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城市规划／１９９８年第１期扫描技术在城市规划信息系统中的应用姜崇洲李鹰黄伟唐忠成表１：矢量与栅格数据的比较内容矢量图形数据光栅图像数据描述图的要素点、线、面、文字、多义体（子图、块）栅格形式的黑白、灰度、彩色阵列描述方式抽象数字描述，轮廓表示，有局限性自然描述，简单，无局限性记录方式（ｘ，ｙ）解析记录，无比例尺影响，精度高，存贮量小２４，２１６，２２５６等规律的记录、固定分辨率、存贮量大数据的编辑与分类易编辑与分类难，只能简单分类显示与绘图输出要转换为栅格形式（笔式绘图仪可不转）不用转换，直接输出（笔式绘图仪无法输出）信息采集能力弱，对信息采集要有抽象化过程，许多信息无法采集，成本高、周期长强，任何信息均可采用，形式直观、生动、成本低、周期短表２矢量和栅格结构的ＧＩＳ特点特性矢量结构栅格结构易学习性难，结构复杂，难以掌握易，功能直观，易于掌握位置的精确性精度高、准确性好用较大象元减少数据量时，精确性差属性的精确性对点、线、多边形实体非常精确，连续实体需要用ＴＩＮ或类似的内插技术对连续实体有效，对现实世界中的属性分布的位置精度受象素的尺寸限制数据的综合分析能力空间查询容易，对交叉口的数据分析较容易空间查询困难，空间分析容易，数学模拟（滤波、建模）方便数据结构复杂简单叠置功能好、多层的叠置会产生许多碎片，难以消除叠置和组合不成问题存贮要求数据量小，结构复杂数据量大，采用复杂结构时可减少数据量影像数据的处理能力差，数据必须被栅格化好，同一数据结构地图投影变换相对地容易，通常都提供软件包困难，经常产生“偏差”影像，产生邻里功能问题处理网络结构好，因为系统能处理线差，栅格结构不满足网络结构费用高，技术复杂便宜，开发费用低，正在迅速发展地图输出精确美观差，不精确、看起来不像地图一、扫描技术的基本原理及其特点１．扫描的基本原理与概念扫描仪目前均采用ＣＣＤ技术，即通过光学摄象镜头将图像的光学信号转换为计算机格式的电磁信号，其扫描工艺与复印机类似，只不过是复印机的光学镜头是将图像光的信号转换为电热的感应信号，再通过炭粉印到纸上罢上。扫描仪的扫描方式是通过格行采样的记录方式，即相邻象素串接的原理［２］。信息扫描后为图像，图像以栅格的形式进行记录。２．扫描图像的特点扫描图像信息与矢量数字化信息有着本质的不同。除了在采集、处理和输出等形式上不同外，最主要的是格式和内容上的不同，表１列举了不同之处。由于数据结构不同，也带来了系统特性的不同，不论是对ＧＩＳ系统还是对工程ＣＡＤ系统，使系统的开发、建立、应用都将产生较大的变化，表２列举了两种结构的ＧＩＳ的特点。３．系统结构的确定在系统建立与系统集成结构确定时，要根据两种数据结构的特点来确定采集方案，并制定一套实用的方法。对于城市规划信息系统，一种可采用的方法是：基础地图只作一般的参照基础，地形图扫描输入做为一层叠加到系统中辅助规划设计与规划管理，系统要求的拓扑关系、分类及属性关系不是建立在传统基础地形图上，而是建立在规划局最有权威的，又是频繁使用的专业信息层上，如道路、用地、地块、分区等矢量结构的数据基础上。如果需要部分基础地形图的信息，也可通过矢量化提取和建立拓扑关系，链接属性得到规划信息系统中所需的信息，这样可以快速、有效灵活地建立一个实用的规划信息系统，这种结构的信息系统也适合其它部门的专业信息系统的建立。二、扫描处理方法及其工艺１．图形扫描的一般流程如图１所示，目前市面上可供选择的大型工程扫描仪及其特点如表３所示。扫描文件格式一般可根据应用系统的要求来定，从各应用系统看ＴＩＦＦ格式是被ＡＲＣＩＮＦＯ，Ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈ，Ｍａｐｉｎ－ｆｏ，ＡｕｔｏＣＡＤ的ＣＡＤＯｖｅｒｌａｙ，ＥＲｍａｐｐｅｒ等软件普遍接收并压缩比表３各种扫描仪的比较ｏｎｔｅｘＦＳ系列Ｏｃｅ系列ＶｉｄａｒＣＣＤ技术最早研制的厂家ＯＥＭｃｏｎｔｅｘ技术新ＣＣＤ技术ＤＰＩ３００，５００，８００，１０００３００，～１０００７５，１００，～８００机械控制一般较好较好消蓝功能均匀消蓝均匀消蓝动态消蓝支持图像格式多种多种多种及ＪＰＧ压缩扫描速度较慢一般最快价格最低最高适中较好的格式，压缩比最大的是ＪＰＧ文件格式。２．扫描仪是一个相对复杂的输入设备对它的技术掌握和参数的合理调整，会对扫描图的质量产生很大的影响，除对各种扫描介质及原图质量要加以具体分析外，扫描过程中的主要参数有三个：分辨率、门槛值（灰度值或对比度值）和滤波值。①扫描分辨率的确定扫描仪的分辨率分光学分辨率和插值分辨率两种。光学分辨率是扫描仪光学部件的“真分辨率”，内插分辨率是通过算法对已存的像素的灰度值作内插，将内插值赋予内插像素。扫描仪的分辨率一般用每英寸的点数（ＤＰＩ）表示，分辨率并不是越高越好，过高的分辨率对影像质量并没有明显提高，但会使数据量呈几何基数增长；分辨率偏低则会损失影像分解力，丢失信息。对影象图扫描时，合理的扫描分辨率的确定，可根据采样定理来确定，即要求采样间隔Δ（分辨率的倒数）不大于两倍的截止频率ｆｃ的倒数。Δ１≤１２＊ｆｃ象素分辨率对线分辨率的关系为：ｎｆｎａ＝１２２即截止频率的倒数应小于等于图上最细的线划和图形符号间最小的间隔。根据《１∶５００、１∶２０００地形图图式》要求１∶５００１∶２０００地形图上一般线粗为０．１５毫米，点大为０．２５毫米，各符号间的距离不小于０．３毫米。取采样间隔为０．０８毫米（对应分辨率３１８ＤＰＩ或４５０ＤＰＩ）基本上能保证０．１５毫米宽的线取得３个样点，设门槛值为平均灰度，则最少记录２个点，最多记录３个点，既可基本保证扫描的地形图不断线，又可使线与符号不粘连，因此，对１∶５００和１∶２０００地形图采用３００至４００ＤＰＩ为合理扫描分辨率，具体值的确定应与门槛值的确定配合起来。②扫描门槛值的确定门槛值即对二值扫描图而言，对不同的扫描仪，只为一个参数即灰度值，高于灰度设定值的为黑，反之为白不记录。有二个参数的为亮度与对比度值，则对比度和亮度综合影响灰度值。门槛值为０～２５５之间，设置过低，采样的点大部分会被记录，线条会变粗，许多脏点和底色也会被扫入。设置过高，许多信息虽然被采到样，但也不会被记录，线条过细易断开。因此要根据图纸的质量和线的清晰度来调整，一般在１２０～１５０之间。③滤波值的确定扫描中，因为截止频率的格行扫描及污点会产生许多“噪声点”即脏点，它们会使图像质量变差并加大信息量。因此，要在扫描中进行滤波，滤波的最大值应小于图中的最小点的值，根据《１∶５００，１∶２０００地形图式》，点最小要大于０．２５毫米，则在扫描时若取３００ＤＰＩ，扫描时则为：０．２５毫米ＰＤ×３００ＤＰＩ／２５．４毫米ＰＩ＝３（象素），４００ＤＰＩ时为４个象素。滤波值应取小于３～４个象素。３．扫描的精度分析①误差产生的原因：一般立式ＣＣＤ扫描仪，主扫描方向为ＣＣＤ的电子式扫描，副扫描方向为机械式走纸。扫描仪误差来源主要有以下几个方面：ａ）．外界因素影响产生的误差。电源的稳定性和温度影响扫描仪性能，个别时候会发生扫描带影像的丢失。此时经检查发现后要重新扫描。ｂ）．主扫描方向误差；此误差较小，一般为千分之几。由于仪器的光学性能和ＣＣＤ制作工艺影响，使扫描沿扫描方向的行长有变化，即各象元对应于原图呈现稀密不均。当扫描速度变慢时，象元出现重叠，速度变快时，象元之间距离拉大。ｃ）．副扫描方向的误差：误差较大，一般为百分之几。垂直扫描方向为机械式运动，扫描仪驱动部件的制作工艺使走纸不均匀而产生扫描倾斜、扭曲（扫描行之间重叠或距离拉大）。扫描的误差为几何变形的误差，可看作平移、缩放、旋转、仿射、偏扭、弯曲以及更高变形的综合作用结果。②误差的纠正：图形扫描后要满足ＧＩＳ、ＣＡＤ与工程测量的要求，则一定要进行误差纠正处理，因为图形信息已被扫描数字化了，而数字化图与其它介质成图的最大不同是，它很容易、便宜、解析地通过算法对几何误差进行纠正。扫描图的几何纠正包括两个主要新技术应用图１图形扫描流程表４三种应用方法的比较性能叠加方法矢量化方法追踪方法应用周期快，可直接应用，易掌握一般，可批处理，慢，手工操作，专业培训工作量小，２个工序中等，３个工序以上大，工序多，人工判读多技术要求简单复杂，参数调试对效果影响较大复杂，对图库的设计与判读达到专业要求分层、拓朴、属性编码等无较难易对原图信息的变形无图形尚可，文字符号较大较小，但取决于图形库的设计与人工识别的能力适用范围背景叠加背景叠加，简单提取专业、特殊、信息提取费用小较多最大新技术应用内容，其一是按照选定的某种变换方式，将扫描图中每个像元的坐标值变换为相应的纠正图的坐标，即像元的重新定位问题；由于图像几何变形，在重新定位后的纠正图上像元的分布出现稀密不均，因而校正的第二个内容是使新图象元点分布均匀，新图象的每个象元的亮度值是按校正的定位关系。③精度分析与误差检测扫描图纠正后是可以进行定量的误差估算，误差的检查主要有两个方面的内容，①整体控制网的套合，按边、相邻拼图之间的误差。②图上各象素点的定位误差。对于第一种误差，因为总的控制网格可由计算机按解析数据输入，并且扫描图像可以在计算机和屏幕上充分放大到每个象元（如３００ＤＰＩ的图为０．０８毫米），因此套合误差可以控制得很小，比原手工定位提高１０～１００倍，由此计算机产生的按边误差也很小，一般小于图上０．１５毫米。对第二种误差，可用构成下列误差方程式：设每个控制点Ｉ的误差方程为：Ｖｘｉ＝（ＩＸ，Ｙ，Ｘ２，ＸＹ，Ｙ２，…）（ａ０，ａ１，…ａＮ）Ｔ－ｘｉ并设σ０２是与控制点影像坐标观测值的权Ｐｉ所对应的单位权方差，即Ｐｉ＝σ０２／σｉ２式中σｉ２为坐标观测值方差，经平差计算后，可对单位权方差σ０２进行估计：σで２＝ＶｘＴ·Ｐ·Ｖｘｍ－Ｎ式中（ｍ－Ｎ）为多余观测数。单位均方差反应了扫描图实际的纠正精度，如检查发现精度不满足要求，应对每控制点的平差剩余进行检查，剔除最大误差后重新平差至满足要求。三、扫描数据在实际中的应用扫描数据与传统的矢量数据在结构和形式上有着本质的不同，因此它的应用方法和效果也与矢量数据迥然不同。对其特点的掌握和实用方法的确定会直接影响实用的效果。根据对国内外软件及技术的了解和我们实践的探索，可以归纳出三种与矢量数据一体化的应用方法，即：叠加法（Ｏｖｅｒｌａｙ）、矢量化法（Ｖｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ）和跟踪法（Ｔｒａｃｉｎｇ），其工艺及效果分别介绍如下：１．栅格与矢量的叠加方法：这类系统开发栅格与矢量的混合处理能力，能在矢量工作环境下直接调用，定位叠加、联合编辑、屏幕数字化、索引检索、矢量到光栅的转换、叠加输出、分类存贮等功能。使扫描图作为一个空间背景数据直接为矢量数据服务。这种是最直接的应用方法，而且扫描数据无任何变形与失真，这类系统有：ＡｕｔｏＣＡＤ上的ＣＡＤＯｖｅｒｌａｙ系列，ＩｎｔｅｒｇｒａｐｈＭｉｃｒｏｓｔａ－ｔｉｏｎ上的ＩＲＡＳＢ，／ＩＲＡＳＣ，Ｍａｐ－ｉｎｆｏ，Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ的ｇｒｉｄ的光栅叠加模块等。２．扫描图矢量化方法这种方法是人们最早应用并期待的一种方法，此方法通过识别技术与去毛刺、细化、自动跟踪等算法将扫描图自动全部或区域矢量化，矢量化后的数据完全可转入到矢量化系统中，再进一步处理，但图象的识别技术与人工智能等算法的限制，目前许多软件达不到人们理想的应用要求，特别是识别中的汉字、符号、交叉与转折点的变形，线的自动封闭与跨断点不可能，编码与拓扑关系的建立等问题，使此方法的应用受到许多限制，目前来看对图片的线、点等信息的识别和准确度还是可以的，对已分类／分层的专项图（如等高线、河流、道路等）也可接近实用的效果，但对综合复杂的图，则形成了“眉毛胡子一把抓”的效果。矢量化的软件也较多，经中外专家与应用部门的实践，其中Ｐｒｏｖｅｃ，ＤＭ，ＣＡＤＯｖｅｒｌａｙＲ２Ｖ，ＡＲＣ／ＩＮＦＯ公司的ＡＲＣ／ＳＣＡＮ，Ｇｅｎａｍａｐ等及我国国家测绘局科研所、华中理工大学等开发的软件等均有各自特长的应用。３．扫描图半自动跟踪方法这种方法是介于前二种方法之间的一种方法。这种方法即可以从扫描图中提取矢量化的数据，又不是全部“傻瓜”机式的把全部信息都自动矢量化，而是