1、實驗三 地圖矢量化1.實驗目的與要求1.1實驗目的（1）了解空間數據數字化的有關方法，復習課堂有關地圖矢量化的理論知識。（2）掌握地圖數字化這種最基本的數據采集方法，掌握地圖掃描矢量化的基本原理,方法和步驟,熟悉地圖的繪圖和編輯工作。1.2實驗要求 根據所學知識方法和步驟對地圖進行屏幕跟蹤矢量化。2.地圖矢量化的基礎知識 地理信息系統的基本功能之一就是數據采集,數據采集也是一個完整的GIS應具備的基本功能。 地理數據分為空間數據與屬性數據兩部分， 數據采集也分為空間數據采集和屬性數 據采集。 空間數據的采集方法很多， 根據數據的來源可分為地圖數字化， 遙感數據獲取和以GPS為數據源的數據采集等

2、。其中，地圖數字化是最基本的數據采集方法，它是指把傳統 的紙質或者其他材料上的地圖（模擬信號）轉換為計算機可識別的圖形數據 （數字信號）的 過程，以便進一步在計算機進行存貯，分析和輸出。2.1地圖投影與坐標轉換在地圖數字化時,首先要選擇合適的地圖投影和建立適當的坐標系。沒有合適的投影或 坐標系的空間數據不是一個好的空間數據，甚至是沒有意義的空間數據，它不含地理意義。2.1.1投影與坐標系 當把地球上的物體按地理位置轉繪到平面上時， 必然會產生變形， 投影是用于減少這種變形的一種方法。 地圖投影的實質是建立地球球面上的點與平面上的點的對應關系。 所有的 投影都會引起某種變形，采用哪種投影取決于實

3、際應用的需要。每一種投影都與一個坐標系相聯系。 對于那些大比例尺地圖（如1：2 000或更大），由于 不含投影變換，我們稱為非地球地圖（Non-earth map）。非地球地圖雖然沒有投影變形，但卻 有自己的坐標系統，有自己的參考系和量算單位。2.1.2坐標變換與最小二乘法GIS中間數據的采集、 處理和輸出等過程中都進行著空間坐標變換。 空間坐標變換是指 將地理實體在一個坐標系中的坐標（x,y）通過某種對應法則，轉換成另一個坐標系中的坐標（xy）的過程。解算這種對應法則有兩種方法： 一種是解析法， 這是在知道投影公式或坐標變換公式的 情況下，直接利用變換公式進行解算。GIS中圖形的縮放、平移、

4、旋轉及三維變換等操作都 使用這種變換； 另一種是數值變換法， 這種方法主要用于地圖的數字化。 最小二乘法是最為 常用的數值變換的方法。地圖數字化時，數字化跟蹤頭（定位器）采集的地圖上點的坐標是數字化儀平面坐標，這種坐標定義取決于數字化儀的精度和配置。同時， 由于這些點還省其實際地理坐標意義， 因而在數字化過程中， 還需要將地圖上點的數字化儀平面坐標轉換為這點的實際地理坐標。利用最小二乘法進行坐標變換的基本思想是，先用一組線性多項式擬合坐標變換公式， 在地圖上選取若干控制點， 獲取控制點的數字化儀坐標和實際地理坐標， 然后利用這組坐標值， 根 據最小二乘法原理解算出多項式的系數。 這樣在地圖數字

5、化過程中， 就可以利用這組多項式 解算出地圖上任意點的實際地理坐標。2.1.3坐標變換的地理意義 數值變換公式的求解依賴于控制點的選取及輸入的相應坐標值的精度。 在地圖數字化過程中通過選取控制點建立空間坐標的數值變換公式有其重要意義：(1)實現地圖的數學法則。(2)實現由設備坐標到現實世界坐標的轉換。(3)控制數據采集的精度。(4)實現多圖幅拼接或不同比例尺間地圖的匹配。2.2數字化的方法與步驟地圖數字化所采用的具體方法受設備條件、 人力條件和數字化內容的影響。 以前受GIS軟硬件的限制，主要采用手工鍵盤錄入地圖數據的方式。 手工鍵盤錄入數據分為矢量和柵格 兩種，而以柵格為主要方式。后來用數字

6、化儀和掃描儀獲取地圖數據的方式逐漸普及起來，大大提高了數字化的精度和速度。數字化儀直接以矢量形式獲取地圖坐標數據，絕大多數GIS和圖形處理軟件都帶有利用數字化儀進行數字化的模塊， 而GIS的系統設計者亦可以自 己編寫數字化接口程序： 掃描矢量化是目前較為流行的數字化方法， 這種方法是先用掃描儀 將地圖掃描為柵格圖像， 然后對柵格圖像進行屏幕跟蹤矢量化。 屏幕跟蹤矢量化不受數字化 設備的限制，可以同時大批量進行數字化工作。不同的地圖數字化方法， 其數字化的具體技術方法也稍有不向， 但其基本步驟大致可歸 納為確定數字化路線、準備數字化地圖、 設置好數字化儀、確定投影方式和坐標系、利用數 字化軟件進

7、行數字化等內容。3實驗組織每組1人，個人獨立完成。4.實驗學時課內4學時。5.儀器及用具地圖集、冊或遙感影像，掃描儀，臺式機(安裝了ArcGIS9.0或其以上版本) 。6.實驗步驟提要 先用掃描儀將地圖掃描成柵格圖像， 然后以柵格圖像為背景， 手工或利用自動跟蹤軟件 進行屏幕數字化是的目前較為普遍的一種地圖數字化方法。許多GIS和圖形軟件都有對柵 格圖像的自動矢量化功能。這里僅以ArcGIS為例，說明對柵格圖像在屏幕上進行手工矢量 化的基本步驟。6.1確定數字化的路線 在數字化之前一定要設計好數字化所采用的技術路線，這直接關系到地圖數字化的效率。確定數字化路線包括采取什么樣的方式進行數字化，

8、數字化精度要求如何、 選取什么樣 的地圖作為數字化底圖、 對哪些要素進行數字化， 以及如何對數字化要素進行分層和分幅數 字化等。(1)選擇底圖：數字化底圖的選取是進行空間數據采集前的首要工作，底圖的選取主要考慮兩方面的內容即底圖的精度和要素的繁簡。(2)地圖分層與分幅：在進行地圖數字化前，必須確定對哪些要素數字化，并對這些要 素進行分層并確定層名。6.2地圖預處理數字化前還需要對數字化底圖進行適當處理，地圖預處理主要包括以下幾方面內容：1)減小圖紙變形的影響：對于紙張不是很好的紙質地圖，需要將其復印到聚脂薄膜 上，以減小數字化過程中團圖紙變形而產生的誤差。2)透邊處理：即將與地圖內圖框相交的線

9、劃要素向圖框外延伸510mm，這樣做的目的主要是為了以后便于多幅圖的拼接(拼接前還需進行切邊處理)。3)線劃要素的分段：對于地圖上的封閉曲線或較長的線狀要素應將共進行分段。4)選取控制點：對于非國家標準分幅地圖，還應打上方格網，以利于控制點坐標數 據的精確量取。控制點的選取應不少于4個，標準分幅地圖在內圖框四角上有本 幅圖的四個控制點，并相應地標有實際地理坐標，圖面往往還有大地測量控制點可供選擇。當沒有現成的可供選擇的控制點或需要增加控制點時，控制點的選取 原則是盡可能選取點狀要素或線狀要素(如河流、道路等)的交點，并在圖面上大致均勻分布，這樣有利于提高數字化精度。具體的選取參見6.6節6.3

10、設置好數字化設備數字化儀是一種讀取圖形坐標數據的設備，用數字化儀采集空間數據是GIS最常用的數據采集方式。廣義的數字化儀包括矢量數字化儀和掃描儀，這里不作細致討論。6.4掃描圖像選擇要數字化的地圖，識別該圖的投影和坐標系統，在圖中選取至少4個控制點并獲取 控制點的實際地理坐標，然后將地圖掃描成柵格圖像格式保存。如果沒有現成的坐標系統， 也可以建立自己的坐標系統并讀取相應的控制點的坐標。6.5柵格圖像配準( (加載數據和影像配準工具) )所有圖件掃描后都必須經過掃描配準，對掃描后的柵格圖進行檢查，以確保矢量化工作順利進行。打開ArcMap，添加“影像配準”工具欄。把需要進行配準的影像增加到Arc

11、Map中，會發現“影像配準”工具欄中的工具被激活。6.6輸入控制點在配準中我們需要知道一些特殊點的坐標。通過讀圖，我們可以得到一些控件點一一公里網格的交點，我們可以從圖中均勻的取幾個點。一般在實際中，這些點應該能夠均勻分布。在”影像配準”工具欄上，點擊“添加控制點”按鈕。使用該工具在掃描圖上精確到找一個控制點點擊，然后鼠標右擊輸入該點實際的坐標位置，如下圖所示:用相同的方法，在影像上增加多個控制點 （大于7個），輸入它們的實際坐標。 點擊“影 像配準”工具欄上的“查看鏈接表”按鈕。注意：在連接表對話框中點擊“保存”按鈕，可以將當前的控制點保存為磁盤上的文件,以備使用。檢查控制點的殘差和RMS刪

12、除殘差特別大的控制點并重新選取控制點。轉換方式設定為“二次多項式”6.7設定數據框的屬性1添加控制點Ias EBJ*M：E：-If-看tt.X.KftTY.查看璉接表15.13B11325.13547B65.17380655.16335611.3IM93G11J0114751.332；51SCOC.OCKXXHl56&XK3.OMXXM 277闔00.300000569WO.OMOOC 2TOOO.OOCG56BCD田: Ivxnnf三1 - - ZE曲IZ77KCH1S2S53O71!C-6B03B561099-2S10772增加所有控制點，并檢查均方差（RMS后，在”影像配準”菜單

13、下，點擊“更新顯示”執行菜單命令“視圖”-“數據框屬性”，設定數據框屬性在“常規”選項頁中，將地圖顯示單位設置為“米”在“坐標系統”選項頁中，設定數據框的坐標系統為“Xian_1980_Degree_GK_CM_102E”（西安80投影坐標系，3度分帶，東經102度中央經線），與掃描地圖的坐標系一致 更新后，就變成真實的坐標。6.8矯正并重采樣柵格生成新的柵格文件在”影像配準”菜單下，點擊“矯正”，對配準的影像根據設定的變換公式重新采樣,另存為一個新的影像文件。加載重新采樣后得到的柵格文件，并將原始的柵格文件從數據框中刪除。后面我們的數字化工作是對這個配準和重新采樣后的影像進行操作的。通過上面

14、的操作我們的數據已經完成了配準工作，下面我們將使用這些配準后的影像進行分層矢量化。6.9分層矢量化在ArcCatlog中創建一個線要素圖層該數據采用的是西安80坐標系統、3度分帶打開ArcCatalog.在指定目錄下，鼠標右擊，在新建”中，選擇個人Geodatabase”。并修改該Geodatabase數據庫的名稱(例如test3.mdb)。(2)下面將為該Geodatbase創建新的要素類，首先創建一個“等高線”要素類來存儲 等高線要素。在ArcCatalog中，鼠標右擊test3這個個人Geodatabase,在新建” 中選擇“要素類”.O ArtCalalog- Ardn-fo - D:

15、ll程1GI康件應用-ArcGI52iU用巳 昨 觀固加 觀轉:GrMti)酗口宓 帯肋臨 K %注龍弗認 d 口攀1-潮*個人氐価Aj testLd觀點+ fi TCOiMrtf2J GP&.iPa旨gas.ottIZ gasl.db1=)CJSl.txt3 Uimngrtxt3曲 呂Limrig.|3fl曲馬ymJTTJPG*瀏昆中市1PPwFam)導入Ct)孚出C0養楚皺走庫刪關控制點(匚重置轉拯刃更新地理參垮衛卜巨i Rm.毎關讎(3)輸入創建的要素類的名稱“等高線”，點擊下一步。(4)點擊下一步。下面將是我們創建新的要素類的關鍵， 為我們的數據定義坐標系統， 空間范圍, 存儲

16、要素類型。以及可以在這增加屬性字段。(5)點擊Shape字段。在對話框中將顯示詳細的選項，我們首先點擊“幾何類型” 將要素類型選擇為我們需要的類型(我們現在要創建等高線這個要素類， 選擇線).，并所以應該點擊“空間參考”選項后面的按鈕，在“空間參考屬性”對話框中的“坐標系”選 項頁下，將選擇合適的坐標系統，點擊選擇”按鈕。在(Projected Coordi nateSystems目 錄 下， 選 擇Gauss Kruger- Xia n 1980- Xian_1980_Degree_GK_CM_102E.prj)。點擊增加，現在這些坐標系統信息應該如下 圖所示：(7)再點擊“X/Y域”選項頁

17、，在該選項頁下為我們的數據定義存儲的空間范圍。該空間范圍需要認真考慮， 不僅要考慮你當前的紙制地圖的空間范圍，還要考慮到將來工作中還會出現的最大的空間范圍。? X為確定這個區域XY（最小值），XY（最大值），可以切換到ArcMap中，點擊“繪制” 工具欄上的“矩形框”按鈕，在地圖顯示區中畫一個矩形，使區在更大范圍內包含 已配準的柵格地圖。右鍵選中這個矩形框，設置“屬性”，將填充色設置為“無”可得到如下的效果：在矩形框屬性的“大小和位置”選項頁中，可獲取矩形框左下角和右上角的坐標 （X,Y）,將這里獲取的X,Y值分別填入到上面“空間參考屬性”對話框的“X/Y域”選項頁 最小X”、“最小Y”、“最

18、大X”、“最大Y”輸入框中通過上面的操作我們為創建的要素類定義了正確的坐標系統和空間范圍。(8)下面我們將為該數據創建新的屬性字段。“高程”，類型設置為“Float”用來存儲等高線的高程值。(9)點擊完成這樣，我們就創建了一個線狀的要素類。6.10從已配準的地圖上提取等高線并保存到上面創建的要素類中(1)切換到ArcMap中，將新建的線要素圖層，加載到包含已配準地形圖的數據框中，保存地圖文檔為Ex3.mxd(2)打開“編輯器”工具欄，在“編輯器”下拉菜單中執行“開始編輯命令”，并選擇前面創建的“等高線”要素類。確認編輯器中：任務為-新建要素，目標為-等高線，設置圖層一一等高線的顯示符號為紅色，并設置為合適的寬度。(3)將地圖放大到合適的比