘出传统意义的地形图，野外测绘时除点位的三维坐标外，还必须采集点位的连接信息和描述其性质的属性信息。9/28/202325数据采集的信息包括：1.图形信息（几何信息），它包括：定位信息和连接信息2.属性信息（非几何信息），它包括：定性信息和定量信息9/28/202326属性信息与空间位置有关，但又与地图图形无直接关系的信息称为属性信息。属性信息又称为非几何信息，包括定性信息和定量信息。属性的定性信息用来描述地图图形要素的分类或对地图图形要素进行标名，一般用拟定的符号和文字表示，如植被类型、地名、河流名等。属性的定量信息是说明地图要素的性质、特征或强度的，例如面积、楼层、人口、产量、流速等，一般用数字表示。9/28/202327连接信息与属性信息只能靠观测员实地观察确定，没有准确、完整的连接与属性信息，点位信息作为孤立的点，是没有价值的。所以，对于大比例尺数字化测图而言，观察与记录连接与属性信息，是细致、复杂的工作，需要观测员具有良好的地形表现能力和专业素质。9/28/2023281.1.3数字地形信息的表述作为面向人的数字地形信息，其输出形式应是用户已经习惯的传统地形图形式。数字地形信息要经过计算机绘图系统处理，借助于显示屏幕或绘图仪，才能显现为传统形式的地形图。显示屏或绘图仪输出的仅仅是数字地图信息的一种表现形式，而不像传统的纸质地形图，所看到的即是它的全部。9/28/2023291.1.4数字地形图的数据结构数据结构是指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。矢量数据栅格数据9/28/202330矢量和栅格结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。9/28/202331矢量数据矢量数据采用坐标（x，y）来描述点、线、面等三种基本类型图形元素，并结合属性信息实现地形元素的表述。点的位置可用二维坐标的单一集合来描述；一条线通常由有序的两个或多个坐标对集合来表示；地形图中的面可以用一条或多条封闭的线来描述。9/28/202332矢量数据矢量数据的获取：野外直接采集、解析测图仪采集、手扶跟踪数字化仪采集等等。代表地形元素的点、线、面还具有对应的属性数据。9/28/202333栅格数据栅格数据结构是将整个绘图区域划分成一系列大小一致的栅格，由单位栅格来划分像元，栅格代表位置，像元的灰度值（或编码）表示栅格属性，根据每一栅格像元的灰度值进行分类、提取或处理，可得到不同的地形信息。栅格数据来源：扫描仪、遥感摄影等方法9/28/202334栅格数据矢量化各类数字图的工程应用基本上都使用矢量结构数字地形图，而栅格结构的数字图，存在不便于编辑修改和工程量算、放大输出时图形不美观等问题，而且一般情况下，同样大小的区域，栅格结构的地形图数据量比矢量数据量大得多，所以，对于栅格结构的地形图，常常要将其转换为矢量数据结构的数字图，这项工作称之为矢量化。9/28/202335矢量化数字图采用的具体数据格式因绘图系统而异，但鉴于目前用户单位普遍使用基于AutoCAD的计算机辅助设计软件，所以数字化图数据格式一般是CAD格式或与CAD格式兼容。9/28/2023361.2数字化测图系统的组成数字化测图系统是以计算机为核心，在输入、输出设备硬件和软件的支持下，对空间数据及相关属性信息进行采集、输入、处理、绘图、输出、管理的测绘系统。数字化测图系统可分为数据输入、数据处理和数据输出三部分，其工作流程为：地形数据采集；数据处理与成图；成果与图形输出。9/28/2023371.2.1地形数据采集系统1．野外地形数据采集设备地面测量仪器是野外获取定位信息的基本设备，目前主要设备为全站仪，在天空开阔的地区也可使用双频动态GPS接收机（RTK）。2．图形数字化输入设备将已有的纸质地形图转换为数字地形信息的专用设备称为图形数字化输入设备，常用的有数字化仪和扫描仪。9/28/202338全站仪9/28/202339GPS图3-639/28/202340工程扫描仪9/28/202341数字化仪9/28/2023421.2.2数据处理与成图系统数据处理与成图系统是指对点位信息和属性信息进行编辑处理，生成数字地形图的计算机软件系统。在这个系统中，电子计算机是进行数据采集、储存、处理的基本设备，而专业的数字化成图软件则是系统的核心，其功能大体上可以分为数据输入、编辑处理、成图输出三大块，其中主要部分是各类地形图元素编辑处理工具。9/28/2023431.2.3图形输出设备图形输出设备指绘图仪、图形显示器、投影仪等数字化地形图显示、打印输出设备。9/28/2023441.3数字测图的优势1、测图劳动强度低，效率高2、成果能满足数字化、信息化时代的需求。3、点位精度高、精度与比例尺无关4、成果便于成果保存与更新5、数据利用率高9/28/2023451.3.1测图劳动强度低、效率高对比白纸测图和数字化测图的具体成图工作:一、外业(数据采集)工作:测量员工作记录员工作计算员工作绘图员工作跑尺员工作9/28/2023461.3.1测图劳动强度低、效率高二、内业成图工作１.等高线绘制工作２.图面清绘工作３.图面整饰工作４.资料底图成图工作9/28/2023471.3.2成果能满足数字化、信息化时代的需求１.管理方面：包含的信息量大，并具有编辑修改、储存、处理、传输方便和能供多用户共享的优势。２.应用方面：可以方便快捷地提取点位坐标、两点距离、方位、地块面积、土石方量等信息，供工程计算（计算机辅助设计）使用。３.是GIS（地理信息系统）建库必备的基础资源，满足了信息化时代对数字地理信息的要求。9/28/2023481.3.3点位精度高，精度与比例尺无关传统的经纬仪白纸测图，定位点平面位置的精度受到定点测量误差、测点展绘误差两方面因素影响，并且随着测点到测站距离的加大，误差增长迅速。虽然数字化测图也分比例尺，也要借助于绘图仪输出传统形式的纸质图，但是其应用是在计算机上进行的，各种几何元素的量算工作并非在纸面上进行，从这个意义上讲，精度与测图比例尺天关。9/28/2023491.3.4成果便于保存与更新数字测图的成果是以数据文件的形式存入计算机存储介质的，可以确保地形图的可靠性和现势性。9/28/2023501.3.5数据利用率高１.图形元素超出了负载量——数字化测图的图层管理和无级缩放来解决。２.数据（信息）共享性比较强。9/28/2023511.3.5．数据利用率高（续）由于所测碎部点数据精度与比例尺无关，所以除了可用于各种比例尺地形图、地籍图编辑成图外，还可用于制作各类专题图，如路网图、电网图、管线图等。例如CASS软件中共定义２６个层，按地形、地物特征划分，房屋、管线、植被、道路、水系、地貌、境界等均存于不同的层中，不仅可以方便地通过关闭、打开、转换层等操作来提取相关信息，形成各类专题地图，还可以按图层统一地做修改字体、改变文字及符号大小、图层颜色等编辑操作，使得地形图的修改与编辑更加方便，因此数据利用率极高。9/28/2023521.4数字测图的发展历程、现状与展望发展历程现状展望9/28/202353数字测图的发展和应用，首先得益于机助成图技术的发展：1950年第一台能显示简单图形的图形显示器问世；1958年美国Calcomp公司将联机数字记录仪发展为滚筒式绘图仪，Gerber公司把数控机床发展为平台式绘图机，1964年，第一次在数控绘图机上绘出了地图；1956~1970年，第一批计算机地图制图系统（如英国牛津自动制图系统）开始运行，并模拟手工制图方法绘制了一些地图；以上图数转换装置和数控绘图机的问世，使传统地图制图工艺有了实现自动化的可能，为计算机地图制图的发展奠定立了基础。计算机辅助制图的发展历程9/28/2023541970~1980年，在新的技术条件下，有关计算机制图的理论和应用问题，诸如地图图形的数字表示和数学描述，地图资料的数字化和数据处理方法，地图数据库和图形输出等的研究取得了长足进展，许多国家相继建立了硬软件相结合的交互式计算机地图制图系统。进入80年代后，世界上各种类型的地图数据库和地理信息系统（GIS）都相继建立起来，计算机制图得到了极大的发展和广泛应用。9/28/202355我国计算机机助制图的研究工作始于60年代，经历了设备研制、软件开发、应用实验和系统建立等阶段。80年代末以来，我国的机助制图技术无论在理论研究和规范制定方面，还是在实际应用的深度和广度方面，都得到了全面发展和提高。为我国开展大比例尺地面数字测图工作创造了条件。9/28/202356我国大比例尺地面数字测图技术的发展过程80年代初到87年为起步阶段，参研人员和单位较少，对许多问题还模糊不清，如测量数据通讯技术、外业数据的采集方法和步骤、地图符号的数字表示形式等，加之当时测图系统的硬件（包括计算机及绘图设备、电子速测仪、电子手簿等）和软件（计算机语言、操作系统软件）的限制，所研制的测图系统还很不成熟，外业借助电子速测仪所配电子手簿或PC1500袖珍机进行数据采集，对每一点都要进行观测；内业经过数据处理后即向绘图仪输出，无法进行人机交互编辑，绘出图后一旦发现测错或漏测者必须到外业再从头开始，称为“被动式”机助制图，很难在生产中推广。9/28/2023571988~1991年为第二阶段：研究单位数量猛增，举办了各类培训班、研讨会，成功研制出十几套大比例尺数字测图系统，并在生产中得到了一定应用。野外数据采集开始采用国内自行研制的电子手簿进行自动记录、计算和图形信息输入、修改等，并在手簿中装有野外测量常用计算程序。测记法和编码法都开始使用。内业图形编辑已有了全部自行研制开发的地图图形编辑系统，可在屏幕上编辑图形和汉字、字符注记等，另一种是直接利用Aut