利用地理信息化采集系统进行原有地形图数字化的方法与误差控制

前言

地理信息化采集系统是面向地理信息系统 (GIS) , 以Au To CAD为平台开发的信息化采集系统。目前, 国内测绘界使用的地理信息化采集系统种类较多, 比较常见的有开思、测威、宾得等。这些地理信息化采集系统在国内测绘行业的广泛应用对提高测绘效率、成图精度、实现地图信息化管理起了重大作用。

地理信息系统基础数据的采集和输入是一项十分重要的基础性工作, 是建立地理信息系统不可缺少的关键部分。为充分利用已有测绘成果, 实现原有地形图的数字化管理, 我们在实际工作中经常需要对原有地形图进行矢量化、数字化处理。

原有地形图矢量化一般有2种办法: (1) 手扶跟踪矢量化; (2) 扫描矢量化。

这两种办法, 只可以实现原有图纸的二维矢量化等高线地图。没有实现可以直接使用的三维数字 (即赋有属性的电子数据) 地形图, 也不能建立GIS明码交换文件。

本文所提出是利用国内现有的地理信息化采集系统进行原有地形图数字化从而重新建立三维地形数据源的方法, 该方法采用建立DTM的方法对等高线地形图进行数字化, 提取地图的高程信息, 形成可以直接使用的三维地形的数字高程模型 (DEM) 数据。其主要过程是:

(1) 对需要进行数字化处理的底图的预处理

(1) 对折叠或其它原因导致的褶皱进行熨平处理;

(2) 对各种原因引起的图纸不清晰部分进行填明处理;

(3) 对各坐标线的尺寸进行校正, 对变形严重的可以对原有图纸进行裁剪、重新粘贴。

(2) 使用扫描仪将地形图扫描成光栅格式文件 (例如*.tif文件) 。

(3) 启动地理信息化采集系统

主要完成新建工程、加入绘图环境、设定绘图比例尺等操作。

(4) 输入理论图框和原有图纸控制点坐标、经纬网 (方格网) 交叉点坐标等, 并将其作为图像配准的依据。

理论图廓坐标、经纬网 (方格网) 交叉点坐标信息可以直接从原有地形图上读取, 原有图纸控制点坐标可以从原始测量成果表中提取。

(5) 图像引入

将扫描成光栅格式的文件导入新建图纸并拖动图像到恰当位置。

(6) 使图像透明

选择使图像透明工具并选择图像后回车, 图像即变成透明。

(7) 图像配准

因为扫描栅格图不具备空间参考信息, 所以在数字化之前, 需要先对栅格图进行配准。

具体办法是通过拉伸、旋转等操作将图像配准到理论图框的位置。连接的方向是从不准确的点 (即栅格图上经纬框或方格网框的角点) 拉向准确的点 (即建立的理论图廓坐标、经纬网、方格网交叉点) , 这样就可以将栅格图拉伸到新的空间位置。

(8) 保存配准信息

(1) 将配准的结果保存在原图上;

(2) 将配准的结果“另存为”备份。

(9) 数据采集

(1) 采集高程点:手工输入高程点并展到图上;

(2) 利用代码绘制地物;

(3) 建立DTM (数字地面高程模型) ;

(4) 绘制等高线;

(5) 手工勾绘等高线 (在系统无法准确反映地形起伏的局部地区采用) ;

(6) 标注等高线;

(7) 图幅整饰;

(8) 图形存盘。

(10) 图形输出

(1) 打印绘图输出;

(2) 输出数字化图;

(3) 输出GIS交换文件:

a.提取碎部点、控制点信息;

b.获取控制点信息;

c.获取图上等高线信息;

d.获取图上地物信息生成GIS明码交换文件。

在以上过程中不可避免的会产生各种误差, 以下是根据笔者多年的工作经验、结合国内目前比较常用的扫描工具及信息化采集系统对原有地形图数字化的过程中产生的主要误差进行分析并提出相应的对策措施。

1 对数字化底图的预处理与误差控制

1.1 原有地形图数据信息载体介质不同产生的源误差

(1) 纸质地形图变形产生误差的主要原因

在使用和保存过程中产生褶皱、折叠及未在合适的温度、湿度环境下保管。变形产生的误差约1~3mm。

(2) 聚脂薄膜质地形图产生变形的主要原因

在使用和保存过程中产生褶皱, 此外温度对薄膜形状也会产生一定影响, 其变形误差一般≤0.2mm。

(3) 刻图薄膜产生误差的主要原因

刻绘时因设备精度的原因而引起的误差, 它的变形误差一般≤0.15mm。

1.2 数字化底图的预处理办法

(1) 在使用和保存过程中产生褶皱、折叠的原有地形图底图, 首先将其放在平整耐温的桌面上, 然后采用电熨斗熨平;

(2) 对未在合适的温度、湿度环境下保管的地形图底图首先用高精度的铟瓦尺测量其坐标线长度测量值处理, 然后根据其变形值的大小进行处理。一般情况下, 对实测值大于理论值的原图采取放在专用恒温箱中进行加热处理, 温度应控制在40°C左右;对实测值小于理论值采取均匀喷雾增加湿度的办法进行处理。对于小比例尺原图经过以上处理后, 坐标格长度的误差应控制在0.1mm以内。内图廓边长和对角线长度误差控制在0.1~0.2mm, 对于大比例尺原图经过以上处理后, 坐标格长度的误差应控制在0.1mm以内。内图廓边长和对角线长度误差控制在0.1~0.3mm。

2 地图扫描产生的误差与控制

2.1 地图扫描形成的误差

(1) 扫描仪本身精度不够引起的误差;

(2) 扫描过程中设置的扫描精度不够产生的误差;

(3) 扫描过程中光栅图像变形而产生误差;

(4) 在扫描仪不够大的情况下将地图裁剪成数张扫描后拼接而产生的双重误差。

2.2 扫描形成误差的误差控制

(1) 采用分辨率较高于的扫描仪对原图进行扫描;

(2) 扫描过程中设置合适的扫描精度, 一般分辨率以每cm大于157点为宜;

(3) 利用图像镶嵌配准功能对光栅文件进行误差处理, 根据图幅和比例尺的大小选取适当数量的控制点;

(4) 地图数字化时光栅图像应该反复进行精确配准。

3 进行地图数字化时产生的误差与控制

3.1 进行地图数字化时产生的误差

(1) 手工输入高程点密度不够产生的误差;

(2) 利用代码绘制地物时未选中点位中心引起的误差;

(3) 手工勾绘等高线时节点过少、拟合方式采用不当引起的误差;

(4) 地图数字化时光栅图像没有配准就进行数字化而形成的误差。

3.2 进行地图数字化时产生的误差控制办法

(1) 输入高程点应该保证一定的密度, 一般图上20mm至少有一个高程点。在地形特征部位应该输入高程点。另外在输入高程点时应该找准等高线的线条中心。

(2) 利用代码绘制地物时, 点位应该找准。对对线状地物数字化时, 其转弯处应多加点, 使其光滑、自然。点、线在进行数字化时图像放大倍数应该控制在30~80倍。

(3) 手工勾绘等高线时节点要多, 以便进行拟合时手工勾绘的等高线能准确地与原图等高线重合。

(4) 地图数字化时一定要对光栅图像进行配准。

4 结 语

利用国内现有地理信息化采集系统通过重新建立DTM的方法对原有等高线地形图进行数字化, 提取地形图的高程、坐标、地形、地物信息, 形成可以直接使用的三维地形数字模型, 从而重新建立三维地形数据源有以下几个优点:

(1) 技术上可行。只需对常用的原有地形图失量化方法加以改进即可;

(2) 不需增加设备方面的投资;

(3) 可以充分利用原有地形图纸资料, 整合地形图纸资源;

(4) 成图精度高, 可以实现重建原有地形图纸的三维地形数据源。

缺点是程序复杂, 工作量大。

为达到成图和三维数据源的精度关键在于认真做好以下几方面工作:

(1) 对原有图纸进行认真的预处理;

(2) 做好对原图扫描产生的误差控制;

(3) 做好进行地图数字化时产生的误差控制。