计算机地图制图.docx

浅析计算机地图制图原理及应用浅析计算机地图制图原理及应用（1XXXXXX，成都 610059；）摘要：从描述计算机地图制图的概念出发，详细的阐述了计算机地图制图的特点，它是在传统地图制图基础上采用多种现代地图学理论、利用计算机图形学和新技术的应用科学。并进一步对计算机地图制图所处理的两种基本数据模型，即矢量数据和栅格数据，的特点等进行介绍以及详细论述它们各自独特的数据处理方法。到此，基本上介绍了计算机地图制图的基本原理与方法。在此基础上，对计算机地图制图与地理信息系统的结合进行了简单的阐述，对计算机地图制图的了解进一步加深。关 键 词：概念；特点；理论基础；技术基础；数据模型；处理方法；应用1 计算机地图制图的概念计算机地图制图是以地图制图原理为基础，在计算机硬、软件的支持下，应用数学逻辑方法，研究地图空间信息的获取、变换、存贮、处理、识别、分析和图形输出的理论方法和技术工艺手段。和传统地图制图相比，其制图环境发生了根本性的变化。过去制图人员面对的始终是有形的纸质地图，编图工作是在一种现实的可视（可以触摸）环境中进行的；现在制图者主要面对数据，所有制图资料变成计算机可以接受的数字形式，制图过程实际上就是对数据的编辑处理、管理维护和可视化再现的过程，数据联结各个制图环节。计算机地图制图也称为“数字制图”。但两者在涵义上，数字制图比计算机地图制图包括的范围要大些，但就其实质也有共同之处，即都是以空间数据作为处理对象。2计算机地图制图的特点(1)数字地图易于存储、复制和远程传输；(2)计算机地图制图的成图周期短，地图数据的编辑、更新、改编方便，提高和改善了地图的适应性、现势性和用户的广泛性；(3)计算机地图制图提高了地图制作与使用的精度，增大了地图信息容量；(4)计算机地图制图技术使地图投影变换和比例尺变换等过程更容易实现；(5)计算机制图技术减轻了制图人员的劳动强度，减少了主观随意性，这为地图制图进一步标准化、规范化奠定了基础；(6)计算机地图制图技术使地图品种增多，拓展了服务范围；(7)计算机地图制图技术简化了地图生产的工艺流程，地图制作者与使用者之间的界限模糊；3计算机地图制图的理论与技术基础3.1理论基础用现代地图学理论的观点研究计算机地图制图是推动计算机制图的重要基础。其基本理论有: 3.1.1地图信息传输论。 研究地图信息传递过程和方法的理论。3.1.2地图感受论。研究地图视觉感受的基本过程和特点, 分析用图者对图形感受的心理、物理因素和地图感受效果的理论。3.1.3地图符号论。研究作为地图语言的地图符号系统及其特性与使用的理论。3.1.4地图模型论。用模型来认识地图的性质, 解释地图的制作和应用的理论。3.1.5地图信息论.研究地图图形的表示、转换、传递、存贮、处理、应用等方面的技术与理论3.1.6地图认知理论。研究人类如何通过地图对客观环境进行认知和信息加工, 并弄清地图设计制作的思维过程及其描述的理论。3.1.7制图综合理论。研究地图制作概括取舍的理论与方法。3.2技术基础计算机将数据信息处理、生成和显示为图形的研究, 是计算机图形学的研究内容。其从图形数字化、建库、制图概括乃至多媒体网络制图, 需实施一系列新技术。它们包括:3.2.1计算机图形学。计算机图形学是研究如何应用计算机生成、处理和显示图形的一门新兴学科。3.2.2数据库技术。数据库中的数据，不仅包括反映事物数量的数值，还包括各种非数值的信息：文字材料、图形图像、声音等3.2.3制图综合技术。建立计算机辅助的地图综合系统, 开发相应的软件进行综合, 对重复建库和数据库更新是至关重要的。在许多应用场合，使用的数据有以下几个特点：数据量大；数据需要长期保存，反复使用；许多数据要被多个不同的用户共用。为了适应这些特点，数据必须集中起来以一定的的组织方式存放在计算机的外存贮器中，从而能以最佳方式、最少的重复，为多种应用服务。这样组织起来的数据就是数据库。数据库和数据管理系统合起来，称为数据库系统。3.2.4数字图像处理技术。数字图像是以栅格阵列的像元数值来记录图像的。数字图像处理技术包括了对图像进行抽象、表示、变换等基础方法，图像处理的有效方法还有：图像增强与恢复、图像分割、图像匹配与识别、图像信息的压缩与编码、图像的二维与三维重建等。3.2.5多媒体技术。 使得计算机不仅能够处理数字、文字等信息, 而且能够存贮和展现图片、声音、动画和活动视频图像等多媒体信息, 为用户提供各类空间实体的分布, 文字、声音、照片和活动视频图像等多媒体信息, 实现更深层次的技术支持和应用。3.2.6网络技术。以网络协议、网络操作系统等网络软件实现包括硬件、软件及信息等网络资源共享的技术。通过网络分发数字地图将改变地图的出版发行方式, 共享和普及使用地图。基于网络技术、移动通信与便携设备的结合, 则可使地图的使用摆脱时空限制。3.2.7虚拟现实技术。可为用户提供更真实、临场感更强的景像效果。虚拟现实技术不仅可以将空间现象按照人们的意愿展现出来, 更能表现人眼看不到的空间分布现象。4计算机地图制图数据模型地图数据处理中存在两种基本的数据模型，即矢量模型和格网模型。4.1矢量数据模型这个模型中,图形实体被抽象为点、线和面点可以看成是没有长度的蜕化的线面则由位于其边界上的一组闭合的线段表示。例如：瀑布、水井,可以抽象为点结构)河流、道路,则为线结构)湖泊、土地则为面结构。当然这个概念是相对于地图比例尺而言的。例如,在大比例尺地图中,水井可以看做一个面。主要包括简单矢量模式、增量模式、矢量多边形模式和矢量网络模式。4.2栅格模型研究得比较多的另一种数据模型是格网模型。研究了各种形式的规则格网,诸如正方形、六棱形、三角形等等。在地理、地图数据处理中,地理区域一般被划分为均匀的格网矩阵地理实体即由象元及其象元内的属性值来描述。一个象元即为,一个最小的地理单元。在这单元里存有对应实体的属性值,如：高程值、土地类型值、人口密度值、行政区码值等等另一种栅格数据就是从卫星或飞机上获取的像片或磁带,这种格网是由象元矩阵的象元灰度值来描述。这一类数据通常采用扫描方式来获取。栅格模型在地理、地图分析中有许多优点,其中最主要的是处理方法简单、直观。在这点上,矢量方法是不能比拟的。例如：计算区域面积,只要计算区域内象元数量就行了。这种计数方法,对计算机来说是简便的。土地利用分析中常常用到的迭加原理,格网方式也比较方便。开窗处理也是一样,如果开窗的大小,形状与象元正好相同,那就更容易了,高程的栅格数据可用来形成等高线,其原理和程序设计都不太复杂。如图1,根据格网交点的高程值逐格判断等高线在格网矩阵中的游走路线就可以形成等高线。图15计算机地图制图矢量数据处理方法数据预处理是使数据便于存储、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。5.1坐标变换5.1.1几何改正。常见的几何改正方法主要有高次变换、二次变换和放射变换等。高次和二次变换采用的是多项式拟合方法。如下：仿射变换实质上一次变换，公式：5.1.2投影变换。其实质是建立两地图平面点之间的一一对应关系，投影变换的关键就是要找出该关系式。（1）解析法。解析法就是找出两投影间坐标变换的解析计算公式，关系式如下（2）数值法。在不一求出两投影坐标之间的直接关系使，可采用多项式逼近的数值方法来建立两投影间的变换关系。以二元三次多项式为例：5.2数据压缩数据压缩是数据精炼的过程，其目的使删除冗余数据，节省空间，以利后续处理。主要处理方法有垂距法、偏角法和道格拉斯-普克法。5.3图形编辑在计算机地图制图系统中，图形编辑功能是实施几何数据及其有关的属性数据修改和更新的基础。图形编辑除在数据采集过程中用来纠正错误外，在数据处理的全过程中都起着重要的作用。图形编辑的功能与数据组织有关，必须得到地图数据库的支持，其关键是点、线、面要素的数字和定位，即如何根据光标的位置找到需要编辑的目标。5.4数据变换数据变换是数据处理的形式之一，其中几何变换中的二维图形变换是指对平面图形变换后产生新的平面图形，其主要包括平移变换、比例变换、旋转变换、错移变换等。5.5曲线光滑所谓曲线光滑，就是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。曲线光滑的数学方法主要包括：正轴抛物线加权平均法、三次参数样条曲线、Bezier曲线、三次Bezier曲线。5.6矢量符号的生成地图符号分为点状、线状和面状三类。符号空间平面内这些点的坐标及绘与不绘指令编码的有序集合称为矢量符号数据。可以是用信息块法、编程法以及将信息块法和编程法综合起来的方法生成矢量符号。5.7数字地形模型数字地形模型是一种对空间起伏变化的连续表示方法。常用来模拟表示地面地形高程的起伏，也可以模拟其它二维表面的连续变化，如气温、降水量等。数字地形模型有三种表示方法：规则格网DTM、不规则格网DTM和等值线6计算机地图制图栅格数据处理方法6.1栅格数据运算6.1.1灰度级变换.灰度级变换即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。设原栅格图像中象元(x,y)处的灰度级为g(x,y),通过传递函数T，生成的新象元灰度级为g(x,y)。即：g(x,y)=Tg(x,y)根据不同的传递函数，可得到不同的变换如下图所示：图2其中，常见的有线性灰度变换、非线性灰度变换、切片变换及二值变换等6.2栅格数据的组合6.2.1栅格数据的算术组合。栅格数据的算术组合是指将不同的栅格图像相互叠置，对它们相应的灰度值进行各种算术运算，如相加、相减和相乘等。6.2.2栅格数据的逻辑组合。栅格数据的逻辑组合是指将不同的栅格图像相互叠置，对它们相应的灰度值进行各种逻辑运算，如逻辑“与”和逻辑“非”等。6.3栅格数据的扩张与侵蚀6.3.1栅格数据的扩张.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象元数目进行扩张。6.3.2栅格数据的侵蚀.栅格数据的侵蚀是指在栅格数据中同一种属性的物体在事先给定的象元数码和指定的方向上受到（背景象元）的侵蚀。侵蚀也可看成是背景象元在相反方向上的扩张。6.4栅格数据的加粗与减细6.4.1栅格数据的加粗。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象元数目进行加粗运算。6.4.2栅格数据的减细。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象元数目进行减细运算。6.5栅格数据的填充栅格数据的填充是指在给定的区域范围内，使得一些单个的象元通过某种算法而蔓延、直至充满整个区域范围。常用填充的算法有：逐步蔓延加粗法和逐行填充法。7计算机地图制图与GIS的结合计算机的出现之后，传统的制图方式被打破，对地球资源的量化分析和评价产生了实质性的发展，地图要素被量化成简单的数字，可以用计算机很方便地给予定性、定量及定位分析，进而用颜色、符号和文字说明完整地表达实体，因此产生了计算机地图制图技术。80年代，计算机制图和出版技术不断创新，地图学理论研究和地理信息系统技术不断取得突破性进展。地图制图生产实现了向全数字化计算机制图的革命性变化。90年代以来，地图认知论、地图信息传输论、地学信息图谱、地图自动综合等地图学理论研究取得重大进展。GIS空间数据模型及建模方法、空间数据与空间分析的不确定性、GIS地理模拟等空间数据挖掘与知识发现基础理论研究取得了一系列成果。地理信息表示从二维、静态向多维、动态方向发展，数据存储管理实现分布式和互操作；自主产权的地理信息系统软件从无到有，体系结构逐步实现组件化、开放式和网络化。计算机地图制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，GIS出现进一步为地图制图提供了现代化的先进技术手段,它必将引起地图制图过程深刻变化,成为现代地图制图主要手段，GIS应用于地图制图，可实现地图图形数字化，建立图形和属性两类数据相结合的数据库。但GIS系统不同于计算机地图制图，计算机地图制图主要考虑可视材料的显示和处理,考虑地形、地物和各种专题要素在图上的表示，并且以数字形式对它们进行存贮、管理，最后通过绘图仪输出地图。计算机地图制图系统强调的是图形表示，通常只有图形数据，不太注重可视实体具有或不具有的非图形属性，而这种属性却是地理分析中非常有用的数据。GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法和显示质量，强调的是信息及其操作，不仅有图形数据库，还有非图形数据库，并且可综合两者的数据进行深层次的空间分析，提供对规划、管理和决策有用的信息。数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式，计算机地图制图是GIS重要组成部分。参考文献1艾自兴等.计算机地图制图M.武汉：武汉大学出版社，2005. 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