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武汉大学计算机地图制图复习资料

2015-01-30 12:46:18 来源: 测绘论坛
聊聊

《计算机地图制图》

1  绪论

1、计算机地图制图:又称机助地图制图或数字地图制图,它是以传统的地图制图原理为基础,以计算机及其外围设备为工具,采用数据库技术和图形数据处理方法,实现地图信息的采集、存储、处理、显示和绘图的应用科学。

2、计算机地图制图优越性:①易于编辑和更新②提高绘图速度和精度③容量大且易于存储④丰富地图品种⑤便于信息共享

3、计算机地图制图的基本过程:①数据采集阶段②数据处理阶段③数据输出阶段

4、计算机地图制图与地理信息系统:计算机地图制图是地理信息系统的技术基础,它涉及地理信息系统中的空间数据采集,表示、处理、可视化甚至空间数据的管理。主要区别在于空间分析方面:计算机地图制图系统具有强大的地图制图功能;而完善的地理信息系统可以包含计算机地图制图系统的基本功能,此外还应该具有丰富的空间分析能力,特别是对图形数据和属性数据进行深层次的空间分析,以提供对规划、管理和决策有用的信息。

 

2  地图数据结构

1、地图数据:是地图诸要素的数字化表示,是以点、线、面等方式采用编码技术对地理空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。

2、地理空间模型:地球的自然表面:十分不规则的表面②大地水准面:是一个相对抽象的的面,即假设当海水处于完全静止的平衡状态时,从海平面延伸到所有的大陆下部,而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面。③地球椭球体模型:该模型为绕地球自转轴旋转而成的椭球体。它是一个规则的数学表面。

3、地理坐标系:地面上任一点的位置可以用经度和纬度表示。经线和纬线是地球表面上两组正交的曲线,这两组正交的曲线构成的坐标称为地理坐标系。

平面直角坐标系:运用地图投影的方法,建立地球表面和平面上点的函数关系,使得地球表面上任意一个由地理坐标确定的点,在平面上必有一个与其相对应的点。

高程系:高程(也称绝对高程、海拔高程)即由高程基准面起算的地面点的高度。

4、地图投影:地图是一个平面,而地球椭球面是不可展曲面 将地球椭球面上的点映射到平面上来的方法,称为地图投影。

等角投影保证了投影后任意点的由任意两条微分线段构成的角度不产生变形,这种投影可以使得投影前后的形状保持不变。

等面积投影保证了投影前后面积保持不变,对微分面积如此,对整个区域的较大面积亦如此。

任意投影在投影后可能同时存在着长度、角度和面积的变形。在任意投影中,如果存在某一方向上长度不变时称之为等距离投影。

等角投影与等面积投影是相互排斥的,等角是以牺牲等面积为代价的;同样等面积也是以牺牲等角为前提的;任意投影虽然存在着各种变形,但各种变形比较均衡。

5、坐标网:经纬线网:又称地理坐标网,是指由经线和纬线所构成的坐标网②方里网:是由两组分别平行于投影坐标轴的平行线所构成的方格网。

6、空间实体:点实体:有特定的位置,维数为0的实体②线实体:维数为1的实体,由一系列坐标点表示③面实体:维数为2的实体,由一个封闭的坐标点序列外交内点表示。

7、地图数据的基本特征:

空间特征:空间位置:用以描述事物或现象的地理位置,又称几何特征、定位特征;空间关系:指地理空间实体之间存在的一些具有空间特性的关系,主要包括:

拓扑关系:拓扑变化下的拓扑不变量,如邻接关系、关联关系和包含关系等

方位关系:实体在地理空间中的某种顺序,如左右、东南西北等

度量关系:用地理空间中的度量来描述的实体之间的关系,实体之间的距离

属性特征:用以描述事物或现象的特性,如事物或现象的类别等级、数量、名称等,是与地理空间实体相联系的、具有地理意义的数据或变量。定性:名称、类型等;定量:数量、等级等。

时间特征:用以描述地理实体随着时间变化的特征

8、地图数据的基本类型:

空间数据:是描述地图要素中空间特征部分的数据,也称几何数据,即描述地理现象或地理实体的空间位置、形状、大小等的数据。主要分为点、线、面三种类型

关系数据:是描述空间数据之间的空间关系的数据

属性数据:描述空间实体的属性特征的数据,也称非集合数据,即描述地理现象或地理实体的定性或定量指标,包括语义与统计数据

9、矢量数据结构:矢量是具有一定长度和方向的量。矢量数据结构是表达地图空间数据的一种常见的数据结构,它通过记录坐标值的方式尽可能精确地表示呈点、线和面等分布的地理实体。

矢量数据可以表示地图中各种复杂的地理实体,当问题可描述成线、边界和网时特别有效。矢量数据还有冗余度低,结构紧凑,具有空间实体的拓扑信息,便于深层次分析及输出质量好、精度高等优点。

矢量数据表示:

①点:由一对x,y坐标表示

②线:由一串有序的x,y坐标对表示

③面:由一串有序的且首尾坐标相同的x,y坐标对表示

矢量数据结构表示:

简单数据结构及编码:

独立实体法:优点:编码容易,数字化操作简单,数据编码直观,显示速度快;缺点:相邻多边形的公共边界数字化两次,造成数据的冗余,可能出现重叠或者裂缝,引起数据不一致,另外缺少拓扑关系,空间分析困难。

点位字典法:P26

拓扑数据结构及编码:拓扑学:又称“橡皮几何学”,是研究图形在保持连续状态下变形时的那些不变的性质。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。(显示表示)

双重独立编码:

链状双重独立式编码:优点:数据结构紧凑、数据冗余小拓扑关系明晰使得拓扑查询、拓扑分析效率高;缺点:对单个地理实体的操作的效率低、难以表达复杂的地理实体、查询效率低局部更新困难。

10、栅格数据结构:栅格数据是由二维平面表像对应位置上像元灰度值所组成的阵列形式的数据。栅格数据记录的是属性数据本身,而位置数据可以由属性数据对应的行列号转换为相应的坐标。

栅格数据的阵列方式很容易为计算机存贮和操作,不仅很直观而且易于维护和修改。由于栅格数据的数据结构简单,定位存取性能好,因而在计算机地图制图中发挥着越来越重要的作用。

栅格数据表示:

①点:用一个栅格单元表示

②线:用沿其走向的一组相邻栅格单元表示

③面:用其所覆盖的相邻栅格单元的集合表示

栅格数据结构表示:

简单栅格数据结构:直接栅格编码:其特点是直观和处理方便,但没有压缩,占用较多存储空间。该方法的优点是编码简单,信息无压缩、无丢失,缺点是数据量较大。

栅格数据压缩编码:

链码:由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。前两个数字表示起点的行列号,从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向。优点:有很强的数据压缩能力,并具有一定的运算功能,如面积、周长等的计算,蕾丝矢量数据结构,比较适合于存储图形数据;缺点是:叠置运算(如组合、相交等)较难实施,对局部的改动会影响整体结构,而且相邻区域的边界重复存储。

游程长度编码:按行扫描将相邻等值的代码象元合并,并记录代码的重复个数。第一种方法:各行的代码,个数,代码,个数,……第二种方法:代码,位置,代码,位置,……优点是:压缩效率高(保证原始信息不丢失)易于检索、叠加、合并等运算操作简单,编码和解码的速度快;缺点:只顾及单行单列,没有考虑周围的其他方向的代码值是否相同。压缩受到一定限制。

块状编码:是将游程长度编码扩展到二维的情况,用方形区域作为记录单元,每个记录单元包含相邻的若干栅格,数据结构有初始位置(行号、列号)和半径,再加上记录单元的代码组成。即:行号,列号,半径,单元代码,行号,列号,半径,单元代码……块状编码对大块成片分布的地物有较高的编码效率,而如果图形过于破碎则效果不是很好。

四叉树编码:其基本思路是将2n×2n像元组成的图像(不足的用背景补上)所构成的二维平面按四个象限进行递归分割,直到子象限的数值单调为止。优点:很高的压缩效率,且压缩和解压缩也比较方便,阵列各部分的分辩率可变,既可精确地表示图形结构,又可减少存贮量,易于进行大部分图形操作和运算;缺点:具有图形编码的不定性,相同形状和大小的多边形可得出完全不同的四叉树结构,不利于形状分析和模式识别。

11、两种数据结构的比较:矢量数据结构具有“位置明显 信息隐含”的特点,它的数据表达精度高,工作效率高,数据存储量小,输出图形美观;但它操作起来比较复杂 许多分析操作(如叠置分析)用矢量数据结构难于实现。栅格数据结构具有“属性明显 位置隐含”的特点。它的数据表示直观,易于实现,操作简单,有利于空间信息的分析和处理;但栅格数据表达精度不高,数据存储量大,工作效率低。对基于栅格结构的应用来说,需要根据应用项目的自身特点及其精度要求来恰当地平衡栅格数据结构的表达精度和工作效率两者之间的关系。

 

第三章  地图数据的采集和地图数据库

1、数据源:建立计算机地图制图系统的数据库库所需的各种数据的来源。种类:

①地图:各种现有纸质地图是大多数计算机地图制图系统的主要数据源

②遥感影像数据:遥感影像数据是计算机地图制图的重要数据源

③实测数据:实地测量(包括GPS全球定位系统)等获取的数据可以通过转换直接进入计算机地图制图系统

④文字与统计资料:文字资料是指各部门的有关法律文档、行业规范及条例等;统计资料是指国家部门和机构拥有的不同领域的大量统计数据。

⑤已有数字数据:是指从其他已建成的系统和数据库中获取的相应数字图形数据和属性数据。

2、属性数据:用来描述实体的属性特征的数据。

3、分类:分类是人们认识事物的一种方法,是将具有共同属性特征的事物(或现象)归并在一起,而把不同属性特征的事物(或现象)分开的过程。

原则:①科学性:选择事物或现象最稳定的属性和特征作为分类的依据②完整性和系统性:应形成一个完整的分类体系,低级的类应能归并到高级的类中③实用性:应考虑对信息分类所依据的属性特征的获取方式和获取能力,应与有关的标准协调一致④可扩性:应能容纳新增加的事物和现象,而不致

于打乱已建立的分类系统。

方法:层次分类法:将初始的分类对象按所选定的若干个属性或特征依次分成若干层目录,并编排成一个有层次的、逐级展开的分类体系。其中同层次类目之间存在并列关系,不同层次类目之间存在隶属关系,同层次类目互不交叉、互不重复。优点:层次清晰,使用方便;缺点:分类体系确定后不易改动,当分类层次较多时,代码位数较长。

4、分级:分级是对事物(或现象)的数量(或特征)进行等级的划分,主要过程为分级数和分级界线的确定。

原则:①分级应符合数值估计精度的要求②分级应符合数据的分布特征③分级还应顾及可视化的效果

④分级时主要使用数学方法

5、数据编码:是指确定属性数据代码的过程。代码是一个易于被计算机识别与处理的符号,是计算机地图制图中定性查询信息的主要依据和手段。

类型:代码有数字、字母以及数字和字母混合三种类型。其中,数字代码是用若干个阿拉伯数字表示对象的代码,其特点是结构简单、便于计算机处理,但直观性交差;字母代码是用若干个字母表示对象的代码,特点是便于识别、易于记忆,但比数字代码多占用计算机空间;数字、字母混合代码是用数字和字母混合组成的代码,兼有数字类型和字母类型的优点,但处理较复杂。

分类码:是指根据地理信息分类体系设计出的专业信息的分类代码,表示不同类别的数据。在计算机定性查询信息时,可以根据它查出所需类别的全部数据。

标识码:是指在分类码的基础上,对每类数据设计出其全部(或主要)实体的识别代码,表示某一类数据中的某个实体。以实现对诸如某个乡镇、某条道路等进行个体查询。

原则:①科学性:即代码要与科学的分类体系相适应,要便于数据库管理②唯一性:即一个代码只唯一地表示一类对象③完整性和可扩充性:即代码必须完整地反映分类体系,并留有足够的备用代码,以适应扩充的需要④适用性和规范性:即代码应尽可能反映对象的特点,结构简单,便于记忆,格式规范、统一

方法:①国土基础信息分类编码②土地利用分类编码

6、地图数据采集的任务:将地理实体的几何数据和属性数据输入到地图数据库中

7、几何数据的采集:对于由外业测量仪器获取的几何数据,只须把测量仪器的数据传输进入数据库即可;如果是已有的数字数据(包括栅格形式的数据等)也可经过转换后输入数据库;而从遥感影像上提取专题信息,必须使用几何纠正、图像变换影像分类和信息提取等技术,这些主要属于遥感图像处理的内容。

8、手扶跟踪数字化:是在数字化软件的支持下应用手扶跟踪数字化仪来完成的。它通过记录数字化仪板面上点的平面坐标来获取矢量数据,是目前广泛应用的一种地图数据采集方式。

基本过程:先将所需数字化的地图(图件航片等)固定在数字化板上,后设定数字化范围、设置代码清单、输入有关参数及选择数字化方式,再按地图要素的类别分别实施图形数字化即可。

具体步骤:①确定数字化方案②设置代码(特征码)清单③设定有关参数④手扶跟踪操作

9、扫描跟踪数字化:基本思想:首先通过扫描将地图(图件等)转换为栅格数据,经过适当处理,然后采用模式识别技术识别出点和注记,再使用栅格数据矢量化的技术追踪出线和面,并根据地图内容和地图符号的关系,自动给矢量数据赋属性值。

软件主要功能:①地图的扫描输入和分版功能②图形 图像编辑功能③符号及注记的自动识别功能④

要素的矢量化功能⑤属性编码的设置与赋值功能⑥屏幕跟踪数字化功能

10、属性数据的采集:键盘输入

①当属性数据的数据量较小时,可以在输入几何数据的同时,根据数字化软件的提示用键盘输入。

②当属性数据的数据量较大时,一般与几何数据分开输入,再经检查修改后转入到数据库中。

11、属性数据与几何数据的联系方法:在属性数据与几何数据之间建立一个唯一的公共标识码。

12、数据显示:指在屏幕上或通过绘图机把有关信息显示出来,以便于原图进行比较,找出数字化过程中的差错,加以编辑修改。

数据编辑修改:前提是数字化定位:指一旦发现图形上的错误,就可以在数据库中找到相应的数据。

13、数据质量:地图数据具有定位、定性和时间性三大特征。地图数据的质量是指用该数据来表达其三大特征时所等达到的准确性、一致性和完整性,以及它们之间统一性的程度。

14、数据库:存储和管理某个领域信息数据的系统。

 

4  地图数据处理

1、地图:按照一定的比例和投影原则,有选择地将复杂的现实地理空间世界的某些内容投影到二维平面上,并用符号将这些内容要素表现出来。

地图数据:地图要素的数字化表示,是采用某种编码技术方式对地理空间物体进行描述及在它们之间建立相互联系的数据集。

2、数据预处理:使数据便于存储、管理和进一步分析应用而进行的变换、加工等。主要包括坐标变换、数据压缩等。

坐标变换:

数据压缩:即是数据精炼的过程,其目的是删除冗余数据,节省存贮空间,以利后继处理。

3、数据变换:二维图形变换:指对平面图形经过几何变换后产生新的平面图形。

4、曲线光滑:根据已知离散点列用曲线插值或拟合的方法建立符合某种要求的连续光滑曲线函数,并按该函数计算加密点列来完成曲线的光滑连接。

5、灰度级转换:用某种方法改变图像的灰度,以提高图像的质量,从而改善图像的效果,以更适应人眼的观察或计算机的处理。

6、栅格数据的算术组合:栅格图像数据的算术组合是指将不同的栅格图像相互叠置,对它们相应像元的灰度值进行各种算术运算,如相加、相减和相乘等。

栅格数据的逻辑组合:是指将不同的栅格图像相互叠置,对它们相应像元的灰度值进行各种逻辑运算,如逻辑“或”、逻辑“与”、逻辑“非”等。

栅格数据的扩张:是指将栅格数据中同一种属性的物体按事先指定的方向和给定的像元数目进行扩张。

栅格数据的侵蚀:是指将栅格数据中同一种属性的物体按事先指定的方向和给定的像元数目进行侵蚀。

栅格数据的加粗:是指将栅格数据中同一种属性的物体按事先给定的像元数目进行加粗运算。

栅格数据的减细:是指将栅格数据中同一种属性的物体按事先给定的像元数目进行减细运算。

栅格数据的填充:在给定的区域范围内,使得一些单个的像元通过某种算法而蔓延,直至充满整个区域范围。

 

第五章  地理信息可视化

1、可视化:指将原有的地理信息数据转化为直观的图形、图像的技术。

2、可视化的作用:

①实现人与机之间的图象通讯,而不是目前的文字或数字通讯,从而使人们观察到传统方法难以观察到的现象和规律。

②使科学家不仅被动地得到计算结果,而且知道在计算过程中发生了什么现象,并可改变参数,观察其影响,对计算过程实现引导和控制。

③可提供在计算机辅助下的可视化技术手段,从而为在分布环境下的计算机辅助协同设计打下了基础。

3、符号化:地图符号的符号化过程。符号化过程:即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的过程。

4、地图符号:在地图上用来表示各种地理事物和现象的图形符号。

地图符号设计:形状、尺寸、色彩、亮度、密度和方向。

5、符号设计原则:①应尽量参照现有的地图图式②在新设计地图符号时应遵循图案化、精确性、对比性、统一性、象征性及自动绘制适应性等一般原则③选择适当的符号信息块结构④符号库的可扩充性。