柵格地圖和矢量地圖的概述

柵格地圖和矢量地圖的概述數(shù)字地圖作為整個(gè)城市交通GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的地位是至關(guān)重要的。首先了解一下數(shù)字地圖的概念以及目前GPS實(shí)驗(yàn)室做過的與城市交通GIS系統(tǒng)相關(guān)的工作。1柵格地圖和矢量地圖的基本概念數(shù)字地圖按照其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，又主要分為數(shù)字矢量地圖和數(shù)字柵格地圖兩種（文中為敘述方便分別簡(jiǎn)稱矢量地圖和柵格地圖）。柵格地圖是各種比例尺的紙介質(zhì)地形圖和各種專業(yè)使用的彩圖的數(shù)字化產(chǎn)品，就是每幅圖經(jīng)掃描、幾何糾正及色彩校正后，形成在內(nèi)容、幾何精度和色彩上與地形圖保持一致的柵格數(shù)據(jù)文件。柵格數(shù)據(jù)為按給定間距排列的陣列數(shù)據(jù),基本信息單元由數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間位置和數(shù)據(jù)信息構(gòu)成,數(shù)據(jù)信息可以是高程、遙感圖象的RGB值或其它信息。數(shù)據(jù)按圖幅或按區(qū)域存放,文件結(jié)構(gòu)包括文件頭和數(shù)據(jù)體,文件頭包括對(duì)數(shù)據(jù)的各種描述信息（如行數(shù)、列數(shù)、格網(wǎng)間距、坐標(biāo)等），數(shù)據(jù)體依次記錄基本單元信息。一般為節(jié)省存儲(chǔ)空間,柵格數(shù)據(jù)需進(jìn)行壓縮或以其它形式進(jìn)行重新組織。矢量地圖是每幅經(jīng)掃描、幾何糾正后的影像圖，對(duì)一種或多種地圖要素進(jìn)行矢量化形成的一種矢量化數(shù)據(jù)文件，是一種更為方便的放大、漫游、查詢、檢查、量測(cè)、疊加地圖。其數(shù)據(jù)量小，便于分層，能快速的生成專題地圖，所以也稱作矢量專題信息DTI（DigitalThematicInformation）。此數(shù)據(jù)能滿足地理信息系統(tǒng)進(jìn)行各種空間分析要求，視為帶有智能的數(shù)據(jù)。可隨機(jī)地進(jìn)行數(shù)據(jù)選取和顯示，與其他幾種產(chǎn)品疊加，便于分析、決策。通常矢量數(shù)據(jù)的基本單元定義為點(diǎn)、線、面3種目標(biāo)形式?；拘畔卧煞从称浞诸愺w系及位置的基本數(shù)據(jù)組成。同一類基本空間信息單元具有類似的質(zhì)量、數(shù)量特征,構(gòu)成一個(gè)要素層;多個(gè)圖形要素層構(gòu)成一個(gè)圖幅,數(shù)據(jù)按圖幅存放；同一比例尺的多個(gè)圖幅構(gòu)成一個(gè)區(qū)域。這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下：矢量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低；有利于網(wǎng)絡(luò)和檢索分析；圖形顯示質(zhì)量好，精度高；但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多邊形疊加分析比較困難。柵格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；便于空間分析和地表模擬；現(xiàn)勢(shì)性較強(qiáng)；但是數(shù)據(jù)量大，投影轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜。例如成都市地圖，按照比例尺1：（約），轉(zhuǎn)化為24位位圖，大約15M，而利用城市交通GIS系統(tǒng)生成的矢量地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，只有137K，近3000條道路（矢量邊）的矢量文件大小只有約61K。可見矢量電子地圖的優(yōu)越性。2GPS實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的城市交通GIS系統(tǒng)絕大多數(shù)GIS系統(tǒng)中使用的地圖是以矢量地圖作為其表現(xiàn)形式的。國(guó)內(nèi)目前矢量地圖常用的生成方式有兩種，一種是用數(shù)字化儀從紙質(zhì)地圖中提取，另一種是從點(diǎn)位圖中利用模式識(shí)別的有關(guān)理論進(jìn)行識(shí)別和提取。生成一個(gè)準(zhǔn)確而完備的矢量地圖要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力，一個(gè)中等規(guī)模的城市用數(shù)字化儀生成矢量地圖，大約需要一個(gè)月的時(shí)間。如何以較小的代價(jià)生成一副實(shí)用的矢量地圖，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造一個(gè)實(shí)用的GIS系統(tǒng)，是GPS實(shí)驗(yàn)室一直在研究的一個(gè)課題。GPS實(shí)驗(yàn)室從1993年以來，一直在從事GPS定位、監(jiān)控與導(dǎo)航和GIS系統(tǒng)的研究。無論是GPS定位、監(jiān)控、導(dǎo)航，都離不開GIS系統(tǒng)的支持。在GIS系統(tǒng)方面，已經(jīng)有過多個(gè)版本，分別是在DOS、WIND31和WIN95下開發(fā)的。經(jīng)過許多人多年的努力GPS實(shí)驗(yàn)室形成了一套有實(shí)驗(yàn)室特色的，而且比較成熟的GIS軟件和GIS環(huán)境矢量地圖生成平臺(tái)。下面，我們就介紹一下GPS實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的矢量電子地圖生成平臺(tái)和GIS系統(tǒng)。系統(tǒng)組成我們所說的GIS往往是一個(gè)比較龐大的系統(tǒng)，而且包含了很多各類數(shù)據(jù)管理、決策的模塊，它是一種針對(duì)性比較強(qiáng)的系統(tǒng)，對(duì)于不同的用戶，往往對(duì)數(shù)據(jù)有不同的操作、管理、決策。但是它畢竟是一個(gè)以地理空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，所以有一個(gè)因素不能少，那就是電子地圖，它為系統(tǒng)提供最基本的地理信息。我們?nèi)绾蝸斫M織一份矢量地圖呢？數(shù)據(jù)是矢量地圖的核心，電子地圖可以看作由點(diǎn)、線、面這三種幾何對(duì)象以及它們的屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)的集合，所以我們引入了地圖矢量庫(kù)和地圖數(shù)據(jù)庫(kù)這兩個(gè)概念［19］。矢量庫(kù)是一組圖形描述數(shù)據(jù)，保存了地圖的幾何數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)則是一組描述數(shù)據(jù)，保存地圖各種幾何對(duì)象的屬性數(shù)據(jù)，二者之間通過地物對(duì)象的序號(hào)建立索引關(guān)系。如下圖：一副地圖可以看成是由點(diǎn)、線、面三種幾何圖形構(gòu)成的。點(diǎn)指的是單位之類的地物實(shí)體，線則是道路、鐵路之類的實(shí)體，而區(qū)劃這類的實(shí)體就可以用面來表征。依照傳統(tǒng)的習(xí)慣，把點(diǎn)、線、面這三類地物按照從上到下的順序排列。生成、編輯電子地圖的過程就是生成、編輯地圖矢量庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的過程，下面我們來詳細(xì)介紹一下這兩個(gè)最重要的庫(kù)。地圖矢量庫(kù)矢量庫(kù)定義出幾何結(jié)構(gòu)的位置形狀信息。點(diǎn)標(biāo)志比較簡(jiǎn)單，只是一個(gè)點(diǎn)；面標(biāo)志對(duì)應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)就是一個(gè)多邊形，也比較簡(jiǎn)單；而線標(biāo)志則包含較多的內(nèi)容，要相對(duì)復(fù)雜一些。下面主要介紹一下與線標(biāo)志有關(guān)的一些定義，也就是道路的有關(guān)定義：定義0：矢量邊。是一些點(diǎn)的坐標(biāo)的集合，表征著一條連續(xù)的折線。它有以下的性質(zhì)：a.點(diǎn)的排列順序決定了折線的行進(jìn)方向，決定了折線的形狀和位置；b.只有兩個(gè)端點(diǎn)可以屬于別的矢量邊。定義1：大節(jié)點(diǎn)、小節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)。大節(jié)點(diǎn)是矢量邊的端點(diǎn)；小節(jié)點(diǎn)是指矢量邊除端點(diǎn)之外的內(nèi)部點(diǎn)；大節(jié)點(diǎn)和小節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱節(jié)點(diǎn)。定義2：弧。一條弧就是一條矢量邊，是若干個(gè)節(jié)點(diǎn)的集合。組成弧的節(jié)點(diǎn)是順序排列的。定義3：路。路是若干條弧的集合。如圖所示：

我們以后所有的工作都要針對(duì)以上定義的幾種結(jié)構(gòu)來展開的。地圖數(shù)據(jù)庫(kù)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了各種地物的屬性數(shù)據(jù)。對(duì)于面地物，需要知道的屬性有：類型、位置、形狀、名稱、顏色等；對(duì)于點(diǎn)地物，需要知道的屬性有：類型、位置、名稱、顯示圖標(biāo)、顯示級(jí)別等;對(duì)于線地物，需要知道的屬性有：類型、位置、形狀、名稱、顏色、顯示寬度、顯示級(jí)別等；上面提到的各種地物的屬性數(shù)據(jù)中都有一項(xiàng)一一類型，也就是它所屬的組（Group）。組，定義出了某一批地物的缺省屬性，是一些具有相同或相近屬性的同類地物的集合。整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的層次如下所示：地圖的數(shù)據(jù)庫(kù)有四個(gè)層次，最上層當(dāng)然是地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，它由三個(gè)部分（Division）構(gòu)成的，也就是點(diǎn)、面、線三大類地物；每個(gè)部分又由若干個(gè)組（Group）構(gòu)成；每個(gè)組又由若干個(gè)地物實(shí)體（Entity）構(gòu)成，實(shí)體，就是點(diǎn)、面、線這類的地物個(gè)體。這種分層結(jié)構(gòu)使得配置地圖數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)顯得特別的方便。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型可以最自然地描述現(xiàn)實(shí)世界，將實(shí)體抽象為對(duì)象，用對(duì)象中的數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)模擬客觀世界及其運(yùn)動(dòng)。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型有很強(qiáng)的擴(kuò)充性。根據(jù)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方式，用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)健的，易于擴(kuò)充和修改的數(shù)據(jù)庫(kù)模型。如圖2-4所示：地圖對(duì)象類包含地圖的屬性和組成成分，屬性表示地圖的基本特征：地圖名、比例尺等等，在這個(gè)類的層次上我們可以定義地圖的基本操作，例如放大、縮小、漫游等。從這個(gè)對(duì)象的關(guān)系圖來看，在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，地圖的數(shù)據(jù)庫(kù)與矢量庫(kù)并不是完全獨(dú)立的，相反，數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)際上包含了矢量庫(kù)。也可以這么看，矢量庫(kù)實(shí)際上是一個(gè)幾何對(duì)象集，提供某些Entiy的幾何數(shù)據(jù)。Entity包含了基本地理對(duì)象的屬性和空間幾何信息，指明了基本地理對(duì)象的基本特征和組成的幾何對(duì)象，幾何對(duì)象包含幾何對(duì)象的地理位置和相互關(guān)系的信息，可以分為純幾何對(duì)象類（如點(diǎn)、多邊形等）和拓?fù)鋷缀螌?duì)象類（如節(jié)點(diǎn)、弧等），后者是由地圖矢量庫(kù)來提供的。3交通矢量地圖的生成要生成一副交通矢量地圖，首先是生成地圖的矢量文件，生成矢量地圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一一矢量庫(kù)。我們采用的是從點(diǎn)位圖中識(shí)別、生成矢量地圖的方式。我們將從紙制地圖掃描得到的點(diǎn)位圖進(jìn)行識(shí)別，提取出其中的道路信息，然后將這些道路信息矢量化得到一副只包含道路信息的矢量文件，將這作為一副矢量地圖的基礎(chǔ)。然后，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯、校正，并輸入各種地圖上的有關(guān)數(shù)據(jù)，生成電子地圖的數(shù)據(jù)庫(kù)，最終生成一個(gè)完整而準(zhǔn)確的矢量地圖。生成一副較完備矢量交通地圖，主要包括以下三個(gè)步驟:①彩色地圖的道路識(shí)別；②地圖矢量化；③矢量地圖的校正和地圖信息的添加；彩色地圖的道路識(shí)別，就是根據(jù)一幅彩色交通地圖，利用一定的算法，提取出其中的道路、區(qū)域信息，形成一幅黑白位圖［20］。地圖矢量化則是根據(jù)得到的線狀的黑白位圖抽取出有意義的模式特征。矢量化后的地圖經(jīng)過校正和添加地圖信息就可以很好的應(yīng)用于我們的監(jiān)控和導(dǎo)航系統(tǒng)了。下面我們將簡(jiǎn)要介紹一下地圖矢量化和地理信息添加這兩方面的內(nèi)容。4地圖矢量化在矢量化之間一般要先作一些預(yù)處理工作，以減少噪聲的干擾，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。預(yù)處理過程主要包括以下幾個(gè)方面：①平滑：所謂的平滑處理是將圖象上由于噪聲引入的孤立點(diǎn)去掉，將孔洞、缺口、間隙填補(bǔ)上，將小突起刪除。平滑處理是預(yù)處理的第一步，平滑的結(jié)果將影響細(xì)化的結(jié)果，最終影響矢量化。②細(xì)化：所謂的細(xì)化是將圖象上的線條細(xì)化成一個(gè)象素寬的線條的處理過程，細(xì)化的結(jié)果使得線條所在的地方總保持一個(gè)象素寬。對(duì)細(xì)化的一般要求是：保證細(xì)化后曲線的連通性，細(xì)化結(jié)果是原曲線的中心線，細(xì)化處理速度快，保留細(xì)線端點(diǎn)。矢量化結(jié)果的好壞，很大程度上取決于細(xì)化算法。③連接斷點(diǎn)：計(jì)算斷點(diǎn)之間的距離，如果之間的距離小于給定的誤差，則在斷點(diǎn)之間畫一條直線。④刪除毛刺：主要是刪除圖像點(diǎn)外細(xì)小的分杈。在最終的細(xì)化位圖上就可以完成圖形的矢量化過程。我們給出地圖矢量化的基本流程如下：5矢量地圖的編輯地圖矢量化完成以后，我們可以得到一個(gè)包含了所有道路拓?fù)湫畔⒌幕镜氖噶课募?，它只是矢量地圖庫(kù)的一個(gè)雛形。在此基礎(chǔ)上，我們要對(duì)矢量地圖進(jìn)行編輯，將地圖上地物的屬性信息輸入地圖屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中，并確定地圖的地理參數(shù)，從而生成一個(gè)完整而又準(zhǔn)確的交通矢量地圖。矢量地圖的編輯主要完成以下的幾個(gè)方面的工作：編輯GIS地圖數(shù)據(jù)庫(kù)；編輯地圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；利用已有的軌跡記錄確定地圖的地理參數(shù)。一副地圖編輯過程可以用如下的流程圖來表示：轉(zhuǎn)換成矢量地圖合并矢量地圖地圖數(shù)據(jù)庫(kù)圖形數(shù)據(jù)組屬性數(shù)據(jù)組改正后地圖地圖修改無誤差的地圖有誤差的地圖矢量文件《矢a：文件）科橫成矢■■把第*地圖即據(jù)用H 就正顯地可圖2-11地圖編輯的流程地圖數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是地圖的核心。一副完備的電子地圖的數(shù)據(jù)量是很大的，我們采用了分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織這些數(shù)據(jù)，最大限度的考慮和滿足用戶的需要。地理數(shù)據(jù)的分層結(jié)構(gòu)：

圖2-12地理數(shù)據(jù)的分層組織小.狀地物楙我狀地購(gòu)耕面狀地物籽法本地理對(duì)象集基本地理對(duì)乳圖2-12地理數(shù)據(jù)的分層組織小.狀地物楙我狀地購(gòu)耕面狀地物籽法本地理對(duì)象集基本地理對(duì)乳稅狀地物的狀地物*面狀地物電子地圖由基本地理對(duì)象集（點(diǎn)、線、面狀地物集）組成；基本地理對(duì)象由幾何對(duì)象（點(diǎn)、線、面）加上其屬性數(shù)據(jù)組成，幾何對(duì)象包含地理對(duì)象的幾何數(shù)據(jù)，并維護(hù)對(duì)象間的拓?fù)潢P(guān)系。矢量庫(kù)的組織地圖矢量庫(kù)保存了組成地圖的線狀元素的幾何數(shù)據(jù)，也就是包含了節(jié)點(diǎn)、弧和路的信息。它是整個(gè)電子地圖和GIS系統(tǒng)的根本，也是我們后面實(shí)現(xiàn)路徑尋優(yōu)、動(dòng)態(tài)軌跡校正等智能決策功能的基礎(chǔ)。下面我們就來看看在這個(gè)矢量庫(kù)中是如何組織這些數(shù)據(jù)的。像我們?cè)谧钋懊嫣岬降?，弧是?jié)點(diǎn)的集合，路是弧的集合。我們可以把矢量庫(kù)看成由三個(gè)表構(gòu)成，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的表，每一行表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)，X、Y坐標(biāo)組成這個(gè)表的兩個(gè)列；一個(gè)弧的表，它的每一行表示一條弧，它的列是構(gòu)成這條弧的點(diǎn)；還有一個(gè)路的表，它的每一行表示一條路，構(gòu)成這條路的所有的弧是各個(gè)列。如圖2-13所示。另外，對(duì)于一個(gè)GIS系統(tǒng)，不可或缺的功能就是根據(jù)地理空間信息進(jìn)行一些決策，例如搜索兩個(gè)給定點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑。在前面的討論中，我們可以看到節(jié)點(diǎn)、弧、路之間的關(guān)系是很密切的，因此我們提供充分的機(jī)制，使得它們之間能夠順利的相互訪問。如圖2-13所示。