[科普中国]-扫描数字化

简介

随着计算机应用的普及与发展，“数字地球”已成锐不可挡之势，原有图纸已不能满足测绘单位及工程设计部门的需求，数字化产品的输出已成为必然。但实现数字化成图内外业一体化，目前还有一定困难，特别是对山区及中小城镇来说就更不现实。因此，如何更有效的提高测绘信息的获取精度，完善测绘信息的获取手段，提高外业生产效率，寻找一种在尽量满足测绘精度要求的前提下，最大限度的节省人力、物力、财力的更有效方法，来加速实现地形图的数字化是人们普遍关注的问题。

经扫描数字化到矢量数字化是一种值得推广的高效率的地形图数字化方法。其过程相对比较简单，所需劳动力较少，它可以在原有图纸的基础上实现GIS的建库。经理论分析和实践证明此方法是可靠的。数字化成图一旦实现，就可以得到任意比例尺大小的规范化地形、地籍图产品，也将改写传统的手绘单一比例尺出图的历史，从而节省大量的人力、物力和财力，并且其数据不仅可以通过刻录光盘永久保存，而且还可以通过计算机网络实现资源共享，为生产部门提供专业的数据信息。从而加大了测绘业的科技含量1。

随着大规模数字化测绘生产的开展，基础地理信息质量控制日益受到重视。地形图扫描数字化是基础地理信息的重要来源2。

原理及结构扫描数字化的原理是将图纸通过扫描仪，获得栅格图像数据后，再将其转换成矢量图形数据，以便于输出到各种设备或者其它的数据格式。且其对计算机的要求也不是太高，一般的计算机都可以胜任。

扫描数字化的框图如图1所示。光栅矢量化编辑处理软件主要有两大类：

①运行在Windows 95/98/NT环境下，如德国的VP，美国的R2V，Cutting Shop，I/Vector；

②在Auto CAD环境下运行的，如：挪威的RX，美国的CAD Overlay，GTXRaster CAD，ImageSeries等3。

扫描数字化成图过程及步骤栅格式数字化成图地形图的栅格式数字化，其实质就是将线划地图扫描输入计算机而得到的像素地图(又称位图)，其成图过程一般要经过以下步骤：

（1）地形原图的准备：为使扫描后图像达到满意的效果，在扫描前要整理好图幅。尽量使图面清洁，检查内图廓线是否光滑、清晰，否则应重描内图廓线，从而使在以后纠正处理时，能准确地找到图廓控制点。

（2）地形图的扫描：在地形图的扫描前，要进行扫描仪初始化，并进行预扫，将各扫描参数调到最佳状态，从而使图像达到理想的效果。经成功扫描后所得的图像，为使其文件较小可将其存为* .jpg文件格式，这样就完成了地形图的栅格式数字化。

矢量化数字成图经过扫描所得到的栅格式数字图，它是以点阵式存储的，基本单元为像素，其显示方式是逐行、逐列、逐像的。在图像处理时，随着图像的放大，图像会变得模糊，甚至出现锯齿，图像将严重失真，且其图像本身的存储耗用空间大。这在生产应用中，极不便于数据管理和交流，因此对栅格图像必须矢量化。所谓矢量化就是指将栅格图像转换为矢量图像的过程。在矢量化时，一般线段可做自动跟踪矢量化，由于地形图上线划分布比较复杂，尤其是大比例尺地形图，地物要素的多样、重叠、交叉以及一些文字符号、注记等，使全自动跟踪矢量比较困难。一般都采用人机交互与自动跟踪相结合的方法完成栅格式数字图的矢量化，由于这一过程都在屏幕上进行，故又称为屏幕数字化。

（1）图像矢量化预处理：由于图纸在扫描过程中，总存在系统误差和偶然误差，比如:由于图纸本身的横纵方向不等比例收缩;图纸摆放方向与扫描方向存在角度偏差;扫描滚筒在扫描过程中产生位移等。因此在图像矢量化前必须对其进行伸缩改正和图片倾斜改正，甚至有时对图像进行重新拼接，从而使图像达到满意的效果。图像的纠偏及改正是一项十分复杂的工作，但这都可以通过图像处理软件及软件包来轻松实现，目前比较好的软件有：Photoshop6.0、Geoscan以及AutoCAD2000等。

（2）矢量化方法的选择：在图像矢量化时，选用恰当的方法可以保证成图精度。一般图像的矢量化有两种方法，其一是“骨架法”，它要求在绘制时主要捕捉单位栅格灰度等级设置在最大处;其二是“轮廓法”，采用此法要求在绘制时，主要捕捉单位栅格灰度等级设置在栅格角点。但选用“骨架法”，其效果更为理想，因为此时画出的线条可以保证在栅格图线条的中央位置，这样可以保证数字图的精度及准确度。

（3）扫描图像的矢量化：经过图像校正及正确的矢量化方法确定后，接下来就可进行图像矢量化。目前，能实现栅格图像矢量化的软件很多，笔者经过实践，认为Geoscan软件最理想。因为经过此软件矢量化后，所得到的图像线条平滑，点位精确，并且矢量化速度快，效果好。

（4）栅格式数字图与矢量式数字图的分离：将栅格式数字图转化为矢量式数字图后，此时二者还同时存在于同一个文件中。经过认真编辑(包括数据的添加、删除、修改，图形的分割、连接、显示、放大、选取，以及线划、符号、注记和图廓整饰处理等)，检查无误后，就可将二者分离。利用删除命令删除最早调入的图像文件即可。保存图形，就生成了正规的用于输出的绘图数据文件。

数据处理和编辑出图（1）数据处理：经过以上的工作，虽然已经得到了矢量式数字图，但经Geoscan矢量化的矢量式数字图中的数据，此时还比较混乱，是一个杂乱的数字堆图。为便于数据的提取、分析和编辑，还必须经过专业的绘图软件进行处理，给不同的地物地貌赋予属性。

（2）编辑、输出图形：通过数据处理形成数字化图后，作最后检查校对，确认无误即可输出数字图。其输出的数字图产品包括：一是数据文件。在进行最终的数据文件输出时，要求用CAD通用的文件格式.dwt输出，以便于数据交流；二是打印纸图。矢量式数字图可以任意比例尺大小经绘图仪输出，一般视用户的要求而定；三是屏幕显示图像。它们可以分别通过光盘刻录机、绘图仪(或打印机)、显示器等硬件设备来实现1。

地形图数据采集及数字化过程中的误差分析（1）地形原图误差：地形图原图的误差指在地形图数字化前已产生的误差。一般在数字化前，对扫描底图都已经进行了检校，是确认为合格的图纸。因此它的误差主要有：①地形图测量中控制点和碎部点的测量误差。其限差大小由成图比例尺大小而确定；②控制点的展点误差。控制点展点一般用展点仪在聚脂薄膜上进行。因此，误差主要来源于手工操作，其大小一般为0.10- 0.15mm。③绘图误差。是指在绘图过程中由于环境、温度、绘图员素质等综合因素产生的误差，其值约在0.10- 0.18mm的范围。

（2）图纸扫描误差：图纸扫描误差主要由扫描仪出厂的技术参数、操作员的素质水平、扫描介质均匀度和处理扫描图的软件决定。扫描仪的技术参数包括扫描仪的分辨率、光学误差、电信号转换过程中的误差，扫描过程中的歪斜失真度以及外界因素影响产生的误差等。

（3）扫描原图比例尺误差：由于地形原图比例尺大小不同，则单位图纸距离表示的实际长度不同，对于经扫描后输入计算机的栅格式数字图也仍然同时存在。但此问题一般随地形图比例尺的增大而减小。所以，在进行数字化成图时，一般提倡采用大比例尺底图。此外，一般手绘地形图的人眼视觉误差在0.10mm左右，而计算机“视觉(捕捉)”误差是以像素计的，并且捕捉单位可以人为调整，实际上此误差只为手工操作的85%。

（4）图纸矢量化误差：指在将栅格数据转换为坐标序列数据时产生的误差。由于扫描图像矢量化是一种单调乏味、容易出错的工作，手和眼所引起的坐标误差就在所难免。其具体大小会随操作员的业务素质高低和工作的时间长短而不同。由此可见，虽然采用了最先进的矢量化软件，其误差也是存在的。

（5）图形输出误差：当地形图数字化完成并形成数据文件后，即可输出图形。图形输出设备一般有绘图仪和显示器等，则其输出误差主要包括:显示误差和打印误差。它们都由各自本身的技术参数———分辨率决定，一般当分辨率达到300dpi时，误差可控制在0.085mm以内。

（6）软件本身的误差：软件功能强大，并不等于软件万能。它本身只是一组数据程序，其功能也是有限的，而且不同的软件它所要求的运行环境也不一样。由于在进行数字化时，采用了各种专业软件。因此，这必然给结果带来误差，并且还有误差传播的可能，只不过其误差很小，可以忽略不计1。