计算机地图制图原理与方法.docx

第一章：地图是按照一定的数学法则，将地球（或星体）表面上的空间信息，经概括综合后以可视化、数字化或可触摸的符号形式，缩小表达在一定载体上的图形模型，用以传输、模拟和认知客观世界的时空信息。计算机地图制图，是指以计算机硬件设备为基础，在相应软件系统支持下，以数字格式对地图制图要素进行采集、处理与管理，按照地图制作的规范进行符号化、图版制作与输出、并提供地图自动分析的全过程。或者说，计算机地图制图是以传统的地图制图原理为基础，以计算机及其外围设备为工具，采用数据库技术和图形数字处理方法，实现地图信息的获取、变换、传输、识别、存储、处理、显示和绘图的应用技术。计算机地图制图的特点：与传统地图制图比较：计算机地图制图信息容量大，易于校正、编辑和更新；无级缩放、无缝漫游； 良好的交互性，地图制图自动化程度较高，制图效率高； 成图精度高，更新速度快； 便于信息共享与交流，易于派生新信息；易于与其他系统结合；计算机图形学是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。计算机图形学的研究内容：图形输入技术， 图形建模技术， 图形操作算法图形处理与输出技术， 图形标准 ，计算机制图软件与系统开发 ，真实感图形、科学计算机可视化与多媒体制图图形应用技术。计算机地图制图系统由五个部分组成，硬件、软件、制图数据、地图模型与方法以及操作管理与应用人员。计算机硬件系统：控制器、运算器、存储器、输入、输出设备，控制器与运算器称为CPU，CPU 与存储器称为主机。第二章：地图的概念：按照一定的数学法则，将地球（或其他星球）上的自然和社会现象，通过制图综合所形成的信息，运用符号系统缩绘到平面上的图形，以传递它们的数量和质量，在时间和空间上的分布和发展变化。地图的分类：按地图的内容（普通地图和专题地图），按地图比例尺（大比例尺地图大于等于1：10万，中比例尺地图大于1：100万小于1：10万，小比例尺地图小于等于1：100万），按制图区分，按用途分，按承载介质分，其他分类。数字地图是以数字形式记录和存储的地图，是在一定的坐标系统内具有确定的位置、属性及关系标志和名称的地面要素和现象的离散数据，是在计算机可识别的存储介质上存储的概括的有序集合。电子地图：是以地图数据库为基础，通过一定的硬件和软件在电子屏幕上显示的可视化的地图，是数字地图在屏幕上符号化的表示。数字地图是电子地图的基础，是存储方式；电子地图是地图数据的可视化产品，是数字地图的可视化，是表示方式；数字地图按其几何数据表示的形式，可分为：矢量和栅格两类。矢量式数字地图是目前数字地图的一种主要形式，其特点是点的位置由平面坐标决定，任何图形都由点的连线来确定因此便于进行地理要素和物体的计算和分析，便于数据的提取、修改和制作线划图。栅格式数字地图是由扫描获得的像素矩阵组成的,像素的尺寸就决定了地图的分辨率。包括扫描输入计算机的像素地图和数字化摄像输入、处理的数字影像和数字地面模型(DEM)。屏幕数字化的优缺点：扫描数字化法（屏幕数字化）是目前比较先进的地图数字处理方法，作业速度快，精度高。扫描数字化地图的最终精度即所获得的矢量化数据的精度取决于地图底图上描述地图要素的宽度、复杂程度、扫描仪的扫描分辨率、地图工作底图的变形误差、作业员的熟练程度等。地图制图数据的预处理：几何纠正，图幅定向，数据裁减与拼接，投影变换，地图比例尺变换，数据压缩，数据光滑，数据规范化，数据匹配等。数字地图的数据压缩分两种，一种是信息量的压缩，另一种是存储空间的压缩。地图数据的压缩方法：间隔取点法 ，垂距法，偏角法 ，道格拉斯-普克法 ，光栏法。大多数情况下道格拉斯普克法的压缩算法较好，但必须在对整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大；光栏法的压缩算法也很好，并且可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；间隔取点法、垂距法、偏角法算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点去掉而失真。数据匹配是实现误差纠正的又一种方法，是数据处理的一个重要方面。第三章：图形有两种表示方法：点阵表示（图像）矢量表示（图形）图形的扫描转换：在图形输出时，从图形对象的几何和拓扑信息出发，如何确定最佳逼近图形的像素集合，并用指定的颜色和灰度设置像素的过程称为扫描转换或光栅化。步骤： 1、确定有关像素 2、用图形的颜色或其他属性对像素进行写操作。直线绘制算法遵循的原则：（1）尽可能的直，尽力那个避免阶梯效应；（2）具有精确的起点与终点，具有连续性；（3）显示的亮度或颜色应在直线长度范围内均匀变化，且与直线的长度和方向无关；（4）生成速度要快；（5）尽量适合硬件实现。多边形有两种重要的表示方法：顶点表示和点阵表示。多边形分为三种：凸多边形、凹多边形、含内环的多边形。多边形的扫描转换过程：求交，排序，配对，着色。简单的边填充算法：基本思想：对于每条扫描线和每条多边形边的交点，将该扫描线上交点右方的所有象素取补。特点：方法简单，每一个像素被访问多次，输入输出工作量大。栅栏边填充算法：栅栏：与扫描线垂直的直线，通常过多边形顶点，且将多边形分成两半，尽量使两部分边数相等。方法：对每个扫描线与多边形的交点，将交点与栅栏间的像素取 “补”。 特点：方法简单，减少了被重复访问的像素，特别是有多个填充对象时，效果显著。像素作为四连通区域，其边界像素只要是八连通即可；像素作为八连通区域，其边界像素必须是四连通区域。一般规定：四连通区域采用八连通边界，八连通区域采用四连通边界。简单种子填充算法：基本思想: 首先，确定区域内的点(x,y)是否是老像素值，若是，将其改变成新像素值; 然后，按四连通或八连通方法检测该点相邻的像素值，递归调用该算法。 扫描线种子填充算法过程：当给定种子点时，首先填充种子点所在扫描线上的位于给定区域的一个区段，然后确定与这一区段相联通的上下两条扫描线上位于给定区域内的区段，并依次保存下来，反复这个过程，直到填充结束。图案填充基本原理：用一个图案模式来填充一个给定的区域。第一步：定义图案。第二步：填充区域。扫描转换与区域填充的比较联系： 是两类典型的面着色问题，用于真实感图形显示，具有密切的联系。如在一定条件下，多边形的扫描问题与区域填充问题可互相转化。差别：（1） 基本思想不同。（2） 对边界的要求不同。（3） 出发点不同。结论：不能互相取代。矢量和点阵型字符比较： 矢量字符具有存储空间小，美观、变换方便等优点。对于字符的旋转、缩放等变换，点阵字符的变换需要对表示字符位图中的每一象素进行；而矢量字符的变换只要对其笔画端点进行变换就可以了。字符属性： 字高、字宽、字倾斜角 、对齐 、字色 等。图形数据结构：是指图形数据在计算机内的组织和编码形式。图形信息：图形对象的描述离不开大量的图形信息，如对象及构成它的点、线、面的位置及其相互间关系和几何尺寸等都是图形信息。非图形信息：表示这些图形对象的线型、颜色、亮度以及供分析和模拟用的质量、比重和体积等数据是有关对象的非图形信息。几何信息:一般是指形体在欧式空间中的位置和大小。拓扑信息：是形体各分量的数目及其相互间的联系关系。拓扑关系：是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法，是指图形在连续状态下变形，但图形关系保持不变的性质。地图数据可抽象为点、线、面3种要素，即称为拓扑元素。拓扑关系包括：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含、其他拓扑关系。数据结构：即数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理、处理的数据逻辑结构。地图数据：是以点、线、面等方式采用编码技术对地图要素进行特征描述及在要素间建立相互联系的数据集。栅格数据结构：是以规则的像元阵列来表示地图要素及其分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物属性特征。栅格数据结构非常适用于表达遥感影像数据和DEM。矢量数据结构：是主要的地图数据结构，它通过记录坐标的方式尽可能精确地表达点、线、面分布的地物要素。矢量数据和栅格数据的比较：栅格模型（优点：数据结构简单，叠加操作易实现，能有效表达空间可变性，栅格图像便于作图像的有效增强。缺点：数据结构不严密不紧凑，需要用压缩技术解决这个问题，难以表达拓扑关系，图形输出不美观，线条有锯齿需要增加栅格数量来克服，会增加数据量），矢量模型（优点：提供更严密的数据结构，提供更有效的拓扑编码，因而对需要拓扑信息的操作更有效，如网络分析，图形输出美观，接近于手绘。缺点：比栅格数据结构复杂，叠加操作没有栅格数据有效，表达空间变化性能力差，不能像数字图形那样作增强处理）地图数据管理阶段：程序管理阶段、文件管理阶段、数据库管理阶段。数据库系统的数据模型可以归纳为：传统的基于记录的数据模型和新兴的基于对象的数据模型。而基于记录的数据模型又分为：层次模型、网络模型和关系模型第五章：重叠判定算法：判定空间一点与另一点是否重叠，只要判断两点之间的距离是否为0；判断两条直线是否重叠，可先判断它们是否共线，即判断一条线段上任意一点是否在另一条线段所在的直线上，或是比较两条线段的方向向量，并判断一条线段上的任意一点是否在另一条线段所在的直线上，若两条线段不共线，则它们不可能重叠，否则可通过端点坐标的比较来判断线段的重叠部分；判断两个平面的重叠关系，一种方法是判断一个平面上不共线的3个点是否在另一个平面上，另一种方法是先比较两个平面的法向量，再判断一个平面上的某点是否在另一个平面上。确定图形中哪些部分落在显示区内，哪些落在显示区外，以便只显示落在显示区内的那部分图形，该选择过程称为图形裁剪。裁剪的核心问题是速度。编码裁剪算法（Cohen-Sutherland裁剪）步骤：步骤1：对线段的两个端点进行编码；步骤2：根据线段两端点的编码：判断相对于窗口的位置关系，从而决定对线段如何剪取（1）若code1=0，且code2=0，显示此线段，程序结束。（2）两端点编码逻辑与不为0时，不显示此线段，程序结束。（3）两端点编码逐位逻辑与为0时，计算该线段与窗口某一边界或边界的延长线的交点，在交点处把线段一分为二；递归裁剪两段直线。（其一必在窗口外，另一段又分为两段，重复上述处理，直到分成一段在窗口内，一段在窗口外为止。优点：用编码方法可快速判断线段-完全可见和显然不可见；缺点：求交点，大量乘除运算，不易于硬件实现。特别适用二种场合： 大窗口场合；窗口特别小的场合(如, 光标拾取图形时,） 多边形裁剪的关键：求出新的顶点；删除落在边界外的顶点；形成裁剪后的多边形的正确的顶点序列。Sutherland-Hodgman算法基本思想：通过用窗口各边所在的直线逐一对多边形进行裁剪来完成多边形的裁剪。Weiler-Athenton裁剪算法（内裁剪）步骤：1、建立主多边形和裁剪多边的顶点表2、求主多边形和裁剪多边形的交点，并将这些交点按顺序插入两多边形的顶点表中。在两多边表形顶点表中的相同交点间建立双向指针 。3、裁剪 如果存在没有被跟踪过的交点，执行以下步骤： (1)建立裁剪结果多边形的顶点表 (2)选取任一没有被跟踪过的交点为始点，将其输出到结果多边形顶点表中 (3)如果该交点为进点，跟踪主多边形边边界；否则跟踪裁剪多边形边界 (4) 跟踪多边形边界，每遇到多边形顶点，将其输出到结果多边形顶点表中，直至遇到新的交点 (5)将该交点输出到结果多边形顶点表中，并通过连接该交点的双向指针改变跟踪方向（如果上一步跟踪的是主多边形边界，现在改为跟踪裁剪多边形边界；如果上一步跟踪裁剪多边形边界，现在改为跟踪主多边形边界） (6)重复(4)、(5)直至回到起点交点的奇异情况处理1、与裁剪多边形边重合的主多边形的边不参与求交点；2、对于顶点落在裁剪多边形的边上的主多边形的边，如果落在该裁剪边的内侧，将该顶点算作交点；而如果这条边落在该裁剪边的外侧，将该顶点不看作交点 图形变换一般是指将图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形。齐次坐标优点： （1）使图形变换的运算能用统一数学形式表达。 （2）可以表示无穷远点。二维几何变换的特点（1）平移变换只改变图形的位置，不改变图形的大小和形状；（2）旋转变换仍保持图形各部分之间的线性关系和角度关系，变换后直线的长度不变；（3）比例变换可改变图形的大小和形状；（4）错切变换引起图形角度关系的改变，甚至导致图形发生畸变；（5）拓扑不变的几何变换不改变图形的连接关系和平行关系。投影就是将n维空间中的点变换成小于n维空间的点。投影变换常用平行投影以及透视投影等。平行投影：投影中心与投影面间距离为无穷远；正平行投影：投影方向和投影面垂直。三视图：三个投影面和坐标轴相互垂直。正轴侧：投影面和坐标轴呈一定角度的关系。斜平行投影：投影方向和投影面不垂直。透视投影：投影中心与投影面间距离为有限； 透视变换：将空间中的物体透视成空间中的另外一个物体，然后再把这一物体图形投影到一个平面上，从而得到透视投影图。透视投影必须具备三个条件，即物体、投影面和点光源。将投影面置于物体与点光源之间，而后使物体向向投影面进行投影的过程，称为透视投影。透视投影的视线是从视点(观察点)出发，视线是不平行的，任何一束不平行于投影平面的平行线的投影将汇聚在一点称之为灭点，在坐标系上的灭点称为主灭点。透视投影按照主灭点的个数分为一点透视，两点透视和三点透视。正解变换：X=F1（x，y），Y=F2（x，y）第六章：地图符号是地图语言，是对制图对象的综合（第一次）。广义的地图符号的概念是指表示地表各种事物现象的线划图形，色彩，数学语言和注记的总和，也称地图符号系统。完整的地图符号系统由图解语言（地图符号）、写出语言（色彩和地貌立体表示）、自然语言（名称注记）和数学语言（地图投影、比例尺、方向）四部分组成。狭义的地图符号概念是指在图上表示制图对象空间分布、数量、质量等特征的标志，是信息载体，包括线划符号、色彩和注记 。 地图符号的分类按符号所表现的制图对象的几何特征分类：点、线、面； 按符号与地图比例尺的关系分类 ：不依、半依、依比例尺；按符号所表示的制图对象的地理特征量度分类：定性符号、定量符号和等级符号； 按符号的图形特征分类 ：几何符号、艺术符号、文字符号 ；按符号的表示方式分类：矢量、栅格；地形图图式 ：地图符号样式和描绘规则的规范 ，是测绘和出版地形图必须共同遵守的基本依据之一，是由国家统一颁布执行的标准。数字地图制图系统，首要任务是建立、健全符号库。 计算机地图制图软件中地图符号绘制的实质是将符号坐标系中图形元素特征点的坐标（x, y）变换到地图坐标系中的坐标（X, Y）并按给定的顺序连线的过程。 符号绘制分信息法和编程法 信息法分矢量格式与栅格格式。线符号绘制方法：重复配置点符号图元法与组合绘制两种方法。重复配置点符号图元法：是将线符号分解成基本点符号图元，然后沿线符号定位线连续配置点符号。组合绘制方法的基本思想是：任何线符号可以由具有单一特征的线符号组合而成 地图实体符号化：是地图实体的表现过程，在地图制图系统或GIS系统中，为得到某区域的地形图或专题图，应进行地图实体符号化，它包括数据的准备工作和符号化两个过程。第七章：三维地形显示的基本步骤：（1）数字高程模型生成和细分（2）确定光照角度、观察角度、色彩构成等辅助数据（3）投影变换，将要显示的内容投影到观察面上（4）选择消隐算法，小区三维地形中的不可视部分（5）选择光照模型，实现光照处理，使显示的三维地形具有明暗效果（6）确定绘图颜色，进行图形的绘制数字地面模型（Digital Terrain Model，DTM ）：利用坐标场中大量已知的X、Y、Z的坐标点对连续地面的统计表示。DTM是GIS软件的重要组成模块。包括：数据获取、转换、存储、管理、处理、建模、应用等。与传统地形图比，DTM的特点：精确、形象、直观、生动、自动化、实时化等等。常用的DTM：GRID，TIN。DTM数据获取：就是提取并测定地形的特征点，即将连续的地形表面转化成一个以一定数量的离散点表示的离散表。DTM的数据来源：（1）由现有地形图上采取。（2）从摄影测量立体模型上采取。（3）野外实地测量。（4）由遥感系统直接测得。如航空和航天飞行器搭载雷达和激光测高仪获得的数据。GRID特点：规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。结构简单、操作方便，适合于大规模使用与管理，容易用计算机进行处理。容易进行某些地学分析与计算不能精确表示地形的结构和细部 数据量过大 ，需要压缩在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象；TIN：是直接利用野外实测的所有地形特征点构造出邻接三角形组成的格网型结构。TIN的基本单元是不规则三角形，核心是三角形的顶点坐标。在TIN中对三角形的几何形状的要求：1、尽量接近正三角形2、保证最近的点形成三角形3、TIN结果唯一。TIN特点：生成三角网，再加三维信息既可应用于规则分布数据，也可应用于不规则分布数据能以不同层次的分辨率来描述地形更少的空间与时间更精确地表示更加复杂的表面可以内插生成规则格网，也可以建立连续表面数据存储与操作复杂适合于小范围大比例尺高精度的地形建模与GRID比较，TIN具有最小的中误差，TIN更适合于地形显示，采样数据少时，TIN的质量明显好于GRID，采样密度增加时，二者差别越来越小。约束Delaunay三角网生成算法约束条件（步骤）：1、搜索约束线段起点所在的三角形2、确定约束线段的影响区域3、约束线段影响区域三角网局部重建。等高线追踪的主要问题是计算等高线与矩阵单元边的交点。