扫描矢量化精度损失的分析与研究

扫描矢量化精度损失的分析与研究
吴健郑伟
摘要：地图扫描矢量化能达到怎样的精度水平，在提高精度方面有哪些有效的途径是大家关心的问题，它对于建立具有可靠进度保证的GIS和推广普及地图扫描矢量化方法具有较高的理论和引用价值。本文在全面掌握扫描矢量化过程的前提下，深入分析扫描矢量化的作业特点和误差来源，以定性、定量的研究方法来确定扫描矢量化精度损失的性质、大小和规律，以便更好的对误差做出控制，提高地图矢量化的精度。
关键词：扫描矢量化精度误差分析
一、扫描矢量化的定义及特点
所谓扫描矢量化，就是先用扫描仪对纸质地图扫描得到栅格数字图像，然后借助矢量化软件和人机交互进行处理，得到数化地图的过程。矢量化后的图形文件常用的格式有*.dwg、*.wmf、*.3ds等。这类文件存储所占空间很小，很方便携带、交换和网上交流。由于我国目前绝大部分地形图都是以纸质地图的形式提供，同时扫描仪性能价格比的提高和扫描矢量化作业效率的提高，经由纸质地图扫描再进行矢量化已经成为我国生产矢量化地形图的主要方式之一。这种矢量化方式充分利用了现有的大量纸地图，将绘图人员从传统的矢量化仪描图板前解放出来，同时利用了计算机高速智能化处理能力，具有速度快，自动化程度高，劳动强度低，作业直观等优点。在提高速度、精度和自动化程度方面具有很大的潜力。
二、扫描矢量化的基本原理及作业方式
1.基本原理：利用扫描仪，通过对地图或地图上的某一区域进行扫描，可以得到一幅含有地图上的全部要素的二值图像、灰度级图像或彩色图像，形成标准图像格式（如PCX格式或TIF格式等）文件。为了方便地进行后续处理，对直接扫描得到的多灰度图像通过进行二值化处理得到相应的二值图像，并改善图像质量，在二值图像的基础上，按地图要素的种类分别进行矢量化处理，便可得到符合大比例尺地图数据库和GIS要素的数据结构形式。
2.作业方式：目前国内地图扫描矢量化有两种作业方式：⑴ 把栅格图像作为底图经定向、定位后由操作员在屏幕上用鼠标对特征点逐点采集进行矢量矢量化。⑵ 用软件对栅格图像进行分析，在少量的人工干预下自动追踪线状符号得到矢量化信息。
3.扫描矢量化过程
（1）扫描矢量化的生产过程，总体可以描述为：①地图原图的扫描，②图像的预处理，③栅格图像的纠正，④纠正后图像的矢量化等等。具体流程见图

地图扫描矢量化作业流程
三、扫描矢量化误差分析
1.误差来源：由于纸质地图是一种派生数据源，除测量本身所具有的误差外，还存在着绘图误差、图纸变形误差、矢量化方法误差等。扫描矢量化过程是空间数据采集的过程，矢量化过程中各种因素都会导致误差的产生，总的误差除了工作底图本身的误差，还包括图纸变形产生的误差，扫描仪产生的误差，图像几何纠正的误差，以及软件误差和操作误差。可以概括成图3—1所示

2. 误差分析
(1)扫描矢量化方法精度的实验分析
为了评价扫描矢量化中点位的精度和质量，可以进行两种途径的实验：一是把数字化矢量输出结果与扫描原图叠置在一起，观察其吻合程度;二是对实测点位坐标数据与矢量化坐标转换后的图上相应点的坐标进行比较，用统计法求出矢量化的平均点位中误差，这种点位中误差包括了原图固有误差及扫描矢量化误差的全部。
实验中所使用的扫描仪为COLORTRAC 3680，分辨率为300dpi、256级灰度。扫描矢量化软件为CASS 6.0 for Auto CAD 2002，地形底图采用全解析野外测量测绘地形图，其质量标准符合国家规范与制图规范要求。将原测量的电子图打印输出到聚酯薄膜上，用于扫描矢量化。图纸比例尺为1：500。
首先扫描得到“底图. tiff”文件，由于薄膜图纸存在误差，在扫描过程中会产生误差，扫描所得到的图形存在旋转和扭曲，该图形不能直接用于矢量化，必须经过纠正处理。而CASS只能对二值图像进行纠正，所以，将“底图.tiff”转换为“二值.bmp”文件。然后在CASS环境下，插入栅格图像，用line命令依次连接内图廓线四个角点，用list命令查询这四条线段的长度，并与图纸上相应控制点间的线段长度进行比较，精确求出图像的平均伸缩系数及旋转角，将图像缩放至实际大小并进行旋转，接下来利用CASS提供的栅格图像的纠正功能来进行纠正。由于CASS的纠正功能不够强大，只选择4个图轮廓点来进行纠正达不到精度要求，所以本实验采用仿射变换选择5个点来进行纠正。除了4个图轮廓点再选择坐标格网上的中心点。校正完成后，按照地物分类，分别进行图像矢量化，过程中注意适度放大，仔细选取采样点，标准化操作。
a.矢量化输出图与原图的比较
用一张竣工测量图作为试验原图，在对扫描图像进行二值化、几何纠正处理、矢量化后，得到的矢量图与原聚脂薄膜二底图叠置起来时，所有线划全被二底图中原有线划所遮盖，说明数字化结果可靠、精度高。
b.实测坐标与矢量化坐标的比较
原图是由实测坐标绘制的，是三维坐标，在这里只使用其平面坐标。校正并矢量化后，图上坐标应与实测坐标相等，但因为存在着各种误差（除测量误差外的所有原图固有误差及扫描适量化方法误差），两者之间总存在不符值，由此不符值可以确定矢量化方法所产生的点位误差。从图上选取43个坐标实测点，其实测平面坐标与从矢量化图形中量测的坐标存在差值，见下表。
实测坐标图上量测坐标 △X
(m) Y
(m) M2
(m)
X1 Y1 X2 Y2
95864.190 22102.458 95864.073 22102.760 -0.117 0.302 0.105
95925.292 22400.359 95925.216 22400.379 -0.076 0.020 0.006
95923.745 22155.592 95923.599 22155.599 -0.146 0.007 0.021
95891.122 22161.735 95891.275 22161.841 0.153 0.106 0.035
95930.760 22371.873 95930.812 22371.832 0.052 -0.041 0.004
95901.091 22377.097 95901.108 22377.185 0.017 0.088 0.008
95903.455 22389.547 95903.427 22389.476 -0.028 -0.071 0.006
95903.688 22390.252 95903.657 22390.288 -0.031 0.036 0.002
95907.127 22408.569 95907.035 22408.633 -0.092 0.064 0.013
95929.038 22419.027 95928.901 22418.978 -0.137 -0.049 0.021
95928.268 22419.200 95928.124 22419.160 -0.144 -0.040 0.022
95924.766 22419.849 95924.647 22419.749 -0.119 -0.100 0.024
95924.140 22419.991 95923.915 22419.915 -0.225 -0.076 0.056
95919.415 22132.621 95919.282 22132.736 -0.133 0.115 0.031
95885.074 22139.210 95885.033 22139.572 -0.041 0.362 0.133
95915.352 22111.011 95915.199 22111.006 -0.153 -0.005 0.023
95914.186 22120.952 95914.067 22121.299 -0.119 0.347 0.135
95909.496 22122.028 95909.475 22122.346 -0.021 0.318 0.102
95910.240 22125.424 95910.257 22125.734 0.017 0.310 0.096
95858.244 22100.330 95858.099 22100.661 -0.145 0.331 0.131
95852.487 22096.413 95852.428 22096.619 -0.059 0.206 0.046
95885.986 22165.086 95885.995 22165.448 0.009 0.362 0.131
95889.598 22185.313 95889.569 22185.714 -0.029 0.401 0.162
95909.562 22290.831 95909.657 22291.185 0.095 0.354 0.134
95915.096 22320.161 95915.135 22320.448 0.039 0.287 0.084
95882.850 22206.033 95882.962 22206.141 0.112 0.108 0.024
95902.122 22307.913 95902.267 22308.192 0.145 0.279 0.099
95907.752 22337.287 95907.900 22337.480 0.148 0.193 0.059
95912.606 22335.209 95912.765 22335.371 0.159 0.162 0.052
95915.126 22348.172 95915.188 22348.399 0.062 0.227 0.055
95918.580 22366.293 95918.629 22366.421 0.049 0.128 0.019
95924.139 22395.795 95924.103 22395.779 -0.036 -0.016 0.002
95916.133 22312.359 95916.267 22312.546 0.134 0.187 0.053
95921.139 22338.686 95921.220 22338.917 0.081 0.231 0.060
95924.109 22367.472 95924.165 22367.587 0.056 0.115 0.016
95929.821 22383.437 95929.802 22383.589 -0.019 0.152 0.023
95932.046 22387.986 95931.955 22388.143 -0.091 0.157 0.033
95934.142 22394.132 95934.067 22394.388 -0.075 0.256 0.071
95927.830 22401.310 95927.695 22401.336 -0.135 0.026 0.019
95976.420 22378.710 95976.389 22378.930 -0.031 0.220 0.049
95963.147 22368.577 95963.019 22368.799 -0.128 0.222 0.066
95951.471 22385.364 95951.321 22385.632 -0.150 0.268 0.094
95949.077 22382.275 95948.931 22382.502 -0.146 0.227 0.073
表 3-1实测坐标与矢量图量测坐标的关系

以实测坐标为真值，则真值误差由下式计算：
（3-1）
点位中误差：
（3-2）
平均点位中误差：
（3-3）
将数据代入（3-1）（3-2）（3-3）三式计算，得到=0.236m，换算成图上的点位误差，则=0.472mm.
由此计算出的点位中误差包含了图纸固有误差和矢量化方法误差，即：
（3-4）
则：
（3-5）
以0.43mm代入，得=0.19mm。
(2) 结论
经过前面的讨论可知，实验和理论估算值基本符合，扫描矢量化方法本身所产生的点位误差为0.20mm左右。
四．总结
本文从扫描矢量化的过程入手，讨论影响扫描矢量化结果精度的因素，在充分掌握了其工作流程的基础上，分析了各个过程中的误差来源及精度情况，后根据具体实例进行扫描矢量化的实验，用实验的结果来验证了估算的精度值的正确性。
参考文献
[1] 李志忠.基于MAPGIS的扫描数字化地形图精度分析.地矿测绘，2006，22（3）：29~30
[2] 张前勇.地形图扫描数字化成图精度的研究.湖北民族学院学报（自然科学版），2005，23（4）：399~401
[3] 黄文华，胡绪清.地形图扫描数字化中的误差来源分析.测绘通报，1998，（4）：27~28
[4] 范爱民，景海涛.地图数字化质量问题研究.测绘通报，2000，（4）：1~3
[5] 胡晋山，康建荣.地图扫描数字化误差分析及控制.测绘科学，2005，30（2）：90~92