《数字地图制图原理》(西北师范大学地环学院).ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数字地图制图原理,西北师范大学地环学院,第,1,章 绪论,本章知识要点：,1.,制图技术的发展过程*,2.,地图的分类*,3.,地图数据模型的概念与种类*,1.1,计算机辅助地图制图的发展,一、地图制图的发展,1.20,世纪,60,年代初，制图工作者的态度是“走一步看一步”；,2.20,世纪,60,年代末到,70,年代，制图工作者运用计算机辅助技术对以往通过手工或其它技术编制的地图产品进行再制作；,3.20,世纪,80,年代末以后有了一整套新的生产工艺可用于生产新的地图产品。,1.2,数字地图的数据模型观,1.,地图的分类,（,1,）根据传统地图的特性（可视性和真实可触性）可将地图分为实地图（,Real Map,）与虚地图（,Virtual Map,）,（,2,）虚地图分三类,1.2,数字地图的数据模型观,虚地图分类：,永久存在 非永久存在,实地图：第一类虚地图：,常规纸质地图,CRT,地图图象,地球仪,a,）刷新,直接 正射影象地图,b,）存储管,可视 机器绘制的地图,c,）液晶屏,塑料浮凸地图 认知地图（二维图象）,块状图,第二类虚地图：第三类虚地图：,地名录 数字内存（数据）,不直接 互补色立体影像 磁盘或磁带（数据）,可视 传统野外数据 视频动画,存储的全息图 数字地形模型,存储的傅立叶变换 认知地图（关系型地理数据）,光盘数据,1.2,数字地图的数据模型观,（,3,）按地图比例尺分类：,大比例尺地图：,110,万的地图；,中比例尺地图：,110,万、,1100,万的地图；,小比例尺地图：,1100,万的地图,1.2,数字地图的数据模型观,2.,地图数据模型,（,1,）概念：地图是一个数据模型。数据模型可定义为“实体及实体之间关系的一般性描述”，其功能是通过多种介质实现的。,(2),分类：,图标模型：仅通过比例缩放来再现现实世界，如海岸线侵蚀模型。它试图通过缩小尺寸来保持真实世界的所有内容，以至于在实验室里就能模拟表达。,模拟模型：主要是根据相似性原理来再现现实世界的，它也包括比例放缩。,符号模型：用符号来表达地理特征，它是对现实世界的高度理想化的再现。,1.3,地图数据处理系统,一个数据处理系统包括数据采集、数据处理、数据存储和数据应用。,计算机技术给地图学带来的另一个重大冲击是数据处理系统功能的分离。存储（数字地图）与显示（虚地图）的分离促进了地图数据的存储与更新。它也允许空间与非空间信息的单独存储。制图工作者可以更好地进行分类、化简和符号化。,第,2,章 几何分析基础,本章知识要点：,1.,空间事物的分布特征的基本空间概念*,2.,地图目标,3.,图形的几何变换*,4.,点线关系,2.1,地图与几何学的基本关系,1.,描述空间事物的分布特征有四个基本空间概念：,方向：相对于某点射线的定位。方向关系是非常重要的，因为它们给定了目标之间相互参照的位置关系；,距离：空间中点之间的物理间隔。在地理分析中，目标之间空间相互作用的程度是随距离的增加而降低的；,邻接性或相关位置：地图目标之间存在的邻近或邻接关系。任何目标周围都存在一个邻域，在该邻域中包含有以,某种方式与之相联的其他元素。空间物体的邻接关系在空间分析中很重要，因为空间事物总是相关的；,绝对位置：指点通过测量获得的物理位置，与其他点的位置无关。,2.1,地图与几何学的基本关系,2.,空间变换,（,1,）等面积变换：在等面积变换中，线的长度保持不变，等面积变换只允许平移和旋转。因此，方向、距离和连接性均不变。,2.1,地图与几何学的基本关系,（,2,）相似性变换：包括了缩放，因此，距离不再固定不变。但角度保持不变，所以方向不变。该变换目标形状保持不变，因此很容易识别熟悉的地图目标。,2.1,地图与几何学的基本关系,（,3,）仿射变换：距离与角度都不再保持不变，但是平行关系与线性状态保持不变，方向虽然改变，但仍保持一致。仿射变换常用于校正卫片和地图数字化（见第四章）。,2.1,地图与几何学的基本关系,（,4,）投影变换：距离、角度甚至平行关系都不再保持不变，因此，目标的面积与形状都可能改变。投影变换用于地图投影和测量当中。等面积投影对于维持形状的真实性效果很差，等角投影能保持形状特征但使面积产生最大变形，但二者都能保持目标之间的连接性。,2.1,地图与几何学的基本关系,（,5,）拓扑变换：几乎在所有的地图中，不管距离与方向如何变化，都能保持地图目标间的连接性。在拓扑几何中，只有连通性与邻接关系能得到保持。早期数字地图发展的一个缺陷就是忽视了涉及多边形区域的地图拓扑关系（见第三章）。这严重制约了数字地图产品的灵活性，降低了数字制图处理系统的效率。,2.2,地图目标,数字地图目标的本质是由数字图象编制的模式即数据模型决定的。,（,1,）栅格数据模型：平面空间是用被称为二维格网点的离散点集来填充的。,（,2,）矢量数据模型：平面空间是一个连续点集。,2.2,地图目标,1.,栅格模型,2.2,地图目标,网格单元：剖分空间的规则单元，常见的网格单元有长方形、方形、三角形和六边形,2.2,地图目标,2.,矢量模型,（,1,）,0,维目标：,点：二维空间中有绝对位置的,0,维目标；,端点：表示一维目标终止处的点；,网格点：表示二维剖分空间中有绝对位置 的,0,维目标；,2.2,地图目标,1,维目标：,线段（弧段）：二维空间中，两个端点之间的非自相交曲线的点的轨迹。,轮廓线：两个端点绝对位置相同的线；,2.2,地图目标,直线段：二维空间中，两个端点之间不改变方向的点的轨迹,串：首尾连接的线段序列，但串的首尾线段的起止端点不相接；,环：首尾连接的线段序列，这些线段形成一个环，图,2,9e,。,2.2,地图目标,2,维目标：,面：由连续二维目标包围的内部（可能包含内部环,),；,多边形：一个外环和,0,个或多个不相交的内环构成的面；,2.3,图形的几何变换,数字地图学中，地图目标的几何图形常常要进行诸如缩放（比例）、对称、旋转、平移、投影等各种变换。,1.,点变换,2.,二维基本变换*,（,1,）平移变换与齐次坐标,2.3,图形的几何变换,（,2,）旋转变换,指图形的放置围绕原点旋转,角，且逆时针为正，顺时针为负。,2.3,图形的几何变换,（,3,）缩放操作也称为比例变换。可对原始坐标（,x,y,）下的矢量产生拉长或缩短的效果。平移和旋转变换都保持二维空间上目标变换时的距离及大小不变，但缩放变换会改变坐标系的单位长度（距离）,2.3,图形的几何变换,（,4,）错切变换：某个方向的坐标改变。,2.3,图形的几何变换,3.,二维组合变换,有些变换仅用一种基本变换是不能实现的，必须由两种或多种基本变换的组合才能实现。,2.4,点线关系,1.,直线方程,y,=,mx,+,b,2.,点线关系,（,1,）点在线上,（,2,）点不再线上,（,3,）两直线交点,2.5,线与面的测量,1.,直线的测量,2.,面积的测量,第,3,章 地图数据结构与数据组织,数字制图处理系统中的核心问题是数字表达。不管是数据采集还是数据显示，它们都与数字图形的结构有着千丝万缕的联系，因此首先讨论数据结构及其组织是很重要的。,第,3,章 地图数据结构与数据组织,本章知识要点：,1.,拓扑概念,2.,文件结构*,3.,数字地图空间结构,4.,拓扑数据模型及其结构*,5.,栅格数据结构*,3.1,拓扑概念基础,拓扑关系：几何图形在连续变形下保持不变的性质,(,所谓连续变形，形象地说就是允许伸缩和扭曲等变形，但不许割断和粘合,),。,1.,点与点的邻接关系、,2.,点与线的关系,4.,点与面的包含关系、,5.,线与面的相离关系、,6.,面与面的重合关系等,3.2,文件结构*,文件结构：决定目标在硬件存储中的具体组织形式。在数据组织中，为了表达包含拓扑和度量属性的数据元素间的相互关系，提出了不同的文件结构。,节点：每个目标都称为节点，每个节点包括了一系列的属性或域，它们定义了目标的某些特性。,3.2,文件结构,1.,表结构,（,1,）线性表,是一个节点集合，它是以表中相对位置表示的开路径拓扑。表中的第一个节点称为头节点，最后一个节点称为尾结点或末节点。节点,j,是节点,(j,1),和节点,(j,1),的邻域，节点,(j,1),是节点,j,的前趋节点，节点,(j,1),是节点,j,的后继节点。头节点没有前趋节点，尾节点没有后继节点。集合本身是这个表的根节点。集合,S,中的所有节点根据其在表中的相对位置连接。节点,L,是头，依次由,B,、,K,、,X,、,E,和,C,相继。,3.2,文件结构,3.2,文件结构,（,2,）链式表,在链式存储中，表中第一个节点的地址存放在根节点的地址栏中，以后每一个节点的地址栏存有下一个节点的地址，直到最后一个节点为止。,3.2,文件结构,3.2,文件结构,2.,图和树,在数据结构中，节点可能包含不止一个前趋或后继节点。图是一系列节点组成的网络拓扑。,3.2,文件结构,3.3,数字地图的空间结构,1.,基本概念,数字地图图形是空间点集在二维平面上的投影。无论图形多复杂，都可以将其分解为点（如控制点）、线（如河流）、面（如湖泊）三种基本图形要素。,空间数据用来表示物体的位置、形态、大小和分布特征等诸方面的信息，而属性数据则表示物体是什么。,空间数据和属性数据之间通过标识码进行联接。,点、线、面三类实体的关系可以有六种组合：,（,1,）点与点，如消防站与火灾地点的距离；,（,2,）点与线，如一条公路与两旁城镇，村庄之间的联系；,（,3,）点与面，如排污的烟筒与周围的环境；线与线，如表示公路、铁路或河流组成的运输网络；,（,4,）线与面，如一条输油管道流经哪些地区；,（,5,）面与面，如表示洪水影响区域与土地利用的叠合等。,这些组合表现了实体间拓扑关系的相邻性、连接性、闭合性、包含性和一致性等，是空间数据处理和分析的依据。,3.3,数字地图的空间结构,2.,常见的拓扑模型,（,1,）节点与弧段,（,2,）弧段的起止节点与左右多边形,（,3,）多边形与弧段,3.3,数字地图的空间结构,3.ARC/INFO,的拓扑空间表达模型,（一）,ARC/INFO,的特征类型,点：单个位置或现象的地理特征表示为点特征，如水准点、井等。点由一对,(X,，,Y),坐标定义，没有长度和面积。,弧段：线状地理特征用弧段表示，弧段特征用来定位和描述两点之间连线的地理信息，而不仅是一个点。弧段以结点为起止点，中间点以一串,(X,，,Y),坐标对表示，确定了一条弧及其形状。,面：面由一组或多组弧段首尾连接而成。,结点：弧段的起点或终点。,3.3,数字地图的空间结构,（二）,ARC/INFO,拓扑空间关系表示模型,（,1,）弧段结点拓扑结构,如图，在数字化弧段时，,ARC/INFO,将每个弧段的起始结点和终止结点记录在,Arc,文件中。利用弧段结点的拓扑结构，,ARC/INFO,很容易地确定：,(1),弧线与其端结点的相连性；,(2),弧线的方向，即从起始结点到终止结点的方向；,(3),弧线的长度，即从起始结点到终止结点量测的长度；,(4),连通性，如果弧与弧有公共结点，则称弧与弧连通。连通性是很多网络跟踪和路径查找操作的基础。,3.3,数字地图的空间结构,3.3,数字地图的空间结构,（,2,）多边形弧段拓扑结构,多边形弧段拓扑结构用来定义区域。一个多边形由边界的弧规定，包括那些在多边形里边的“洞”或“岛”。,ARC/INFO,使用多边形弧段拓扑结构来定义多边形。,3.3,数字地图的空间结构,3.3,数字地图的空间结构,（,3,）左右多边形拓扑结构,如图,3-49,，在建立多边形时，,ARC/INFO,将每条弧的左右多边形内部顺序号添加到,Arc,文件中。左右多边形拓扑结构定义了邻接性，如果两个多边形拥有公共边,(,弧段,),，则认为两个多边形相互邻接。由于一个多边形边界的每条弧（都有方向）都有左右多边形值，就很容易知道哪些多边形是相邻的。在图,3,49,中，我们就很容易知道多边形,B,与,D,，多边形,C,与,F,等的相邻性。,3.3,数字地图的空间结构,3.3,数字地图的空间结构,4.,地图数据的组织,在,ARC/INFO,中，地图数据作为,X,，,Y,坐标对序列来存储，分别代表点、线和多边形。这些特征之间的关系通过拓扑结构来表达。相关的表格数据存储在关系表格中，通过内部标识号连接到特征上。,在组织地图数据即构造,Coverage,时，首先要考虑的因素有两个：第一是特征的类型；第二是特征的主题。,3.3,数字地图的空间结构,特征类型：构造,Coverage,的典型做法是分别将点、线和多边形分别存放在不同的层上。例如，井的位置用点要素表示，可将其放在一个层上；道路用线要素表示，可将其放在另一个层上。,特征主题：在构造,Coverage,时，要考虑的另一个重要因素是特征的主题。例如，将河流组织在一个层上，道路组织在另一个层上，尽管河流和道路两者都是线状特征，但分开存放更为合理，也更为有效，因为它们的属性各不相同。例,3.3,数字地图的空间结构,3.3,数字地图的空间结构,5.,拓扑与非拓扑模型的比较分析,在数字制图的数据处理和空间分析中的作用*,拓扑数据模型可以高效地存储数据，它提供了高级地理分析的框架。拓扑数据模型用围绕多边形的弧段来建立多边形。对于公共弧段，系统只存储一次弧段坐标，两个相邻的多边形共享公共弧段。由于拓扑数据模型的建立，具有以下优点：,1,）描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体的坐标位置。不需要坐标值来查找、判断，给空间查询、分析带来了方便，又没有坐标计算精度上的麻烦。,2,）便于作多边形和多边形的叠合。面目标之间的拓扑关系模型可以方便地进行叠置分析、土地资源的管理与评估等。,3,）结点与弧段网络拓扑关系的建立，可用于道路交通、市政管线、通信线路、军事等的网络分析。,4,）多边形的边界数据以线段或弧段的结构化网络有效存储，而不是象通常用于多边形数据库的那种封闭式的多边形环。这种弧段,结点的结构几乎把制图数据的存储量压缩了一半。,5,）便于检查数据输入过程中的错误。,3.4,栅格数据结构,1.,基本概念*,（,1,）地图的面域为网格单元覆盖，对每个单元,(,像元,),的值赋值，所有的值存储为一个矩阵数据。通过减小单元的大小可以提高表达精度，但将增大数据的存储量。,（,2,）像元又称像素，像元由行列值确定其位置，且具有表示实体属性的编码值。*,（,3,）栅格数据表示地物的精度取决于栅格尺寸的大小*,3.4,栅格数据结构,（,3,）栅格形态,3.4,栅格数据结构,3.4,栅格数据结构,2.,栅格数据主要编码方式*,（,1,）直接编码法,（,2,）行程编码法,一个扫描行代表矩阵的一行，每行当中相邻单元的值若是相同的话，将被合并为一个单元值。这种存储结构比较适合区域类的数据存储，这就是所谓的行程编码方法。,3.4,栅格数据结构,3.4,栅格数据结构,（,3,）四叉树编码法*,四叉树分割的基本思想是首先把一幅图像或一幅栅格地图,(2k2k,，,k1),等分成四部分，逐块检查其格网值。四个等分区称为四个子象限，按顺序为左上（,NW,）、右上（,NE,）、左下（,SW,）、右下（,SE,），可以用树结构表示。如果某个子区的所有格网都含有相同的值，则这个子区就不再往下分割；否则，把这个区域再分割成四个子区，这样递归地分割，直到每个子块都只含有相同的灰度或属性值为止。,3.4,栅格数据结构,3.4,栅格数据结构,3.4,栅格数据结构,常规四叉树除了要记录叶结点外，还要记录中间结点。结点的命名可以不按严格的规则，结点之间的联系主要靠指针表达。常规四叉树需要占用很大的内存和外存空间。每个结点需要,6,个量表达：父结点指针,(,前趋,),，四个子结点指针,(,后继,),和本结点的灰度或属性值。,3.4,栅格数据结构,3.,栅格数据与矢量数据的比较*,矢量数据：,优点：（,1,）表示地理数据的精度较高；,（,2,）结构紧凑，数据量小；,（,3,）用网络连接法能完整地描述拓扑关系；,（,4,）图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现。,缺点：（,1,）数据结构复杂；,（,2,）矢量多边形地图或多边形网很难用叠置方法与栅格图进行组合；,（,3,）数学模拟比较困难；,（,4,）求交运算复杂，多边形内的空间分析不容易实现。,栅格数据结构：,优点：（,1,）数据结构简单；,（,2,）空间数据的叠置和组合十分容易方便；,（,3,）各类空间分析都很易于进行；,（,4,）数学模拟方便；,缺点：（,1,）图形数据量大；,（,2,）用大像元减少数据量时，可识别的现象结构将损失大量信息；,（,3,）难以建立网络连接关系；,3.5,栅格矢量一体化模型,定义：同时具有栅格和矢量数据格式的优点。,所以，数字地图数据结构包括矢量数据、栅格数据、矢量栅格一体化*,3.6,面向对象的数据模型及其结构,1.,基本概念,（,1,）数字地图是数字化地描述现实世界地理空间的模型，地理空间的范围可以是全球、一个国家或一个地区。,（,2,）工作区，具有一定范围的地理空间，我们称之为工作区。地理空间可以包括若干工作区，工作区之间可以相互重叠，人们可以通过工作区这个窗口来认知和操作数字地图所描述的地理空间实体及关系。,（,3,）地理要素，工作区中的各种地理实体或现象，我们称为地理要素（或对象），在一定地理意义上相关的地理要素的集合，称为一个地理要素层。,（,4,）地理要素,(,对象,),包括空间、属性和时间特征的数据，空间特征数据包括定位数据和空间关系；在模型的数据结构中既要描述定位数据，还要描述对象之间的拓扑空间关系；属性和时间特征数据表示地理要素的质量、类型、状态、周期、持续时间等，它们用属性数据结构元素来表达。,3.5,面向对象的数据模型及其结构,3.5,面向对象的数据模型及其结构,第,4,章 地图数据的获取与预处理,数据是地图的核心部分，数据采集是整个数字地图处理过程中花费最大的一个环节，因此必须关注从真实世界实体到相应的地图目标的转换。在理想的情况下，为了获得所需数据，应该在数据的获取阶段就考虑数据的特殊需求。数据采集需要按生产过程的反方向来分析信息流。其次，由于数据库的建立非常昂贵，数据采集经常受到现有数据集可用性的影响。本章介绍数据采集及其预处理的基本原理，这是获取和建立数字地图目标的基础。,地图数据的获取和预处理为以后在一个系统中生产各种形式的地图及其相关产品建立可靠有效的地图数据库。尽管数字制图系统中的地图数据库为生多种地图产品提供了便利，但显示在许多地图上的地图目标必须首先在数据库中进行编制。,第,4,章 地图数据的获取与预处理,本章主要内容：,1.,编码方法,2.,数据获取*,3.,预处理*,4.1,编码方法*,定义：,编码是将地图要素转换成数字目标。编码方式会影响结果的数字显示和量测操作，因此编码方式反映了制图处理的目的。编码方式还受到硬件系统的制约，一种编码方式可能比其它的编码方式更适合于某种硬件系统。,4.1,编码方法,1.,线性编码,由于计算机都有一定的数字精度，因此线目标不能直接按其模拟形式来表示，而是通过数学函数近似表达，如样条曲线或坐标串。以串来表达一维要素的数字图形主要有两种方法：,4.1,编码方法,（,1,）链编码，是以有固定方向和固定长度的线段串来表达。此种方法的一个例子便是线段链编码（,Freeman,码）。由于线段之间的位置是固定不变的，因此只需记录后继线段相对于前一线段的方向值。因为这种编码方式有固定的分辨率，所以适合栅格硬件设备。,4.1,编码方法,（,2,）由包含可变方向和（或）长度的线段组成的串来表达。这个串中的每个点的位置都是由笛卡尔坐标系中的绝对坐标给定,。,4.1,编码方法,以上方法中，原始地理特征和经过编码后的形式之间的错误量与采样间距有关。其实，我们将看到采样间距又依赖于地图比例尺。,4.1,编码方法,2.,面块编码,像元赋值有四种基本技术，每个格网代表一个编码单元。,方法一：以格网中心点所在的面块类型作为格网的赋值；,方法二：以一条水平线平分单元格，水平线经过的面块类型最多的为所取值；,4.1,编码方法,方法三：是以单元中占据面积最大的地理特征赋值。尽管这种方法能比前两种方法更好地表达原始地图各种地理特征的面积状况，但很难计算单元中各特征所占面积的大小；,方法四：如果对所研究区域的面积信息进行检索时有更高要求的精度，则提供了按比例给单元赋值的方法。,4.2,测量与比例尺,所有的地图数据都与地图比例尺有关。地图比例尺是指地图上一个单位距离与其所表达的真实世界的距离之比。,地图是以缩小的图形显示制图区域的物体和现象，这势必导致需要对其进行综合。大家都知道这样一个最简单的事实：实地,25,平方公里在,1:10,万，,1:25,万和,1:50,万比例尺地图上，分别为,25,平方厘米，,4,平方厘米，,1,平方厘米。,4.2,测量与比例尺,4.3,数据获取*,数字地图制图需要获取两种不同的数据集，即形成地理基础文件的空间数据和用于专题覆盖层的属性数据。这里只讨论如何获取整个数据库中的空间数据。空间数据可以通过设备仪器直接获取，也可以通过对现有地图文档的编码来获取。,4.3,数据获取,1.,数字遥感数据的获取,（,1,）基本概念,遥感数据是数字地图的重要数据源。遥感是指不直接接触物体本身，从远处通过对传感器探测和接收来自目标物体的信息（电磁波谱），经过信息的传输及其处理分析，从而识别物体的属性及其分布等特征的科学和技术。,遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。地球上的每种物体都会发出一定的电磁波谱。,4.3,数据获取,4.3,数据获取,4.3,数据获取,（,2,）处理过程,遥感图像的形成过程中，影响图像的因素非常多。所以数据经传感器获取过后，还需要作一系列处理，包括图像恢复处理和增强处理。图像恢复处理主要是指改正或补偿在成像过程中造成的辐射失真、系统噪声（如条带现象）和随机噪声、几何畸变及高频信息的损失。,辐射校正，一个理想的成像系统产生的图像的亮度值应该与地物的辐射率成线性关系。但实际的传感器记录的灰度值、亮度值（,DN,）与地物的辐射率并不成直线关系，特别是反应曲线（或光转换函数）的两端部分更为明显。,几何校正，它分为两种。针对引起几何畸变的原因而进行的校正称为几何粗校正。例如，纠正陆地卫星,MSS,图像由于扫描同时受到地球自转影响而产生的偏斜，以及由于显著的地形起伏造成的随地而异的几何偏差；利用地面控制点进行的几何校正称为几何精校正,4.3,数据获取,2.,数字化,地图数字化目前仍是数字制图信息系统中获取空间数据的主要手段之一。因为它简便，效率较高，但它的精度比野外测量差。尽管能通过遥感产生大量空间数据，但许多数字地图编绘仍需要借助数字化将模拟地图转换成数字图形。,4.3,数据获取,（,1,）步骤,可行性分析与需求分析；,地图准备；,数字化；,编辑。,4.3,数据获取,4.3,数据获取,（,2,）地图数字化有两种作业方式即数字化仪的手扶跟踪数字化和地图扫描数字化。,数字化仪进行地图数字化有三个主要步骤：,第一步是连接数字化仪；第二步是图板定向；第三步是图形数字化。,扫描数字化的第一步是将地图进行扫描。根据数字化仪的不同、地图种类和用户的要求不同，可分别得到二值图像、灰度图像和彩色图像。,扫描数字化又可分为两种方式：自动矢量化和交互式矢量化。对于单幅的等高线图、水系图、道路网等采用自动矢量化效率较高。对于城市的大比例尺图，可能只有采用交互式矢量化。,4.4,预处理,1.,定义*,地图数据预处理是对所获取的数据进行处理，以建立地图目标与其空间和非空间属性之间的关联，或发现属性值的规律。一定的预处理能辅助数据的结构组织和简化后续操作。,4.4,预处理,2.,查找,一个基本的预处理操作便是查找，实现查找有两个主要原因。其一是确定符合要求的目标。,4.4,预处理,其二是在一维或二维空间分布当中，找出一个新目标的坐标位置或属性值相对于已有目标的相对位置。,4.4,预处理,3.,排序,例如对空间距离来说，当我们将所有城市按距起点北京的远近进行排列。,（,1,）升序排列,对于,n,个未排序的点，总共需要比较,log2(n-1)!,次,4.4,预处理,（,2,）是找出点集的最小值并提取出来，再在剩下的点集中找出最小值又提取出来，依次进行直到剩下为空。,对于,n,个点的点集，总共需要,(n-1)(n-2)/2,次比较,4.4,预处理,尽管上述两种方法较易实现，但它们的算法效率不高。两者都没有利用未排序集合中可能存在的排序状态。以下提供两种排序方法。,在,S1,中，两两合并成为,4,个子集，,19,没有被合并，因其初始集合含有奇数个元素。,S2,中每两个子集合并成一个子集，形成两个更大子集，,S3,再合并，形成一个已排序的集合。对于,n,个未排序的点，只需,log2n,个步骤即可完成排序，总共需要比较,nlog2n-(n-1),次。,4.4,预处理,4.“,点在多边形内”判断,（,1,）“点在多边形内”判断的判别方法如下：点在多边形内的判别最直接的方法是铅垂线法（平行线法、射线法），即从待识别的点开始划一任一方向的直线（该直线可以是铅垂线或平行线），然后计算它所通过多边形的交点，当交点的个数是奇数时，该点在多边形内，若是偶数，表明它在多边形外。,这个基本方法可能需要大量计算，下面对其作一些改进。对于每个多边形，首先判断点是否位于该多边形最小外接矩形，如果不在，则可以肯定该点在这个多边形之外，这就减少了很多不必要的运算。若在最小外接矩形之内，则按基本方法进行判断。,4.4,预处理,4.4,预处理,但是使用射线法有时候可能失效，产生判断错误。当射线通过多边形的拐点或某一条边时，这时按统计通过多边形的奇偶数，会产生错误的判断结果。,4.4,预处理,（,2,）点在多边形内判别的另一种方法是弧长法。这种方法要求多边形由有向边组成，即规定沿多边形各边的走向其左侧（或右侧）为多边形的内部，方法是以被测点为圆心作单位圆，将全部有向边向单位圆作径向投影，并计算其在单位圆上弧长的代数和。相当于计算该点到多边形上所有顶点的夹角和。代数和为,0,或小于,360,，则被测点在多边形之外，若代数和为,360,，则被测点在多边形内。,第,5,章 数字地图的自动综合,地图自动综合是地图数据处理所面临的最富智慧与技术性挑战的问题之一，是一个世界公认的难题。目前国际上在建立国家或区域性地图数据库或,GIS,时仍然采用多比例尺地图建库方法就是一个有力的证明，如德国的,ATKIS,和我国国家测绘局建立的国家基础地理信息系统。,数字环境下的制图综合不仅是数字地图制图生产的核心，而且也是,GIS,实现空间数据的多尺度表示和自适应可视化的核心问题，同时也是实施数字地球计划的关键技术之一。,一旦实现地图的数字描述，就能够对数字地图实施不同的综合操作。地图综合是一个复杂的过程，有不同类型的地图综合操作。这一章我们将重点讲述数字地图自动综合的基本原理和方法，目的在于满足一定的应用目的和约束条件下将已经存在于数据库中的数字对象综合为新的数字对象。,5.1,地图自动综合的目的与任务,本章主要内容：,1.,地图综合的目的及其相关任务*,2.,地图自动综合的策略*,3.,地图自动综合的基本方法*,5.1,地图自动综合的目的与任务,1.,地图自动综合的需求分析,地图综合就是根据地图的用途、比例尺和制图区域的特点，以概括、抽象的形式反映出制图对象的带有规律性的类型特征和典型特点，而将那些对该图来说是次要的、非本质的物体舍掉。地图综合是一个创造性的过程。,然而，基本比例尺地理数据库的数据量非常庞大，其详细的地理数据往往隐含着高密度的空间信息。但是，人们并不是时时处处都需要详细的数据，过多的不相关的信息有时会干扰正常工作，妨碍人们对全局性问题本质的把握。因此，如何把详细的空间数据通过综合的方法改造成适合特定用途和专门用户的地理信息库便成了一项重要的任务。,5.1,地图自动综合的目的与任务,目前，数字地图自动综合的应用需求越来越大，其目的及其相关任务可归结于以下七个方面：*,(1),数据绘制和显示的需要：在许多情况下，模拟地图仍是一种普遍而通用的产品形式，,GIS,中应具备绘制模拟地图的功能。当数据输出的比例尺小于数据采集的比例尺时，只有经过综合才能以清晰的形式传输复杂的分析结果，保证输出地图的质量。另外，当数据需要在屏幕上显示时，有时开窗放大的效果并不令人满意，尤其当显示比例尺大于数据采集比例尺时，要想了解更加详细的信息是不可能的，因为在应用空间数据时，其比例尺是不能大于数据采集比例尺的。,(2),数据分析和计算效率的需要：地理数据的分析总是针对一定的空间尺度和一定的空间等级进行的，亦即空间现象和过程通常是依比例尺的,即尺度依赖的，像气候、水资源、农业、森林、交通、土地及城市规划等许多应用都需要不同详细程度内容的变换及综合，因为数据的分析与传输往往都是在局部的或较高的层次上进行的，需要不同综合程度的地理信息模型，空间数据的分析和观察必须在多尺度条件下进行。,(3),数据压缩的需要：复杂程度的降低,(,综合的主要功能,),是人类最基本的功能，科学综合的部分过程与人的行为和判断能力是一致的，因此为减少数据量和处理时间而进行的数据压缩是很必要的。,5.1,地图自动综合的目的与任务,(4),数据库派生的需要：在目前建立地图数据库仍费时费力的情况下，由大比例尺数据库派生较小比例尺地图数据库依然是地图数据库应用的一个重要方面，这样不仅节约了建库经费，而且可以大大节省建库时间。,(5),数据更新的需要：数据更新是数据库维护中需要经常进行的的一项工作。由于更新的资料或数据与数据库中数据的比例尺有可能不一致，因而必需经过一定的综合才能入库。,(6),数据一致性的需要：许多制图部门建立了多种不同比例尺的地图数据库，无论如何这都是费时费力的事，而且这些不同比例尺数据库之间没有同一物体的信息联系，因此要想在不同版本的数据库之间传播是不可能的。,(7),增加信息可视性的需要：合理综合的结果，不仅保留了空间数据库在给定比例尺或图像格式情况下原始信息的最佳数量，而且去除了图像中的噪音，放大了图形的最基本部分，使图形的最主要特征得以保持，这样才能满足可视化的需要，因此可以说综合是在给定比例尺条件下增加信息可读性的一种工具。,5.1,地图自动综合的目的与任务,2.,数字环境下地图自动综合的特点,数字地图的自动综合，是在数字环境下，根据地图用途、地图比例尺和制图区域地理特点的要求，由计算机通过编程的模型、算法和规则等，对数字化了的地图要素与现象进行选取、化简、概括和移位等操作的数据处理方法。地图自动综合的特点如下：,(1),地图自动综合在操作对象、主体、方式和结果等方面，有着与手工地图综合不同的特点。前者的操作对象是数字地图，操作主体,(,操作者,),是制图员与计算机的交互作用，操作方式是在计算机可读的情况下通过编程来实现，操作结果是经过综合了的数字地图；而后者的操作对象是模拟地图，操作主体是制图员，操作方式是利用刻,(,绘,),图工具在目视可读的情况下直接处理图形资料，其结果仍是模拟地图。,5.1,地图自动综合的目的与任务,(2),由于模拟地图具有目视可读的特点，所以手工地图综合过程中选取、化简、概括和位移等操作是一次,(,同时,),完成的，而在数字地图环境下，只能是计算机可读，选取、化简和位移等操作是分别独立进行的，其操作步骤具有很强的可分解性。从这个意义上说，地图综合过程中的操作步骤分解越细,(,当然要合理,),，地图自动综合的实现就相对地越容易。,(3),模拟地图的自动综合其结果仍然是模拟地图，在目视可读的情况下，地图综合的质量是可以目视检查的，当然也是可以目视修改的。数字地图综合的结果仍然是数字地图，计算机可读，但目前计算机还无法判别综合结果是否符合要求，因此，还必须在图形交互编辑条件下，将综合结果显示在屏幕上，由制图员进行检查并利用修改功能予以修改，当然许多情况下也是可以使用智能启发式人机交互方式进行修改的。,(4),地图综合是一项复杂的创造性思维过程和繁重的劳动过程，在模拟地图综合的情况下，这种复杂的创造性思维过程和繁重的劳动过程都是由制图人员人工完成的，综合质量取决于制图人员对制图对象规律性的认识和对这些规律的表达能力；在数字地图综合条件下，复杂的创作性思维过程由制图员完成，而繁重的重复劳动过程却是由计算机编程实现的，即使引用专家系统等人工智能技术，计算机也只是模仿制图专家在综合过程中处理问题的思维方式，解决由制图专家才能处理好的问题，综合质量取决于模型、算法、规则的合理性、完备性及智能化程度。综合的决策由制图员做出，而决策的实现是由计算机完成的。,5.2,地图自动综合的策略与概念框架,1,实现地图自动综合的途径,在数字环境和新的技术条件下，地图综合的应用领域更加广泛，其动机不再仅仅是为适应比例尺缩小后的图形表达，而且还具有数据集成、数据表达、数据分析和数据库派生以及网络地图的自适应传输等其它功能。数字环境下的自动综合，根据其应用目的和限制条件的不同，可以将整个综合问题看作是两个变换过程所构成：一个过程是从现有的数据库中经过综合变换推导出新的具有不同详细程度的数据库；另一个过程是当用某一比例尺进行可视化输出时，数据库中数据容量过大不能进行清晰的图形表达时所进行的综合变换。,在这两个方面中，前一过程是变换空间模型的复杂性水平，后一过程是数据库的图形表达，与传统的制图综合相同，但考虑了地图、数据库与可视化之间的差别。,由此，可将地图综合的过程分解成两个子过程：推导新数据库的子过程和数据库中数据可视化的子过程，这两个子过程叫做数据库综合,(,或称模型综合、数据综合,),和制图综合,(,或称可视化综合,),，分别用来处理前述的两个变换过程。它们分别用于不同的目的：一是数字或,GIS,环境下空间数据的多尺度分析与显示；二是满足模拟地图输出的要求。,5.2,地图自动综合的策略与概念框架,（一）数据库综合,（,1,）数据库综合的特点,模型综合过程中内容的变换和操作与比例尺无关。这些变换包括属性变换、空间变换以及实时变换。,能产生可预见的或可重复的结果；,误差达到最小；,数据的压缩量达到最大；,原始数据集中对象模型化的完整性和一致性不被破坏；,从用户的观点看，综合过程中的参数设置要尽可能少，输入参数和综合结果之间的联系要明显；,计算速度要快。,5.2,地图自动综合的策略与概念框架,5.2,地图自动综合的策略与概念框架,（,2,）数据库综合的基本问题*,模型综合过程中内容的变换和操作与比例尺无关。这些变换包括属性变换、空间变换以及实时变换。,(1),内容的取舍,内容取舍包括三个方面，这三个方面分别是要素的选取、物体的选取和新类,(,或新等级,),物体的选取。,要素的选取：该选取算子从不同类型的物体中选择具有特定空间和属性特征的物体的子集，由用户根据其用途需要来总体控制。,物体的选取；与要素的选取不同，该选取算于是从具有相同空间和属性特征的物体中选取的子集。例如，从道路网中选取城市内部道路：从河网中选取流经首都的河流等等。,新物体的选取：由于重新分类分级产生新的物体类型，其属性是新类型的属性。,(2),属性的改变,属性的改变主要是分类标志的调整和分级界限的调整，这是语义数据模型的综合，可以用于属性的分类分级。,(3),空间位置的改变,删除小物体：删除算子将小于一定尺寸的面和线段滤掉，这里要考虑物体的最小尺寸。,删除细小碎部：化简算子可以滤掉太过详细的内容。,合并相邻物体：合并算子将相邻的小的同类物体合为一个大的物体。,图形等级变换：图形等级变换算子将空间物体由面状改为线状甚至点状，或由线状变为点状。,5.2,地图自动综合的策略与概念框架,（二）制图综合,制图综合是数据库的图形表达，主要任务是为了视觉表达而对模型综合后派生的数据库进行可视化，这与输出比例尺有很大关系。,为制图可视化而进行的空间数据综合，其目的与传统的手工制图综合相类似。但是，制图技术的发展变化产生