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1、实验三 地图矢量化1. 实验目的与要求1.1 实验目的（1） 了解空间数据数字化的有关方法，复习课堂有关地图矢量化的理论知识。（2） 掌握地图数字化这种最基本的数据采集方法，掌握地图扫描矢量化的基本原理,方法和步骤,熟悉地图的绘图和编辑工作。1.2 实验要求根据所学知识方法和步骤对地图进行屏幕跟踪矢量化。2. 地图矢量化的基础知识地理信息系统的基本功能之一就是数据采集,数据采集也是一个完整的GIS应具备的基本功能。地理数据分为空间数据与属性数据两部分，数据采集也分为空间数据采集和属性数据采集。空间数据的采集方法很多，根据数据的来源可分为地图数字化，遥感数据获取和以GPS为数据源的数据采集等。其
2、中，地图数字化是最基本的数据采集方法，它是指把传统的纸质或者其他材料上的地图（模拟信号）转换为计算机可识别的图形数据（数字信号）的过程，以便进一步在计算机进行存贮，分析和输出。2.1地图投影与坐标转换在地图数字化时,首先要选择合适的地图投影和建立适当的坐标系。没有合适的投影或坐标系的空间数据不是一个好的空间数据，甚至是没有意义的空间数据，它不含地理意义。2.1.1投影与坐标系当把地球上的物体按地理位置转绘到平面上时，必然会产生变形，投影是用于减少这种变形的一种方法。地图投影的实质是建立地球球面上的点与平面上的点的对应关系。所有的投影都会引起某种变形，采用哪种投影取决于实际应用的需要。每一种投影
3、都与一个坐标系相联系。对于那些大比例尺地图(如1：2 000或更大)，由于不含投影变换，我们称为非地球地图(Non-earth map)。非地球地图虽然没有投影变形，但却有自己的坐标系统，有自己的参考系和量算单位。2.1.2坐标变换与最小二乘法GIS中间数据的采集、处理和输出等过程中都进行着空间坐标变换。空间坐标变换是指将地理实体在一个坐标系中的坐标(x，y)通过某种对应法则，转换成另一个坐标系中的坐标(x，y)的过程。解算这种对应法则有两种方法：一种是解析法，这是在知道投影公式或坐标变换公式的情况下，直接利用变换公式进行解算。GIS中图形的缩放、平移、旋转及三维变换等操作都使用这种变换；另一
4、种是数值变换法，这种方法主要用于地图的数字化。最小二乘法是最为常用的数值变换的方法。地图数字化时，数字化跟踪头(定位器)采集的地图上点的坐标是数字化仪平面坐标，这种坐标定义取决于数字化仪的精度和配置。同时，由于这些点还省其实际地理坐标意义，因而在数字化过程中，还需要将地图上点的数字化仪平面坐标转换为这点的实际地理坐标。利用最小二乘法进行坐标变换的基本思想是，先用一组线性多项式拟合坐标变换公式，在地图上选取若干控制点，获取控制点的数字化仪坐标和实际地理坐标，然后利用这组坐标值，根据最小二乘法原理解算出多项式的系数。这样在地图数字化过程中，就可以利用这组多项式解算出地图上任意点的实际地理坐标。2.
5、1.3坐标变换的地理意义数值变换公式的求解依赖于控制点的选取及输入的相应坐标值的精度。在地图数字化过程中通过选取控制点建立空间坐标的数值变换公式有其重要意义：(1) 实现地图的数学法则。(2) 实现由设备坐标到现实世界坐标的转换。(3) 控制数据采集的精度。(4) 实现多图幅拼接或不同比例尺间地图的匹配。2.2数字化的方法与步骤地图数字化所采用的具体方法受设备条件、人力条件和数字化内容的影响。以前受GIS软硬件的限制，主要采用手工键盘录入地图数据的方式。手工键盘录入数据分为矢量和栅格两种，而以栅格为主要方式。后来用数字化仪和扫描仪获取地图数据的方式逐渐普及起来，大大提高了数字化的精度和速度。数
6、字化仪直接以矢量形式获取地图坐标数据，绝大多数GIS和图形处理软件都带有利用数字化仪进行数字化的模块，而GIS的系统设计者亦可以自己编写数字化接口程序：扫描矢量化是目前较为流行的数字化方法，这种方法是先用扫描仪将地图扫描为栅格图像，然后对栅格图像进行屏幕跟踪矢量化。屏幕跟踪矢量化不受数字化设备的限制，可以同时大批量进行数字化工作。不同的地图数字化方法，其数字化的具体技术方法也稍有不向，但其基本步骤大致可归纳为确定数字化路线、准备数字化地图、设置好数字化仪、确定投影方式和坐标系、利用数字化软件进行数字化等内容。3实验组织每组1人，个人独立完成。4. 实验学时课内4学时。5. 仪器及用具地图集、册
7、或遥感影像，扫描仪，台式机（安装了ArcGIS9.0或其以上版本）。6. 实验步骤提要先用扫描仪将地图扫描成栅格图像，然后以栅格图像为背景，手工或利用自动跟踪软件进行屏幕数字化是的目前较为普遍的一种地图数字化方法。许多GIS和图形软件都有对栅格图像的自动矢量化功能。这里仅以ArcGIS为例，说明对栅格图像在屏幕上进行手工矢量化的基本步骤。6.1 确定数字化的路线在数字化之前一定要设计好数字化所采用的技术路线，这直接关系到地图数字化的效率。确定数字化路线包括采取什么样的方式进行数字化，数字化精度要求如何、选取什么样的地图作为数字化底图、对哪些要素进行数字化，以及如何对数字化要素进行分层和分幅数字
8、化等。(1)选择底图：数字化底图的选取是进行空间数据采集前的首要工作，底图的选取主要考虑两方面的内容即底图的精度和要素的繁简。(2)地图分层与分幅：在进行地图数字化前，必须确定对哪些要素数字化，并对这些要素进行分层并确定层名。 6.2 地图预处理数字化前还需要对数字化底图进行适当处理，地图预处理主要包括以下几方面内容：1) 减小图纸变形的影响：对于纸张不是很好的纸质地图，需要将其复印到聚脂薄膜上，以减小数字化过程中团图纸变形而产生的误差。2) 透边处理：即将与地图内图框相交的线划要素向图框外延伸510mm，这样做的目的主要是为了以后便于多幅图的拼接(拼接前还需进行切边处理)。3) 线划要素的分
9、段：对于地图上的封闭曲线或较长的线状要素应将共进行分段。4) 选取控制点：对于非国家标准分幅地图，还应打上方格网，以利于控制点坐标数据的精确量取。控制点的选取应不少于4个，标准分幅地图在内图框四角上有本幅图的四个控制点，并相应地标有实际地理坐标，图面往往还有大地测量控制点可供选择。当没有现成的可供选择的控制点或需要增加控制点时，控制点的选取原则是尽可能选取点状要素或线状要素(如河流、道路等)的交点，并在图面上大致均匀分布，这样有利于提高数字化精度。具体的选取参见6.6节6.3 设置好数字化设备数字化仪是一种读取图形坐标数据的设备，用数字化仪采集空间数据是GIS最常用的数据采集方式。广义的数字化
10、仪包括矢量数字化仪和扫描仪，这里不作细致讨论。6.4 扫描图像选择要数字化的地图，识别该图的投影和坐标系统，在图中选取至少4个控制点并获取控制点的实际地理坐标，然后将地图扫描成栅格图像格式保存。如果没有现成的坐标系统，也可以建立自己的坐标系统并读取相应的控制点的坐标。6.5 栅格图像配准(加载数据和影像配准工具)所有图件扫描后都必须经过扫描配准，对扫描后的栅格图进行检查，以确保矢量化工作顺利进行。l 打开ArcMap，添加“影像配准”工具栏。l 把需要进行配准的影像增加到ArcMap中，会发现“影像配准”工具栏中的工具被激活。6.6 输入控制点在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标。通过读图，我
11、们可以得到一些控件点公里网格的交点，我们可以从图中均匀的取几个点。一般在实际中，这些点应该能够均匀分布。l 在”影像配准”工具栏上，点击“添加控制点”按钮。l 使用该工具在扫描图上精确到找一个控制点点击，然后鼠标右击输入该点实际的坐标位置，如下图所示：l 用相同的方法，在影像上增加多个控制点（大于7个），输入它们的实际坐标。点击“影像配准”工具栏上的“查看链接表”按钮。l 注意：在连接表对话框中点击“保存”按钮，可以将当前的控制点保存为磁盘上的文件，以备使用。检查控制点的残差和RMS，删除残差特别大的控制点并重新选取控制点。转换方式设定为“二次多项式”6.7 设定数据框的属性l 增加所有控制点
12、，并检查均方差（RMS）后，在”影像配准”菜单下，点击“更新显示”。执行菜单命令“视图”“数据框属性”，设定数据框属性在“常规”选项页中，将地图显示单位设置为“米”在“坐标系统”选项页中，设定数据框的坐标系统为“Xian_1980_Degree_GK_CM_102E”（西安80投影坐标系，3度分带，东经102度中央经线），与扫描地图的坐标系一致l 更新后，就变成真实的坐标。6.8 矫正并重采样栅格生成新的栅格文件l 在”影像配准”菜单下，点击“矫正”，对配准的影像根据设定的变换公式重新采样，另存为一个新的影像文件。l 加载重新采样后得到的栅格文件，并将原始的栅格文件从数据框中删除。后面我们的数
13、字化工作是对这个配准和重新采样后的影像进行操作的。通过上面的操作我们的数据已经完成了配准工作，下面我们将使用这些配准后的影像进行分层矢量化。6.9 分层矢量化在ArcCatlog中创建一个线要素图层该数据采用的是西安80坐标系统、3度分带(1) 打开ArcCatalog.在指定目录下，鼠标右击，在“新建”中，选择“个人 Geodatabase”。并修改该Geodatabase数据库的名称（例如test3.mdb）。(2) 下面将为该Geodatbase创建新的要素类，首先创建一个“等高线”要素类来存储等高线要素。在ArcCatalog中，鼠标右击test3这个个人 Geodatabase,在“
14、新建”中选择“要素类”.(3) 输入创建的要素类的名称“等高线”，点击下一步。(4) 点击下一步。下面将是我们创建新的要素类的关键，为我们的数据定义坐标系统，空间范围，存储要素类型。以及可以在这增加属性字段。(5) 点击Shape字段。在对话框中将显示详细的选项，我们首先点击“几何类型”，并将要素类型选择为我们需要的类型（我们现在要创建等高线这个要素类，所以应该选择线）.(6) 点击“空间参考”选项后面的按钮，在“空间参考属性”对话框中的“坐标系”选项页下，将选择合适的坐标系统，点击“选择”按钮。在(Projected Coordinate Systems目录下，选择Gauss Kruger-
15、Xian 1980- Xian_1980_Degree_GK_CM_102E.prj)。点击增加，现在这些坐标系统信息应该如下图所示：(7) 再点击“X/Y 域”选项页，在该选项页下为我们的数据定义存储的空间范围。该空间范围需要认真考虑，不仅要考虑你当前的纸制地图的空间范围，还要考虑到将来工作中还会出现的最大的空间范围。为确定这个区域XY（最小值），XY(最大值)，可以切换到ArcMap中，点击“绘制”工具栏上的“矩形框”按钮，在地图显示区中画一个矩形，使区在更大范围内包含已配准的栅格地图。右键选中这个矩形框，设置“属性”，将填充色设置为“无”，可得到如下的效果：在矩形框属性的“大小和位置”选项页中，可获取矩形框左下角和右上角的坐标（X,Y）,将这里获取的X,Y值分别填入到上面“空间参考属性”对话框的“X/Y域”选项页 “最小X”、“最小Y”、“最大X”、“最大Y”输入框中通过上面的操作我们为创建的要素类定义了正确的坐标系统和空间范围。(8) 下面我们将为该数据创建新的属性字段。“高程”，类型设置为“Float”用来存储等高线的高程值。(9) 点击完成这样，我们就创建了一个线状的要素类。6.10 从已配准的地图上提取等高线并保存到上面创建的要素类中(1) 切换到ArcMap中， 将新建的线要素图层，加载到包含已配准地形图的数据框中，保
