GIS应用中的地图

GIS应用中的地图扫描[摘要]光学资料扫描系统的最新改进，大大增加了人们将这一技术作为一种有效花费工具以满足对具有现代地理信息系统（GIS）特征的信息的强烈需要的吸引力。但是，要有效地使用这一技术就必须对不同的扫描仪类型、功能状况、数据格式以及扫描仪输出文件的信息内容作基本的了解。本文对扫描仪做了总体描述，介绍了它们在GIS输入中信息数字化方面的应用，以及处理输入GIS的扫描数据的一些可操作的软件工具。1引言地理信息系统（GIS）为存贮某一地区大量的位置定义信息，取出并使用这些存储数据来解决各种问题，并按表格或地图以及地图叠合形式把结果绘制出来提供了一种便利的手段。然而，在使用这一技术中遇到的主要障碍之一就是数据的输入花费太高（Cobb和Williamson1985）。对资料进行编码历来都使用数字化桌，数字化桌上一连串点中每一个点的输出结果都是X，Y坐标。对每一点或一连串点都追加一个属性码以标明正在数字化的是线条、点或是多边形。然而，按这种方式进行数字化，无论时间上还是金钱上花费都是比较大的，具体视编码资料幅面及其复杂性而定（Williamson和Britsch1989）。目前市面上的扫描仪和扫描伺服系统对于图形输入板编码来说具有可选择性。对一幅15’的梯形图幅进行编码，扫描仪所需要的时间不到10分钟，高达每英寸1000个点（象素）或者更高的分辨率是比较普遍的。有些扫描仪还可以对彩色进行识别（Williamson1985）。因此，当代的扫描仪和扫描伺服系统相对于由人工方法进行制图信息编码这些花费较大的过程来讲是一种花费合理的选择。下面针对GIS应用方案中有关最佳编码方法的选择做些讨论。但是决不能认为这些系统可以穷尽一切，因为这一波动性很大的技术几乎天天都会在软件和硬件方面得到新的改进。2扫描仪操作任何类型的扫描仪，其主要的功能都是把量测到的光量转换成电模拟量。当扫描胶片是透过的时候，量测光是透过材料发射出来的，它也可以是从地图或像片上反射来的。对于GIS和其他计算机应用来讲，电模拟量随后要转换成适合计算机处理的二进制形式。如果扫描仪的输出是用作GIS输入的，那么要注意保持扫要素的空间完整性。这一工作一般是将扫描资料表示成格网桩的单元方格（栅格阵）。每一格网单元表示一个瞬时视场，扫描仪在该视场中进行量测。对格网单元进行定义的方式取决于专用的扫描仪，然而从总体上讲扫描仪不外乎这三种类型：飞点式、推扫式或滚筒式。2.1飞点式扫描仪图1是一台典型的飞点式扫描仪，它安装在一个架子上以便其光学系统能够观察到放在它下面平台上的资料。扫描仪到资料间的距离可以根据不同资料的大小进行调节，操作员可以通过扫描仪上的取景器来观察资料，并在开始编码前对扫描仪作适当的调准。当光敏点（瞬时视场）在资料上作系统性的偏转时，编码开始，来自资料上的反射光被诸如影像摄像管、光导摄像管或电荷藕荷器件（CCD）探测器阵列所探测。扫描过程中，将资料表示成一个象素彼此相邻的矩阵，依据探测到的反射光量对矩阵中每个象素赋给一个数值。照明源通常由两个或多个照明灯组成，可以由人工操作把它们安放在能够为扫描几何图形提供最佳的总体照明的位置上。具有代表性的是，飞点扫描仪把要编码的资料表示成512×512或1024×1024个象素的格网阵列，能够进行编码的资料大小以及每一格网单元（分辨率单元）覆盖的面积取决于扫描仪到文件的距离。如果扫描仪上带有合适的滤光镜，那么可以从扫描数据中做彩色分色，但是必须要明白，一般飞点扫描仪上使用的探测器对蓝光和绿光的光谱敏感性都低于其它光，因此，针对这一特征要采取某些类型的补偿对它进行改正。飞点式扫描仪的基本输出是栅格形式，但是有些型号在输出数据前在内部就把栅格数据转换成了矢量数据（或弧—结点格式）。多年来，由飞点扫描仪输出的数据一直用语图象处理和遥感软件系统的数据输入，最近它又用到了GIS中。2.2推扫式扫描仪图2是一台典型的推扫式扫描仪，它由安装在距一狭缝某一固定距离的一个线性阵列CCD探测器组成，探测器通过这一狭缝对资料进行数字化。照明和数字化的几何位置固定，操作员不能改变它。在编码过程中，资料在光孔上由一组挤压滚筒带着它按固定的速度向前移动。一台典型的推扫式扫描仪可处理26英寸宽的资料，资料的最大长度取决于控制扫描过程的计算机的容量。扫描完成以后，把资料按数字形式表示成格网单元栅格矩阵。有些型号在把输出提供给用户使用前先将栅格数据转换成矢量形式。一般推扫式扫描仪的分辨率为每英寸200或400个点。与许多光敏探测器一样，推扫式扫描仪上使用的CCD对蓝光、绿光不敏感而对红光和近红外这些长波光敏感。目前出现的推扫式扫描仪中还没有能够对彩色进行分色的。2.3滚筒式扫描仪图3是一台典型的滚筒式扫描仪，它由一个滚筒、一个支架及有关的电控装置组成。要扫描的资料装在滚筒上。探测器及有关的电子部件和照明源都按其光学系统的瞬时视场能得到均匀照明的方式安装在支架上。滚筒旋转时，量测的数值是一连串相邻象元组成一条扫描线。如果滚筒式扫描仪可以做分色，那么可以用合适的彩色滤光镜沿第一条扫描线进行量测，然后再用两个或三个附加滤光镜重测一次。随后支架向前移动一个步距在下一条扫描线重复量测，直到所有区域都覆盖完为止。目前市场上出现的大幅面扫描仪实际上一次可以量测1000条扫描线，在每一扫描线结束时，支架向前移动一段等于1000条扫描线的距离开始量测下一个1000条的扫描线。扫描后得到的结果是一组把扫描资料的反射特征定义成邻接象元的格网阵列量测值，按保持扫描资料的几何完整性的方式把这些量测值排列起来。所设计的典型扫描仪对一资料进行编码所需的时间不超过10分钟，象素大小可达1.5μm，目前已知的最大扫描仪可以对1.1m×1.6m的资料进行编码。与其它扫描仪一样，滚筒式扫描仪对短波光中的蓝光和绿光不敏感，具体情况视所用探测器的不同类型而异。滚筒式扫描仪的基本输出是栅格形式转换成矢量形式并通过重抽样减少象素的尺寸。3可利用的软件功能3.1GIS的要求国家科学基金会把GIS定义为“对空间（位置定义）数据进行获取、存储、检索、分析及显示的计算机化数据库系统”。如果我们采纳了这一定义，那么将会发现要满足GIS中的数据要求，扫描仪应能够如实地获取地图或图表的细貌并保持数据的空间完整性，特别要符合已建立的VSGS地图精度标准。的确，在把扫描作为一种数据输入方法而制订一个契约之前应该考虑到许多问题。所有扫描仪的原始产品都是象元矩阵中的象元灰色调的数字化记录（或在某种情况下是与白相比的黑度值），这些象元组合起来表示编码的资料。但是，有些扫描仪（及扫描仪伺服部件）在其数据供用户使用前的扫描过程中能够对数据作特殊处理，例如完成数据矢量形式输出的数据处理，或者对基本输出数据进行重采样完成象元尺寸的放大过程。由于扫描输出的数据文件很大，在使用这些输出前要对数据进行某些压缩。具有代表性的，GIS用户想用扫描仪输出数据（a）对精确叠合在现存的USGS或其它地图上的资料或像片作数字化复制，或者用作其它数字信息的背景；（b）把地图或其他原图转换成数字形式输入GIS中；（c）从扫描资料中提取由彩色、纹理、符号或这些分量的组合分开的特殊信息。那些数字化复制产品能用于重叠或作背景，是上述应用中的最低要求，用作叠合或背景的数据不需要改变比例尺、分辨率，并且对诸如数字化误差的斑纹、扭曲及表面变形也很少需作改正。另一方面，如果把数字化的地图当作GIS的一个组成部分，那就需要较多的数据处理步骤。首先必须对数据进行调整以便使数字化输入的比例尺、分辨率及地图投影与所指定区域的其它GIS数据的比例尺、分辨率及投影严格统一起来。为了满足这一要求，经常要占用很长的机时对这些输入数据进行改正。所花费时间是与GIS数据库大小及其分辨率有关的函数。如果覆盖该地区的地图超过一幅，应把这些地图拼接成一个整体对它进行数字化。在处理过程中必须对图幅边界线间产生的漏洞（裂缝）和重叠数据进行改正。如果拼接在一起的地图是不同年代绘制的，就要做更深一步的数字化数据编辑工作以改正地图边界处不可避免地存在的明显的不连续。如果输入GIS的扫描图是等高线图，则要进行编辑工作以去掉沿等高线上的注记并把等高线上的间断处连接起来。每条扫描线上的所有格网单元（象素）都要按高程给它们一个数值。如果等高线的宽度超过了一个象素，这种情况确实存在，那么必须把它减至一个象素，然后再作下一步的分析处理。这些过程完成以后还要采用内插处理以求出表示地图的每个象元的高程。如果输入GIS的扫描图是一幅多边形图（有时称为要素图），则要采用不同的数据处理步骤。首先要从数字记录中把边界区域内的任何注记（即属性码）或符号剔除掉，然后把多边形边界中的每个象素的当前值换成标识属性码。最后从数字记录中把边界线去掉并用多边形的属性值把定义边界的象元值替换掉。因此要把扫描仪数据输入GIS就需要许多数据处理。目前有些功能已经开发出来，但是还要开发其它要求，下表显示了当前扫描仪数据管理的技术发展水平，这些数据主要用于GIS的输入而不是用作背景和叠合的。针对扫描地图和其它资料用户的要求，表1列出了一些典型的软件功能。尽管有些是专为桌面地图印刷和自动化制图应用开发的，但它们也可用于GIS的数据开发。4所需要的软件功能4.1扫描仪/显示器的不相容性计算机在显示器上作图形显示时通常把行的左端定为起点，把右端定为终点，这样把第一个象元定为屏幕的坐上角或西北角，把最后一个象元定为屏幕的右下角或东南角。当采用某种类型的扫描仪尤其是滚筒式的扫描仪对数据进行编码时，必须考虑到计算机屏幕上的这一图形显示方式。大多数滚筒式扫描仪对资料进行编码时都是从滚筒上部，则第一个象素就在地图的西北角，行是从地图上部开始到地图底部结束，列是从西开始向东进行扫描的，在计算机屏幕上显示出来时，地图被顺时针旋转了90度，并且其正反面颠倒。如果把地图北定在操作员右侧，结果是扫描线由西到东，列由南到北而不是所要求的由北到南。如果把地图北定在操作员左侧，扫描线便由东开始到西结束。计算机显示器和扫描数据间的这种不相容性可以采用这样的步骤给以改正：（1）把扫描仪的数据文件拷贝成象元的行和列与显示器输出相容的新文件；（2）编写计算机程序使要输出的扫描仪图像转换成计算机显示器能够正确表示的形式；（3）使用电子光学支架由右向左移动的扫描仪取代由左向右移动的扫描仪。4.2属性分配如表1所示，属性的分配现在可以由操作员对计算机显示器上显示的扫描资料进行人工干预来完成。当一个未注名的多边形（即其属性码没有作数字记录），在计算机显示屏上显示时，操作员可以键入适当的属性码。对图上每个多边形都重复这样做一次直至所有多边形都有一个属性码。对要编辑的等高线赋高程值以便改正诸如线条中断、线条或线条间存在的文本信息时也采用类似的过程。用这种方法可以得到所要求的结果。但是，当图上多边形或等高线比较多时要花费大量时间。事实上，经研究表明，当地图比较复杂时，用人工在数字化桌上进行数字化要比上面提及的扫描后再赋属性码实际上更有效些。对这一过程要求选择开发这些软件，它可以根据彩色、纹理、及地图符号来辨认属性，有了这一功能就可以用彩色码来识别多边形和等高线的属性。通过对标准地图符号进行识别可以不需要人工干预就提取出许多信息来，如森林区域或灌木林。4.3边界线及注记的消除在有些GIS应用中，地图上表示出的实际边界线和注记会占据底图空间，它不利于面积量算和其它分析，用于从地图上去掉线条、注记和符号的计算机程序将减少处理时间，因而，目前GIS开发中遇到数据开发的高花费。这些程序将线条两边的多边形用适当的属性码把线条替换掉，这样当属性码改变时就可以表示出多边形的边界来。4.4等高线编辑地形图上等高线的高程注记经常会把等高线隔断。自动删除这些注记并封闭其占据的空白将大大减少为等高线赋高程属性码所花费的时间。5结论为明显降低GIS中输入地图编码所需的费用，扫描具有一定的潜力可挖。但是在方法选择上要留心，如果扫描的数据用作其它GIS数据的背景或叠合时，在将数据输入GIS前就不需要做太多的数据处理。如果扫描