104矢量数据的获取及处理.docx

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104矢量数据的获取及处理

4矢量数据的获取及处理

4.1矢量数据及其获取

地图图形实质上是空间点集在二维平面上的投影。

无论地图图形多么复杂，都可将其分解为点、线、面三种基本图形元素，其中点是最基本的图形元素。

在计算机地图制图中，各地图图形元素在二维平面上的矢量数据表示为：

点——用一对x,y坐标表示；

线——用一串有序的x,y坐标对表示；

面——用一串有序的但首尾坐标相同的x,y坐标对表示其轮廓范围。

地图数据与其他大多数由计算机处理的科学数据是极其不同的。

地图数据量大，这是第一个特点，例如一幅典型的比例尺为l：

25000的地形图，大约需要l～3百万对坐标，才能使获得的数字地图的几何精度达到一定的要求。

第二个特点是地图数据具有定位、定性和时间的特性。

大部分地图数据都是反映制图现象的地理分布，故具有定位的性质，也称这类地图数据为空间数据（或几何数据）。

空间数据可反映点、线和面状物体的定位特性。

还有一部分地图数据是用来描述制图现象的质量和数量特征，如哪是河流，哪是道路，哪是居民点以及它们的名称和其他有关的特征描述等，这类数据通常称之为属性数据。

任何地图数据都有时间性，即现势性，这是显而易见的。

地图数据的来源是多方面的，来源不同，获取的方法亦各异。

4.1.1几何数据的获取

几何数据是根据给定各要素相对位置或绝对位置的坐标来描述的。

其获取的方法主要有：

（1）由外业测量获得

数字测图。

（2）由栅格形式的空间数据转换获得

栅格数据，如卫星测地、扫描数字化仪扫描、航摄像片等。

可以用此类数据转化为矢量数据。

（3）对现有地图跟踪数字化获得

将现有的地图图形离散化为数据。

4.1.2属性数据的获取

（1）特征码

地图要素是根据各自的位置和属性说明进行编码的，仅有描述空间位置的几何数据是不够的，还必须有描述它们的属性说明。

其中用来描述要素类别、级别等分类特征和其他质量特征的数字编码叫特征码，它是地图要素属性数据的主要部分。

其作用是反映地图要素的分类分级系统，同时也便于按特定的内容提取、合并和更新，因此特征码表的编制应根据原图内容和新编图的要求设计。

一般地，对地图要素进行分类编码时应遵循以下原则：

①科学性和系统性，即以适合计算机和数据库技术应用和管理为目标，按国土基础信息的属性或特征进行严格的科学分类，形成系统的分类体系；

②相对稳定性，即分类体系以各种地图要素最稳定的属性或特征为基础，能在较长时间里不发生重大变更；

③不受地图比例尺的限制，即同一地图要素在不同比例尺的地图数据库中有一致的分类代码，虽然分类不一定与多种比例尺地形图—一对应，但分类码要覆盖各种比例尺的地图符号，即每类地图符号都应具有相应的代码；

表4.1

特征码

制图要素名称

6

境界

61000

行政区划界

61010

国界

61011

界桩、界碑

61012

同号双立的界碑

61013

同号三立的界桩、界碑

61020

未定国界

61030

省、自治区、直辖市界

61031

界桩、界标

61040

自治州、地区、盟、地级市界

61050

县、自治区、旗、县级市界

61060

乡、镇、国营农场、林场、牧场界

62000

其它界线

62010

特殊地区界

62020

自然保护区界

7

地形与土质

71000

等高线

71010

实测等高线

71020

草绘等高线

72000

高程

72010

高程点

72020

特殊高程点

72021

最大洪水位高程点

72022

最大潮位高程点

72023

溢洪道口底面高程点

72024

坝顶高程点

72025

堤顶高程点

72026

井口高程点

72027

水位点

72028

桥面高程点

72030

比高

73000

冰川地貌

73010

粒雪原

73011

雪崩锥

④完整性和可扩充性，即要素的分类既要反映其属性，又要反映其相互联系，具有完整性；代码结构应留有适当的可扩充的余地，具有可扩充性；

⑤与国家已颁布的有关规范和标准一致，即直接引用或参照相关的国家规范和标准；

⑥适用性，即特征码（或属性编码）尽可能地简短和便于记忆。

依据上述原则，以国土基础信息为例，其编码可分为大类，并依次再分为小类、一级和二级。

分类代码由6位数字组成，其结构如下：

＊＊＊＊＊＊

大小一二识

类类级级别

码码代代码

码码

地图要素分类编码举例见表4.1。

（2）特征码的输入

用健盘输入，特征码同几何数据一起存入地图数据库。

事先设置好清单，在获取几何数据时，选择特征码。

在GIS中，选择对象，弹出一个属性数据框，输入各类的属性数据。

4.2数据处理

数据处理是计算机地图制图过程中的一个重要环节，包括对制图数据的存贮、选取、分析、加工、输出等操作，以完成地图制作过程中的几何改正、比例尺和投影变换、要素的制图综合、数据的符号化等。

4.2.1矢量数据的基本操作

矢量数据的处理，一般有两种方式，一是按人机交互方式进行处理；二是按批处理方式进行处理。

另外，也可将这两种方式结合起来进行。

矢量数据处理过程可分解为八种基本运算操作，即存取、插人、删除、搜索、分类、复制、归并和分隔。

存取，又叫访问，是指与内存打交道（如读／写）的操作。

它是图形显示、统计分析，或更复杂的分析和制图的基础。

从地图制图的角度来考虑，插人和删除主要是在编辑过程中用来修改和更新地图内容。

搜索在计算机地图制图作业执行过程中显得特别重要，例如在全要素地图数据库中寻找道路数据或某一级道路数据。

分类是重新组织内存中的点集或较大的地理实体，使之便于处理和标出对地图用户具有特定意义的某些分布的分级排列。

复制使得数据能被传输而使它更有价值。

归并能把低层次的数据集合到实用的地区或国家这些高级的范畴上来。

分隔则可以获得较小的数据集（例如开窗），以便对原有数据进行更详细或更直观的处理。

4.2.2数据编辑

数据编辑又叫数字化编辑，它是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工，其主要目的是在改正数据差错的同时，相应地改正数字化资料的图形。

一般地，数据编辑工作分两步进行。

第一，显示数据，即在显示屏上显示或校核绘图显示，以便用目视的方法或与数字化原图套合比较的方法进行检查，找出数字化资料的差错，显示其出错位置。

第二，数字化定位和编辑修改。

编辑命令基本上只有两种指令类型：

删除数据和增加数据。

常用到的命令，诸如“变更”、“移动”、“删除”、“加入”、“截去”、“延长”、“分割”、“合并”等指令，都是这两种基本指令的组合或其中之一。

4.2.3数据的预处理

数据的预处理主要内容包括几何改正、数据压缩、数据规范化和数据匹配。

4.2.3.1几何改正

数据编辑处理一般只能消除或减少在数字化过程中因操作产生的局部误差或明显差错，但因图纸变形和数字化过程中产生的随机误差，则必须经过几何改正才能消除。

（1）二次变换和高次变换

这两种变换是实施地图内容转换的多项式拟合方法，它由下列多项式表达：

式中x,y为变换前坐标，x’,y’为变换后坐标；系数a、b是函数f1,f2的待定系数。

A和B代表三次以上高次项之和。

上式是高次曲线方程，符合此方程的变换称为高次变换。

若不考虑A和B，则上式为二次曲线方程：

符合上列二次曲线方程的变换为二次变换。

这两种变换的实质是：

制图资料上的直线经变换后可能为二次曲线或高次曲线，它适用于原图有非线性变形的情况。

在二次变换中有5对未知数，理论上只要知道数字化原图上5个点的坐标及其相应的理论值，便可能算出系数a和b，从而建立起变换方程，完成几何改正的任务，即对数字化的地图的所有几何数据进行改正。

实际应用时，可取多于5个点及其理论值，并用最小二乘法求解，以提高解算系数的精度。

所选点的分布应能控制全图。

（2）一次变换

同素变换和仿射交换均为一次变换。

同素变换是一种较复杂的一次变换形式，其函数式为

其主要性质有：

①直线变换后仍为直线，但同一线段上长度比不是常数；

②平行线变换后为直线束；

③同一线束中任一割线的交叉比在变换前后保持不变；

④通过同一割线上相应各点的线束的交叉比在变换前后也保持不变。

仿射变换是一种比较简单的一次变换，其表达式为

式中3对待定系数，只要知道不在同一直线上的3个对应点坐标即可求得。

实际应用时，往往利用4个以上对应点坐标和最小二乘方法求解变换系数，以提高变换精度。

仿射交换的特点是：

①直线变换后仍为直线；

②平行线变换后仍为平行线，并保持简单的长度比；

③不同方向上的长度比发生变化。

4.2.3.2数据压缩

数据压缩是把大量的原始数据或由存贮器取出来的数据转换为有用的、有条理的、精炼而简单的信息的过程，又称数据简化或数据综合。

目的是删除冗余数据，减少数据的存贮量，节省存贮空间，加快后继处理速度。

（1）间隔取点法

每隔k个点取一点，或舍去那些离已选点比规定距离更近的点，但首末点一定要保留，见图4.1。

图4.1

（2）垂距法和偏角法

这两种方法是按垂距或偏角的限差选取符合或超过限差的点，其过程见图4.2。

（3）道格拉斯-普克法

该方法试图保持曲线走向和允许制图人员规定合理的限差，其执行过程见图4.3。

步骤为：

1首未相连；

2计算中间各点到直线的距离；

3删去距离小于临界值的点；

4在留下的点中，选择距离最大的点，将曲线分成两段；

5重复①～④，依次类推。

4.2.3.3数据规范化

从事地图数据采集和应用的部门日益增多,为了协调数字化地图的生产和提高数据的共享程度,地图数据规范化的工作引起了许多国家的重视,是国际地图制图协会的重要研究方向之一。

（1）定义规范

该部分试用零维、一维和二维数据，系统地、广泛地定义一组基本的、单一的制图目标，它们是：

单纯的几何目标；几何和拓扑目标；单纯的拓扑目标，并以此来建立地图要素的数字表示法。

规定了本标准中使用的主要概念性术语：

要素、实体和目标。

要素是指一个确定的实体及其目标的表示；实体是描述地球上一种不能再细分的真实的现象；目标是一个实体的全部或部分的数据表示。

图4.2

图4.3

（2）空间数据转换规范

制定该规范的目的是方便空间数据从一个空间数据处理系统向另一个空间数据处理系统转换，而与它们使用的计算机硬件和操作系统无关。

内容包括各种转换模块；每个模块包含一组模块记录；每个模块记录包括若干个数据字段，它们按信息的目的和功能分组；数据字段包含要转换的信息。

这些模块可完成矢量转换、关系转换和栅格转换等。

（3）数字制图数据质量控制规范

每幅数字地图都必须有一份质量报告，其内容包括数据情况略图、位置精度、属性精度、逻辑一致性和完整性等五个部分。

（4）制图要素规范

这一部包括说明制图要素的概念模型和一份实体及属性定义表。

概念模型定义了三个概念和两个辅助项，它们是实体、属性、属性值、标准项和内含项。

4.2.3.4数据匹配

数据匹配是实现误差纠正的又一种方法，是数据处理的一个重要方面。

（1）顶点匹配

在数字化多边形地图和其它网结构图形时，同一点（如几个多边形的公共顶点）可能被数字化好几次，即使在数字化时很仔细，但由于仪器本身的精度和操作上的问题，都不能保证几次数字化都获得同样的坐标值。

为此在数据处理时，需将它们的重心重新安放，这就是“顶点匹配”（或称结点匹配）。

该方法是用匹配程序对多边形文件进行处理，即让程序按规定搜索位于一定范围内的点，求其坐标的平均值，并以这个平均值取代原来点的坐标。

经处理后，在多边形生成时若再发现少数顶点不匹配，经查明原因后可辅以交互编辑的方法处理。

（2）数字接边

在数字化地图时，一般是一幅一幅地进行，如果受数字化仪幅面的限制，有时一幅图还需分块进行，见图4.4

（1）。

由于纸张的伸缩或操作误差，相邻图幅公共图廓线（或分块线）两侧本应相互连接的地图要素会发生错位，这是不可避免的，见图4.4

（2）。

因此在拼幅或合幅时均须对这些分幅数字地图在公共边上进行相同地图要素的匹配，这就是数字接边，接边后的结果如图4.4（3）所示。

数字接边在数字地图更新时也是非常重要的，尤其是在局部区域内的数据需全部更新时，新旧资料拼接线上的要素必须作接边处理。

除了上述的两种数据匹配外，属性数据与几何数据的匹配、几何图形校正（如矩形图形的四个角不全为直角）和齐边改正（如线段端点与图边、水涯线等的正确接合）等的数据处理均属数据匹配。

图4.4

4.3开窗显示

开窗显示就是按用户指定的空间范围，进行图形子集合的选取，这个指定范围称之为“窗口”。

当人们希望利用指定的有效空间或存贮介质，对某个局部范围进行图形数据的显示或转贮时，往往都要使用开窗技术。

例如在图形终端显示器上对局部图形进行放大显示，或当绘图机工作面积小于全图幅面而需分幅绘制时，都可用开窗的方式解决。

随着数据库数据采集量的增加．数据容量的不断扩充，以及图形显示手段的日益丰富，开窗技术越来越受到重视。

开窗的方式有两种；正开窗和负开窗。

正开窗就是选取整个图形数据在窗口内的子集合，如图4.5

（1）所示；负开窗就是选取整个图形数据在窗口外的子集合，如图4.5

（2）所示。

在通常情况下，正开窗用途更大一些。

窗口的形状通常为矩形，也可以是任意多边形，这根据用户的需要确定。

窗口轮廓点坐标可由键盘输入，也可将全图显示在荧光屏上用光标确定。

如果窗口为矩形，只要输入或标定左下角和右上角的坐标即可。

图4.5

在窗口确定以后，还要考虑如何切掉窗口以外（对正开窗）或以内（对负开窗）的线条，从而只显示窗口以内或以外的内容。

4.3.1点的剪辑

已知窗口左下角（Xmin,Ymin）和右上角（Xmax,Ymax）的坐标，显然，对任意一点（Xp,Yp）只要下式成立，p点在窗内，显示该点，否则舍去。

Xmin

4.3.2线状要素的剪辑

线状要素是由有序线段组成的折线来逼近的，因此，对线状要素的剪辑只要讨论线段的剪辑就可以了。

线段的每个端点由下列四个条件来评定：

①点在窗口上边线之上；②点在窗口下边线之下；③点在窗口右边线之右；④点在窗口左边线之左。

要唯一地确定一条线段的两个端点与矩形窗口的位置关系，可以采用一定的编码方法。

（1）四比特串编码法。

四比特串编码法由四个比特组成，每个比特用来上述四个条件之一。

如果“点在窗口上边线之上”，第一位记1，否则为0；如果“点在窗口下边线之下”，第二位记1，否则为0；如果“点在窗口右边线之右”，第三位记1，否则为0；如果“点在窗口左边线之左”，第四位记1，否则为0。

四比特串编码见图4.6。

判断线段的两个端点，①都在0000内，显示该线段；②有一位置编码相同，剔除；③其它情况判断有无交点，求交点。

1001

1000

1010

0001

0000

0010

0101

0100

0110

图4.6

（2）参数编码法。

假设线段两端点坐标为（X1,Y1）和（X2,Y2），它们分别有参数（IX1,IY1）和（IX2,IY2）。

参数IX1、IX2的定义为X1或X2位于窗口左面、中间、右面时分别赋值1、0、-1；参数IY1、IY2的定义为Y1或Y2位于窗口上面、中间、下面时分别赋值1、0、-1。

判断线段的两个端点，①IX1＝IX2＝IY1＝IY2＝0，显示该线段；②IX1＝IX2≠0或IY1＝IY2≠0，剔除；③其它情况判断有无交点，求交点。

在这两种编码方法中，都涉及交点的计算问题。

假设线段的直线方程为：

y=kx+b。

①将Xmin代入，Y1=kXmin+b，如果Ymin≤Y1≤Ymax，得交点（Xmin，Y1），否则，无交点；

②将Xmax代入，Y2=kXmax+b，如果Ymin≤Y2≤Ymax，得交点（Xmax，Y2），否则，无交点；

③将Ymin代入，求X1，求交点；

④将Ymax代入，求X2，求交点。

最后求出一个或者两个交点。

如有一个交点，则保留该交点和编码为0000（或IX＝IY＝0）的端点之间的线段；如有两个交点，保留两交点之间的线段，其余部分剪掉。

4.3.3多边形剪辑

多边形的边界也是一条由有序线段组成的折线，只不过它是一条封闭的折线。

剪辑方法基本上同线状要素的处理，但在显示时要进行校正，即把窗口边界上有关线段加入显示部分的多边形的边而形成一个封闭的链。

可采用逐次多边形裁剪算法。

该算法的基本思想是一次用窗口的一条边裁剪多边形，如图4.7所示。

图4.7

算法的输入是以顶点序列表示的多边形。

用P1P2···Pn表示把P1连到P2，P2连到P3，···，最后把Pn连到P1所成的多边形。

如图4.8所示。

算法的输出也是一个顶点序列，构成一个或多个多边形，如图4．9所示。

图4.8图4.9

算法的每一步，考虑以窗口的一条边以及延长线构成的裁剪线。

该线把平面分成两部分：

一部分包含窗口，称为可见一侧；另一部分称为不可见一侧。

依序考虑多边形各条边的两端点S、P。

它们与裁剪线的位置关系只有四种。

如图4.10所示。

每条线段端点S、P与裁剪线比较之后，可输出0至2个顶点。

对于情况（Ⅰ）两端点S、P都在可见一侧，则输出P；（Ⅱ）若S、P都在不可见一侧，则输出0个顶点；（Ⅲ）若S在可见一侧，P在不可见一侧，则输出线段SP与裁剪线的交点I；（IV）若S在不可见一侧，P在可见一侧，输出线段SP与裁剪线的交点I和线段终点P。

如图4.11所示。

图4.10

图4.11

上述算法仅用一条裁剪边对多边形进行裁剪，得到一个顶点序列，作为下一条裁剪边处理过程的输入。

对于每条裁剪边，算法都一样，只是判断点在窗口那一侧以及求线段SP与裁剪边的交点算法应随之改变。