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1、第19章 数字化测图,19.1 数字化测图概述19.2 数字化测图实施,1.数字化测图的基本原理 数字化测图（Digital Surveying and Mapping，简称DSM）是以电子计算机为核心，以测绘仪器和打印机等输入、输出设备为硬件，在测绘软件的支持下，对地形空间数据进行采集、传输、编辑处理、入库管理和成图输出的一整套过程。利用电子全站仪在野外进行数字化地形数据采集，并机助绘制大比例尺地形图的工作，简称为数字测图。,19.1 数字化测图概述,数字测图则由计算机自动完成这样的测绘过程。不难看出，要完成自动绘图，必须赋于点的三类信息：(1)点的三维坐标；(2)点的属性，告诉计算机这个点
2、是什么点（地物点，还是地貌点，）；(3)点的连接关系，与哪个点相连，连实线或虚线，从而得到相应的地物。在外业测量时，将上述信息记录存储在计算机中，经计算机软件处理（自动识别、检索、连接、调用图式符号等），最后得到地形图。一幅图的各种图形都是以数字形式来存储。根据用户的需要，可以输出不同比例尺和不同图幅大小的地形图。除基本地形图外，还可输出各种专题地图，例如交通图、水系图、管线图、地藉图、资源分布图等。,传统的测图的方法是：,外业测量地物地貌的特征点,在图纸上展绘碎部点,按点之间关系连线，显示地物地貌,按碎部点高程，手工内插描绘等高线,2.数字化测图的基本配置(1)硬件配置(a)野外测量数据采集
3、：全站仪、电子手薄等。(b)内业计算机辅助制图系统：微机、绘图仪等。(2)软件配置(a)系统软件：操作系统和操作计算机所需的其他软件。(b)应用软件：AutoCAD，MicroStation PC系统，或南方测绘的CASS5.0，或清华山维的EPSW电子平板测图系统，或武汉瑞得的RDMS测图系统等。,3.数字化测图的基本作业过程(1)数据采集 数据采集方法有：摄影测量法 对现有地图进行数字化法 野外地面测量法(2)数据处理 在数据采集到成果输出之间要进行的各种处理(3)成果输出 生成的图形文件存贮在磁盘上 通过自动绘图仪打印出纸质地图,数字化测图系统组成,4.数字测图的主要特点(1)自动化程度
4、高 自动记录存储，直接传输给计算机进行数据处理、绘图，由计算机建立数据和图形数据库，生成数字地图，便于成果应用和信息管理工作。(2)精度高 精度取决于对地物和地貌点的野外数据采集的精度。(3)使用方便 测量成果的精度均匀一致，与绘图比例尺无关，分层绘制，实现了一测多用，同时便于地形图的检查、修测和更新。,5.数字化测图的现状与发展 发展过程大致可以分为以下两个阶段：(1)全站仪在野外测量，电子手薄记录，人工画草图，室内将数据用电子手薄传输到计算机，配以成图软件编辑成数字地图，最后由绘图仪输出。(2)仍然采用野外数字测记模式，但成图软件有了实质性进展。主要表现在两个方面：一是开发了智能化外业数据
5、采集软件；二是自动成图软件能直接针对电子手薄记录的地形信息数据进行处理。,随着科学技术水平的进一步发展，地面数字测图系统发展为更自动化的模式：(1)全站仪自动跟踪测量模式 测站上安置自动跟踪式全站仪，棱镜站则有司镜员和电子平板操作员（或由一人兼担）。(2)GPS测量模式 近几年发展起来的GPS载波相位差分技术，又称RTK（Real Time Kinematic），即实时动态定位，能够实时给出厘米级的定位结果。在RTK作业模式，若与电子平板测图系统连接，就可现场实时成图，避免了测后返工问题。随着RTK技术的不断发展和系列化产品的不断出现，一些更轻小、更廉价的RTK模式的GPS接收机正在不断地推向
6、市场。现在有一些厂家还生产出了用于地形测量的GPS产品，称为GPS Total Station（GPS全站仪）。,19.2 数字化测图实施,19.2.1 地面数字化测图,1.数据采集的作业模式(1)数字测记法模式：将野外采集的地形数据传输给电子手簿，利用电子手簿的数据和野外详细绘制的草图，室内在计算机屏幕上进行人机交互编辑、修改，生成图形文件或数字地图。(2)数字测绘法模式（又称电子平板模式）：在野外利用电子全站仪测量，将数据传输给便携式计算机，测量工作者在野外实时地在屏幕上进行人机对话，对数据、图形进行处理、编辑，最后生成图形文件或数字地图，所显即所测，实时成图，内外业一体化。,数字测绘法模
7、式（又称电子平板模式）,2.地形信息的编码（1）地形信息编码应包含的信息(a)测点的三维坐标(b)测点的属性，即点的特征信息(c)测点间的连接关系（2）地形信息编码的原则(a)规范性(b)简易实用性(c)便于计算机处理，且具有唯一性（3）地形编码的方案(a)三位整数编码(b)四位整数编码,3.地面数字化测图的实施（1）施测方法,传统的测图作业步骤是先控制后碎部。数字测图同样可以采取相同的作业步骤，但考虑到全站仪数字测图的特点，充分发挥其优越性，图根控制测量与碎部测量可以同步进行。在采用图根控制测量与碎部测量同步进行的作业过程中，图根控制测量与传统的作业方法相同；所不同的是在施测每个图根点的测站
8、上，同步测量图根点站周围的地形，并实时计算出各图根点和碎部点坐标。这时的图根点坐标是未经平差的。待图根控制导线测毕，由系统对图根导线进行平差计算。若闭合差在允许范围之内，则认可计算的各点的坐标，不必重新计算。如两者相差很大,则根据平差后的坐标值重新计算各碎部点的坐标，然后再显示成图。若闭合差超限，则应查找出错误的症结所在，进行返工，直至闭合差在限差允许的范围之内，然后根据平差所得各图根导线点的坐标值重算各碎部点坐标。,（2）碎部测量(a)测站设置与检校 将电子全站仪安置在测站点上，对中、整平、量仪器高，连接电子手簿或便携机，启动野外数据采集软件，按菜单提示键盘输入测站信息。根据所输入的点号即可
9、提取相应控制点的坐标，并反算出后视方向的坐标方位角，以此角值设定全站仪的水平度盘起始读数。然后，用全站仪瞄准检核点反光镜，测量水平角、竖直角及距离，输入反光镜高度。即可自动算出检核点的三维坐标，并与该点已知信息比较，若检核通过则继续碎部测量。,(b)碎部点的信息采集 数字化测图野外数据的采集方式，常用的方法是极坐标法。在完成好测站设置和检核后，即可用全站仪瞄准选定的碎部点反光镜进行测量；同时按菜单提示输入碎部点信息；全站仪自动测量测站点至待测碎部点间的坐标方位角、竖直角和距离。经软件的自动处理，即可算出待定点的三维坐标，以数据文件的形式存储或在便携机屏幕上显示点位，实时展点成图。现在的电子测图
10、软件，能够在现场自动完成成图，测完后图也全部显示出来。经过现场的编辑、修改，可确保测图的正确性，真正做到内外业一体化。,4.地形图的处理与输出(1)图形截幅 对所采集的数据范围应按照标准图幅的大小或用户确定的图幅尺寸，进行截取。对自动成图来说，这项工作就称为图形截幅。基本思路：根据四个图廓点的平面直角坐标，确定图幅范围。判断坐标，将属于图幅内的数据，组成该图幅相应的图形数据文件，而图幅外的数据仍保留在原数据文件中，以供相邻图幅提取。图形截幅的原理和软件设计的方法很多，常用的有四位码判断截幅、二位码判断截幅和一位码判断截幅等方法。,(2)图形的显示与编辑 高斯直角坐标向屏幕坐标的转换,只需将高斯
11、坐标系的原点平移至图幅左上角，在按顺时针方向旋转90，并考虑两种坐标系的变换比例，即可实现由高斯直角坐标向屏幕坐标的转换。,对在屏幕上显示的图形，可根据野外实测的草图或记录的信息进行检查，若发现问题，用程序可对其进行屏幕编辑和修改，同时按成图比例尺完成各类文字注记、图式符号以及图名图号、图廓等成图要素的编辑。经检查和编辑修改成为准确无误的图形，软件能自动将其图形定位点的屏幕坐标再转换成高斯坐标。连同相应的信息编码保存在图形数据文件中（原有误的图形数据自动被新的数据所代替）或组成新的数据文件，供自动绘图时调用。,(3)等高线的自动绘制 根据实测的离散高程点自动建立不规则的三角网数字高程模型，并在
12、该模型上内插等值点生成等高线；依已建立的规则网格数字高程模型数据点生成等高线。由于不规则三角网数字高程模型点（三角形的顶点）全为实测的碎部点，地形特征数据得到充分利用，完全依据碎部点高程的原始数据插绘等高线，几何精度高，且算法简单。等高线和碎部点的位置关系与原始数据完全相符，减少了模型中错误的发生。因此，数字化测图中生成等高线，多数采用建立不规则的三角网数字高程模型生成等高线。,(4)绘图仪自动绘图 平台式绘图仪：具有性能良好的x导轨和y导轨、固定光滑的绘图面板，故应用最为普及，但绘图速度较慢。滚筒式绘图仪：图纸装在滚筒上，前后滚动作为x方向，电机驱动笔架作为y轴方向，因此图纸幅面在x轴方向不
13、受限制，绘图速度快，但绘图精度相对较低。,19.2.2 地形图手扶跟踪数字化,1.手扶跟踪数字化仪的原理 采用电磁感应元件制作，在数字化平板的表层下有相互垂直的x和y两组栅格线，作为测量x和y方向坐标值的依据；鼠标器内设有一个圆形线圈，线圈发射正弦交流信号，栅格线接受线圈的发射信号，通过对鼠标器下方附近栅格线感应信号的处理，即可确定线圈中心在平板上的坐标，其坐标值是相对于零栅格线的坐标值。,影响图形数字化采集精度的主要因素有仪器本身的硬件误差、人为的采样误差、图纸伸缩变形及定位误差等。,数字化仪坐标系的坐标 地图坐标系的坐标,2.数字化仪坐标转换成地图测量坐标系数的确定 利用原图数字化采集的数
14、据，应考虑图纸的伸缩变形和平面坐标的变换。,通过四个定向元素确定，即x、y坐标的平移值、旋转角和长度比。通常在图幅内选择35个均匀分布的已知点（或四个图廓点）作为定向点。定向元素可以按间接平差原理求出。,3.图形数字化的方法 图形数字化的具体步骤如下：(a)固定图纸(b)检查设备、开机(c)地图定位(d)菜单定位(e)地图符号的数字化(f)全图数字化结束后，应再次数字化四个图廓点或选定的控制点，以检核数字化成果的质量。手扶跟踪数字化由于速度较慢，工作强度较大、精度较低等因素，正在逐步丧失数字化方法的主导地位，取而代之的是扫描屏幕数字化。,19.2.3 地形图扫描屏幕数字化,1扫描仪简介 按色彩
15、辐射分辨率分为：黑白扫描仪和彩色扫描仪 按照仪器的结构分为：滚筒式和平台式扫描仪 数据形式：扫描区域内每个象素的灰度或色彩值，属于栅格数据。,通过扫描仪生成的地形图要能精确地由绘图仪输出，方便地提供给规划设计、工程CAD和GIS使用，关键问题是必须具有功能完善、方便使用的地形图扫描矢量化软件，方能快捷地完成扫描栅格数据向图形矢量数据的转换。,2扫描栅格数据及其矢量化,利用扫描仪得到的地形图信息是按栅格数据结构的形式存储的，相当于将扫描范围的地形划分为均匀的网格，每个网格作为一个象元，象元的位置由所在的行列号确定，象元的值即扫描得到的该点色彩灰度的等级（或该点的属性类型代码），称为象素。数字化的
16、主要目的是能方便地提取地物地貌特征点的三维坐标，及各类地物实体的空间位置、长度、面积等信息，以供使用，或用计算机控制绘图仪自动绘图。通过记录坐标的方式，用点、线、面等基本信息要素来精确表示各类地形实体，这种数据结构称为矢量数据结构。一条曲线是通过一系列带有x，y坐标的采集点给出的，点位越密，表示的曲线越精确，计算机绘图时可以通过软件自动计算并拟合，绘制出平滑曲线。,4为点信息（如独立地物等）1、2可形成线信息（如1代表公路轴线，2代表河流中线等）8则代表某面状信息（例如绿地等）,要想在计算机屏幕上显示、绘图仪自动绘制该曲线，或求算曲线上某点的坐标、曲线的长度等信息，必须首先通过对扫描栅格数据的
17、细化处理，提取图形的构图骨架（即中心线）。再经过计算机软件计算，跟踪处理，将栅格图像数据（中心线）转换成用一系列坐标表示其图形要素的矢量数据。如果底图存在污点，线条不光滑等，再受到扫描系统分辨率的限制，就有可能给扫描出来噪声（误差或缺陷）。所以一般在细化和矢量化之前，应利用专门的计算机算法对栅格数据进行噪声和边缘的平滑处理，除去这些噪声，以防矢量化的误差和失真。此外，由于存在图纸的变形及扫描变形的影响，使得扫描后的图象产生某种程度的失真，因此，需要对图形进行纠正。这项工作称为数据的预处理。,一条曲线的两种表示方法,大比例尺地形图的线划分布比较复杂，地物繁多，相互交叉，且有众多的文字符号，注记等地形要素，一般扫描数字化软件难以做到全自动跟踪矢量化。通常均采用自动跟踪和人机交互编辑相结合的方法完成地形图的矢量化，故称为扫描屏幕数字化。采用这种方法进行地形图数字化，其作业效率比手扶跟踪地图数字化要高23倍。相对于手扶数字化仪来说，扫描仪的优势在于数字化自动化程度高，操作人员的劳动强度小。,
