掃描矢量化精度損失的分析與研究
掃描矢量化精度損失的分析與研究
吳健 鄭偉
摘要：地圖掃描矢量化能達(dá)到怎樣的精度水平，在提高精度方面有哪些有效的途徑是大家關(guān)心的問(wèn)題，它對(duì)于建立具有可靠進(jìn)度保證的GIS和推廣普及地圖掃描矢量化方法具有較高的理論和引用價(jià)值。本文在全面掌握掃描矢量化過(guò)程的前提下，深入分析掃描矢量化的作業(yè)特點(diǎn)和誤差來(lái)源，以定性、定量的研究方法來(lái)確定掃描矢量化精度損失的性質(zhì)、大小和規(guī)律，以便更好的對(duì)誤差做出控制，提高地圖矢量化的精度。
關(guān)鍵詞：掃描矢量化 精度 誤差分析
一、掃描矢量化的定義及特點(diǎn)
所謂掃描矢量化，就是先用掃描儀對(duì)紙質(zhì)地圖掃描得到柵格數(shù)字圖像，然后借助矢量化軟件和人機(jī)交互進(jìn)行處理，得到數(shù)化地圖的過(guò)程。矢量化后的圖形文件常用的格式有*.dwg、*.wmf、*.3ds等。這類文件存儲(chǔ)所占空間很小，很方便攜帶、交換和網(wǎng)上交流。由于我國(guó)目前絕大部分地形圖都是以紙質(zhì)地圖的形式提供，同時(shí)掃描儀性能價(jià)格比的提高和掃描矢量化作業(yè)效率的提高，經(jīng)由紙質(zhì)地圖掃描再進(jìn)行矢量化已經(jīng)成為我國(guó)生產(chǎn)矢量化地形圖的主要方式之一。這種矢量化方式充分利用了現(xiàn)有的大量紙地圖，將繪圖人員從傳統(tǒng)的矢量化儀描圖板前解放出來(lái)，同時(shí)利用了計(jì)算機(jī)高速智能化處理能力，具有速度快，自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)直觀等優(yōu)點(diǎn)。在提高速度、精度和自動(dòng)化程度方面具有很大的潛力。
二、掃描矢量化的基本原理及作業(yè)方式
1.基本原理：利用掃描儀，通過(guò)對(duì)地圖或地圖上的某一區(qū)域進(jìn)行掃描，可以得到一幅含有地圖上的全部要素的二值圖像、灰度級(jí)圖像或彩色圖像，形成標(biāo)準(zhǔn)圖像格式（如PCX格式或TIF格式等）文件。為了方便地進(jìn)行后續(xù)處理，對(duì)直接掃描得到的多灰度圖像通過(guò)進(jìn)行二值化處理得到相應(yīng)的二值圖像，并改善圖像質(zhì)量，在二值圖像的基礎(chǔ)上，按地圖要素的種類分別進(jìn)行矢量化處理，便可得到符合大比例尺地圖數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。
2.作業(yè)方式：目前國(guó)內(nèi)地圖掃描矢量化有兩種作業(yè)方式：⑴ 把柵格圖像作為底圖經(jīng)定向、定位后由操作員在屏幕上用鼠標(biāo)對(duì)特征點(diǎn)逐點(diǎn)采集進(jìn)行矢量矢量化。⑵ 用軟件對(duì)柵格圖像進(jìn)行分析，在少量的人工干預(yù)下自動(dòng)追蹤線狀符號(hào)得到矢量化信息。
3.掃描矢量化過(guò)程
（1）掃描矢量化的生產(chǎn)過(guò)程，總體可以描述為：①地圖原圖的掃描，②圖像的預(yù)處理，③柵格圖像的糾正，④糾正后圖像的矢量化等等。具體流程見(jiàn)圖
地圖掃描矢量化作業(yè)流程
三、掃描矢量化誤差分析
1.誤差來(lái)源：由于紙質(zhì)地圖是一種派生數(shù)據(jù)源，除測(cè)量本身所具有的誤差外，還存在著繪圖誤差、圖紙變形誤差、矢量化方法誤差等。掃描矢量化過(guò)程是空間數(shù)據(jù)采集的過(guò)程，矢量化過(guò)程中各種因素都會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，總的誤差除了工作底圖本身的誤差，還包括圖紙變形產(chǎn)生的誤差，掃描儀產(chǎn)生的誤差，圖像幾何糾正的誤差，以及軟件誤差和操作誤差�？梢愿爬ǔ蓤D3—1所示
2. 誤差分析
(1)掃描矢量化方法精度的實(shí)驗(yàn)分析
為了評(píng)價(jià)掃描矢量化中點(diǎn)位的精度和質(zhì)量，可以進(jìn)行兩種途徑的實(shí)驗(yàn)：一是把數(shù)字化矢量輸出結(jié)果與掃描原圖疊置在一起，觀察其吻合程度;二是對(duì)實(shí)測(cè)點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)與矢量化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的圖上相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比較，用統(tǒng)計(jì)法求出矢量化的平均點(diǎn)位中誤差，這種點(diǎn)位中誤差包括了原圖固有誤差及掃描矢量化誤差的全部。
實(shí)驗(yàn)中所使用的掃描儀為COLORTRAC 3680，分辨率為300dpi、256級(jí)灰度。掃描矢量化軟件為CASS 6.0 for Auto CAD 2002，地形底圖采用全解析野外測(cè)量測(cè)繪地形圖，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)符合國(guó)家規(guī)范與制圖規(guī)范要求。將原測(cè)量的電子圖打印輸出到聚酯薄膜上，用于掃描矢量化。圖紙比例尺為1：500。
首先掃描得到“底圖. tiff”文件，由于薄膜圖紙存在誤差，在掃描過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差，掃描所得到的圖形存在旋轉(zhuǎn)和扭曲，該圖形不能直接用于矢量化，必須經(jīng)過(guò)糾正處理。而CASS只能對(duì)二值圖像進(jìn)行糾正，所以，將“底圖.tiff”轉(zhuǎn)換為“二值.bmp”文件。然后在CASS環(huán)境下，插入柵格圖像，用line命令依次連接內(nèi)圖廓線四個(gè)角點(diǎn)，用list命令查詢這四條線段的長(zhǎng)度，并與圖紙上相應(yīng)控制點(diǎn)間的線段長(zhǎng)度進(jìn)行比較，精確求出圖像的平均伸縮系數(shù)及旋轉(zhuǎn)角，將圖像縮放至實(shí)際大小并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，接下來(lái)利用CASS提供的柵格圖像的糾正功能來(lái)進(jìn)行糾正。由于CASS的糾正功能不夠強(qiáng)大，只選擇4個(gè)圖輪廓點(diǎn)來(lái)進(jìn)行糾正達(dá)不到精度要求，所以本實(shí)驗(yàn)采用仿射變換選擇5個(gè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行糾正。除了4個(gè)圖輪廓點(diǎn)再選擇坐標(biāo)格網(wǎng)上的中心點(diǎn)。校正完成后，按照地物分類，分別進(jìn)行圖像矢量化，過(guò)程中注意適度放大，仔細(xì)選取采樣點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化操作。
a.矢量化輸出圖與原圖的比較
用一張竣工測(cè)量圖作為試驗(yàn)原圖，在對(duì)掃描圖像進(jìn)行二值化、幾何糾正處理、矢量化后，得到的矢量圖與原聚脂薄膜二底圖疊置起來(lái)時(shí)，所有線劃全被二底圖中原有線劃所遮蓋，說(shuō)明數(shù)字化結(jié)果可靠、精度高。
b.實(shí)測(cè)坐標(biāo)與矢量化坐標(biāo)的比較
原圖是由實(shí)測(cè)坐標(biāo)繪制的，是三維坐標(biāo)，在這里只使用其平面坐標(biāo)。校正并矢量化后，圖上坐標(biāo)應(yīng)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)相等，但因?yàn)榇嬖谥鞣N誤差（除測(cè)量誤差外的所有原圖固有誤差及掃描適量化方法誤差），兩者之間總存在不符值，由此不符值可以確定矢量化方法所產(chǎn)生的點(diǎn)位誤差。從圖上選取43個(gè)坐標(biāo)實(shí)測(cè)點(diǎn)，其實(shí)測(cè)平面坐標(biāo)與從矢量化圖形中量測(cè)的坐標(biāo)存在差值，見(jiàn)下表。
實(shí)測(cè)坐標(biāo) 圖上量測(cè)坐標(biāo) △X
(m) Y
(m) M2
(m)
X1 Y1 X2 Y2
95864.190 22102.458 95864.073 22102.760 -0.117 0.302 0.105
95925.292 22400.359 95925.216 22400.379 -0.076 0.020 0.006
95923.745 22155.592 95923.599 22155.599 -0.146 0.007 0.021
95891.122 22161.735 95891.275 22161.841 0.153 0.106 0.035
95930.760 22371.873 95930.812 22371.832 0.052 -0.041 0.004
95901.091 22377.097 95901.108 22377.185 0.017 0.088 0.008
95903.455 22389.547 95903.427 22389.476 -0.028 -0.071 0.006
95903.688 22390.252 95903.657 22390.288 -0.031 0.036 0.002
95907.127 22408.569 95907.035 22408.633 -0.092 0.064 0.013
95929.038 22419.027 95928.901 22418.978 -0.137 -0.049 0.021
95928.268 22419.200 95928.124 22419.160 -0.144 -0.040 0.022
95924.766 22419.849 95924.647 22419.749 -0.119 -0.100 0.024
95924.140 22419.991 95923.915 22419.915 -0.225 -0.076 0.056
95919.415 22132.621 95919.282 22132.736 -0.133 0.115 0.031
95885.074 22139.210 95885.033 22139.572 -0.041 0.362 0.133
95915.352 22111.011 95915.199 22111.006 -0.153 -0.005 0.023
95914.186 22120.952 95914.067 22121.299 -0.119 0.347 0.135
95909.496 22122.028 95909.475 22122.346 -0.021 0.318 0.102
95910.240 22125.424 95910.257 22125.734 0.017 0.310 0.096
95858.244 22100.330 95858.099 22100.661 -0.145 0.331 0.131
95852.487 22096.413 95852.428 22096.619 -0.059 0.206 0.046
95885.986 22165.086 95885.995 22165.448 0.009 0.362 0.131
95889.598 22185.313 95889.569 22185.714 -0.029 0.401 0.162
95909.562 22290.831 95909.657 22291.185 0.095 0.354 0.134
95915.096 22320.161 95915.135 22320.448 0.039 0.287 0.084
95882.850 22206.033 95882.962 22206.141 0.112 0.108 0.024
95902.122 22307.913 95902.267 22308.192 0.145 0.279 0.099
95907.752 22337.287 95907.900 22337.480 0.148 0.193 0.059
95912.606 22335.209 95912.765 22335.371 0.159 0.162 0.052
95915.126 22348.172 95915.188 22348.399 0.062 0.227 0.055
95918.580 22366.293 95918.629 22366.421 0.049 0.128 0.019
95924.139 22395.795 95924.103 22395.779 -0.036 -0.016 0.002
95916.133 22312.359 95916.267 22312.546 0.134 0.187 0.053
95921.139 22338.686 95921.220 22338.917 0.081 0.231 0.060
95924.109 22367.472 95924.165 22367.587 0.056 0.115 0.016
95929.821 22383.437 95929.802 22383.589 -0.019 0.152 0.023
95932.046 22387.986 95931.955 22388.143 -0.091 0.157 0.033
95934.142 22394.132 95934.067 22394.388 -0.075 0.256 0.071
95927.830 22401.310 95927.695 22401.336 -0.135 0.026 0.019
95976.420 22378.710 95976.389 22378.930 -0.031 0.220 0.049
95963.147 22368.577 95963.019 22368.799 -0.128 0.222 0.066
95951.471 22385.364 95951.321 22385.632 -0.150 0.268 0.094
95949.077 22382.275 95948.931 22382.502 -0.146 0.227 0.073
表 3-1實(shí)測(cè)坐標(biāo)與矢量圖量測(cè)坐標(biāo)的關(guān)系
以實(shí)測(cè)坐標(biāo)為真值，則真值誤差由下式計(jì)算：
（3-1）
點(diǎn)位中誤差：
（3-2）
平均點(diǎn)位中誤差：
（3-3）
將數(shù)據(jù)代入（3-1）（3-2）（3-3）三式計(jì)算，得到=0.236m，換算成圖上的點(diǎn)位誤差，則=0.472mm.
由此計(jì)算出的點(diǎn)位中誤差包含了圖紙固有誤差和矢量化方法誤差，即：
（3-4）
則：
（3-5）
以0.43mm代入，得=0.19mm。
(2) 結(jié)論
經(jīng)過(guò)前面的討論可知，實(shí)驗(yàn)和理論估算值基本符合，掃描矢量化方法本身所產(chǎn)生的點(diǎn)位誤差為0.20mm左右。
四．總結(jié)
本文從掃描矢量化的過(guò)程入手，討論影響掃描矢量化結(jié)果精度的因素，在充分掌握了其工作流程的基礎(chǔ)上，分析了各個(gè)過(guò)程中的誤差來(lái)源及精度情況，后根據(jù)具體實(shí)例進(jìn)行掃描矢量化的實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證了估算的精度值的正確性。
參 考 文 獻(xiàn)
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