输入输出技术

4.2.3　输入/输出技术

1.输入子系统

输入子系统是任何信息系统的门户，系统存储加工处理的信息数据原材料来自于输入子系统。输入子系统同时又是计算机信息系统与用户联系、人机交互运作的主要桥梁。土地管理信息系统是通过拥有庞大数据量的数据库来运作的，数据库的重要性不言而喻。一般来说，土地管理信息系统建设工作中，建库工作占建设总工作量的70%以上，数据录入所耗费的人力、物力与资金都远远大于系统的软件、硬件投入的经费。图件输入是土地管理信息系统这样的空间型信息系统的输入子系统的主要特点。图件数据不但在数据量上占据了全部数据量的大多数，而且图件数据还为属性数据存储提供了一个基本的数据框架，图件数据比属性数据复杂，输入出错率高，数据不易检验，相应的图件输入软件模块也远比属性数据输入程序复杂。

1)图件数据的输入

一幅图件数字化输入计算机通常有两条主要途径:即手扶数字化仪输入和扫描仪输入，前者直接生成矢量格式数据，后者直接生成网格格式数据。很多情况下扫描仪设备内带有转换软件，将生成的网格格式数据转换成矢量格式数据。

手扶数字化仪输入图件需要图件录入员操纵手扶数字化仪的鼠标器再按点、线(准确地讲是线中轴线)、面边界(准确地讲是边界中轴线)的位置逐一采点，然后给出这些点、线、面状地物的编码，系统自动完成拓扑关系的生成、数据组织与存储等工作。手扶数字化仪图件录入工作基本上类似于手工清绘，所不同的在于清绘使用笔，而这里使用鼠标器;手工清绘线条不容易修改(若修改要用橡皮擦或小刀刮)，而这里修改很容易且不留任何痕迹;手工清绘对于图件的文字注释要植字，而这里无需植字，只要按软件程序要求键入文字即可。手扶数字化仪图件录入工作量略小于图件手工清绘工作量。

扫描仪输入图件无需图件录入员对点、线、面逐一采点，需图件录入员按扫描仪录入要求将图件放置于扫描仪适当位置，扫描仪自动按网格逐行扫描采点，自动转换成矢量格式数据，然后系统自动将图形按采集到的数据显示在计算机屏幕上，由录入员检核。录入员对照屏幕显示的图形用鼠标或手扶数字化仪鼠标器进行补点，将断开的线条连接起来，最后逐一对点、线、面给出编码。系统完成数据整理、拓扑关系生成与数据存储工作。

比较手扶数字化仪输入与扫描仪输入这两种输入方式，从发展趋势来看，扫描仪输入的优势是明显的，它减轻了图件录入员的工作强度，在批量图件输入情况下可以提高工作效率，即一台扫描仪扫描的数据供多人分别在微机上对照图件进行修改，添加编码。目前扫描仪输入已很普遍，但工作效率比手扶数字化仪高不了多少，原因是软件智能化程度不高，出错较多，更重要的是对于复杂的图件需要图件录入员事前将图件清绘一遍，删除图件上的注解与符号，这样往往降低了工作效率。

2)属性数据的输入

属性数据是用来描述空间数据特征性质的。土地信息中的属性数据主要是用来描述地块实体的，它们描述地块的数量(面积)、质量(等级)、权属和利用状况。显然，地块实体与地理实体是不完全相同的两个概念。由于地理实体(如建筑物)位于地块之内，或者与地块有关(如道路)，因此，描述地理实体的属性数据、描述地块实体与地理实体之间关系的属性数据，大多数是土地信息的范畴。

地块实体是土地管理与土地利用的基本单元。土地信息中的属性数据主要是从社会经济的角度来描述地块实体及其相关特征的，主要包括三个方面:

(1)地块实体的数量、质量、权属和利用状况的数据;

(2)描述有关地理实体的基本特征的数据;

(3)描述地块实体与地理实体相互关系的数据。

例如，一宗地除了需要记录它的位置坐标等空间数据以外，还需要存储它的属性信息，如房主、房屋面积、建筑日期等。因此，这种非空间的属性数据也可以被称为空间实体的特征编码。很显然，属性数据是与空间实体相关的。通常，可以采用公共识别符的方法建立属性数据与空间数据的有效联系，从而有效地存储和处理这些数据。

某些信息系统在进行属性数据输入时与空间数据一起用键盘进行输入，把属性数据与空间数据组织在数据文件的同一记录中。这种输入方式和存储方式，虽然可以在一个记录中同时反映出空间位置及其特征信息，但是当数据量很大时这种记录方式在数据管理过程中便显得很不灵活，同时又会造成很大的数据冗余，从而使数据处理时间增加，降低系统的效率。还有一些系统把属性数据以单独的数据文件方式与空间数据文件并存于文件系统中。这种管理方式，对于某些具体应用可能是简单实用的，但局限很大，结构不灵活，难以实现数据共享。

2.输出子系统

输出子系统是系统建设过程中的一个重要部分，它是系统的对外窗口，系统工作的一切结果都要通过它交付给用户。土地管理GIS不同于一般的信息系统，它要求输出子系统不仅具有制作表格、文件的功能，而且能够规范化地绘制图件。如果是网络化的土地管理GIS，则还要考虑系统的数据传输以及输出子程序在网络中的设置问题。

土地管理GIS输出子系统的硬件设备包括打印机、绘图仪等。目前多用喷墨打印机或激光打印机以及喷墨绘图仪制作较高质量的表格与图件。需要指出的是，打印机也可以在系统软件驱动下，制作简单草图，打印机或喷墨绘图仪作图都用网格格式图形数据驱动，但是一部分喷墨绘图仪内部带有矢量格式转换成网格格式的固化软件，因而也能接收矢量格式图形数据。

1)输出子系统的特点及工作过程

土地信息相对于其他信息来说，它具有法律效力。因此，作为土地信息的表达形式——图件或表格文件应该符合严格的规范，比如数据表达要准确、符号运用要正确、符合通用规范或国家以及行业标准要求、版面应尽量地清晰美观等。从目前的计算机硬件设备看，已经能够充分地满足要求:如喷墨绘图仪的制图精度可以达到800DPI以上，准确度可达0.15mm、打印颜色可达256种以上，而输出图表是否规范主要取决于以下五个条件:

(1)数据库的数据质量，这个条件与数据源的质量、数据输入工作质量有关，而与输出子系统无关;

(2)输出子系统符号库的完善;

(3)输出子系统功能模块的设计合理、性能完备，这个条件主要取决于土地管理GIS软件平台提供的功能，也与土地管理GIS开发的深度其中包括对于操作系统功能资源的开发深度有关;

(4)输出子系统用户界面设计合理，用户使用方便，这个条件完全取决于土地管理GIS开发人员对系统输出的理解与开发技术水平;

(5)系统操作人员的技术水平、对软件了解的深度、工作经验以及工作责任心。

一般来讲，输出子系统在程序设计上，相比其他子系统，技术难度相对要低一些，有不少成型的算法。但是这个子系统的特点是功能繁杂，系统的各种基本功能模块相互穿插调用很多，结构化的设计、面向对象编程思想的运用是这一子系统成功与否的关键。严格来讲，土地管理信息的输出，特别是专业图件的制作不仅仅是技术问题，还与艺术修养有关，因为图表制作美观的本身就带有相当大的艺术成分。当然艺术思想的实现还要靠系统功能的支持。

系统输出报表或图件，通常需经以下步骤:

(1)调出需要输出的图件或报表，选择相关的图层进行屏幕显示。

(2)系统支持全屏幕编辑，对于报表，包括删除数据项，增设小计、总计等统计性的栏目，按照规程要求设计输出报表的格式;对于图件，包括对点、线、面进行注释、整饰，决定将要绘制的图形颜色、线型、填充晕线或符号的种类与形式等，自动生成一整套输出数据文件。

(3)屏幕模拟输出，再向用户提供一次在屏幕上编辑修改输出报表、图件的机会，如有必要，用户还可以再一次指令系统进行屏幕模拟输出，直到满意时为止。此时输出数据文件确定下来。通常将输出数据文件存在内存中，若内存空间不够，在操作系统支持下可以使用虚拟内存。输出文件是一个一揽子文件，表达出所有的点、线、面数据，包括整饰数据、符号标示数据等。输出文件也可以存在硬盘或软盘中，留待以后制作图表。

(4)在输出子系统相应软件支持下，使用输出数据文件，驱动相应输出设备，打印报表或绘制图件。

2)输出子系统分析

输出子系统功能庞杂、与用户交互频繁，系统分析是必不可少的关键步骤。

(1)输出对象分析

土地管理GIS的输出子系统主要是报告文件、统计表格和土地管理专业图件，特殊情况下，输出文档资料、报告中还附带简图或草图。在文档类型的数据输出中，报告文件在计算机中文处理软件如Word、Office、中文之星等支持下用户键入、编辑最后交付打印设备打印，基本上与土地管理信息系统关系不大。而带有行业特点的统计表格和土地管理有关证件的输出就必须要系统的支持。土地管理GIS数据库中的数据大多是二维关系型结构，而按照规程输出的表格却通常不是二维的，它在横向和纵向上都存在着多层次的统计关系。为了制作二维的土地资源统计报表，需要计算机完成的任务有:

①从系统数据库中自动检索汇总需要输出的各类土地利用方式的面积数据，设置相应变量或数组，用这些汇总的数据向这些变量或数组中赋值。通常在系统的输入子系统或专家子系统中每个地块面积数据是事先计算完备的，也有些情况需要在输出子系统中先行计算汇总;

②在数据汇总的基础上完成统计表格中的各种小计、合计，将这些数据向相应的变量或数组中赋值;

③按照标准表格格式的要求，将汉字如表格名称、栏目名称、表格的线条等以及存储在变量或数组中的数据安置在将要打印纸张的适当位置;

④在屏幕上模拟将要输出的表格，支持操作人员在屏幕上对显示的表格进行编辑修改，填充一定的数据，系统按照屏幕上经操作人员修改过的表格格式驱动打印设备打印。

在专业图件的输出中，由于有关规程对输出图件的图式要求十分严格，因此其输出比统计表格的输出要复杂。全国土地资源调查办公室1992年12月颁发的《土地利用现状图图式》中对各种地类符号规定就有65种符号之多，每种符号的大小、线宽、线长、颜色都有严格规定;注记字体有14种，大小、字体、颜色、倾斜也都有严格规定;小比例尺图件的曲线平滑程度、大比例尺直线与弧段吻合程度都直接影响图件的美观;土地资源管理的发展，对图件要求也有发展，增加了对指定图斑内部绘制晕线、均匀植入符号以及在曲线两旁跳绘虚线等图示的要求。绘制面向不同应用层面的专业图件要求系统具有强大的图层数据编辑管理的功能;绘制不同比例尺的图件又要求系统有友好地支持操作者编图的功能。总之图形的问题要比表格复杂，不仅数据量大，而且数据层次与种类也繁多。

制作图件有以下四类数据:

①点、线、面的坐标数据，这些数据存储于系统空间数据库中;

②平滑曲线的插点数据，这些数据在初始数据库中没有，基于一定算法根据坐标链坐标数据计算得到，插在坐标链数据中间;

③注释、修饰图件上的点线面的符号数据，这些数据存储于系统的符号库中，在需要注释或修饰的部位结合这一部位的坐标以及需要对符号放大、旋转的说明，经一定的坐标变换处理形成驱动绘图仪绘制一定图形的坐标数据。

④说明文字的数据包括图件名称，图例和其他说明文字，不但需要说明这些文字移植的部位，还要对其字体、大小、纵横比、旋转角度、绘制颜色都加以说明。

以上四类数据在系统交付绘图机绘图前必须自动形成一整套一揽子输出文件。这套最终的输出数据文件是矢量格式的坐标数据，因为对于绘图仪而言，字符、点、线、面一律都是作为图形来处理的。笔式绘图仪利用这些坐标数据作图，而喷墨绘图仪则在仪器内部还设置了CPU与相应的软件，将这些矢量数据转换为网格格式，驱动彩墨喷头进行一次性的自上而下的喷墨成图。

(2)符号库设计

土地管理GIS都应带有完备的符号库。符号库实际上是一个矢量格式的图形库，每一个符号都是一个简单的图形数据文件。在土地管理GIS中有点状符号、线状符号和面状符号三类标示符号。点状符号通常是指对一些特殊的点状地物进行标示的符号，如井位、泉点位、特殊风景旅游区点位，还有在图件上需特别绘出表明某种意义的符号，如指北向符号等。这类符号在应用时通过人机交互操作只需给出这一点状符号设置在图件的点位坐标以及放大的系数，系统将这类符号存储在符号库相应文件的坐标数据取出，经简单地平移、放大变换，以及变换后的数据加入到输出文件中，待输出文件生成完毕，统一驱动绘图仪制图。

线状符号是指图件中曲线代表的线状地物或境界需要给予特殊标识的符号，如铁路、田坎、县界或市辖区界、未定界、河堤等。这类符号在符号库中无法存储数据，因为线状符号的数据要取决于曲线的坐标，而符号库中存储的是子程序，或底层函数。当给出曲线的两点坐标，系统调用此底层函数时，则函数返回线状符号的矢量格式数据，将这些数据也加入到输出文件中。有些GIS软件平台中提供绘制一些这样线条的底层函数，WINDOWS操作系统中也提供了一些绘制不同线型的底层函数，支持开发人员生成点画线、双钩线、粗实线、点虚线、粗虚线等线型。必要时将这些底层函数组合，又可绘制新的线型符号，比如双钩线加上多条粗虚线就可绘制标准的铁路符号(黑白相间线型)。

面状符号是指将特定的符号或线型按照一定间距与行距均匀植入指定的图斑，以此标示此图斑代表的地块用地的类别，比如按照规定在1∶10万或1∶25万土地利用现状图中牧草地块要标出边长为2mm的三角状的符号，林地地块要标出直径为1.2mm圆圈并在圆圈下画条与圆相切2mm的水平线。这些单个符号的矢量格式数据存储在符号库中，系统可以像调用点状符号一样调出。问题是如何将符号自动“铺满”在一个指定的图斑内，这需要计算出符号安置的坐标位置。在一些特殊专业图件中，还要求将符号按照倾斜的行与列布设;有时也需要在指定图斑内画出各种形式的晕线，比如平纹、斜纹等。

(3)曲线的平滑

通常，为使输出的图形美观，经常要对曲线进行平滑处理。因为手扶数字化仪采点输入图件，由于曲线不可能达到理想的密集程度，要将曲线绘制成一条明显的折线。另外在一些系统软件做某些数据处理中，有时要将矢量格式数据转换成网格格式数据，而数据处理后又要将网格格式转换成矢量格式。这时一条曲线就变成明显的锯齿状的折线，这种线条常常影响图件的美观程度，因而输出子系统应当支持用户对这样的曲线作必要的修饰。可在这些折线节点的适当位置插入一些点，使这些点连线以缓解原来粗糙折线的生硬转折状态，即曲线平滑。曲线平滑的关键就在于运用合理的计算方法，根据原曲线坐标链的坐标，构建一个曲线函数，用这个函数计算出的插点坐标拟合原坐标链，以达到曲线平滑的目的。

在经典的数学分析中，曲线平滑有多种插值计算方法，其中比较常用的有多项式法、张力样条法与贝塞尔函数法。多项式法新生成的平滑曲线要经过原坐标链各节点，而张力样条法与贝塞尔函数法仅通过原坐标链的两端点，其余点只是最大限度地接近，但是这两种方法平滑的效果优于前一种。在计算机特定的条件下，多项式法程序编排工作量较小，计算工作量也较小，因而常常被系统采用。

具体的坐标链的平滑程序实施可这样进行:首先在待平滑的坐标链中取前4个点坐标，按以上方法计算在1、2两点间的插值，即u=－2/3、u=－1/3时的插入点坐标。然后顺次再取下一点，废弃第一个点又构成新的4个点坐标，重复进行以上计算，直到取到最后一个点为止。在取到最后一点时，将两两坐标点之间所有插入点坐标全部计算出来，插入到坐标链相应位置，即完成该坐标链的平滑工作。

当然，并非所有的线条都需要平滑，有些地物本来就是折线的形状就不需要平滑，比例尺大的图件这种情况很多。因而需要系统借助人机交互的方式，请操作人员在屏幕选择要平滑的曲线，然后指令系统调出曲线平滑功能模块，完成平滑该曲线的任务。

(4)面积量测统计有关问题

在土地管理中地块面积量测统计是最经常、最重要的工作之一。土地的量化管理无时无刻地要使用土地面积数据，土地管理科学化最基本的要求就是地块面积量测统计的准确。面积量测统计在土地管理GIS中是有独立意义的程序，有时这一程序也常被包含在多个模块之中，如输入数据处理模块、图形叠加模块、缓冲区分析模块等，将面积量测作为数据分析处理过渡性的一个过程。

①网格格式下的面积量测统计

网格格式的每个网格都有其属性编码值，对于指定地块(图斑)的面积量测统计就是统计具有该地块属性编码值的网格个数。由于每个网格实际覆盖的地面面积是固定的，因而将网格覆盖地面面积值乘以统计出来的该指定地块的网格数就是该地块的实际面积。网格格式下的数字图件有两种表达方法:一种是图斑边界作为一种特殊网格属性给予图斑边界所经网格赋值，比如从矢-量格式演变过来的网格格式数据;另一种是图斑边界不占网格，图斑与图斑之间的界线就是网格的网线。对于用前者方法表达的数字化图件，除了统计当前图斑占据的网格外，还要统计当前图斑边界占据的网格;对于后者，量测统计图斑直接用前面的方法即可。按照统计的原理，当前图斑边界所占网格代表的实际面积的一半应当属于当前图斑。

由于网格精度的限制，网格格式下面积量测统计在土地管理实际工作中应用较少，一般仅用于对遥感图像转换过来的数据的估算，土地动态监测中有时用到。

②矢量格式下的面积量测统计

土地管理GIS中，矢量格式下图斑面积量测一般使用辛普森公式:

式中:A为图斑面积;(x_i，y_i)(i=1，2，…，n)为图斑边界顺次相邻接的坐标点。

在实际工作中，使用辛普森公式量测图件的图斑面积有两种情况:一种是用手扶数字化仪从图件上直接采点逐个量算图件各图斑面积;另一种是根据空间数据库中坐标链文件坐标数据以及拓扑数据，量测指定图斑编码的图斑面积。

手扶数字化仪从图件上直接采点逐个量算图件各图斑面积形式上等同于用求积仪量算图件上各图斑面积，系统不存储图斑坐标点坐标数据，只在用户操纵鼠标完成当前图斑边界采点一周后向用户提供该图斑面积值，并可按用户指令存储这一数据与相应的图斑编码。一般土地管理GIS都提供这一功能模块。

根据空间数据库中坐标数据以及拓扑数据量测指定图斑编码的图斑面积时，为了使用式(4.110)，需要将组成当前图斑的各弧段坐标链按同一方向(顺时针或逆时针)理顺排序，然后才能将各点坐标值顺次代入公式，逐个代数项地计算直到最后一个弧段最后一点(此点也是起始点)，各代数项累加最后结果即为当前图斑面积。

③面积平差问题

在一般测绘中，控制区域内包含有若干图斑，这些图斑中每个图斑量测的面积的误差对于实测控制区域总面积的误差都有“贡献”。这是因为在测量中存在有传递累计误差，即使在平面图上用求积仪量测每个图斑面积，仍然是各个图斑误差的代数和等于实测控制区面积的差。传统的平差方法实质上是将控制总面积与控制区内各个图斑面积的和产生的差(这个差可能为正，也可能为负)按各个图斑占总面积的百分比配赋给各图斑，以实现平差后各图斑面积总和等于控制总面积。

在土地管理GIS的数据采集与处理中，由于采用手扶数字化仪采点建立空间数据库，所有图斑边界在图件录入过程中只采点一次，不存在一般测量中点位传送累积误差的问题。按这种方法测算图斑面积有这样一个特点，即控制区内各图斑面积和一定等于控制区外边界包围的面积，尽管控制区内各图斑边界点位可能存在较大误差。如果采点输入的控制区外边界测算面积与理论面积或控制面积有误差，那么这个误差只是由于控制区外边界点位采点不准确所致，与控制区内各图斑边界采点误差无关。这种情况下的平差应当是只对控制区各图斑中含有外边界的一圈图斑面积(如图4-5所示的带有阴影的图斑)进行平差，平差的面积配赋应以当前图斑含有控制区外边界的长度占整个控制区外边界的比例分配。

图4-5　土地管理GIS条件下的面积平差示意图