數(shù)字化測圖第一章緒論課件

1、第一章緒論一、地形圖與數(shù)字化地形圖 1 地形圖概念 地形圖是利用測量儀器將地球表面局部區(qū)域內(nèi)各種地物、地貌的空間位置和幾何形狀，按一定的比例尺，用規(guī)定的圖式符號繪制成的正射投影圖。2-1 數(shù)字化測圖概述 2 數(shù)字地形圖概念 數(shù)字地形圖是用數(shù)字形式存儲全部地形圖信息的地圖。是用數(shù)字形式描述地形圖要素的屬性、定位和關(guān)系信息的數(shù)據(jù)集合，是存儲在具有直接存取性能的介質(zhì)（磁盤、硬盤和光盤）上的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)文件。一、地形圖與數(shù)字化地形圖一、地形圖與數(shù)字化地形圖 3 數(shù)字地形圖與傳統(tǒng)地形圖的差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面 1）數(shù)字地形圖的載體不是紙張，而是適合于計算機(jī)存儲的軟盤、硬盤和光盤等。一、地形圖與數(shù)字化地形

2、圖 3 數(shù)字地形圖與傳統(tǒng)地形圖的差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面 2）傳統(tǒng)地形圖是以線劃、顏色、符號、注記來表示地物類別和地形，數(shù)字地形圖是以可識別的數(shù)字代碼反映地表各類地理屬性特征。一、地形圖與數(shù)字化地形圖 3 數(shù)字地形圖與傳統(tǒng)地形圖的差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面 4）數(shù)字地形圖以數(shù)字形式表示地形圖的內(nèi)容。數(shù)字地形圖以數(shù)字坐標(biāo)表示地物和地貌的空間位置，以數(shù)字代碼表示地形符號、說明注記和地理名稱注記。一、地形圖與數(shù)字化地形圖 3 數(shù)字地形圖與傳統(tǒng)地形圖的差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面 5）數(shù)字地形圖的現(xiàn)勢性 數(shù)字地形圖具有更新地形圖的優(yōu)勢，使地形圖有良好的現(xiàn)勢性。一、地形圖與數(shù)字化地形圖 3 數(shù)字地形圖與

3、傳統(tǒng)地形圖的差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面 6）數(shù)字地形圖的比例尺 可以輸出不同比例尺和不同圖幅大小的地形圖，輸出各種分層疊合的專用地圖。一、地形圖與數(shù)字化地形圖 3 數(shù)字地形圖與傳統(tǒng)地形圖的差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面 8）數(shù)字地形圖是地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源 二、數(shù)字化測圖技術(shù)的研究內(nèi)容 數(shù)字化測圖技術(shù)的主要研究對象是制圖對象信息的獲?。ú杉⒓庸ぃㄌ幚恚?、傳輸、系統(tǒng)分析、圖形顯示與存儲的技術(shù)手段和方法二、數(shù)字化測圖技術(shù)的研究內(nèi)容 6.數(shù)字地形圖質(zhì)量評價 7.數(shù)字化成圖軟件的開發(fā) 8.數(shù)字地形圖的管理與應(yīng)用 9.數(shù)字化成圖與地理信息系統(tǒng)的關(guān)系 三、數(shù)字化測圖技術(shù)的特點 1.精度高 2.自動化程度高

4、、勞動強(qiáng)度較小 3.更新方便、快捷 4.便于保存與管理 5.便于應(yīng)用 6.易于發(fā)布和實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸2-2數(shù)字測圖系統(tǒng)的構(gòu)成一、數(shù)字測圖系統(tǒng)的硬件1 計算機(jī) 計算機(jī)是數(shù)字測圖系統(tǒng)中不可替代的主體設(shè)備。它的主要作用是運行數(shù)字化成圖軟件，連接數(shù)字測圖系統(tǒng)中的各種輸入輸出設(shè)備。2 全站儀 全站儀是由測距儀、電子經(jīng)緯儀和微處理器組成的一個智能性測量儀器。一、數(shù)字測圖系統(tǒng)的硬件3 數(shù)字化儀 數(shù)字化儀是數(shù)字測圖系統(tǒng)中的一種圖形錄入設(shè)備。它的主要功能是將圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，所以，有時它又被稱為圖數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備。一、數(shù)字測圖系統(tǒng)的硬件4 掃描儀 掃描儀是以“柵格方式”實現(xiàn)圖數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備。所謂柵格方式就是以一個虛擬的格網(wǎng)對

5、圖形進(jìn)行劃分，然后對每個格網(wǎng)內(nèi)的圖形按一定的規(guī)則進(jìn)行量化。一、數(shù)字測圖系統(tǒng)的硬件 6.GPS接收機(jī) GPS是Global Position System縮寫。該系統(tǒng)是美國國防部自20世紀(jì)70年代開始研制的新一代導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。一、數(shù)字測圖系統(tǒng)的硬件 7.電子手薄 電子手薄的主要作用是：在外業(yè)與全站儀連接，記錄觀測數(shù)據(jù)并作必要的處理，在內(nèi)業(yè)與計算機(jī)連接，將記錄數(shù)據(jù)傳入計算機(jī)，供進(jìn)一步處理。一、數(shù)字測圖系統(tǒng)的硬件2、支撐軟件（如計算機(jī)輔助設(shè)計軟件AutoCAD） 二、數(shù)字測圖系統(tǒng)的軟件3、應(yīng)用軟件或者叫專用軟件（如南方測繪儀器公司的CASS成圖軟件） 二、數(shù)字測圖系統(tǒng)的軟件三、數(shù)字測圖系統(tǒng)的人員與

6、數(shù)據(jù) 數(shù)字測圖系統(tǒng)的人員是指參與完成數(shù)字化成圖任務(wù)的所有工作與管理人員。 數(shù)字測圖系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要指系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)流，它包括：采集（原始）數(shù)據(jù)；處理（過渡）數(shù)據(jù)；數(shù)字地形圖（產(chǎn)品）數(shù)據(jù)。2-3數(shù)字化測圖的工作過程與作業(yè)模式一、數(shù)字化測圖的工作過程 數(shù)字化測圖的工作過程主要有：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形編輯和圖形輸出地形數(shù)據(jù)采集（硬件、軟件）數(shù)據(jù)處理與編輯（硬件、軟件）繪圖與輸出（硬件、軟件）1.數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集的目的是獲取數(shù)字化成圖所必需的數(shù)據(jù)信息，包括描述地形圖實體的空間位置、連接方式及地理屬性。 數(shù)據(jù)采集主要有兩大類方法：外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)采集。一、數(shù)字化測圖的工作過程（1）外業(yè)采集 外

7、業(yè)采集主要用測量儀器在野外進(jìn)行（全站儀、GPS等），借助電子手薄、PC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，之后傳入計算機(jī)供進(jìn)一步處理。1.數(shù)據(jù)采集（1）外業(yè)采集 測點的連接關(guān)系及地形實體的地理屬性有三種不同的采集和記錄方法：用約定的編碼表示地形實體的地理屬性和測點的連接關(guān)系。用草圖來描述測點的連接關(guān)系和實體的地理屬性。在野外直接將全站儀與筆記本電腦或掌上電腦連接在一起，測量數(shù)據(jù)實時傳入筆記本電腦或掌上電腦，不需要記憶和輸入編碼，現(xiàn)場加入地理屬性和連接關(guān)系后直接成圖。1.數(shù)據(jù)采集（2）內(nèi)業(yè)采集 主要是指對已有地形圖的數(shù)字化。內(nèi)業(yè)采集主要用數(shù)字化儀或掃描儀完成。1.數(shù)據(jù)采集2.數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理是指將采集數(shù)據(jù)處理成成

8、圖所需數(shù)據(jù)的過程，包括數(shù)據(jù)格式或結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換、投影變換、圖幅處理、誤差檢驗等內(nèi)容。 數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、地物點的圖形處理和地貌點的等高線處理。一、數(shù)字化測圖的工作過程（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理是對原始記錄數(shù)據(jù)作檢查 刪除已作廢標(biāo)記的記錄和刪去與圖形生成無關(guān)的記錄，補(bǔ)充碎部點的坐標(biāo)計算和修改有錯誤的信息碼。數(shù)據(jù)預(yù)處理后生成點文件。點文件以點為記錄單元，記錄內(nèi)容是點號、符號碼、點之間的連接關(guān)系碼和點的坐標(biāo)。2.數(shù)據(jù)處理（2）根據(jù)點文件形成圖塊文件，將與地物有關(guān)的點記錄生成地物圖塊文件，與等高線有關(guān)的點記錄生成等高線圖塊文件。 地物圖塊文件的每一條記錄以繪制地物符號為單元，其記錄內(nèi)容是地物符號代碼，按連接順

9、序列的地物點點號或者是點的x、y坐標(biāo)值，以及點之間的連接線型（直線、圓弧和曲線）碼。2.數(shù)據(jù)處理（3）等高線處理是將表示地貌的離散點在考慮性線、斷裂線的條件下自動連接成三角形網(wǎng)，三角形頂點是通過測量的地形點。 在三角形邊上用線性內(nèi)插法計算等高線通過點的平面位置，然后搜索同一條等高線上的點，依連接順序排列起來，用曲線連接，形成一條等高線的圖塊記錄。2.數(shù)據(jù)處理3.圖形編輯 圖塊文件生成后可進(jìn)行人機(jī)交互方式下的地形圖編輯。將圖塊文件以圖形方式顯示到計算機(jī)屏幕上，這就需要將地物點的測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)。屏幕顯示區(qū)域只是某一限定的范圍， 人機(jī)交互方式下的地形圖編輯，主要包括刪除錯誤的圖形和不需要表示

10、的圖形，修正不合理的符號表示，增添植被、土壤等配置符號以及地形圖注記。一、數(shù)字化測圖的工作過程4.圖形輸出 圖塊文件經(jīng)過人機(jī)交互編輯生成數(shù)字地形圖的圖形文件。圖形文件根據(jù)數(shù)字地形圖的用途不同有不同的要求。一、數(shù)字化測圖的工作過程2-3數(shù)字化測圖的工作過程與作業(yè)模式二、數(shù)字化測圖的作業(yè)模式 數(shù)字化測圖在實際工作中主要有如下幾種不同的作業(yè)模式：數(shù)字測記模式、電子平板測繪模式和內(nèi)業(yè)數(shù)字化。 1）.數(shù)字測記模式 是一種描述記錄連接關(guān)系和地形圖實體的地理屬性的作業(yè)模式，又可以進(jìn)一步分為有碼作業(yè)和無碼作業(yè)。這種作業(yè)模式的特點是精度高、內(nèi)外業(yè)分工明確，便于人員分配，從而具有較高的成圖效率。二、數(shù)字化測圖的作

11、業(yè)模式2）.電子平板 是一種基本上將所有工作放在外業(yè)完成的數(shù)字化成圖方法，它用筆記本電腦模擬測圖平板，將其與全站儀連接在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形編輯現(xiàn)場同步完成。這種作業(yè)模式的特點是精度高、現(xiàn)場成圖實現(xiàn)了“所見即所測”，從而具有較高的可靠性。二、數(shù)字化測圖的作業(yè)模式3）.內(nèi)業(yè)數(shù)字化 是指用數(shù)字化儀或掃描儀在室內(nèi)采集數(shù)據(jù)。這種作業(yè)模式的特點是工作較簡單、效率較高，但精度較低，且必須有較完整的滿足要求的紙基地形圖可供利用。當(dāng)采用掃描儀數(shù)字化時，還必須進(jìn)行矢量化處理。二、數(shù)字化測圖的作業(yè)模式2-4數(shù)字化測圖技術(shù)的理論基礎(chǔ)一、坐標(biāo)變換在數(shù)字測圖系統(tǒng)中，圖形顯示設(shè)備（顯示器）、圖形輸出設(shè)備（繪

12、圖儀、打印機(jī)）和圖形錄入設(shè)備（數(shù)字化儀、掃描儀等），這些設(shè)備都具有都涉及坐標(biāo)系的概念。都使用與測量坐標(biāo)系（一般稱為用戶坐標(biāo)系）不同的設(shè)備坐標(biāo)系，這就導(dǎo)致在利用這些設(shè)備錄入、顯示或輸出圖形時需要進(jìn)行不同坐標(biāo)系之間的變換。坐標(biāo)變換問題的實質(zhì)是分析、求解不同坐標(biāo)系之間的關(guān)系，建立坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)模型。1.坐標(biāo)系的概念 測量坐標(biāo)系大比例尺數(shù)字化成圖中的測量坐標(biāo)系是以x軸為縱坐標(biāo)表示南北方向，以y軸為橫軸表示東西方向。測量和繪制地形圖時使用測量坐標(biāo)系。一、坐標(biāo)變換1.坐標(biāo)系的概念 設(shè)備坐標(biāo)系數(shù)字測圖系統(tǒng)中的計算機(jī)顯示器和繪圖儀，使用的是屏幕坐標(biāo)系和繪圖儀坐標(biāo)系，成圖軟件也有自己的坐標(biāo)系，一般采用數(shù)學(xué)中的笛

13、卡兒坐標(biāo)系。一、坐標(biāo)變換2.測量坐標(biāo)系到屏幕坐標(biāo)系的變換一、坐標(biāo)變換.測量坐標(biāo)系到繪圖儀坐標(biāo)系的變換 2-4數(shù)字化測圖技術(shù)的理論基礎(chǔ)二、曲線的平滑處理1.線性迭代法線性迭代法又稱為抹角法，是用反復(fù)的線性迭代產(chǎn)生的加密的折線，對等高線進(jìn)行光滑處理。二、曲線的平滑處理2.分段三次多項式（五點光滑法）這種方法是在等高線上每兩個點之間（即每條折線線段上）建立起一條三次曲線，在整條曲線上具有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)。每一點上的一階導(dǎo)數(shù)是以該點為中心，加上前后各相鄰的兩個點（共五個點）共同確定的，所以又稱為五點光滑法。二、曲線的平滑處理2.分段三次多項式（五點光滑法）二、曲線的平滑處理3. 拋物線加權(quán)平均曲線光滑根

14、據(jù)給定的曲線特征點順序，每相鄰三點作一條拋物線，而每相鄰兩點之間前后兩條拋物線弧的重合部分用加權(quán)平均曲線作為最終的插值光滑曲線。二、曲線的平滑處理3. 拋物線加權(quán)平均曲線光滑(1)正軸拋物線加權(quán)平均法二、曲線的平滑處理3. 拋物線加權(quán)平均曲線光滑(2)斜軸拋物線加權(quán)平均法二、曲線的平滑處理4.張力樣條函數(shù)插值法對樣條曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬得出的函數(shù)叫做樣條函數(shù)，其中分段三次樣條曲線，次數(shù)低，便于計算，不但能保證曲線上各點的切線斜率連續(xù)變化，而且能保證曲率連續(xù)變化，因而得到廣泛的應(yīng)用。二、曲線的平滑處理2-4數(shù)字化測圖技術(shù)的理論基礎(chǔ)三、數(shù)字地面模型1.數(shù)字地面模型數(shù)字地面模型是地表形態(tài)的一種數(shù)字描述，

15、簡稱DTM， DTM是描述地面諸特性空間分布的有序數(shù)字陣列，在最通常的情況下，所描述的地面特性是地面點的高程Z，它們的空間分布由X，Y水平坐標(biāo)系來描述，也可以用經(jīng)度和緯度來描述。2.數(shù)字高程模型當(dāng)DTM中地面特性為高程時就是數(shù)字高程模型DEM。DEM是數(shù)字的形式按一定的結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實際地形特征的空間分布，也就是地形形狀大小和起伏的數(shù)字描述。三、數(shù)字地面模型3.應(yīng)用通過DTM可得到有關(guān)區(qū)域中任一點的地形情況，計算出任一點的高程并獲得等高線。DTM的應(yīng)用極其廣泛，計算區(qū)域面積，劃分土地，計算土方工程量，獲取地形斷面和坡度信息等，同時也是數(shù)字地形圖和地理信息系統(tǒng)的一種基礎(chǔ)性資料，更確切地說本

16、身就是數(shù)字地形圖中描述地形起伏的一種形式。三、數(shù)字地面模型4. DTM的幾種類型1）規(guī)則格網(wǎng)DTM 2）不規(guī)則三角網(wǎng)DTM三、數(shù)字地面模型4. DTM的幾種類型3）等值線DTM 4）曲面DTM三、數(shù)字地面模型2-4數(shù)字化測圖技術(shù)的理論基礎(chǔ)四、等高線的繪制數(shù)字測圖系統(tǒng)繪制等高線的步驟：（1）建立DTM。（2）內(nèi)插等高線上的點。（3）跟蹤等高線上的點以形成等高線。（4）對于形成的等高線進(jìn)行光滑。1）三角網(wǎng)數(shù)字高程模型的存儲結(jié)構(gòu)在研究三角網(wǎng)數(shù)字高程模型的存儲結(jié)構(gòu)時，主要應(yīng)考慮以下幾個因素：應(yīng)具有較少的存儲容量；在保證具有較小的存儲容量的基礎(chǔ)上要便于應(yīng)用，如等高線的內(nèi)插和追蹤處理等；要完全包含三角網(wǎng)模

17、型的拓?fù)湫畔?。四、等高線的繪制2）TIN的概念不規(guī)則三角形格網(wǎng)（TIN），是直接利用測區(qū)內(nèi)野外實測的所有地形特征點（離散數(shù)據(jù)點），構(gòu)造出鄰接三角形組成的格網(wǎng)型結(jié)構(gòu)。TIN的每個基本單元的核心是組成不規(guī)則三角形的三個頂點的三維坐標(biāo)，這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)完全來自原始測量成果。四、等高線的繪制3）TIN格網(wǎng)的算法建立TIN的基本過程是將最鄰近的三個離散點連接成初始三角形，再以這個三角形的每條邊為基礎(chǔ)連接鄰近離散點，組成新的三角形。四、等高線的繪制4）泰森多邊形算法泰森多邊形算法是將分布在平面區(qū)域上的一組離散點用直線分隔，使每個離散點都包含在一個多邊形之內(nèi)。四、等高線的繪制5）TIN建立過程中特殊地貌和地物的

18、處理在建立TIN的過程中必須考慮特殊地貌和地物對TIN結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)行特殊處理，以滿足等高線和斷面的生成、土方量計算、地形圖繪制等DTM應(yīng)用的需要和正確性。四、等高線的繪制5）TIN建立過程中特殊地貌和地物的處理（1）斷裂面的處理在輸入數(shù)據(jù)及建立DTM之前進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和分類的過程中，把斷裂線提取出來并拓展成一個極窄的條形閉合區(qū)域。四、等高線的繪制5）TIN建立過程中特殊地貌和地物的處理（2）陡坎的處理點17為實測的坎上點，而 各點的平面位置是由17點向坎下方向平移1mm確定。四、等高線的繪制5）TIN建立過程中特殊地貌和地物的處理（3）地物的處理繪制地形圖時，要求等高線遇地物斷開，如等高線

19、遇房屋、道路等都需要斷開，其處理的方法類似，也是將它們處理成閉合區(qū)，擴(kuò)連三角形是由房屋邊線向外拓展，等高線遇閉合邊界即終止（斷開）。四、等高線的繪制5）TIN建立過程中特殊地貌和地物的處理（4）地性線的處理四、等高線的繪制5）TIN建立過程中特殊地貌和地物的處理（5）影響三角形格網(wǎng)結(jié)構(gòu)的其它因素如不規(guī)則區(qū)域邊界可能使程序在無數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)造出三角形格網(wǎng)，或構(gòu)造出與實際地形特征不相符的部分三角形格網(wǎng)，從而影響了三角形格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為了解決這些問題，需要在構(gòu)造三角形格網(wǎng)過程中加入對區(qū)域邊界的識別，不允許TIN向區(qū)域邊界外擴(kuò)展，同時檢查邊界附近的三角形格網(wǎng)中是否有異常的三角形（如某個三角形的部分區(qū)域以處于邊界以外）。四、等