第八章现代地图学

1、新编地图学教程,第 8 章 数字地图制图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,第8章 数字地图制图 Digital Cartography,1 数字地图制图的技术基础 2 数字地图的数据结构及其数据库 3 数字地图的编辑与制印 4 电子地图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,数字/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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,数字地图(Digital Map) 在一定的坐标系内，具有确定的定位

2、和属性标志的地面要素和现象的数据在计算机可识别的存贮介质上概括的、有序的集合称为数字地图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,4D产品,DEM：数字高程模型（Digital Elevation Model 简称DEM）是在高斯投影平面上规则格网点平面坐标（x,y）及其高程（z）的数据集。Dem的水平间隔可随地貌类型不同而改变。根据不同的高程精度，可分为不同等级产品。 DOM：数字正射影像图（Digital Orthophoto Map简称DOM）是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空相片 / 遥感相片（单色 / 彩色），经逐象元进行纠正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。一般

3、带有公里格网、图廓内 / 外整饰和注记的平面图。 DLG：数字线划地图（Digital Line Graphic简称DLG）是现有地形图上基础地理要素的矢量数据集，且保存要素间空间关系和相关的属性信息。 DRG：数字栅格地图（Digital Raster Graphic简称DRG）是纸质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格文件。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,部分数字化地图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1 数字地图制图的技术基础,1.1 技术基础 1.计算机图形学 2.数据库技术 3.数字图像处理

4、 4.多媒体技术,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.计算机图形学 (Computer Graphics),1 数字地图制图的技术基础,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。为地图图形数据的处理与算法设计奠定了基础。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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：量大；需长期保存；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

5、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,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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。,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。,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,4.多媒体技术,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

6、处理的一门综合信息处理技术。,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。,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”。,1 数字地图制图的技术基础,多媒体的关键特性,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.2 数字地图制图的硬件配置 1.计算机硬件 2.数字地图输入设备 3.地图输出设备,1 数字地图制图的技术基础,数字地图制图的系统组成包括：计算机硬件系统、软件系统、地图数据、制图人员。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.计算机硬件,任务： 数学计算；信息

7、处理；设备控制,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,2.数字地图输入设备,包括键盘、鼠标、存储设备和数字化仪等，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。,A0幅面跟踪式数字化仪,跟踪式是以跟踪线划要素，记录特征点坐标形式将图形数字化。,操作方式：点 方 式 时间方式 距离方式,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,平台式和滚筒式扫描仪,扫描仪是将原图分解为栅格像元，记录每个像元点灰阶值或色彩值，将图形数字化,主要指标： 扫描精度 扫描速度 图像质量,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,扫描图形的自动跟踪矢量化,

8、新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.地图输出设备,数字地图输出分为显示器显示输出和硬拷贝输出两类。,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,输出设备的特点,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.3 数字地图制图技术 1.数字地图制图技术的发展 2.数字地图制图软件系统 3.数字地图主要软件产品介绍,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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

9、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 向大型网络、数据仓库、空间和属性统一发展,地理信息系统,地图出版系统,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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，软件是其核心。,地理信息输入软件 地理信息分析软件 图形输出软件,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.数字地图主要软件产品介绍,MapGIS （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

10、限公司） 方正智绘（北大方正技术研究所）,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.数字地图主要软件产品介绍,Intergraph Arc/Info MapInfo AutoCAD Map,1 数字地图制图的技术基础,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,2 数字地图的数据结构及其数据库,地图数据分为 空间数据：定位信息（量度信息） 非空间数据：语义信息和时间信息,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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,2.1 空间数据结构

11、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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,表达真实的世界,Real World,Raster Representation,Vector Representation,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.图形数据的基本要素为点、线、面和体,2.1 空间数据结构,

12、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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,拓扑数据结构基本拓扑要素定义为： 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。,“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。,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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,2.图像数据的最小

13、单元为像元(pixel),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”。,2.1 空间数据结构,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,栅格数据像元阵列,2.1 空间数据结构,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,栅格数据属性编码及分层,layer 1,layer 2,layer n,2.1 空间数据结构,新编地图学教

14、程 第8章 数字地图制图,3.图像数据的组织形式,（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,在同一层中，记录多边形属性值和像元坐标,layer 1 （记录1，行号，列号，属性，记录2，记录n， ） layer 2 （记录1，行号，列号，属性，记录2，记录n， ） ,2.1 空间数据结构,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,2.3 地图数

15、据库数据组织和管理方式 1.非空间数据作为空间数据的悬挂体 2.非空间数据和空间数据自成体系,非空间数据,空间数据,非空间数据,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,文件关系数据库混合管理方案 全关系式数据库管理方案 面向对象数据库管理方案 对象关系数据库管理方案,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,文件关系数据库混合管理方案 用一组文件形式来存储地理空间数据及其拓扑关系，利用通用关系数据库存储属性数据，通过唯一的标识符来建立它们之间的连接。 ARC/INFO、MapInfo、MicroStation 由于空间数据和属性数据的分开存储，在表现地理空间数据方面缺乏完整的表达

16、语义和存储机制，难以保证数据的存储和操作的统一。这种方式实际上不能建立真正意义上的空间数据库。,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,文件关系数据库混合管理方案 优点： GIS 可通过DBMS提供的高级编程语言的接口，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。 在ODBC(Open DataBase Connectivity,开放式数据库互连)推出后，GIS软件商只需开发GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在一个界

17、面下处理图形和属性数据。,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,文件关系数据库混合管理方案 缺点： 属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算，模型操作运算速度慢； 数据发布和共享困难； 属性数据和图形数据分开存储，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能； 缺乏表示空间对象及其关系的能力。,目前，空间数据管理正在逐步走出文件管理模式。,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,全关系式数据库管理方案 基于关系模型方式，将图形数据按关系模型组织。,空间数据库管理方式,要找出组成多边形的采样点坐标，涉及多个关系表，作多次

18、连接投影运算。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,全关系式数据库管理方案 图形数据和属性数据统一存储在通用关系数据库中，即将图形文件转成关系存放在目前大部分关系型数据库提供的二进制块中。 将图形数据变长部分处理成Binary Block字段（多媒体或变长文本）,GIS,RDBMS,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,全关系式数据库管理方案 软件：System9，Small World、Oracle Spatial,GIS界面,属性数据 （定长记录）,空间数据 （变长记录）,DBMS,空间 数据库,关系表,二进制块,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制

19、图,全关系数据管理方案,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,优点： 在全关系型数据库中加入了二进制数据块形式省去大量关系连接操作,可提高查询速度； 便于数据的维护。 缺点： 不定长记录造成存储效率的下降； 实现SQL查询要附加接口，因此它只适用于功能简单的GIS。,全关系式数据库管理方案,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,面向对象数据库管理方案,面向对象型空间数据库管理系统最适合空间数据的表达和管理。 面向对象型数据库系统的优点 支持变长记录，还支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。 面向对象数据库管理系统允许定义合适的数据结构和数据操作。 面向对象型数据库系统的缺点 不

20、支持SQL语言，在通用性上受局限。 面向对象型空间数据库管理系统还不够成熟，价格又昂贵，目前在GIS领域还不通用领域还不通用。,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,对象-关系型数据库系统,采用通用关系数据库管理系统效率低，面向对象型空间数据库管理系统又不够成熟，随着空间信息系统的发展，许多数据库管理系统的软件商纷纷对关系数据库进行扩充，使之能直接存储非结构化的空间数据，形成对象关系型数据库GIS系统。,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,对象关系数据库管理方案,采用对象关系数据模型，对现有的关系数据库进行扩展，增加空间数据类型； 将空间坐标存在变长记

21、录中，解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高； 用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储，没有解决数据的嵌套记录问题； 建立高效的空间索引； 软件：ARCGIS SDE ；MapInfo: Spatialware等。,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,对象关系数据库管理方案,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,对象关系数据库管理方案 对象关系型空间数据库优点 解决了空间数据的变长记录管理，使数据管理效率大大提高； 空间和属性之间联结有空间数据管理模块解

22、决，不仅具有操作关系数据的函数，还具有操作图形的API函数； 对象关系型空间数据库是在标准的关系数据库上加一层空间数据管理模块；用该层功能将地理结构查询语言转化成标准的SQL查询，空间数据查询速度快。 对象关系型空间数据库缺点 空间数据对象还不能有用户任意定义，用户使用受一定限制。如定义的空间函数支持的对象不带拓扑关系，用户不能定义带拓扑关系的数据模型。,空间数据库管理方式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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 2.数字化阶段 3.数据处理和编辑阶段 4.图形输出阶段,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,数字地图制图

23、过程,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.编辑准备阶段,3.1 数字地图制图基本流程,收集、分析评价、确定编图资料； 选定地图投影、比例尺、地图内容、表示方法； 数字制图的特别要求； 原始资料的数字化前编辑处理：确定数字化方法、设计数字编码系统、编制或确定制图软件等。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,2.数字化阶段,数字化方法分为两类：跟踪式和扫描式。 相应的数字记录结构：矢量格式和栅格格式。,3.1 数字地图制图基本流程,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.数据处理和编辑阶段,数字化信息规范化处理： 检查、纠正、重新生成，转换特征码，统一坐标原点，比例尺变换，数据合并归类等

24、。,实施地图编制的数据处理： 数学基础建立，投影变换，数据选取概括，符号、图形、注记的绘制。,3.1 数字地图制图基本流程,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,4. 图形输出阶段,数字地图输出是将处理后的数据转换为图形，分为屏幕显示输出和硬拷贝输出，也可存储在存储设备里。,硬拷贝输出的基本设备： 栅格输出：激光打印，喷墨打印，胶片拷贝。 矢量绘图：通过矢量绘图仪的坐标方式绘制矢量地图。,3.1 数字地图制图基本流程,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.2 地图投影与坐标系选择 1.地图投影选择 2.坐标系选择,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.地图投影选择,3.2 地图投影与坐

25、标系选择,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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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：,3.2 地图投影与坐标系选择,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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.3 地图数字化与图形要素编辑 1.地图数字化 2.图形要素编辑 3.坐标变换,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,1.地图数字化,3.3 地图数字化与图形要素编辑,初始化

26、控制点输入 确定图形显示窗口 跟踪数字化 编辑 保存,是将模拟形式转换为数字方式的主要途径,扫描图形预处理 扫描模式设置 分辨率设置 调整亮度及对比度 设置扫描范围,跟 踪 式 扫 描 式,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,2.图形要素编辑,编辑内容：图形修改、增加、删除和拼接。,细碎重叠多边形,不正确多边形,线端点的未达结点和超过结点,3.3 地图数字化与图形要素编辑,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.坐标变换,建立两个平面点之间的一一对应关系，即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

27、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,3.3 地图数字化与图形要素编辑,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.4 空间数据分层,在地图数据的组织管理中，图形空间结构相同的图形数据往往形成独立的组织单元层。 常表达为：layer, coverage, theme 等。 它们可以被独立的操作 处理、组合、共享,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,空间数据分层,空间数据分层 按专题要素 按实体类型 按时间序列,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,按专题要

28、素分层 将空间实体依照具体应用，分为不同层次，例如：水系、道路、植被、居民地等类型 其中每个层次中要素类型单一 点状要素层 线状要素层 面状要素层 注记要素层 同时还可以对某些要素根据级别进一步划分成不同层次 主要河流 次要河流,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,按实体类型 按照实体的空间属性信息分为点、线、面三大类信息，在此基础上，再划分不同等级 点状要素依据重要程度划分 政府机构、科研院所、医疗机构、宾馆餐厅、旅游娱乐等 科研院所、大学、中学、小学、幼儿园、技校、其他培训机构等 线状要素依据其主要性质（长度、宽

29、度、重要性）划分 道路、境界、河流等 主要道路（一级道路）、次要道路（二级道路）等 国道、省级道路、高速公路、快速道、普通道路等 面状要素依据其面积大小、重要性等划分 居民地、池塘,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,数据分层组织实例,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.5 专题地图设计,桌面制图软件环境下，专题制图步骤： (1) 根据专题变量，确定使用的专题表示方法。 (2) 确定制图数据的来源途径。 (3) 自定义专题图例。 (4) 完成并保存专题图。,制作专题地图是根据特定专题对地图渲染的过程。 专题通常是数据的某些特有属性字段，也称为专题变

30、量。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,3.6 图面配置与输出,地图输出功能设计包括：输出设备类型、输出纸张、输出幅面、比例尺、色彩等参数的选择。,地图产品的最终完成还需要对全部内容进行科学合理且符合视觉平衡的排布图面配置。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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。,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,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,新编地图学教程 第8章 数字地图制图,4.4 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