[醉染正版]计算机地图制图:原理与算法基础(版)

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计算机地图制图：原理与算法基础（第二版）
	曾用价	49.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2017年06月
	开本
	作者	闫浩文，刘涛，张黎明
	装帧	平装
	页数	272
	字数	400
	ISBN编码	9787030536259

计算机辅助地图制图（computer-aided cartography，CAC）是地图学与地理信息系统学科的基础之一，旨在解决地理空间数据在媒介上的可视化问题。该学科基础的奠定及其发展与地图学、地理信息系统技术、计算机科学、几何学、图形学及图像处理技术等的发展密不可分。因此，为了系统地阐述CAC的基本原理和算法，本书分为如下8章：第1章为绪论，讨论CAC的源起、基本过程和硬件系统；第2章为CAC的理论基础，论述学习CAC必备的初等几何、图论、计算几何、图像处理及数字地面模型方面的知识；第3章讨论CAC的数据模型，包括矢量数据模型、栅格数据模型及矢量栅格的相互转换；第4章论述矢量数据处理算法，涵盖内容比较广泛；第5章为栅格数据处理算法，介绍常见的区域填充算法、距离变换图和骨架图生成算法及褶积滤波算法等；第6章为网络地图制图，阐述CAC在网络时代的发展；第7章为地图数据数字水印算法，论述CAC数据安全问题及相关算法；第8章为计算机地图制图的软件及发展趋势。对所用资料，书中尽力给予标注，便于读者查阅原始资料，对问题探根求源、深入理解。各章后的思考题是为了方便读者自我测试章节知识掌握水平而设计的。

目录
第二版前言
**版前言
第1章 绪论 1
1.1 计算机地图制图技术探源 1
1.2 计算机地图制图的基本过程 5
1.3 计算机地图制图的硬件系统 8
1.4 计算机地图制图的相关学科 16
思考题 17
第2章 计算机地图制图的理论基础 18
2.1 初等几何学及其算法 18
2.2 图论 28
2.3 计算几何 32
2.4 图像处理的基本方法 40
2.5 数字地面模型 43
思考题 50
第3章 计算机地图制图数据模型 52
3.1 计算机地图制图的数据 52
3.2 矢量数据模型 57
3.3 栅格数据模型 70
3.4 矢量栅格格式转换 76
思考题 84
第4章 矢量数据处理算法 86
4.1 普通地图矢量符号(库)算法 86
4.2 专题地图矢量符号(库)算法 94
4.3 地图图形开窗算法 95
4.4 等值线引绘算法 101
4.5 拓扑多边形自动生成算法 107
4.6 曲线光滑算法 111
4.7 地图综合算法 132
4.8 地图自动注记算法 155
思考题 158
第5章 计算机地图制图栅格数据处理算法 159
5.1 区域填充算法 159
5.2 距离变换图和骨架图生成算法 166
5.3 褶积滤波算法 171
思考题 173
第6章 网络地图制图 174
6.1 网络服务关键技术 174
6.2 OpenGIS网络服务框架和公共规范 179
6.3 网络地图服务 183
6.4 切片地图及网络地图切片服务 187
6.5 志愿者地理信息 200
思考题 205
第7章 地图数据数字水印算法 206
7.1 数字水印技术概述 206
7.2 栅格地图数据数字水印算法 210
7.3 矢量地图数据数字水印算法 221
7.4 DEM数据数字水印算法 240
思考题 245
第8章 计算机地图制图的软件及发展趋势 247
8.1 计算机地图制图的软件系统 247
8.2 计算机地图制图的发展趋势 256
思考题 257
参考文献 258

第1章绪论
　　地图学（cartography）自20世纪初成为一门独立的学科以来，学术界曾对其学科体系进行过争论。我国地图学家廖克等（1982）分析了国外学者的观点，根据地图学发展的特点和趋势，提出现代地图学包括理论地图学、地图制图学和应用地图学三个分支学科。计算机地图制图则属于地图制图学的范畴。
　　计算机地图制图又称为自动化制图或机助地图制图（CAC）。它是一门研究以传统的地图制图原理为基础，在计算机软、硬件的支持下，采用数据库技术和图形数字处理方法，实现地图信息的获取、变换、存储、处理、识别、分析、输出和应用的技术性学科（胡友元和黄杏元，1987；徐庆荣等，1993）。
　　计算机地图制图技术的应用，使传统的地图制图发生了变革。地图制图人员不再始终面对纸质地图，而主要面对电子数据，所有的制图资料必须变换为计算机可以接受的数据形式。制图过程实际上是对数据的获取、编辑处理、管理维护和可视化再现的过程，数据是各个制图环节之间的联结点。因此，从一定意义上来讲，计算机地图制图也可称为数字地图制图。
　　计算机地图制图的发展既依赖于常规制图理论，又在技术和理论上实现了新的飞跃。概括起来，支撑计算机地图制图的技术方法主要有计算机图形图像处理技术、数据库技术、制图综合技术、多媒体技术、虚拟现实技术等；指导计算机地图制图的基本理论除了图形学、离散数学等兄弟学科之外，还有地图信息论、地图感受论、地图符号论、地图模型论、地图认知理论和制图综合理论等。
　　1.1计算机地图制图技术探源
　　1.1.1计算机地图制图的历史
　　1.国际发展
　　计算机地图制图技术的发展大致可划分为以下3个阶段。
　　（1）初期阶段。计算机地图制图技术酝酿于20世纪50年代，经历了10余年的实验与探索。当时的计算机大致处于第二代，制图的硬、软件研制成为这个阶段的主要课题。1950年，能显示简单图形的图形显示器作为美国麻省理工学院“旋风1号”计算机的附件而问世。1958年，美国Gerber公司和Calcomp公司分别研制了平台式绘图仪和滚筒式绘图仪，为初期的机助制图系统创造了基本条件。1964年，**次在数控绘图仪上绘出了地图。随后英国牛津大学和和美国哈佛大学研制的自动地图制图系统开始运行，用模拟手工的方法绘制了一些地图。这两个系统的诞生为计算机地图制图技术的发展做出了开创性的贡献，并引起国际制图界的极大兴趣和广泛关注。
　　（2）发展阶段。20世纪60年代后期至80年代后期，计算机地图制图以空前的速度和规模发展。这一阶段，已出现第三、第四代计算机，***大幅度提高，计算机的应用日趋广泛。制图学家对地图图形的数字表示和数学描述、地图资料的数字化、地图数据处理、地图数据库、地图综合和图形输出等方面的问题进行了深入的研究，在制图硬件的速度、交互性和制图软件的算法上都有很大的突破。在此基础上，许多国家相继建立了软硬件相结合的交互式计算机地图制图系统，也推动了各种类型的地图数据库和地理信息系统的建设，为军事、规划、设计和管理等部门提供了方便的地理信息服务。例如，为处理加拿大土地调查获得的大量数据而研制的加拿大地理信息系统于1971年投入运行；美国1982年建成1：200万国家地图数据库，1983年开始建设更大比例尺的国家地图数据库。
　　（3）飞跃阶段。从20世纪80年代末期至今，计算机制图技术有了新的飞跃。各种制图软件和硬件得到进一步完善，计算机地图制图技术基本代替了传统地图制图方法，地图制图自动化程度达到了一定高度，地图和地理信息的应用走向全面和深入。20多年来，随着数据库技术、面向对象技术、图形图像处理技术、动画技术、多媒体技术和网络技术的发展，出现了“网络地图”“动态地图”“立体地图”“多媒体地图”“影像地图”“全息地图”等全新的地图表现和应用形式。遥感技术系统、全球定位系统和地理信息系统的进一步发展和集成，为计算机地图制图技术的发展和应用展现了更为广阔的前景，制图领域迅速扩大，呈现出多层次、多时态、多方位、多品种的态势。
　　2.国内发展
　　我国计算机地图制图起步稍晚，但发展速度很快。从20世纪60年代末70年代初开始设备研制和软件设计。硬件方面，采用引进、消化、改造和研制的方法，先后生产了多种系列和型号的计算机、手扶跟踪数字化仪、自动扫描仪、滚筒式和平台式绘图仪、地图汉字数控自动注记系统等；软件方面，地图制图科技工作者本着自力更生、引进改造的原则，研制了大量的基本绘图程序和应用绘图程序。到20世纪80年代后期，我国开始建立完善的计算机地图制图系统和地理信息系统，赶上了国际步伐。普通地图的计算机制图已包括了地图投影的机助设计和自动展绘、地理要素的自动绘制、图廓及图外整饰、基本符号库的建立、数字地图的自动接边和合幅等功能；专题地图制图系统也开始应用于电子地图集的生产。具有自主知识产权的国产地理信息系统基础平台（如SuperMap、MapGIS等）被研制开发并渐趋成熟，在国内普及应用的基础上，开始走向国外市场。同时，有关专家对地图自动综合和专家系统的研究给予了高度重视，如原武汉测绘科技大学研制的“地图设计生产智能化系统”（MAPKEY）、原郑州测绘学院研制的“专题地图设计专家系统”（TMDES）等取得了良好的应用效果。20世纪90年代中期以来，全国的数字化测绘生产技术体系逐步建立，实用性地理信息系统和地理信息基础数据库的建设与发展非常活跃，它们有力地推动了计算机地图制图技术的进一步发展与成熟。
　　3.计算机地图制图的特点
　　计算机地图制图之所以发展快、应用广，除了受相关学科发展、技术进步的推动和强烈的地图信息社会需求等影响之外，还在于计算机地图制图相对于传统手工地图制图具备如下几个方面的优越性。
　　（1）数字地图易于存储、复制和远程传输。
　　（2）计算机地图制图的成图周期短，地图数据的编辑、更新、改编方便，提高和改善了地图的适应性、现势性和用户的广泛性。
　　（3）计算机地图制图提高了地图制作与使用的精度，增大了地图信息容量。
　　（4）计算机地图制图技术使地图投影变换和比例尺变换等过程更容易实现。
　　（5）计算机地图制图技术减轻了制图人员的劳动强度，减少了主观随意性，这为地图制图的进一步标准化、规范化奠定了基础。
　　（6）计算机地图制图技术使地图品种增多，拓展了服务范围（如可以方便地制作三维立体图、地面切割密度图、坡度坡向图等）。
　　（7）计算机地图制图技术简化了地图生产的工艺流程，地图制作者与使用者之间的界限开始模糊。
　　需要指出：计算机地图制图系统的应用虽然实现了地图的数字化编辑和印刷出版，但仍有不少人工干预的成分。要真正解决地图生产的智能化问题，可能需要将人工智能、专家系统的概念和技术全面应用于地图设计、地图数据处理过程中，使计算机系统具有模拟地图制作者的思维和推理能力，并正确运用地图专家的知识和经验，实现真正意义上的地图制图与生产的自动化和智能化，*终建立地图制图专家系统。在用户给定了若干初始条件之后，系统能够完成包括确定地图的数学基础、地图内容及其表示方法、地图自动综合和地图内容的符号化、地图注记和图例配置等一系列工作。就目前的发展水平来看，已有地图制图专家系统尚不成熟，距离推广使用还有很长的路程。
　　1.1.2计算机地图制图与CAD、GIS
　　1.计算机地图制图概述
　　计算机地图制图的核心问题是如何使用计算机处理地图信息以满足用户的需要，即解决地图信息如何以数字的形式表示、获取、存储、处理和输出，其实质是从图形（连续）转换为字（离散），经过一定的处理，再由数字转换为图形的过程。
　　计算机技术之所以能够应用于地图制图，是因为地图本身是按照一定的数学法则，经过科学概括，应用特有的符号系统将地球表面上的景物显示在平面上的一种“图形-数学模型”。面对二维的地图，无论其内容多么千变万化，表示方法多么千差万变，图形结构多么复杂多样，总是可以按照几何特征将地图图形划分为三种基本类型图形元素，即点状图形、线状图形和面状图形（图1-1）。
　　图1-1地图图形元素示例
　　其中，点状图形[图1-1（a）]可以用平面上的一个点（x，y）表示它在图上的位置；线状图形[图1-1（b）]则可以用中心定位轴线（有序点串）表示线状要素在图上的位置和延伸走向；面状图形[图1-1（c）]则可以用外围轮廓（闭合的有序点串）表示面状要素在图上的位置和分布范围。点是*基本的图形元素，地图上的一切要素都可以看成点或点的集合—图形信息。图形元素的各视觉变量（如形状、大小、色相等）和注记则反映事物和现象的数量与质量特征—属性信息。用上述图形和属性两类信息则可将地图上连续的图形（或图像）变换成离散的数字信息。这种把连续图形离散化的过程（模—数）在计算机地图制图中称为数字化。在将地图图形数据离散为数字地图时，地图数据通常有矢量数据和栅格数据两种基本形式（图1-2），矢量数据和栅格数据可相互转换，但转换时往往存在一定程度的数据精度损失。
　　图1-2地图图形的数据表示形式
　　矢量数据是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合，数据量取决于表达的区域范围、地图比例尺、采样点的密度、图形目标本身的分布特征等，一幅矢量地形图的数据量可多达100万～300万个坐标对；栅格数据就是地图图形栅格单元（又称像元或像素）按矩阵形式的集合，一幅地形图的栅格数据量的大小取决于图幅及栅格的大小等。地图图形是用矢量数据表示还是用栅格数据表示，取决于使用的设备、制图目的、精度要求、处理方法等。
　　离散的目的是便于利用计算机进行数据的存储、管理和处理。地图数据处理就是在地图设计与编制的具体要求下，按照一定数学模式对图形和属性信息进行加工与处理，形成满足用户应用需求的数据产品。处理后的离散数据，又要在一定的图解显示转换设备（如显示器、绘图仪和激光胶片输出机等）支持下，恢复为视觉可以感受的连续图形，这个过程称为数—模转换。
　　由上可知，计算机地图制图的处理对象是图形（地图），这无疑反映出它与计算机辅助设计/制造、地理信息系统等研究图形处理的学科有着紧密的联系。下面就此问题进行详细阐述。
　　2.计算机地图制图与CAD
　　计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）系统是计算机技术用于机械、建筑、工程和产品设计的系统，它主要用于范围广泛的各种产品和工程的图形设计，大至飞机，小至微芯片等。CAD主要用来代替或辅助工程师们进行各种设计工作，也可以与计算机辅助制造（computer-aided manufacture，CAM）系统共同用于产品加工中作实时控制。
　　CAD与计算机地图制图都以计算机图形学为数据处理和算法设计的基础，均有空间坐标系统，能把目标和参考系统联系起来，也都能在一定程度上处理非图形属性数据。不同之处在于：CAD一般采用几何坐标系，处理的多为规则几何图形及其组合，图形功能尤其是三维图形功能极强，属性数据处理功能相对较弱。而计算机地图制图一般采用大地坐标系，处理的多为地理空间的自然目标（如海岸线、地形等高线等）和人工目标（如城市、运河等），图形关系更为复杂，因而图形处理的难度更大，且制图数据来源广、输入方式多样。特别是专题地图的自动绘制，需要丰富的地图符号库和属性数据库支持。因此，一个功能强大的CAD系统，并不完全适合于完成计算机地图制图的任务。
　　3.计算机地图制图与GIS
　　GIS是地理信息系统（geographic information system）的简称。从学科角度讲，GIS是一门介于地球科学与信息科学之间的新兴交叉学科，研究地理空间信息的描述、存储、分析和输出的理论与方法。从技术系统角度讲，GIS是以地理空间数据库为基础，采用基本空间分析和应用模型分析方法，为资源、环境、区域规划、管理决策、灾害防治等提供信息服务的计算机系统。
　　计算机地图制图与GIS的关系非常密切。GIS是信息时代计算机地图制图的延伸和发展。计算机地图制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，GIS的出现进一步为地图制图提供了现代化的先进技术手段，它必将引起地图制图过程的深刻变化，成为现代地图制图的主要手段。
　　计算机地图制图是GIS的重要组成部分。计算机地图制图侧重于地物的显示和处理，讨论地形、地物和各种专题要素在地图上的表示，并且以数字形式对它们进行存储、管理，*后通过图形输出设备输出地图。GIS既注重实体的空间分布，又强调它们的可视化效果；既注重实体的空间特征，又强调它们的非空间（属性）特征及其操作，具备强大的空间分析和决策支持能力。现代GIS都具有计算机地图制图的成分，具备良好的地图制图功能，但并非所有计算机地图制图系统都含有GIS的全部功能。
　　1.2计算机地图制图的基本过程
　　地图图形的数字化表示，为地图数据的计算机处理提供了基本依据。为使这种处理更加有效，必须深入研究地图数据的存储和组织方法（地图数据结构和地图数据库），研究地图数据的各种处理算法和可视化表达与分析，研究反映地图各要素的类别、等级、数量、质量特征的编码系统。相关内容参见后面章节，这里主要介绍计算机地图制图的一般过程。
　　传统的地图制图过程相当复杂，并取决于地图资料、地图类型、地图比例尺、地图用途和主题等诸多因素，大体上分为地图设计、原图编绘、制印准备和地图印刷四个阶段。虽然，计算机地图制图仍以传统的地图制图理论为基础，但它在数学要素表达、制图要素编辑处理和地图制印等方面都发生了质的变化。目前，无论是制作普通地图还是类型繁多的专题地图，计算机地图制图一般来说都必须包含以下3个阶段：数据获取、数据处理和数据输出（图1-3）。
　　图1-3计算机地图制图的一般过程
　　1.2.1数据获取
　　地图数据获取是按照地图设计要求采集、输入各种所需的地图制图信息，将其转换成数字信息，以便计算机存储、识别和处理。它是硬件、软件和工艺方法相结合的一种技术手段，是计算机地图制图的基础环节。
　　计算机地图制图的信息源多种多样。从类型上可分为地图、航天航空遥感影像、统计资料、各种测量数据和地理调查资料等；从表现形式上可分为非数字数据和数字数据。数字数据可以直接使用或经一定的计算机处理之后使用，但要特别注意数据格式的转换和数据精度、可信度等问题。非数字数据的数字化输入是计算机地图制图过程中数据获取的常见任务，其中统计文字类资料可用键盘输入；图形和图像资料要通过模—数转换设备转换成计算机能够识别和处理的数据。
　　图像资料多采用扫描仪将其离散成数字栅格数据，并进行几何纠正、辐射校正等处理使其符合制图要求。一般情况下还需要进一步得到矢量数据，可在遥感影像处理类软件的支持下，通过屏幕跟踪、监督和非监督分类、矢栅转换等方法实现。
　　这里针对地图的数字化，叙述图形数据和属性数据的获取。
　　1.图形数据获取
　　地图图形的数字化有手扶跟踪数字化和扫描数字化两种手段。
　　（1）手扶跟踪数字化。通过手扶跟踪数字化仪及相应软件的支持，分层采集地图要素形成矢量地图数据。一般采用联机方式工作。这种方法实用、方便、可靠，可按照制图要求有选择地数字化底图要素，获取的矢量数据容易被计算机所处理，便于实时编辑、修改数字化过程中产生的错误，但是该方法存在速度慢、作业员工作量大（数字化一幅地图几乎和手工绘制一幅地图的时间相当）等缺点。
　　（2）扫描数字化。扫描仪一般都是栅格数字化设备。地图资料采用扫描仪进行扫描获取栅格数据存入计算机，经几何纠正和地理配准等处理后还可以进行矢量化。可以采用计算机屏幕手工采集，这与在手扶跟踪数字化仪上数字化类似，只是工作方式轻松一些；也可以在计算机屏幕半自动化采集（模式识别技术），显然这种半自动化方式的速度相对快一些。目前，地图全要素的自动模式识别仍有一定的困难，单版要素的自动识别（如等高线要素）技术已广泛应用。这种方法采集数据速度快，不足之处在于扫描底图数据量较大，相应软件的自动化程度不高、可靠性和稳定性较差（王家耀，2001）。
　　2.属性数据获取
　　地图数据无论是采用手扶跟踪数字化仪数字化还是扫描数字化，除了获取图形（几何）数据外，还需要获取反映地图要素质量和数量特征的相应属性数据。目标的属性数据同图形（几何）数据可以一起存储，也可分开存储，分开存储时使用图形标识码（OID）建立两者的联系。属性数据中用来描述要素类别、级别等分类特征和其他质量特征的数据一般要进行编码，这种编码称为特征码。采用手扶跟踪数字化仪数字化时，特征码的输入方式有多种，其中以人机交互式的键码法和清单法为代表。键码法是使用设在数字化仪上的数字、字母键盘或标示器上的数字按钮编码；清单法是用设在数字化平台上的一个专门清单编码区上的清单进行编码。采用屏幕跟踪数字化方式时，可以在矢量数字化的同时或之后，从键盘手工输入目标对应的特征码。
　　特征码表的编制应根据原图内容和新编图的要求设计并遵循国家和行业已颁布的有关规范和标准。目前，较为常用的编码方法有层次分类编码法与多源分类编码法两种基本类型。
　　需要指出的是：近年来，全站型速测仪、GPS接收机、全数字摄影测量工作站等设备获取和处理的数据越来越成为计算机地图制图直接而重要的数据源。
　　地图制图数据获取之后，要按一定的数据结构进行组织存储，建立标准的数据文件，便于计算机处理应用或经处理后建成地图数据库统一存储管理。

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