mapgis地图扫描与图像处理.docx
《mapgis地图扫描与图像处理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《mapgis地图扫描与图像处理.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
mapgis地图扫描与图像处理
第二章地图扫描与图像处理
从本章开始，我们即将按照数据采集的一整套流程系统的进行讲解。
本章主要内容是数据采集的前期预处理部分，我们从一张纸质地图入手，介绍如何将纸质地图变成存储在计算机中的栅格地图（即地图扫描）以及扫描后栅格地图的图像处理，最终的地图作为GIS数据采集的数据源。
通过本章的学习，能够学会用工程扫描仪扫描大幅面纸质地图，熟练使用图像处理软件简单处理栅格地图。
2.1地图扫描
2.1.1概述
GIS数据有一个很重要的来源是纸质地图，而纸质地图需要转换成计算机能识别的栅格地图才能用GIS软件进行矢量化，我们必须借助于扫描仪才能完成纸质地图转换成栅格地图的过程。
由于GIS所涉及到的纸质地图大多数幅面较大，所以在GIS地图扫描中主要应用工程扫描仪来解决此类问题。
本节主要介绍工程扫描仪的相关性能指标及其应用。
2.1.2工程扫描仪的主要性能指标
1、分辨率
分辩率指的是每英寸上所能容纳的颜色点数量。
在一个固定的平面内，分辨率越高，意味着可使用的点数越多，图像越细致。
工程扫描仪的分辨率主要有三种：
光学分辨率、机械分辨率和插值分辨率。
光学分辨率是衡量扫描仪感光元器件精密程度的参数。
其定义是：
在横方向上，每英寸距离内，感光元器件所能获取的最多真实像素数。
光学分辨率代表扫描的真实精度。
机械分辨率是衡量扫描仪传动机构工作精密程度的参数。
定义是：
在纵方向上，扫描头每移动1英寸，步进电机所走过的最多步数。
例如：
扫描仪参数：
600×1200dpi，600dpi即是光学分辨率，1200dpi即是机械分辨率。
插值分辨率：
是指在真实的扫描点基础上插入一些点后形成的分辨率。
因为插值分辨率毕竟是生成的点而不是真实扫描的点，所以，虽然提高分辨率增加了图像的细致率，但细节上跟原来的图形会有一定程度的差异，并不代表扫描的真实精度。
而光学分辨率虽然数值较小，但它代表扫描的真实精度。
2、灰度级
灰度级是表示灰度图像的亮度层次范围的指标，灰度级数越多表示扫描图像的亮度范围越大，层次越丰富。
目前，多数扫描仪的灰度级为256级，也有一些高档扫描仪采用512级的灰度级。
3、色彩位数
色彩位数：
色彩位数反映对扫描出图像色彩的区分能力。
色彩位数越高的扫描仪，扫描出图像色彩越丰富。
色彩位数用二进制位数表示。
例如1位的图像，每个像素点可以携带1位的二进制信息，只能产生黑或白两种色彩。
8位的图像可以给每个象素点8位的二进制信息，可以产生256种色彩。
目前常见扫描仪色彩位数有24位，30位，36位和42位等常见标准。
4、信噪比
又称为讯噪比，信号的有用成份与杂音的强弱对比，常常用分贝数（DB）表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少，它是衡量扫描仪和机械结构的一个重要参数。
5、接口方式
常见的有EPP接口、USB接口、SCSI接口，EPP接口是最通用的，传输速度是10M/S。
但有时会与并口有冲突，特别是需要连接打印机时，不是太方便。
USB是最流行的接口。
传输速度是25M/S，但较老的电脑没有USB接口。
SCSI接口是最早的接口，传输速度是50M/S，但需打开机箱插入SCSI卡，一般比较专业的扫描仪都配有SCSI卡。
目前常用的是USB接口。
6、软件
除了硬件之外，扫描仪的软件也是非常重要的。
随着技术的发展，产品日趋同化，配套软件是否丰富、实用，就变得很关键。
附送的软件一定要实用。
最好有一套辨认能力强的识别软件（OCR）用作文件扫描，及一套图像编辑器用作相片扫描。
本文将以CONTEX工程扫描仪的捆绑软件WIDEIMAGE作为实例给大家介绍工程扫描仪的使用。
2.1.3工程扫描仪的使用
工程扫描仪作为外部输入设备要想能开始工作，需要先安装才能使用。
现以型号为“CHAMELEON36PLUSD”的CONTEX工程扫描仪在Windows2000操作系统环境下为例来介绍其使用。
1、工程扫描仪的安装
工程扫描仪的安装主要经过两个步骤：
安装驱动程序和安装应用软件。
（1）安装驱动程序
目前绝大多数工程扫描仪都是采用USB接口，支持即插即用功能，所以安装比较智能化。
将扫描仪的USB接口接到主机上并且接通电源后，系统会提示：
“扫描到新硬件”，这时需要安装一个让操作系统识别硬件的程序——驱动程序，这里我们安装的驱动程序是捆绑软件“WIDEsystem”。
具体安装过程在此就不再累述。
（2）安装应用软件
接下来需要安装使用CONTEX工程扫描仪的应用软件，我们以捆绑软件WIDEimage为例介绍其安装过程：
a）双击光盘中的安装文件setup.exe，随即进入到图1和图2的界面；
图2.1开始安装
图2.2
b）单击图2中的“下一步”进入图3，选择一个安装路径，然后单击“下一步”；
图2.3选择安装路径
图2.4输入序列号
c）进入图2.4，填写用户、单位和序列号，单击“下一步”；
图2.5正在安装
图2.6安装结束
d）开始安装、完成，如图2.5、图2.6。
这样，工程扫描仪的安装就全部结束了，现在可以打开WIDEimage并且使用扫描仪了。
2、工程扫描仪的使用
在开始扫描以前最好要让工程扫描仪先预热一段时间。
工程扫描仪在刚开启的时候，光源的稳定性较差，且光源的色温也没有达到扫描仪正常工作所需的色温，因此扫描输出的图像往往饱和度不足。
最佳的扫描时间是在扫描仪预热20分钟以后再开始扫描。
在使用过程中也不必在间隙时间中关机，这样扫描图像的品质就比较稳定。
（1）双击打开WIDEScane，进入界面如图2.7；
图2.7进入WIDEScane界面
图2.8设置分辨率
（2）图2.7中快捷按钮以下的复选窗口用来对扫描图像的进行设置。
●Mode：
不同类型的黑白、彩色、灰度共有10个可选项；
●Resolution：
从50dpi到800dpi共有11种不同精度的分辨率，如图2.8。
光学分辨率是扫描仪的实际分辨率，我们在扫描时，最好不要用高于扫描设备最大光学分辨率输入分辨率进行扫描。
在实际工作中，扫描分辨率的选择可依据图像原稿的清晰情况及扫描文件的用途来确定。
对于正常的原稿来说，在扫描时，建议采用较低分辨率，因为分辨率会影响扫描速度与文件大小，当采用真彩或灰度模式时，使用100dpi~200dpi这样的低分辨率，也已超出大多数打印机和显示器所显示的能力。
扫描分辨率与文件长度之间存在一种几何关系，例如，用RGB方式去扫描一幅3英寸×3英寸的照片，如果选择的输入分辨率为300dpi，那么产生的图像文件的长度约为2．4MB，计算公式为：
3in.×3in.×（300dpi）2×3÷1000＝2.43MB
如果再次扫描该图像，扫描分辨率加倍成为600dpi，那么文件长度将会是其4倍，由此可以看出，当分辨率过高时，文件的大小会呈几何倍的增长，增加了操作的难度，也过多的占用了存储空间。
在GIS中扫描一幅图正常选用200dpi的分辨率，最大不能超过300dpi，否则图像的容量会很大。
（3）选取了扫描模式和分辨率后点击“扫描”按钮，即可开始扫描。
正式扫描前要先检查图像的几何大小，如图2.9；
图2.9计算图像大小
图2.10正在扫描
（4）如图2.10，扫描过程中会出现两个窗口：
左边为全局图像，右边为全局图像中虚线框内的局部图像；
图2.11扫描结束
图2.12保存扫描图像
（5）扫描完毕后一幅完整的图会展现在整个界面上，如图2.11
（6）最后保存所扫描的图像，这款软件可支持BMP、tiff、jpg等六种不同格式的图像，如图2.12。
这样一幅完整的图就扫描出来了。
值得注意的是：
快捷按钮中有一个“预览”按钮，可以在预览的状态下根据不同需要更改设置，从而提高扫描效率。
2.2图像处理
在扫描纸质地图时，由于需要保持地图的清晰度，所以分辨率参数一般选择较高的值，同时颜色参数选取彩色。
但是由此带来的后果是地图容量太大，在后期数据采集时需要消耗大量的计算机资源，所以在数据采集之前还需要对扫描后的栅格地图进行处理。
本节以图像处理软件Photoshop为例，根据需求对栅格数据进行简单的处理。
图2.13为Photoshop启动界面。
2.13Photoshop界面
1、调整图像分辨率
点击菜单栏“图像”—>“图像大小”，如图2.14。
图2.14调整图像大小
图2.15设置索引色
2、调整图像色彩模式
点击菜单栏“图像”—>“模式”—>“索引色”，如图2.15。
3、裁剪图像多余部分
点击“工具栏”中“裁剪”按钮
，在图像上选取所要裁剪区域，点击上面中间的“√”或者鼠标左键双击，如图2.16。
2.16裁剪图像
4、保存处理后的图像。
点击菜单栏“文件”—>“存储为”，选择存储文件格式，输入文件名，点击“确定”。
练习
1、将分配的纸质地图扫描到计算机中，并将地图文件名命名为图中的图幅号（如果没有图幅号则保存为地图名）。
2、通过上机操作，将扫描后的栅格地图按照2.2节要求处理，并另存为一个新的文件，其中文件名为“专业+学号后三位+姓名”（例如：
地理信息系统专业有一个学号为“2007232195”的姓名为“张华”的学生，则新的文件名称应当保存为“地信195张华”），同时文件扩展名为tiff。
3、提交两幅栅格地图（扫描后的地图和经过图像处理的地图）。
《煤炭学报》征稿简则
《煤炭学报》（月刊）是学术性刊物，主要报道煤田地质与勘探、矿井建设、煤矿开采、煤矿机械与电气工程、煤矿安全、煤炭加工利用、煤矿环境保护，煤炭经济研究等方面的学术论文。
论文的特点：
（1）创新性或独创性；
（2）理论性或学术性；（3）科学性和准确性；（4）规范性和可读性。
1稿件总则
●重点突出，论述严谨，文字简练，避免长篇公式推导，字数以不超过6000字（包括图表）为宜。
●论文的排序为：
中文标题、作者姓名、工作单位（包括二级单位，邮政编码和所在省、市）、中文摘要、中文关键词、中图分类号（参照中国图书馆分类法，第四版）、英文标题、作者汉语拼音、工作单位英译名（包括邮政编码和所在城市汉语拼音）、英文摘要、英文关键词、正文、参考文献。
●来稿请用Word排版，格式尽量与《煤炭学报》一致，请参照本刊网站的“论文模板”。
●文中所用技术名词前后应一致，新名词应注明原文或加注释。
计量单位的名称、符号一律按《中华人民共和国法定计量单位》中的规定使用。
●外文字母需分清大小写；容易混淆的英文、希腊字母要书写清楚；字母带有上下角标时，要明显区分其相对位置。
2关于作者单位和署名
●作者署名中的单位一般指成果所属单位，而不是作者投稿时的就学单位或工作单位。
作者署名的单位应该是注册的法人单位全称，为便于读者联系，作者应列出法人单位下设的二级单位。
●国家重点实验室、省部重点实验室等单位名称按《国家重点实验室建设与管理暂行办法》第三十二条规定[实验室统一命名为“××国家重点实验室（依托单位）”，英文名称为“StateKeyLaboratoryof××（依托单位）”。
如：
摩擦学国家重点实验室（清华大学），StateKeyLaboratoryofTribology（TsinghuaUniversity）]执行，也可使用[依托单位XX实验室]这样的名称。
●作者顺序以投稿时的顺序为准，不予变更，如不得不变更，须提交带有全部作者签名及第一作者单位公章的变更证明。
3题目
题目应准确、精练、易读和便于检索（含关键词），中文题目一般不宜超过20个汉字，英文题名应与中文题名含义一致，一般不超过10个实词为宜。
4摘要
●摘要是对论文内容不加注释和评论的简短陈述，独立成章；目的是让读者尽快了解主要内容，补充题目的不足，同时便于文献检索。
摘要中应含有研究的目的、方法、结果和具体的结论。
●采用第三人称，具体明确，语言精练，中文摘要篇幅为200-300字之间，英文摘要应与中文摘要内容对应；缩略语/字母词至少在文摘中出现一次全称，新的外文中译名至少出现一次。
5关键词
主要用于文献检索，尽量使用通用名称，专业范围宽窄适宜，缩略语/字母词应以全称形式出现，关键词要求4~8个。
6正文
6.1基本要求
●论点明确，论据充分，论证合理；
●事实准确，数据准确，计算准确，语言准确；
●内容丰富，文字简练，避免重复、繁琐；
●条理清楚，逻辑性强，表达形式与内容相适应；
●用词规范，平铺直叙，不用口语、俗称和感叹词等。
6.2引言
引言的主要内容为研究的理由、目的、背景、理论依据、实验基础、研究方法以及预期的结果、作用和意义等。
要求简单明了，突出重点；开门见山；如实评述前人成果，引用重要参考文献（尤其注意引用汉语科技文献，使文章简练，分清自己和前人的工作，同时反映作者对该领域的了解和掌握程度；便于同行参考和审稿）。
6.3图表
插图绘制要大小适宜（半栏或通栏）、工整、匀称。
图中尽量使用符号，请用6号TimesNewRoman及宋体字，图号和图名用中英文对照。
插图应少而精，一般不超过5幅。
稿中表格也按顺序编号，表名用中英文对照，表文中尽量使用符号。
7基金和科研项目
一般只列出省部级及以上科研和基金项目，并提供项目编号。
8参考文献
8.1参考文献的主要作用是：
●科学依据，表明论文的起点和深度；
●区别论文作者的成果与前人成果；
●索引作用、节省篇幅；
●有助于情报研究和文献计量学研究。
8.2参考文献应选择最近5年的论文且按文中出现的先后次序排列，在引用文句后的右上角标明参考文献序号，参考文献以15篇以上为宜。
勿引用尚未公开出版的资料。
漏引可能带来误解，产生严重后果。
尽量引用级别高的学术类期刊，这样对增加论文的学术质量具有重要意义。
8.3参考文献为书和期刊的著录格式如下：
序号作者姓名.书名[文献类别].出版地：
出版者，出版年份，起页-止页
序号作者姓名.论文篇名[文献类别].刊物名称，年份，卷号（期号）：
起页-止页.
参考文献类型
专著
论文集
报纸文章
期刊文章
学位论文
报告
标准
专利
其他
文献类别标识
M
C
N
J
D
R
S
P
Z
若为中文期刊类参考文献，请您将各著录项目均翻译成英文。
例如：
[1]康红普，王金华，李玉梅，等．掘进工作面围岩应力分布特征及其与支护的关系[J].煤炭学报，2009，23（7）：
145-150．
KongHongpu，WangJinhua，LiYumei，etal.Stressdistributioncharacteristicsinrocksurroundingheadingfaceanditsrelationshipwithsupporting[J]．JournalofChinaCoalSociety，2009，23（7）：
145-150．
9注意事项
●请勿一稿多投。
本刊不接收一稿多投稿件，在稿件受理期间，不得另投他刊。
若录用后发现已在他刊刊出，本刊则不予刊登，作者应承担经济责任并记录在案，我刊以后不再接收该文通信作者的稿件。
●请在作者注册时尽量提供详细信息，尤其是当前研究课题及研究方向等，以及稿件所涉及的科研项目概况和有关的背景资料。
●编辑部从收到审稿费之日起，在3个月内通知作者审稿结果。
稿件发表后，即致稿酬，并赠送当期刊物2本。
●本刊编辑部有权对来稿作文字删改。
如果作者不愿意删改，则请事先说明。
●录用的稿件将收取版面费并与编辑部签署版权转让协议。
●本刊已入编《中国学术期刊（光盘版）》、中国期刊网等媒体，有关稿酬已包含在我编辑部支付的稿酬当中，不愿意通过这些媒体发行者，请特殊说明。
●来稿请注明第一作者或联系人姓名、详细通讯地址、邮政编码、联系电话、传真以及E-mail地址。
●可直接通过网上投稿（）。
RFPA练习题
练习1
单轴压缩试验中，在均质度系数m=1.2、2、3、5、10的情况下，通过RFPA数值模拟，研究非均匀性对岩石力学性质的影响（包括①应力-应变曲线；②强度；③破坏模式等）。
五种方案的宏观力学性质参数均相同。
每种方案计算10个样本以分析空间结构随机性影响。
模型的具体参数见表1、2。
采用100×50mm的数值模型岩石试样，试样模型划分为200×100个网格。
试样模型示意图见图1。
表1试样基元力学性质参数表
力学参数及载荷控制方式
参数值
弹性模量均值E/MPa
60000
相变阀值均值σ0/MPa
150
泊松比均值μ
0.4
均质度系数m
1.0，2.0，3.0，5.0，10
加载方式
压缩
表2相变准则控制参数
控制参数
参数值
控制参数
参数值
摩擦角
30°
最大拉应变系数
1.5
拉压比λ
1/10
最大压应变系数
200
残余阀值系数
0.1
相变准则
修正的Coulomb
练习2.
图2模型示意图
用RFPA系统进行岩石试件单轴压缩数值试验，研究五种不同拉压比λ=1、3、5、11、13对岩石力学行为的影响。
（为了消除偶然误差的影响，对每一种岩石试样选取8-10个样本进行加载）试样模型尺寸100×50mm，网格划分为100×50个基元。
采用平面应力模型，整个加载过程采用位移控制的加载方式，加载位移量⊿s=0.003mm。
试样的力学性质参数见表3和表4。
试样示意图见图2。
表3-1-5试样基元力学性质参数表
力学参数及加载控制方式
参数值
均质度m
2.0
弹性模量均值E/MPa
60,000
相变阀值均值σ0/MPa
200
泊松比μ
0.25
拉压比λ
1，3，5，11，13
样本数量（个）
10
加载方式
压缩
表3-1-6相变准则控制参数
控制参数
参数值
控制参数
参数值
摩擦角
30°
最大拉应变系数
1.5
拉压比系数λ
1/10
最大压应变系数
200
残余阀值系数
0.1
相变准则
Coulomb
练习3
图3试样模型示意图
用RFPA系统进行岩石试件单轴压缩数值试验，研究不同围压对岩石应力-应变曲线、破裂类型的影响。
模型基元尺寸为100×50mm，网格数为100×50。
采用两种不同均质度岩石试样模型，弹模和强度的分布参数分别为φe（2，60000MPa）、φσ（2，400MPa）和φe（3，60000MPa）、φσ（3，400MPa）。
它们在空间分布的随机性通过Monte-Carlo方法实现。
围压系数λ为围压值同压缩强度值之比分别取λ＝0、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30。
均质度系数m=2、3、5、7、10，其它基元力学参数见表5。
本模型中强度准则控制参数见表6。
加载条件为位移方式的压缩载荷，同时在侧向施加以恒定的应力作为围压值，单位加载位移量为⊿s=0.002mm，因各模型所受的应力条件不同，各个模型的加载总步数不同（具体模型的形状、参数分布和加载方式自定）。
表5均质度系数m=2试样基元力学性质参数表
模型
弹性模量/MPa
相变阀值/MPa
泊松比
均质度m
平均值E
均质度m
平均值σ0
均质度m
平均值μ
岩样2-1
2
60000
2
400
100.0
0.25
岩样2-2
2
60000
2
400
100.0
0.25
岩样2-3
2
60000
2
400
100.0
0.25
岩样2-4
2
60000
2
400
100.0
0.25
岩样2-5
2
60000
2
400
100.0
0.25
表6相变准则控制参数
控制参数
参数值
控制参数
参数值
摩擦角
30°
最大拉应变系数
1.5
拉压比
1/10
最大压应变系数
200
残余阀值系数
0.1
相变准则
Coulomb
练习4
图4Brazilian试验两种加载条件下的力学模型
用RFPA系统进行岩石试件巴西试验，研究不同加载方式（如线加载或点加载）对岩石应力-应变曲线、破裂类型的影响，并计算岩石拉伸强度。
试样模型见图4，圆盘直径为91mm，模型剖分为182×182个网格。
采用平面应力模型。
整个加载过程采用位移控制的分步压缩加载方式。
通过在试件端部节点施加位移实现加载。
每步加载位移量⊿s=0.002mm。
试样的力学性质参数见表7、表8。
表7试样基元力学性质参数表
力学参数及载荷控制方式
参数值
均质度系数m
1.0，3.0，7.0，10.0
弹性模量均值E/MPa
50000
相变阀值均值σ0/MPa
150
泊松比均值μ
0.35
加载方式
压缩（点载荷，均布载荷）
表8相变准则控制参数
控制参数
参数值
控制参数
参数值
摩擦角
30°
最大拉应变系数
1.5
拉压比
1/10
最大压应变系数
3
残余阀值系数
0.1
相变准则
Coulomb
练习5
用RFPA系统进行岩石试件直接拉伸试验，给出载荷—位移全过程曲线以及典型步的破裂模式。
岩石试样模型采用尺寸100×50mm，试样模型划分为100×50个网格。
采用平面应力模型。
整个加载过程采用位移控制的分步加载方式。
通过在试件端部节点施加位移实现加载。
拉伸条件下每步加载位移量⊿s=-0.0004mm。
试样的力学性质参数见表9和表10，试样模型见图5。
表9试样基元力学性质参数表
力学参数及载荷控制方式
参数值
均质度系数m
1.0，3.0，5.0，7.0
弹性模量均值E/MPa
60000
相变阀值均值σ0/MPa
150
泊松比均值μ
0.25
加载方式
直接拉伸
表10相变准则控制参数
控制参数
参数值
控制参数
参数值
摩擦角
30°
最大拉应变系数
1.5
拉压比
1/10
最大压应变系数
300
残余阀值系数
0.1
相变准则
Coulomb
练习6
用RFPA系统进行岩石试件剪切试验，给出载荷—位移全过程曲线。
岩石试样模型
尺寸100×100mm，在试样两侧分别预先切出22mm的水平引导裂纹，试样模型划分为161×161个网格。
采用平面应力模型，加载过程采用位移控制的水平压缩方式，垂直方向加围压。
围压是逐渐施加于试样上、下两侧，并在第5步加载步时达到最大值5MPa。
每步加载位移量⊿s=0.002mm。
试样的力学性质参数见表11和表12，试样模型见图6。
表11试样基元力学性质参数表
力学参数及载荷控制方式
参数值
均质度系数m
2
弹性模量均值E/MPa
60000
相变阀值均值σ0/MPa
150
泊松比均值μ
0.25
加载方式
压缩
表12相变准则控制参数
控制参数
参数值
控制参数
参数值
摩擦角
30°
最大拉应变系数
1.5
拉压比
1/10
最大压应变系数
200
残余阀值系数
0.1
相变准则
Coulomb
练习7
用RFPA系统研究岩石试件端部效应试验，
升级会员 