空间图形数据的输入

5.1.1　空间图形数据的输入

空间实体总是占有一定的空间区域，具有位置、形状、高度、颜色、质地等特征。空间数据库中难以存放完整的空间实体信息，只是以一种简化的方式来进行表达。传统的空间数据库只记录实体的平面位置，再通过属性数据的方式来存储有关的特征信息。近几年人们在地理信息系统三维数据库的研究方面也取得了一些进展，今后可能实现空间实体的完整三维表示。本章主要涉及二维平面空间数据的输入与输出。

空间图形数据的输入没有一套统一、自动化的方法，只有一些基本的模式供用户根据具体情况选择使用。用户可以用单一或几种方法结合起来输入他们需要的图形数据。选择输入方法的依据是如何利用图形数据、图形数据的类型、现有设备状况、人力资源和财力状况等。地理信息系统的图形数据来源有现有地图(野外测量成图、手工绘制的草图等)、航空航天像片或数字图像、GPS点数据等。这些数据的存储格式是不一样的，数据输入之前应先定义数据的存储格式即数据库的结构，也就是说，数据库的设计应在数据输入之前完成。一般来说，图形输入软件选定之后，图形数据的结构也就确定了，这就是基于该软件的数据结构。一般软件还提供向其他数据格式转换的工具。

本节讨论空间图形数据输入的基本形式，即手工输入、手扶跟踪数字化仪输入、扫描数字化输入、解析测图仪输入、其他数字格式数据的转换输入。

1.手工坐标键盘输入

手工坐标键盘输入实际上就是将表示点、线、面实体的地理位置数据(即某一坐标系统中的坐标)通过计算机键盘输入到空间数据库中去。这种方法简单直观，但较为繁杂，费时且容易出错。

空间数据有两种基本结构:矢量结构和栅格结构。手工输入方法既能输入矢量数据，也能输入栅格数据。栅格数据一般可通过矢量数据转换而来，因此极少有直接输入栅格数据的情况。

矢量数据的手工输入一般有两种途径:一是交互式的，二是文件式的。前者是由软件提示操作员逐点输入相应的坐标，并使操作员以一定的规则形成数据库中的各个空间实体;后者是先将各实体的坐标按照一定的格式输入到一个文本文件中，由软件从该文件一次性读入数据库。

可以想象，用手工方式输入图形坐标的过程是比较枯燥的，工作量庞大。它不仅仅是单纯地输入坐标，而且还要求操作员按照现实状况将这些坐标分别组成空间实体。除某些特殊的情况外，手工输入方式一般也不被采纳。这里的“特殊情况”，是指那些对数据精度要求极高的情况，如城市中的地籍信息，其界址点是土地管理的重要依据。这种数据在野外测量时，除图形绘制外，还要记录和标注各点的精确坐标，只有手工输入坐标才能保证标注的准确性。

2.手工数字化输入

手工数字化输入是利用光标定位，直接跟踪“底图”上的图形要素边界或点位，从而建立空间图形数据库。这里，图形的边界坐标是通过光标位置输入，而不是通过键盘输入的。这种手工数字化输入有两种基本的形式，即数字化仪数字化和电脑屏幕数字化。

(1)数字化仪数字化和电脑屏幕数字化

手扶跟踪数字化的方式之一是通过专门的数字化仪(或称为数字化面板)来完成的，数字化仪是一种直角坐标式数字化仪，根据工作原理和设计构造可分为机械式、超声波式和全电子式三种。由于图形对定位精度的要求较高，现在的数字化仪一般采用电子式结构，并由稳压电源、操作平台(工作面板)、标示器(鼠标)和接口装置四部分构成。工作面板也可称为数字化板或图形输入板，其幅面有A3、A2、A1、A0等不同的规格。在工作面板的底部整齐地密布着规则的格网状导线，形成一个具有高分解率的导线矩阵，该矩阵构成了一个精细的平面坐标系。鼠标的头部有一个中心嵌着十字丝的线圈，该十字丝即起着定位的功能。当鼠标在平台上移动时，通过电磁感应引起格网状导线电场的变化，从而探测到十字丝的位置，该位置即是面板上平面直角坐标系的一对坐标，它们是两个很大的整数。

鼠标的面板上装有一些功能按键(一般为4键、12键或16键)，这些功能键的作用由软件进行定义，其中至少有一个被定义为数字化键。当数字化键被按下时，接口装置就将坐标值通过接口线传入计算机中。鼠标的其他功能键用于实现相关的辅助功能，如线画的起讫点、输入编号、退出等，以便于操作员选择数字化命令和数字化内容，而不必离开数字化板去用计算机键盘发布命令。不同的数字化软件对鼠标键的功能定义是不一样的。接口装置一般置于数字化面板内部，通过并行线与计算机相连。

电脑屏幕数字化是将电脑显示屏作为数字化仪，直接对扫描的图纸或遥感影像中的图形要素进行数字化的过程，其中鼠标是定位的工具。这种方式的优点在于，大量的扫描电子地图或遥感影像可以分别在计算机上完成空间数据输入，而不需要专门的手扶跟踪数字化仪。由于数字化仪的价格较高，采用屏幕数字化不仅节省了成本，还提高了工作效率。缺点是如果扫描的精度不够高，所获得的扫描图件会存在变形、不清晰等问题，从而影响屏幕数字化的质量。然而，随着扫描仪的精度不断提高，屏幕数字化的方式已逐渐成为主流。事实上，目前已很少看到手扶跟踪数字化仪的产品。

(2)数字化操作过程

手工数字化需遵循一定的工作流程，才能保证光标位置转换为正确的坐标数据。数字化过程从一定意义上讲也就是“复制”地图或航片内容的过程，只不过这种“复制”是有选择的，不像复印机那样全盘复制。数字化操作的基本过程为:

第一步，选取被数字化图件上带有精确坐标值的已知点，确定数据的坐标范围。已知点的个数至少应为三个，一般是在图件的四周选取四个点。如普通地图图纸的格网点都是具有整数坐标值的已知点。

第二步，如果使用数字化面板，需要将数字化仪与计算机连好。数字化仪上有三个插孔，分别用于连接电源、数字化鼠标和并行线。并行线的另一端与计算机的并口相连，用于传输数据。检测数字化仪是否工作正常。不同数字化软件对数字化仪的配置要求可能是不一样的，需要按规定的要求来配置数字化仪，并测试其是否接通。如果使用电脑数字化，则需调入相应的GIS数据编辑输入软件。

第三步，如果使用数字化面板，需将图纸固定于数字化仪的面板上。图纸应平整铺放，没有皱折。数字化的过程中图纸不能有丝毫移动。

第四步，在计算机中定位图纸。根据软件的具体要求，从数字化仪上或屏幕上分别点击图纸的已知点，并从键盘输入各点的精确坐标(图5-1)。操作完成后，软件自动计算中误差，根据图纸或扫描件的质量及工作性质，中误差应控制在一定的范围内(如Arc-GIS推荐中误差应小于0.003)。由于图纸随时间、天气变化及其他原因会产生变形，且数字化过程本身也会有一定的偏差，因此中误差一般大于0。中误差达到预先设定的标准后，就可以开始数字化了。

第五步，数字化操作。数字化的过程由软件进行控制，一般先要设置计算机上的屏幕显示环境。数字化时，先确定要输入的数据类型(如点、线、面、注记等)，再输入相应的数据，同时给出其编码。用鼠标器的十字丝跟踪图件上的线画需要细致认真，如产生差错应及时修正。

第六步，后续处理工作。数字化操作完成之后，需要对所有数据作进一步的检查。一个好的数字化及编辑软件应能自动找出图形中可能存在的逻辑错误，这样可大大减少操作员的查错时间，提高工作效率。

图5-1　根据已知控制点定位底图

(3)数字化方式

数字化有两种基本方式:点方式和流方式。对于数字化面板，点方式中，当按下鼠标器上数字化键时，接口装置向计算机传输一组坐标值及键值;不按键时，数字化仪与计算机间不传输数值。流方式中，只要将鼠标器置于数字化仪面板上，数字化仪就不断向计算机传输位置数据。对于屏幕数字化，点方式的原理是一致的，而流方式则需按住鼠标左键移动鼠标来获得连续的坐标点。

用流方式数字化时，将十字丝置于线画的起点并向计算机输入一个按流方式数字化的命令，让它以等时间间隔或x和y方向等距离间隔开始记录坐标，操作员则小心地沿曲线移动十字丝，并尽可能让十字丝经过所有弯曲部分。在曲线的终点或连接点，用命令告诉计算机停止记录坐标。

流方式数字化时，记录的坐标量取决于计算机程序以及是采用等时还是等距离方式记录坐标。等时记录的数据量与操作员移动鼠标的速度密切相关，直线部分因移动较快而记录的坐标量少;反之，曲线部分比较复杂，移动较慢，记录的坐标量就多。等距离记录坐标是在下一点与前一点间的距离大于给定的数据时才记录下一点的值。显然，采用等距记录法时，曲线弯曲复杂的地方记录的坐标量反而比平缓的部分少一些。

流方式的缺点是十分明显的:等时记录时如果操作员未按希望的速度移动就会记录过多的坐标，后续处理时必须滤除冗余坐标;等距记录时则不能正确地数字化弯曲度大的曲线顶点，这将使得弯曲部分的误差变大，同时在直线部分也会有冗余坐标。基于这些原因，一般操作员更喜欢使用点方式来数字化。

点方式数字化时，操作员能选择最有利于表现曲线特征的那些点进行数字化。操作员能够自己掌握数字化的节奏，有得心应手的感觉。只不过每次都必须按键来告诉计算机记录该点的坐标。另外，操作员对曲线特征点的判断决定了数字化成果的质量，有经验的操作员总能抓住最关键的部分，使记录的点最好地反映一条曲线。

(4)数字化面板模式中的数字化及编辑过程中有关命令的输入

数字化的最初指令由操作员通过计算机键盘发出，这之后软件就将控制转交数字化仪的鼠标器，由它控制数字化的具体操作过程。用户通过鼠标器发出数字化的各类指令，使软件明确计算机所接收到的数据是何类数据。数字化过程中的有关指令主要有以下几类:

①数据类型定义(点、线)。

②数据显示环境设定(开、关、结点、标识等)。

③图形容限的设定(模糊容限、结点匹配容限)。

④线画的起讫点、线画的中间点。

⑤数字化的方式设置(点方式、流方式)。

⑥图形几何类型设置(弧、圆、矩形、线宽等)。

⑦图形对象的编码输入。

数字化鼠标器上的按钮数量是有限的(4、8、12、16个等)，它们不能完全代表所有数据输入及数据编辑的指令，部分指令需要从键盘上输入，而键盘与数字化仪之间的切换并不很方便。为使相关指令的输入更加便捷，可在数字化仪面板上定义一片矩形指令区，直接从指令区发出命令。指令区一般被称为菜单区，它可以定义在面板上的任意一个有效位置。数字化菜单是一张图纸，可手工绘制，也可在计算机上设计并输出，菜单是由若干行列形成的一个个矩形方块区域(菜单项)，每个区域都按其行列号进行编码，该编码在计算机中对应数据输入或编辑的一条指令。菜单项用与指令有关的文字或图示符号进行标注，使用户看起来一目了然。使用时将菜单图纸固定于数字化仪面板上，并用鼠标器输入菜单的两个对角的位置，然后告诉计算机菜单的行列数量，计算机即可自动计算出各菜单项在面板上的位置。

(5)数字化错误及其处理

常见的数字化错误有如下几类:不达、交叉、重复(图5-2)。数字化过程中为防止这些错误，除操作员的细心之外，更重要的方法是设置一系列的数据处理环境，使计算机能自动处理某些数字化错误。

图5-2　常见的数字化图形错误

数字化错误的自动处理是通过设置容限参数来实现的。容限参数有模糊容限、结点匹配容限、悬弧容限等。模糊容限决定了点与点之间的最小距离，在该距离之内的所有点都不被记录，只以一个点来表示，该容限使空间数据在满足精度要求的同时尽量减少数据量的存储;结点匹配容限保证距离在容限之内的两个或多个结点能自动匹配到一起，基本解决了结点匹配的问题;悬弧容限是针对悬弧而言的，悬弧就是一端的结点与其他结点匹配，另一端结点不与任何结点匹配的弧段(“悬于空中”)，太短的悬弧一般被视为数字化错误，可以通过悬弧容限予以清除。

GIS软件的基本功能是能够实现空间数据的编辑处理，包括图形要素的生成、点位移动、平移、删除、复制、拆分、合并、交叉、公共边处理等。高级软件也能实时显示拓扑错误，使用户修改数据更加便利。

3.扫描仪输入

扫描仪是将存在于各类有形物理介质(如纸张)上的图形及文字转换为数字格式图像的光学机械仪器。常用的图文传真机(FAX)上就装有扫描仪。随着计算机软件技术的发展，对扫描输入的要求越来越多，这些需求大大推动了扫描技术的发展。

目前，许多组织和部门不但将数字处理和数字产品的生产作为日常服务的一个部分，而且还拥有大量按传统方式生产的地图。这些地图包括了各式各样的信息且都能转换成数字形式。GIS和数字地图的使用人员经常希望从这些地图中获取大量的被禁锢的信息。如果这些信息是数字形式的，那么它们的应用范围将大大扩展。地理学家希望解脱在地图上跟踪各类地理要素的状况;军事学家则希望用数字地图(DEM)布置各类军事设置、辅助进行导弹实验等。鉴于手扶跟踪数字化仪输入的效率低下，各有关的科研部门都努力寻找新的数字化手段来把现有纸质地图转换成数字地图以满足实际需要。扫描仪的出现使得数字化技术产生了新的突破。

扫描仪可分为两大类:以栅格数据形式扫描的栅格扫描仪和直接沿线画扫描的矢量扫描仪。而栅格扫描仪又有四种:手持式扫描仪、台式扫描仪、滚筒式扫描仪、矢量扫描仪。下面分别加以简单介绍:

(1)手持式扫描仪

手持式扫描仪是用手握住扫描仪，并均匀推动扫描仪来进行扫描。手持式扫描仪体积小，携带方便，其价格比台式扫描仪要低得多。但如果用力不均或运动方向出现偏差都会造成图像失真，因此很难用于工程图纸的扫描。并且手持式扫描仪一般不能做得太大，否则手难以掌握，这样就使得手持式扫描仪的工作效率比较低。

比较好的手持式扫描仪带有自动补线的功能，可以减少手动时速度不稳造成的图像失真。此外，手持式扫描仪一般有自动拼接功能，使得扫描较大幅面的图像成为可能。

(2)台式扫描仪

台式扫描仪是将被扫描图纸平放在扫描仪的平台上，通过CCD扫描头的移动来获取并记录图纸上的任何信息。这种扫描仪扫描精度高，工作稳定，一般可进行彩色扫描。但由于扫描平台不可能做得太大，其有效幅面一般比较小(如A3以下幅面)。显然，在这样的幅面下，不可能对地形图一次完成扫描，因而其在地理信息系统中的应用受到一定的制约。但尽管如此，台式扫描仪在分辨率及色彩等方面仍然有其独特的优势，受到各行业用户的青睐。最初的彩色扫描仪在扫描时是通过交换红、绿、蓝(RGB)三种滤色器完成的，也就是说，要进行三次扫描过程才能完成一次扫描。现在的彩色扫描仪都能一次完成扫描。

(3)滚筒式扫描仪

与台式扫描仪的工作原理相反，滚筒扫描仪是固定了CCD扫描头，而通过在滚筒上前后移动图纸来完成扫描。这种扫描仪可扫描的图纸幅面可以达到1米多，使用也比较方便。但一般扫描结果是二值图像，且分辨率不如台式扫描仪高，因此只在与地理、规划、测绘工程等有关的行业中具有较高的实用价值，如扫描地形图可以一次完成。

(4)矢量扫描仪

矢量扫描是直接跟踪被扫描材料上的曲线并直接产生矢量数据的扫描方式。目前大多是激光扫描。第一代激光矢量扫描仪HRD－1具有70cm×100cm数字化范围的屏幕，可对35000×50000个点编址。地图的透明膜片复制品投影到操作员面前的屏幕上，操作员用光标引导激光束。

要数字化某曲线时，则将激光束引导到该线的起点，激光束自动沿线移动并记录坐标，碰到连接点或终点时就自动停止移动，操作员再进行引导。一条线扫描完成后就由另一条激光束在屏幕上绘出该线，操作员对该线加入一个标识符(关键字)供以后连接属性用。

这类扫描仪的最大优点是它能很快地扫描完一条线，几乎是一瞬间就完成扫描。同时，扫描得到的数据直接变成符合比例尺要求的矢量数据。它的最大缺点是操作员必须进行大量的引导工作，还要事先制作数字化材料的透明膜片且保持其清洁。显然，激光扫描仪扫描等值线图是很有效的方法，其等值线图的绘制准确而又精细，且严格闭合而没有连接点。激光扫描仪还是制作复杂地图的高质缩微片的理想仪器。

可以看出，如果将栅格扫描仪配上相应的矢量化软件，同样可以得到与矢量扫描仪相同的结果，而且在许多方面比矢量扫描仪更为灵活。同时，栅格扫描仪的日常用途绝不仅仅限于处理地图上的线画。因此，栅格扫描仪的应用远比矢量扫描仪广泛。

(5)栅格扫描仪的技术指标

栅格扫描仪的实用技术指标包括分辨率、幅面、扫描速度、接口和驱动四大部分。表5-1是MicroTek Filescan 2000栅格扫描仪的技术指标。

表5-1　MicroTek Filescan 2000扫描仪技术指标

①分辨率。分辨率有点分辨率、灰度分辨率、色彩分辨率几类。

点分辨率用每英寸点数dpi(dot per inch)表示。常见的分辨率指标有150dpi、300dpi、600dpi、1200dpi、2400dpi等档次。

灰度分辨率多用于表示单色(黑白)扫描仪的性能指标，一般用灰度级表示。对于单色色调而言，“灰度”是介于“黑”与“白”之间的色调。灰度级是在纯白和纯黑之间划分的灰度级别，如8灰度级、32灰度级、64灰度级、256灰度级、512灰度级等。灰度级别越多，则灰度分辨率越高，扫描效果越好。如果要得到二值图，只需视具体情况设定一个“阈值”，小于它的视为“0”，大于它的视为“1”。

色彩分辨率一般用表示单个点位可以显示的色彩位数来表示。普通的彩色扫描仪为24位真彩色，可表达16M种颜色，这种分辨率能满足绝大部分需求。有的高档扫描仪能达到36位真彩色，可表达687亿种颜色，这类扫描仪主要用于专业图像处理。

②幅面。一般台式扫描仪的幅面在A3以下，有A4幅面、A4加长幅面、A3幅面等。

滚筒式扫描仪的幅面可达到A0。幅面越大，设计工艺就越复杂，而质量也受到一定的影响。

滚筒扫描仪的分辨率比台式扫描仪的分辨率低，幅面是其中的一个因素。

③速度。扫描仪的工作速度与工作时的采样分辨率、计算机工作速度及内存大小、硬盘存储速度等多方面因素有关，因此扫描仪的速度指标是严格根据工作条件来测定的。速度的表示方式为:英寸/秒。

④接口和驱动。目前扫描仪以SCSI接口为最多，信号接口标准以TWAIN为主流。TWAIN(toolkit without an interesting name)是一个由扫描仪厂商和有关软件公司确定的界面标准。只要扫描仪与TWAIN兼容，就可以自动与诸如Photoshop之类的图像处理软件接口，实现扫描图像的直接应用。

(6)扫描数据的后续处理

对于地形图等空间图形而言，扫描后的数据还要经过适当的处理才能输入到空间数据库，这些过程大致可简单描述如下:

①扫描图的整饰:有时扫描原图因折皱、纸张变形等原因，扫描结果中会出现各类噪声点。如果噪声点过多，则需做必要的图像处理，或手工进行清除。

②扫描图的定位:原始扫描数据是没有地理坐标的，需要加入坐标。通过参照原图上的坐标，只要找到对应点，即可对栅格数据定位。

③如果系统只需栅格数据，则经过适当的图像纠正后可将扫描数据直接入库;如果还需要矢量数据，则需对栅格数据进行矢量化。

矢量化的基本算法很早就出现了，目前有许多较为成熟的矢量化软件。图5-3描述了矢量化前后数据的不同表现形式。但由于矢量化问题相当复杂，所以到目前为止尚没有令人满意的完全自动矢量化的软件产品。问题的根源在于矢量化的过程中需引入智能化的识别算法，而空间数据的复杂性使得这种智能算法几乎不可能实现。因此矢量化软件只能解决部分矢量化问题，另一部分需要用户进行干预，如连接断开的线段、输入编码等。

由于矢量化过程仍然需要用户做后续处理，考虑到数字化的特点，人们自然会想到是否可以对扫描栅格数据在计算机屏幕上直接进行数字化。经过实验，人们发现，屏幕数字化也是一个实用而有效的方式。实际上，在计算机屏幕上能对图形图像进行任意的放大或缩小，这使得屏幕上数字化的精度可以满足要求。同时，用户在操作时知道哪些该数字化，哪些不该数字化，不会出现自动矢量化软件的“不顾一切”全部矢量化的情况，这在某种程度上也减小了工作量。

图5-3　地形图的矢量化

4.解析测图仪输入

用测图仪读取航空像片上空间地物的二维和三维位置是整个航空摄影测量学科的根本任务。航空摄影测量的原理在20世纪六七十年代已经得到很好的解决，而摄影测量仪器却在不断地发展之中。现在的解析测图仪可以实现手工测量结果的自动存储，或直接接入计算机。先进的解析测图仪还可以实现航空像对上同名点的自动查找，并自动计算该点的空间坐标。航空摄影测量是建立大比例尺地形图的重要手段，也是建立空间信息系统数据库的重要方法。

航空像片处理的另一个方法是将其直接扫描，输入计算机，再利用软件的方法根据相同的原理对空间地物坐标进行解算。全数字摄影测量系统VirtuoZo，DPGrid，JX4是该类产品的杰出代表。

5.数字格式数据的转换输入

所有星载和机载传感器中多光谱扫描仪获取的图像数据在地理分析中都极为有用，是空间数据库的重要数据源。扫描仪获取的数据按像元形式保存，每个像元具有一个数值，该值是地面覆盖范围内各类地物的平均反射或发射辐射量的波段值。不同的像元值可用灰度、颜色转换成可见图像。

遥感中的分辨率是指单个像元所覆盖的地面面积，它取决于传感器的高度、聚焦系统的焦距、辐射波长和传感器本身的其他一些特征。像元的大小从陆地卫星的80m到机载的几个厘米，如美国TM卫星所获得的图像分辨率为70m;法国SPOT-1卫星影像的全色图像分辨率为10m，多光谱30m;SPOT-5卫星影像全色分辨率为2.5m，多光谱分辨率为10m;快鸟(Quickbird)影像全色0.61～0.72m，多光谱2.44～2.88m。

虽然从星载或机载传感器得到的数据可能是数字式的，但它们的格式不一定与地理信息系统数据库一致，还需进行各种必要的处理才能输入数据库。这些预处理包括调整分辨率和像元形状、投影变换、数据格式等。还有一个重要的问题是对图像进行定位定向，使之与现有地形测量数据(如道路、各类地物边界等)在空间位置上相吻合。另外，与其他栅格数据配合时应注意分辨率的匹配。预处理工作还可能包括数据的简化处理，如把几个波段进行简单的合成或通过变换后合成，然后进行土地利用等的分类，最终把分类结果输入数据库，从而大大减少数据容量。这样的预处理工作是在图像分析系统中进行的，它也是用来将遥感数据变成可见图像形式的工具。

此外，环境调查中抽样得到的数据在GIS中进行内插可估计未抽样地区的数据，这样的内插数据也是一种数字式的信息，可直接进入空间数据库。同时，从一个软件的数据转到另一个软件时，也是一种数字形式的数据源，如将计算机辅助设计(CAD)的数据转到GIS数据库。