矢量數(shù)據(jù)的獲取及處理

24矢量數(shù)據(jù)的獵取及處理矢量數(shù)據(jù)及其獵取地圖圖形實(shí)質(zhì)上是空間點(diǎn)集在二維平面上的投影。無(wú)論地圖圖形多么簡(jiǎn)潔，都可將其分解為點(diǎn)、線、面三種根本圖形元素，其中點(diǎn)是最根本的圖形元素。在計(jì)算機(jī)地圖制圖中，各地圖圖形元素在二維平面上的矢量數(shù)據(jù)表示為：點(diǎn)——用一對(duì)x,y坐標(biāo)表示；線——用一串有序的x,y坐標(biāo)對(duì)表示；面——用一串有序的但首尾坐標(biāo)一樣的x,y坐標(biāo)對(duì)表示其輪廓范圍。地圖數(shù)據(jù)與其他大多數(shù)由計(jì)算機(jī)處理的科學(xué)數(shù)據(jù)是極其不同的。地圖數(shù)據(jù)量大，這是第一個(gè)特點(diǎn)，例如一幅典型的比例尺為l：25000的地形圖，大約需要l～3百萬(wàn)對(duì)坐標(biāo)，才能使獲得的數(shù)字地圖的幾何精度到達(dá)確定的要求。其次個(gè)特點(diǎn)是地圖數(shù)據(jù)具有定位、定性和時(shí)間的特性。大局部地圖數(shù)據(jù)都是反映制圖現(xiàn)象的地理分布，故具有定位的性質(zhì)，也稱這類地圖數(shù)據(jù)為空間數(shù)據(jù)〔或幾何數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)可反映點(diǎn)、線和面狀物體的定位特性。還有一局部地圖數(shù)據(jù)是用來(lái)描述制圖現(xiàn)象的質(zhì)量和數(shù)量特征，如哪是河流，哪是道路，哪是居民點(diǎn)以及它們的名稱和其他有關(guān)的特征描述等，這類數(shù)據(jù)通常稱之為屬性數(shù)據(jù)。任何地圖數(shù)據(jù)都有時(shí)間性，即現(xiàn)勢(shì)性，這是顯而易見(jiàn)的。地圖數(shù)據(jù)的來(lái)源是多方面的，來(lái)源不同，獵取的方法亦各異。幾何數(shù)據(jù)的獵取幾何數(shù)據(jù)是依據(jù)給定各要素相對(duì)位置或確定位置的坐標(biāo)來(lái)描述的。其獵取的方法主要有：由外業(yè)測(cè)量獲得數(shù)字測(cè)圖。由柵格形式的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得柵格數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星測(cè)地、掃描數(shù)字化儀掃描、航攝像片等?？梢杂么祟悢?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)。對(duì)現(xiàn)有地圖跟蹤數(shù)字化獲得將現(xiàn)有的地圖圖形離散化為數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)的獵取特征碼地圖要素是依據(jù)各自的位置和屬性說(shuō)明進(jìn)展編碼的，僅有描述空間位置的幾何數(shù)據(jù)是不夠的，還必需有描述它們的屬性說(shuō)明。其中用來(lái)描述要素類別、級(jí)別等分類特征和其他質(zhì)量特征的數(shù)字編碼叫特征碼，它是地圖要素屬性數(shù)據(jù)的主要局部。其作用是反映地圖要素的分類分級(jí)系統(tǒng)，同時(shí)也便于按特定的內(nèi)容提取、合并和更，因此特征碼表的編制應(yīng)依據(jù)原圖內(nèi)容和編圖的要求設(shè)計(jì)。一般地，對(duì)地圖要素進(jìn)展分類編碼時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①科學(xué)性和系統(tǒng)性，即以適合計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用和治理為目標(biāo)，按國(guó)土根底信息的屬性或特征進(jìn)展嚴(yán)格的科學(xué)分類，形成系統(tǒng)的分類體系；②相對(duì)穩(wěn)定性，即分類體系以各種地圖要素最穩(wěn)定的屬性或特征為根底，能在較長(zhǎng)時(shí)間里不發(fā)生重大變更；③不受地圖比例尺的限制，即同一地圖要素在不同比例尺的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中有全都的分類代碼，雖然分類不愿定與多種比例尺地形圖—一對(duì)應(yīng)，但分類碼要掩蓋各種比例尺的地圖符號(hào)，即每類地圖符號(hào)都應(yīng)具有相應(yīng)的代碼；4.1特征碼制圖要素名稱6境地61000行政區(qū)劃界61010國(guó)界61011界樁、界碑61012同號(hào)雙立的界碑61013同號(hào)三立的界樁、界碑61020未定國(guó)界61030省、自治區(qū)、直轄市界61031界樁、界標(biāo)61040自治州、地區(qū)、盟、地級(jí)市界61050縣、自治區(qū)、旗、縣級(jí)市界61060鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)、林場(chǎng)、牧場(chǎng)界62023其它界限62023特別地區(qū)界62023自然保護(hù)區(qū)界7地形與土質(zhì)71000等高線71010實(shí)測(cè)等高線71020草繪等高線72023高程72023高程點(diǎn)72023特別高程點(diǎn)72023最大洪水位高程點(diǎn)72023最大潮位高程點(diǎn)72023溢洪道口底面高程點(diǎn)72024壩頂高程點(diǎn)72025堤頂高程點(diǎn)72026井口高程點(diǎn)72027水位點(diǎn)72028橋面高程點(diǎn)72030比高73000冰川地貌73010粒雪原73011雪崩錐④完整性和可擴(kuò)大性，即要素的分類既要反映其屬性，又要反映其相互聯(lián)系，具有完整性；代碼構(gòu)造應(yīng)留有適當(dāng)?shù)目蓴U(kuò)大的余地，具有可擴(kuò)大性；⑤與國(guó)家已公布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)全都，即直接引用或參照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)；⑥適用性，即特征碼〔或?qū)傩跃幋a〕盡可能地簡(jiǎn)短和便于記憶。依據(jù)上述原則，以國(guó)土根底信息為例，其編碼可分為大類，并依次再分為小類、一級(jí)和二級(jí)。分6＊＊*＊＊＊大小一二識(shí)類類級(jí)級(jí)別碼碼代代碼碼碼地圖要素分類編碼舉例見(jiàn)表4.1。特征碼的輸入用健盤輸入，特征碼同幾何數(shù)據(jù)一起存入地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。事先設(shè)置好清單，在獵取幾何數(shù)據(jù)時(shí)，選擇特征碼。在GIS數(shù)據(jù)處理輸出等操作，以完成地圖制作過(guò)程中的幾何改正、比例尺和投影變換、要素的制圖綜合、數(shù)據(jù)的符號(hào)化等。矢量數(shù)據(jù)的根本操作另外，也可將這兩種方式結(jié)合起來(lái)進(jìn)展。矢量數(shù)據(jù)處理過(guò)程可分解為八種根本運(yùn)算操作，即存取、插人、刪除、搜尋、分類、復(fù)制、歸并和分隔。存取，又叫訪問(wèn)，是指與內(nèi)存打交道〔如讀／寫〕的操作。它是圖形顯示、統(tǒng)計(jì)分析，或更簡(jiǎn)潔的分析和制圖的根底。從地圖制圖的角度來(lái)考慮，插人和刪除主要是在編輯過(guò)程中用來(lái)修改和更地圖內(nèi)容。搜尋在計(jì)算機(jī)地圖制圖作業(yè)執(zhí)行過(guò)程中顯得特別重要，例如在全要素地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中查找道路數(shù)據(jù)或某一級(jí)道路數(shù)據(jù)。分類是重組織內(nèi)存中的點(diǎn)集或較大的地理實(shí)體，使之便于處理和標(biāo)出對(duì)地圖用戶具有特定意義的某些分布的分級(jí)排列。復(fù)制使得數(shù)據(jù)能被傳輸而使它更有價(jià)值。歸并能把低層次的數(shù)據(jù)集合到有用的地區(qū)或國(guó)家這些高級(jí)的范疇上來(lái)。分隔則可以獲得較小的數(shù)據(jù)集〔例如開窗以便對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)展更具體或更直觀的處理。數(shù)據(jù)編輯數(shù)據(jù)編輯又叫數(shù)字化編輯，它是指對(duì)地圖資料數(shù)字化后的數(shù)據(jù)進(jìn)展編輯加工，其主要目的是在改正數(shù)據(jù)過(guò)失的同時(shí)，相應(yīng)地改正數(shù)字化資料的圖形。一般地，數(shù)據(jù)編輯工作分兩步進(jìn)展。第一，顯示數(shù)據(jù)，即在顯示屏上顯示或校核繪圖顯示，以便用目視的方法或與數(shù)字化原圖套合比較的方法進(jìn)展檢查，找出數(shù)字化資料的過(guò)失，顯示其出錯(cuò)位置。其次，數(shù)字化定位和編輯修改。編輯命令根本上只有兩種指令類型：刪除數(shù)據(jù)和增加數(shù)據(jù)。常用到的兩種根本指令的組合或其中之一。數(shù)據(jù)的預(yù)處理數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要內(nèi)容包括幾何改正、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)匹配。幾何改正數(shù)據(jù)編輯處理一般只能消退或削減在數(shù)字化過(guò)程中因操作產(chǎn)生的局部誤差或明顯過(guò)失，但因圖紙變形和數(shù)字化過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，則必需經(jīng)過(guò)幾何改正才能消退。二次變換和高次變換這兩種變換是實(shí)施地圖內(nèi)容轉(zhuǎn)換的多項(xiàng)式擬合方法，它由以下多項(xiàng)式表達(dá)：xf

x,yaxaya x2a xya

y2A1 1 2 11 12 22yf2

bxb1

yb11

x2b12

xyb y2B22x,yx’,y’為變換后坐標(biāo)；系數(shù)a、b是函數(shù)f1,f2AB以上高次項(xiàng)之和。上式是高次曲線方程，符合此方程的變換稱為高次變換。假設(shè)不考慮A和B，則上式為二次曲線方程：xf

x,ya

xa

ya

xya y2111yf

x,yb

2xb

11x2

12 22b xyb y21 1 2 11 12 22符合上列二次曲線方程的變換為二次變換。這兩種變換的實(shí)質(zhì)是：制圖資料上的直線經(jīng)變換后可能為二次曲線或高次曲線，它適用于原圖有非線性變形的狀況。5對(duì)未知數(shù)，理論上只要知道數(shù)字化原圖上5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)及其相應(yīng)的理論值，便可能算出系數(shù)a和b，從而建立起變換方程，完成幾何改正的任務(wù)，即對(duì)數(shù)字化的地圖的全部幾何數(shù)據(jù)進(jìn)展改正。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可取多于5個(gè)點(diǎn)及其理論值，并用最小二乘法求解，以提高解算系數(shù)的精度。所選點(diǎn)的分布應(yīng)能把握全圖?！?〕一次變換同素變換和仿射交換均為一次變換。同素變換是一種較簡(jiǎn)潔的一次變換形式，其函數(shù)式為 axayax1 2 3cxcyc 1xb2y 其主要性質(zhì)有：

y 1c1

2xc2

3yc3①直線變換后仍為直線，但同一線段上長(zhǎng)度比不是常數(shù)；②平行線變換后為直線束；③同一線束中任一割線的穿插比在變換前后保持不變；④通過(guò)同一割線上相應(yīng)各點(diǎn)的線束的穿插比在變換前后也保持不變。仿射變換是一種比較簡(jiǎn)潔的一次變換，其表達(dá)式為xa1yb

xa2xb

ya3yb1 2 3式中334個(gè)以上對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)和最小二乘方法求解變換系數(shù)，以提高變換精度。仿射交換的特點(diǎn)是：①直線變換后仍為直線；②平行線變換后仍為平行線，并保持簡(jiǎn)潔的長(zhǎng)度比；③不同方向上的長(zhǎng)度比發(fā)生變化。數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮是把大量的原始數(shù)據(jù)或由存貯器取出來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的、有條理的、精煉而簡(jiǎn)潔的信息的過(guò)程，又稱數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化或數(shù)據(jù)綜合。目的是刪除冗余數(shù)據(jù)，削減數(shù)據(jù)的存貯量，節(jié)約存貯空間，加快后繼處理速度。間隔取點(diǎn)法k4.1。值值臨界＇＇由上到下隔一點(diǎn)取一點(diǎn)由下到上依次按距離臨界值選取4.1垂距法和偏角法這兩種方法是按垂距或偏角的限差選取符合或超過(guò)限差的點(diǎn)，其過(guò)程見(jiàn)圖4.2。道格拉斯-普克法該方法試圖保持曲線走向和允許制圖人員規(guī)定合理的限差，其執(zhí)行過(guò)程見(jiàn)圖4.3。步驟為：①首未相連；②計(jì)算中間各點(diǎn)到直線的距離；③刪去距離小于臨界值的點(diǎn)；④在留下的點(diǎn)中，選擇距離最大的點(diǎn)，將曲線分成兩段；⑤重復(fù)①～④，依次類推。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化從事地圖數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用的部門日益增多,為了協(xié)調(diào)數(shù)字化地圖的生產(chǎn)和提高數(shù)據(jù)的共享程度,地圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的工作引起了很多國(guó)家的重視,是國(guó)際地圖制圖協(xié)會(huì)的重要爭(zhēng)論方向之一。定義標(biāo)準(zhǔn)該局部試用零維、一維和二維數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地、廣泛地定義一組根本的、單一的制圖目標(biāo)，它們是：?jiǎn)渭兊膸缀文繕?biāo)；幾何和拓?fù)淠繕?biāo)；單純的拓?fù)淠繕?biāo)，并以此來(lái)建立地圖要素的數(shù)字表示法。規(guī)定了本標(biāo)準(zhǔn)中使用的主要概念性術(shù)語(yǔ)：要素、實(shí)體和目標(biāo)。要素是指一個(gè)確定的實(shí)體及其目標(biāo)的表示；實(shí)體是描述地球上一種不能再細(xì)分的真實(shí)的現(xiàn)象；目標(biāo)是一個(gè)實(shí)體的全部或局部的數(shù)據(jù)表示。臨界值4.2臨界值4.3空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)制定該標(biāo)準(zhǔn)的目的是便利空間數(shù)據(jù)從一個(gè)空間數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向另一個(gè)空間數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，而與它們使用的計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)。內(nèi)容包括各種轉(zhuǎn)換模塊；每個(gè)模塊包含一組模塊記錄；每個(gè)模塊記錄包括假設(shè)干個(gè)數(shù)據(jù)字段，它們按信息的目的和功能分組；數(shù)據(jù)字段包含要轉(zhuǎn)換的信息。這些模塊可完成矢量轉(zhuǎn)換、關(guān)系轉(zhuǎn)換和柵格轉(zhuǎn)換等。數(shù)字制圖數(shù)據(jù)質(zhì)量把握標(biāo)準(zhǔn)每幅數(shù)字地圖都必需有一份質(zhì)量報(bào)告，其內(nèi)容包括數(shù)據(jù)狀況略圖、位置精度、屬性精度、規(guī)律全都性和完整性等五個(gè)局部。制圖要素標(biāo)準(zhǔn)這一部包括說(shuō)明制圖要素的概念模型和一份實(shí)體及屬性定義表。概念模型定義了三個(gè)概念和兩個(gè)關(guān)心項(xiàng)，它們是實(shí)體、屬性、屬性值、標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)和內(nèi)含項(xiàng)。數(shù)據(jù)匹配數(shù)據(jù)匹配是實(shí)現(xiàn)誤差訂正的又一種方法，是數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要方面。頂點(diǎn)匹配在數(shù)字化多邊形地圖和其它網(wǎng)構(gòu)造圖形時(shí)，同一點(diǎn)〔如幾個(gè)多邊形的公共頂點(diǎn)〕可能被數(shù)字化好幾次，即使在數(shù)字化時(shí)很認(rèn)真，但由于儀器本身的精度和操作上的問(wèn)題，都不能保證幾次數(shù)字化都獲配該方法是用匹配程序?qū)Χ噙呅挝募M(jìn)展處理，即讓程序按規(guī)定搜尋位于確定范圍內(nèi)的點(diǎn)，求其坐標(biāo)的平均值，并以這個(gè)平均值取代原來(lái)點(diǎn)的坐標(biāo)。經(jīng)處理后，在多邊形生成時(shí)假設(shè)再覺(jué)察少數(shù)頂點(diǎn)不匹配，經(jīng)查明緣由后可輔以交互編輯的方法處理。數(shù)字接邊在數(shù)字化地圖時(shí)，一般是一幅一幅地進(jìn)展，假設(shè)受數(shù)字化儀幅面的限制，有時(shí)一幅圖還需分塊進(jìn)展，見(jiàn)圖4.1。由于紙張的伸縮或操作誤差，相鄰圖幅公共圖廓線〔或分塊線〕兩側(cè)本應(yīng)相互連接的地圖要素會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，這是不行避開的，見(jiàn)圖4.4〔。因此在拼幅或合幅時(shí)均須對(duì)這些分幅數(shù)字地圖在公共邊上進(jìn)展一樣地圖要素的匹配，這就是數(shù)字接邊，接邊后的結(jié)果如圖4.4〔3〕所示。數(shù)字接邊在數(shù)字地圖更時(shí)也是格外重要的，尤其是在局部區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)需全部更時(shí)，舊資料拼接線上的要素必需作接邊處理。除了上述的兩種數(shù)據(jù)匹配外，屬性數(shù)據(jù)與幾何數(shù)據(jù)的匹配、幾何圖形校正〔如矩形圖形的四個(gè)角不全為直角〕和齊邊改正〔如線段端點(diǎn)與圖邊、水涯線等的正確接合〕等的數(shù)據(jù)處理均屬數(shù)據(jù)匹配。開窗顯示

4.4人們期望利用指定的有效空間或存貯介質(zhì)，對(duì)某個(gè)局部范圍進(jìn)展圖形數(shù)據(jù)的顯示或轉(zhuǎn)貯時(shí)，往往都要使用開窗技術(shù)。例如在圖形終端顯示器上對(duì)局部圖形進(jìn)展放大顯示，或當(dāng)繪圖機(jī)工作面積小于全圖幅面而需分幅繪制時(shí)，都可用開窗的方式解決。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)采集量的增加．?dāng)?shù)據(jù)容量的不斷擴(kuò)大，以及圖形顯示手段的日益豐富，開窗技術(shù)越來(lái)越受到重視。4.5〔1〕所示；負(fù)開窗就是選取整個(gè)圖形數(shù)據(jù)在窗口外的子集合，如圖4.5〔2〕所示。在通常狀況下，正開窗用途更大一些。窗口的外形通常為矩形，也可以是任意多邊形，這依據(jù)用戶的需要確定。窗口輪廓點(diǎn)坐標(biāo)可由鍵盤輸入，也可將全圖顯示在熒光屏上用光標(biāo)確定。假設(shè)窗口為矩形，只要輸入或標(biāo)定左下角和右上角的坐標(biāo)即可。原圖原圖正開窗負(fù)開窗4.5在窗口確定以后，還要考慮如何切掉窗口以外〔對(duì)正開窗〕或以內(nèi)〔對(duì)負(fù)開窗〕的線條，從而只顯示窗口以內(nèi)或以外的內(nèi)容。點(diǎn)的剪輯窗口左下角〔Xmin,Ymin〕和右上角〔Xmax,Ymax〕的坐標(biāo)，明顯，對(duì)任意一點(diǎn)〔Xp,Yp〕只要下式成立，pXmin<Xp<Xmax且Ymin<Yp<Ymax線狀要素的剪輯線狀要素是由有序線段組成的折線來(lái)靠近的，因此，對(duì)線狀要素的剪輯只要爭(zhēng)論線段的剪輯就可以了。線段的每個(gè)端點(diǎn)由以下四個(gè)條件來(lái)評(píng)定：①點(diǎn)在窗口上邊線之上；②點(diǎn)在窗口下邊線之下；③點(diǎn)在窗口右邊線之右；④點(diǎn)在窗口左邊線之左。要唯一地確定一條線段的兩個(gè)端點(diǎn)與矩形窗口的位置關(guān)系，可以承受確定的編碼方法。四比特串編碼法。第一位記，否則為；假設(shè)“點(diǎn)在窗口下邊線之下，否則為0；假設(shè)“點(diǎn)在窗口右邊線1，否則為0；假設(shè)“點(diǎn)在窗口左邊線之左1，否則為0。四比特串編碼4.6。推斷線段的兩個(gè)端點(diǎn)，①都在0000內(nèi)，顯示該線段；②有一位置編碼一樣，剔除；③其它狀況推斷有無(wú)交點(diǎn)，求交點(diǎn)。100110001010000100000010010101004.60110參數(shù)編碼法。假設(shè)線段兩端點(diǎn)坐標(biāo)為X1,Y〕和X2,Y，它們分別有參數(shù)IX1,IY〕和IX2,IY。參數(shù)IX1、IX2的定義為X1X21、0、-1；參數(shù)IY1、IY2Y1Y21、0、-1。推斷線段的兩個(gè)端點(diǎn)，①IX1＝IX2＝IY1＝IY2＝0，顯示該線段；②IX1＝IX2≠0或IY1＝IY2≠0，剔除；③其它狀況推斷有無(wú)交點(diǎn)，求交點(diǎn)。在這兩種編碼方法中，都涉及交點(diǎn)的計(jì)算問(wèn)題。假設(shè)線段的直線方程為：y=kx+b。①將XminY1=kXmin+，假設(shè)Ymi≤Y≤Yma，得交點(diǎn)Xmi，Y，否則，無(wú)交點(diǎn)；②將XmaxY2=kXmax+，假設(shè)Ymi≤Y≤Yma，得交點(diǎn)Xma，Y，否則，無(wú)交點(diǎn)；Ymin代入，