掃描數字化

隨着計算機應用的普及與發展，“數字地球”已成鋭不可擋之勢，原有圖紙已不能滿足測繪單位及工程設計部門的需求，數字化產品的輸出已成為必然。但實現數字化成圖內外業一體化，目前還有一定困難，特別是對山區及中小城鎮來説就更不現實。因此，如何更有效的提高測繪信息的獲取精度，完善測繪信息的獲取手段，提高外業生產效率，尋找一種在儘量滿足測繪精度要求的前提下，最大限度的節省人力、物力、財力的更有效方法，來加速實現地形圖的數字化是人們普遍關注的問題。

經掃描數字化到矢量數字化是一種值得推廣的高效率的地形圖數字化方法。其過程相對比較簡單，所需勞動力較少，它可以在原有圖紙的基礎上實現GIS的建庫。經理論分析和實踐證明此方法是可靠的。數字化成圖一旦實現，就可以得到任意比例尺大小的規範化地形、地籍圖產品，也將改寫傳統的手繪單一比例尺出圖的歷史，從而節省大量的人力、物力和財力，並且其數據不僅可以通過刻錄光盤永久保存，而且還可以通過計算機網絡實現資源共享，為生產部門提供專業的數據信息。從而加大了測繪業的科技含量 ^[1]  。

隨着大規模數字化測繪生產的開展，基礎地理信息質量控制日益受到重視。地形圖掃描數字化是基礎地理信息的重要來源 ^[2]  。

掃描數字化的原理是將圖紙通過掃描儀，獲得柵格圖像數據後，再將其轉換成矢量圖形數據，以便於輸出到各種設備或者其它的數據格式。且其對計算機的要求也不是太高，一般的計算機都可以勝任。

掃描數字化的框圖如圖1所示。光柵矢量化編輯處理軟件主要有兩大類：

①運行在Windows 95/98/NT環境下，如德國的VP，美國的R2V，Cutting Shop，I/Vector；

②在Auto CAD環境下運行的，如：挪威的RX，美國的CAD Overlay，GTXRaster CAD，ImageSeries等 ^[3]  。

地形圖的柵格式數字化，其實質就是將線劃地圖掃描輸入計算機而得到的像素地圖(又稱位圖)，其成圖過程一般要經過以下步驟：

（1）地形原圖的準備：為使掃描後圖像達到滿意的效果，在掃描前要整理好圖幅。儘量使圖面清潔，檢查內圖廓線是否光滑、清晰，否則應重描內圖廓線，從而使在以後糾正處理時，能準確地找到圖廓控制點。

（2）地形圖的掃描：在地形圖的掃描前，要進行掃描儀初始化，並進行預掃，將各掃描參數調到最佳狀態，從而使圖像達到理想的效果。經成功掃描後所得的圖像，為使其文件較小可將其存為* .jpg文件格式，這樣就完成了地形圖的柵格式數字化。

經過掃描所得到的柵格式數字圖，它是以點陣式存儲的，基本單元為像素，其顯示方式是逐行、逐列、逐像的。在圖像處理時，隨着圖像的放大，圖像會變得模糊，甚至出現鋸齒，圖像將嚴重失真，且其圖像本身的存儲耗用空間大。這在生產應用中，極不便於數據管理和交流，因此對柵格圖像必須矢量化。所謂矢量化就是指將柵格圖像轉換為矢量圖像的過程。在矢量化時，一般線段可做自動跟蹤矢量化，由於地形圖上線劃分布比較複雜，尤其是大比例尺地形圖，地物要素的多樣、重疊、交叉以及一些文字符號、註記等，使全自動跟蹤矢量比較困難。一般都採用人機交互與自動跟蹤相結合的方法完成柵格式數字圖的矢量化，由於這一過程都在屏幕上進行，故又稱為屏幕數字化。

（1）圖像矢量化預處理：由於圖紙在掃描過程中，總存在系統誤差和偶然誤差，比如:由於圖紙本身的橫縱方向不等比例收縮;圖紙擺放方向與掃描方向存在角度偏差;掃描滾筒在掃描過程中產生位移等。因此在圖像矢量化前必須對其進行伸縮改正和圖片傾斜改正，甚至有時對圖像進行重新拼接，從而使圖像達到滿意的效果。圖像的糾偏及改正是一項十分複雜的工作，但這都可以通過圖像處理軟件及軟件包來輕鬆實現，目前比較好的軟件有：Photoshop6.0、Geoscan以及AutoCAD2000等。

（2）矢量化方法的選擇：在圖像矢量化時，選用恰當的方法可以保證成圖精度。一般圖像的矢量化有兩種方法，其一是“骨架法”，它要求在繪製時主要捕捉單位柵格灰度等級設置在最大處;其二是“輪廓法”，採用此法要求在繪製時，主要捕捉單位柵格灰度等級設置在柵格角點。但選用“骨架法”，其效果更為理想，因為此時畫出的線條可以保證在柵格圖線條的中央位置，這樣可以保證數字圖的精度及準確度。

（3）掃描圖像的矢量化：經過圖像校正及正確的矢量化方法確定後，接下來就可進行圖像矢量化。目前，能實現柵格圖像矢量化的軟件很多，筆者經過實踐，認為Geoscan軟件最理想。因為經過此軟件矢量化後，所得到的圖像線條平滑，點位精確，並且矢量化速度快，效果好。

（4）柵格式數字圖與矢量式數字圖的分離：將柵格式數字圖轉化為矢量式數字圖後，此時二者還同時存在於同一個文件中。經過認真編輯(包括數據的添加、刪除、修改，圖形的分割、連接、顯示、放大、選取，以及線劃、符號、註記和圖廓整飾處理等)，檢查無誤後，就可將二者分離。利用刪除命令刪除最早調入的圖像文件即可。保存圖形，就生成了正規的用於輸出的繪圖數據文件。

（1）數據處理：經過以上的工作，雖然已經得到了矢量式數字圖，但經Geoscan矢量化的矢量式數字圖中的數據，此時還比較混亂，是一個雜亂的數字堆圖。為便於數據的提取、分析和編輯，還必須經過專業的繪圖軟件進行處理，給不同的地物地貌賦予屬性。

（2）編輯、輸出圖形：通過數據處理形成數字化圖後，作最後檢查校對，確認無誤即可輸出數字圖。其輸出的數字圖產品包括：一是數據文件。在進行最終的數據文件輸出時，要求用CAD通用的文件格式.dwt輸出，以便於數據交流；二是打印紙圖。矢量式數字圖可以任意比例尺大小經繪圖儀輸出，一般視用户的要求而定；三是屏幕顯示圖像。它們可以分別通過光盤刻錄機、繪圖儀(或打印機)、顯示器等硬件設備來實現 ^[1]  。

（1）地形原圖誤差：地形圖原圖的誤差指在地形圖數字化前已產生的誤差。一般在數字化前，對掃描底圖都已經進行了檢校，是確認為合格的圖紙。因此它的誤差主要有：①地形圖測量中控制點和碎部點的測量誤差。其限差大小由成圖比例尺大小而確定；②控制點的展點誤差。控制點展點一般用展點儀在聚脂薄膜上進行。因此，誤差主要來源於手工操作，其大小一般為0.10- 0.15mm。③繪圖誤差。是指在繪圖過程中由於環境、温度、繪圖員素質等綜合因素產生的誤差，其值約在0.10- 0.18mm的範圍。

（2）圖紙掃描誤差：圖紙掃描誤差主要由掃描儀出廠的技術參數、操作員的素質水平、掃描介質均勻度和處理掃描圖的軟件決定。掃描儀的技術參數包括掃描儀的分辨率、光學誤差、電信號轉換過程中的誤差，掃描過程中的歪斜失真度以及外界因素影響產生的誤差等。

（3）掃描原圖比例尺誤差：由於地形原圖比例尺大小不同，則單位圖紙距離表示的實際長度不同，對於經掃描後輸入計算機的柵格式數字圖也仍然同時存在。但此問題一般隨地形圖比例尺的增大而減小。所以，在進行數字化成圖時，一般提倡採用大比例尺底圖。此外，一般手繪地形圖的人眼視覺誤差在0.10mm左右，而計算機“視覺(捕捉)”誤差是以像素計的，並且捕捉單位可以人為調整，實際上此誤差只為手工操作的85%。

（4）圖紙矢量化誤差：指在將柵格數據轉換為座標序列數據時產生的誤差。由於掃描圖像矢量化是一種單調乏味、容易出錯的工作，手和眼所引起的座標誤差就在所難免。其具體大小會隨操作員的業務素質高低和工作的時間長短而不同。由此可見，雖然採用了最先進的矢量化軟件，其誤差也是存在的。

（5）圖形輸出誤差：當地形圖數字化完成並形成數據文件後，即可輸出圖形。圖形輸出設備一般有繪圖儀和顯示器等，則其輸出誤差主要包括:顯示誤差和打印誤差。它們都由各自本身的技術參數———分辨率決定，一般當分辨率達到300dpi時，誤差可控制在0.085mm以內。

（6）軟件本身的誤差：軟件功能強大，並不等於軟件萬能。它本身只是一組數據程序，其功能也是有限的，而且不同的軟件它所要求的運行環境也不一樣。由於在進行數字化時，採用了各種專業軟件。因此，這必然給結果帶來誤差，並且還有誤差傳播的可能，只不過其誤差很小，可以忽略不計 ^[1]  。