计算机地图制图.docx

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计算机地图制图

计算机地图制图

计算机地图制图（Computer-AidedCartography，简称CAC）又称数字化制图、计算机辅助制图等，简称为机助制图。

简单的讲计算机地图制图是以地图学基本原理为基础，应用计算机和图形输入输出设备，从事地图制作和使用的一门学科。

数字地图

数字地图是以数字形式记录和存储的地图。

电子地图

电子地图是数字地图转化为模拟地图的软拷贝形式。

无极比例尺

指以一个大比例尺空间数据库为基础数据源，在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减，从而使得空间地理信息的压缩和复现与比例尺自适应的一种信息处理技术。

光栅化

在图形输出时，从图形对象的几何和拓扑信息出发，确定最佳逼近图形的象素集合，并用指定的颜色和灰度设置象素的过程称为图形的扫描转换或光栅化。

矢量数据的压缩

又称为数据化简，是指从所取得的数据集合中抽出一个子集，这个子集作为一个新的信息源，能够用尽可能少的数据量，在规定的精度范围内，最好的逼近原集合。

矢量数据的压缩主要是对线的压缩。

垂距法

在给定的曲线上每次顺序取三个点，计算中间点与其它两点连线的垂距d，并与限差L比较。

光栏法

定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。

道格拉斯-普克法

对给定曲线的首末点虚连一条直线，求中间所有点与直线间的距离，并找出最大距离dmax，用dmax与限差L比较。

拓扑关系

是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法，是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。

点（结点）、线（链、弧段、边）、面（多边形）是表示空间拓扑关系最基本的拓扑元素。

操作尺度

对空间实体、现象的数据进行处理操作时应采用最佳尺度，不同操作尺度影响处理结果的可靠程度或准确度

地理网格

是指按一定的数学规则对地球表面进行划分而形成的网格。

数据模型

对现实世界进行认知、简化和抽象表达，并将抽象结果组织成有用、能反映形式世界真实状况数据集的桥梁。

对象模型

 将研究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域中。

地图数字化

根据现有纸质地图，通贯手扶跟踪或扫描矢量化地方法，生产出可在技术机上进行存储、处理和分析的数字化数据。

拓扑关系

图形在保持连续状态下的变形但图形关系不变的性质。

空间数据结构

对空间逻辑数据模型描述的数据组织关系和编排方式。

影像金字塔结构

 在同一的空间参照下，根据用户需要以不同分辨率进行存储与显示，形成分辨率由粗到细，数据量由小到大的金字塔结构。

空间索引

依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构。

空间数据查询

其属于空间数据库的范畴，一般定义为从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。

空间分析

以地理事物的空间位置和形态特征为基础，异空间数据运算、空间数与属性数据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程。

栅格数据的追踪分析

对于特定的栅格数据系统，有某一个或多个起点，按照一定的追种法则进行追踪目标或者追踪的空间分析方法。

数字高程模型

是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，高程数据通常采用绝对高程。

数字地形分析

是指在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术。

DEM

DEM，（DigitalElevationModels），是国家基础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：

z=f（x，y）。

DTM

DTM：

当z为其它二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特征，此时的DEM成为DTM（DigitalTerrainModels）。

不规则三角网（TIN）

TIN（TriangulatedIrregularNetwork）表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面（在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等—Delaunay）。

地图符号化

地图数据的符号化，它有两层含义：

⏹在地图设计工作中，是指利用符号将连续的数据进行分类、分级、概括化、抽象化的过程；

⏹在数字地图转换为模拟地图的过程中，是指将已处理好的矢量地图数据恢复成可见的图形，并附之以不同符号表示的过程。

地图符号库

地图符号的有序集合即是地图符号库

索引式矢量数据结构：

采用树数据结构表示的矢量数据关系，可以方便地表现点线面之间的拓扑关系。

DPI：

每英寸的点数，可以表征栅格数据的空间分辨率。

信息无损编码：

在地理信息系统数据的压缩中，通过解压缩操作可以还原到压缩之前的一种数据压缩方式。

信息有损编码：

在地理信息系统数据的压缩中，通过解压缩操作不能还原到压缩之前的一种数据压缩方式。

链码：

栅格数据压缩编码的一种表示方法，采用八方向或者四方向递进方式，可以方便地表征栅格数据中的面。

显式拓扑关系

在矢量数据结构中，将拓扑关系作为数据的一部分存储。

拓扑关系：

描述矢量数据中点、线、面之间邻接、关联、包含的关系

地图数据结构：

主要指地图数据中空间数据的结构，即指空间数据适合于计算机存储、管理及处理的几何数据的逻辑结构。

偏角法：

从任一个端点起，每次顺序取曲线上的三个点，计算中间点与其他两点连线的夹角α，并与限差β比较，若小于，则中间点去掉。

行程编码：

对于栅格数据进行行方向上压缩的一种编码方式，也称游程长度编码，也可以图示作答。

高斯投影：

横轴等角切椭圆柱投影，在我国主要用于大于1比50万地图的制作。

点实体：

具有特定位置的实体

线实体：

由一系列坐标点表示

面实体：

由一个封闭的坐标点序列外加内点表示。

游程长度编码：

栅格数据压缩的重要编码方法，它的基本思路是：

对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。

其方法有两种方案：

一种编码方案是，只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数，从而实现数据的压缩

块状编码：

是游程长度编码扩展到二维的情况，采用正方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，块式编码数据结构中包括3个内容：

块的初始位置（行、列号）和块的大小（块包括的象元数），再加上记录单元的代码组成。

四叉树编码：

将整个图像区逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元，分割的原则是，将图像区域划分为四个大小相同的象限，而每个象限又可根据一定规则判断是否继续等分为次一层的四个象限，其终止判据是，不管是哪一层上的象限，只要划分到仅代表一种地物或符合既定要求的少数几种地物时，则不再继续划分，否则一直划分到单个栅格象元为止。

1、空间实体的四个基本特征：

空间位置特征、属性特征、时间特征、空间关系特征。

2、地理空间数据的概念模型分为：

对象模型、场模型、网络模型。

3、空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。

空间关系主要有拓扑空间关系、顺序空间关系、度量空间关系。

4、栅格数据模型的一个优点是不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要进行复杂的几何计算。

5、矢量数据结构按其是否明确地表示地理实体空间关系分为：

实体数据结构和拓扑数据结构两大类。

6、栅格数据结构的显著特点是：

属性明显，定位隐含。

7、矢栅一体化结构的理论基础是：

多级网格方法、三个基本约定、线性四叉树编码。

8、属性查询是一种较常用的空间数据查询，属性查询又分为简单的属性查询和基于SQL语言的属性查询。

9、空间关系查询包括拓扑关系查询和缓冲区查询。

10、根据栅格数据叠加层面的不同，将栅格数据的叠置分析运算方法分为以下几类：

布尔逻辑运算、重分类和数学运算复合法。

11、从缓冲区对象方面来看，缓冲区最基本的可分为点缓冲区、线缓冲区和面缓冲区。

12、窗口分析的类型包括：

统计运算、测度运算、函数运算和追踪分析。

13、地理空间分析的三大基本要素是空间位置、属性、时间。

14、GIS运行环境的核心部分是计算机软硬件系统。

15、计算机地图制图硬件系统包括输入设备、处理设备、存储设备、和输出设备四部分。

16、从数据结构上，GIS可分为矢量GIS、栅格GIS、矢量—栅格GIS。

17地理空间坐标系统分为球面坐标系统、平面坐标系统，其中平面坐标系统被称为投影坐标系统。

18、投影是指建立两个点集之间一一对应的映射关系。

19、高斯投影中1：

2.5至1:

50万比例尺地形图采用经差6度分带，1:

1万比例尺地形图采用经差3度分带。

20、区域多边形的选择必须和国家现行管理制度相一致，才能发挥其应用效益，保证信息更新的连续性。

21、 根据空间数据的获取方式可分为：

地图数据、遥感影像数据、实测数据、共享数据、其他数据。

22、地理信息系统的数据采集工作包括两个方面：

空间数据的采集、属性数据的采集。

23、属性数据的来源：

社会环境数据、自然环境、资源与能源。

24、数据重构主要包括：

数据结构的转换和数据格式的转换。

25、矢量数据的常用压缩方法：

间隔取点法、垂距法和偏角法、分裂法。

26、空间数据质量指标包括：

完备性、逻辑一致性、位置准确度、时间准确度、专题准确度。

27、空间数据的误差：

几何误差、属性误差、时间误差、逻辑误差。

28、数据库领域中最常用的数据模型有：

层次模型、网状模型、关系模型、对象模型。

29、空间数据的基本特征：

空间特征、非结构化特征、空间关系特征、多尺度与多态性、分类编码特征、海量数据特征。

30、地形特征点主要包括山顶点，凹陷点，脊点，谷点，鞍点，平地点等。

分析计算机地图制图、电子地图和GIS三者间的关系。

三者具有密切的联系，同时也有一定的区别。

计算机地图制图是最先发展起来的一门地图处理技术，是实现其他两者的基础技术。

电子地图是利用计算机地图制图技术而形成的一种新的地图形式。

GIS则是在电子地图的基础上，增强了数据库管理和计算分析功能，而形成更加先进的信息处理工具和辅助决策工具。

电子地图与传统的纸质地图相比较，其具有的优势有哪些。

1、交互性强

2、能无级缩放

3、无缝

4、动态的对地图信息的载负量调整

5、可以实现多维化

6、信息丰富

7、易于实现信息共享

8、可以自动实现基本地图计算、统计和分析功能

CAC与传统的地图制图相比，其优越性表现在哪些方面。

●地图数据采集与存储的数字化；

●地图表达与处理的数字化；

●地图分析的自动化与交互化；

●地图显示方式的多样化；

●灵活性。

直线绘制算法的要求

●所绘直线应尽可能的直，尽量避免阶梯效应；

●所绘制的直线应该具有精确的起点和终点，具有连续性；

●所显示的亮度或颜色应该在直线长度范围内，与直线的长度和方向无关；

●直线的生成速度要快；

●尽量适合硬件实现。

计算机地图制图的主要问题

计算机地图制图的核心问题是如何使用计算机处理地图信息，即解决地图信息如何以数字的形式表示、获取、存储、处理和输出。

具体的需要解决3个主要问题：

●对连续的地图信息数字化，对不同技术获取多源制图空间数据标准化，一边计算机读取并识别它的内容；

●计算机根据地图制图生产和地理信息应用的要求，对数字形式的地图信息进行一系列的加工处理，按照特定制图规范形成一定形式的数字地图产品，构成地图数据库；

●把数字地图有关的内容转换成人可阅读的地图图形。

CAC系统的软硬件构成

完整的CAC系统包括硬件、软件、地图数据和制图人员四个基本组成部分。

CAC硬件系统

主要包括计算机、图形图像输入设备、图形图像输出设备和外存储器

CAC软件系统

●通用软件：

计算机操作系统、编程语言和工具、数据库管理系统、网络通讯软件以及设备驱动和接口软件

●数字制图专用软件：

矢量数据采集软件、栅格数据矢量化软件、数据编辑软件、地图符号制作软件、地图数据处理软件、数字地图出版软件以及电子地图制作软件等。

CAC与GIS的区别与联系

（1）联系：

CAC是GIS的技术基础，是其重要组成部分，主要完成GIS前期的数据准备工作；现代GIS都具有CAC成分，具备良好的地图制图功能，但并非所有的CAC系统都含有GIS的全部功能。

（2）区别：

主要存在于空间分析方面，CAC具有强大的地图制图功能，而GIS除包含CAC系统的功能外，海具有丰富的空间分析能力，特别是对图形和属性数据进行深层次空间分析的能力。

CAC与CAD的区别与联系

（1）联系：

二者都是以计算机图形学为数据处理和算法设计的基础，均有空间坐标系统，能把目标和参考系统联系起来，也都能在一定程度上处理非图形属性数据。

（2）区别：

CAD一般采用几何坐标系统，处理的多为规则几何图形及其组合，图形功能尤其是现代的三维图形功能极强，属性数据处理功能相对较弱。

CAC一般采用大地坐标系，处理的多为地理空间的自然目标和人工目标，图形关系复杂，且制图数据来源广，输入方式多样，需要及其丰富的地图符号库和属性库的支持。

因此，一个功能强大的CAD系统，并不完全适合于完成CAC任务。

CAC的主要的数据源有哪些

地图、遥感影像数据、实测数据、文字与统计资料、已有数字数据。

简述数据质量的含义

用地图数据来表达实体的定位、定性和时间特征时，其所能达到的准确性、一致性和完整性，以及它们之间统一性的程度。

简述数据质量的基本内容

准确性，一致性，完整性、现势性和统一性。

图形的表示种类

图形有点阵表示（图像）和矢量表示（图形）。

点阵表示用图形各个要素点的颜色值从外表上反映图形；矢量表示则用生成图形所需的坐标、形状、颜色等几何和非几何数据集合来描述，反映了图形的内在联系。

线压缩应满足的基本条件

●保持曲线的形状特征

●保持曲线的密度对比

●保持曲线特征转折点的精度

●保持曲线空间关系的正确

栅格数据处理主要包括

●类似于矢量数据预处理中的坐标变换，数据格式转换，数据压缩处理等；

●进行基本的栅格运算处理，如平滑、锐化、增强等。

辨析可视化与地理信息的可视化

通常意义的可视化就是将事物或现象变成可被视觉感知的过程。

目前的可视化是计算机的可视化，是指利用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程中产生的数据及计算结果转换成图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。

其主要功能是数字数据经过一定媒体形式的转换，而成为人能够视觉感知的结果。

地理信息的可视化是指将原有的地理信息数据转化为直观的图形、图像的技术，它是一个转换过程，与一般意义的可视化类似，其目的也是将原始数据转化为可显示的图形、图像，以便为人们视觉所感知。

其结果即地理符号化的结果。

简述符号化与符号化过程

符号化是指地图要素形成符号的过程。

符号化过程是利用地图数据库得到有关地图要素的分级分类编码及相应符号和要素实体抽象后得到的定位坐标数据，以形成地图空间内的图形符号模型过程。

简述符号化与数字化的关系

●数字化是将地图要素或相应图形符号抽象成地图数据库的定性、定位及时间数据。

●符号化是将地图数据库内的定性、定位及时间数据转换为图形符号，是数字化的逆过程。

●符号化的结果并不要求与来源的要素特征完全一致，可以进行人为的抽象模拟。

大多的地图符号就是这种结果。

简述符号化的方法

根据不同的数据来源有矢量符号化和栅格符号化；跟符号具体生成过程又有直接信息法和间接信息法。

简述TIN的表示方法

表示方法：

将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任意点都将落在三角面顶点、线或三角形内。

落在顶点上其高程与顶点相同；落在线上则由两个顶点线性插值得到；落在三角形内则由三个顶点插值得到。

简述TIN的生成方法

由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到。

TIN允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简单的地区收集少量信息，避免数据冗余。

对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的系统更有效，如坡度、坡向等的计算。

DEM的生成方法有哪些？

⑴人工格网法：

●在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。

⑵三角网法：

对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。

要求：

应尽可能保证每个三角形是锐角三角形或三边的长度近似相等，避免出现过大的钝角和过小的锐角。

角度判断法建立TIN：

当已知三角形的两个顶点后，利用余弦定理计算备选第三顶点的三角形内角的大小，选择最大者对应的点为该三角形的第三顶点，确定第一个三角形

三角形的扩展：

对每一个已生成的三角形的新增加的两边，按角度最大的原则向外进行扩展，并进行是否重复的检测。

⑶立体像对法

⑷曲面拟合法

根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求得拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。

可反映总的地势，但局部误差较大。

可分为：

●整体拟合：

根据研究区域内所有采样点的观测值建立趋势面模型。

特点是不能反映内插区域内的局部特征。

●局部拟合：

利用邻近的数据点估计未知点的值，能反映局部特征。

⑸等高线插值法

简述道格拉斯——普克法的基本思想

道格拉斯—普克法，又称分裂法。

该算法实现的基本思路是：

对每一条曲线的首末点虚连一条直线，求其它所有点与该直线的距离，并找出其中的最大距离值dmax，用dmax与限差ε相比：

    若dmax＜ε，这条曲线上的中间点全部舍去；

    若dmax≥ε，保留dmax对应的坐标点，并以该点为界，把曲线分为两部分，对这两部分曲线重复上述操作，直至整条曲线处理结束。

优缺点：

压缩效果好，但必须在对整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大。

简述垂距（限值）法的基本思路

每次顺序取曲线上的三个点，计算中间点与其它两点连线的垂线距离di，并与限差ε比较。

若di＜ε，则中间点去掉；若di≥ε，则中间点保留。

然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。

优缺点：

压缩算法好，可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小。

简述间隔取点法的基本思路

间隔取点法的基本思路是：

每隔n个点取一点，或每隔一规定的距离取一点，但首末点一定要保留。

例如对一曲线每隔一个点（n=1）取一点进行压缩，其过程和结果如图所示。

优缺点：

从该压缩方式可看出，这种方法的优点是算法简单，可以大量压缩数字化时用连续方法获取的点和通过栅格数据矢量化得到的点，其缺点是不一定能恰当地保留方向上曲率显著变化的点。

光栏法的基本思路

光栏法的基本思想：

定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。

算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点p值去掉而失真。

建立拓扑关系的意义

①拓扑关系能清楚地反映制图要素之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化；

②有助于空间要素的查询、检索，并可利用拓扑关系来解决许多实际问题，如邻接多边形的研究和供水管网监测系统对故障阀门的查询等。

③根据拓扑关系可重建地图要素，如根据弧段构建多边形，实现面域的选取；根据弧段与结点的关联关系重建道路网络，并进行最佳路径选择等。

栅格单元属性确定方法。

1、中心点法：

取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。

2、面积占优法：

栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。

3、重要性法：

定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。

4、长度占优法——每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。

栅格数据结构编码的方式有哪些？

①直接栅格编码：

将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。

特点：

最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理

②行程编码（变长编码）：

将原图表示的数据矩阵变为数据对：

1）属性码，长度，行号（可不要）

长度：

连续相同码值的栅格个数。

2）属性码，点位

特点：

对于行程编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。

这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。

③块码：

采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。

特点：

具有可变分辨率，即当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。

小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低

所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辩率。

④链式编码：

将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录。

1）首先定义一个3x3窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这8种可能0~7进行编码。

2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链。

优点：

链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和边界、线段凹凸度的计算。

缺点：

不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整体结构）。

区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。

⑤四叉树编码：

一种可变分率的非均匀网格系统。

是最有效的栅格数据压缩编码方法之。

1） 基本思想：

将2n×2n像元组成的图像（不足的用背景补上）按四个象限进行递归分割，

并判断属性是否单一，单一：

不分。

不单一：

递归分割。

最后得到一颗四分叉的倒向树。

2） 四叉树的树形表示：

用一倒立树表示这种分割和分割结果。

根：

整个区域

高：

深度、分几级，几次分割

叶：

不能再分割的块

树叉：

还需分割的块

每个树叉均有4个分叉，叫四叉树。

3）编码方法：

①常规四叉树

记录这棵树的叶结点外，中间结点，结点之间的联系用指针联系，每个结点需要6个变量：

父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值。

指针不仅增加了数据的存储量，还增加了操作的复杂性：

如层次数（分割次数）由从父结点移到根结点的次数来确定，结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始逐步推算下来。

所以，常规四叉树并不广泛用于存储数据，其价值在于建立索引文件，进行数据检索。

②线性四叉树：

记录叶结点的位置，深度（几次分割）和属性。

地址码（定位码、Morton码）四进制、十进制

优点：

Ø存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。

Ø线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其Morton码，而不用建立四叉树。

Ø定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。

简述矢量数据的优缺点

优点

1、便于面向现象（土壤类，土地利用单元等）

2、结构紧凑，冗余度低，便于描述线或边界。

3、利于网络、检索分析，提供有效的拓扑编码，对需要拓扑信息的操作更有效。

4、图形显示质量好，精度高。

缺点：

1、数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准化和规范化，数据交换困难。

2、多边形叠置分析困难，没有栅格有效，表达空间变化性能力差。

3、不能像数字图像那样做增强处理4、软硬件技术要求高，显示与绘图成本较高。

简述栅格数据的优缺点

栅格优点：

1、结构简单，易数据交换。

2、叠置分析和地理（能有效表达空可变性）现象模拟较易。

3、利于与感遥数据的匹配应用和分析，便于图像处理。

4、输出快速，成本低廉。

栅格缺点：

1、现象识别效果不如矢量方法，难以表达拓扑。

2、