地图数字化
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地图数字化（Map Digitizing）
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地图数字化（Map Digitizing）是将地图图形或图像的模拟量转换成离散的数字量的过程。换言之就是，纸质地形图转换成计算机能存储，识别和处理的数字地形图，这一过程称为纸质地形图的数字化，简称地图数字化或原图数字化。
即将传统的纸质或其他材料上的地图（模拟信号）转换成计算机可识别图形数据（数字信号）的过程，以便进一步计算机存储、分析和输出。是将地图图形或图像的模拟量转换成离散的数字量的过程
地图数字化的误差若不考虑原图本身的误差，地图数字化的精度取决于原图载体的变形误差、数字化过程中的设备误差和认为误差。
随着科技的发展，人们对地图的要求进一步提高。由于传统的纸质地图效率低、速度慢、精度低，难以适应现代和未来的技术发展。借助GIS工具，可以将纸质地图通过一系列处理转换成可以在屏幕上显示的电子地图，满足人们使用地图的新需求。为了便于讨论问题，矢量电子地图定义如下:
当纸质地图通过计算机图形系统量化成位图数字图像，进行图像处理和曲线矢量化，或者直接通过手持跟踪数字化，生成可以显示、修改、标注、漫游的地理信息系统。计算、管理和打印的矢量地图数据文件。这种对应于纸质地图的计算机数据文件称为矢量化电子地图。这种地图工作需要应用软件和硬件系统的支持，通过人机交互和GIS应用软件对硬件设备的控制来实现对矢量化地图的操作。
在硬件系统和相应GIS软件的支持下，矢量电子地图相比纸质地图具有以下优势:
- 快速准确地计算距离并标注地名符号；
- 可以放大地图，放大缩小，显示漫游功能。
- 分层显示地图(当地图上的各种信息存储在不同的图层中时，可以显示部分图层，关闭不显示的图层)；
- 信息可以图元为单位进行编辑修改，人机交互绘制线状符号，删除地图上的冗余信息；
- 如果能有效解决地图符号的自动分割和识别问题，就可以实现地图的智能矢量化。这里的智能化指的是自动矢量化和自动标注，最优路径优化，自动跟踪目标。
与位图图像相比，矢量电子地图具有以下优势:
- 前者在相同信息量下文件大小相对较小，图形越复杂性能越明显；
- 前者可以图元为单位编辑删除信息，人机交互绘制线状符号；后者只能以像素为基本单位(如矩形图像块)进行复制、移动和删除，即其编辑功能很差；
- 前者可以分层显示所有元素，后者只能控制整个画面某个区域(矩形区域)的窗口显示。
为地图自动制图而采集的资料，要适应计算机处理的需要，同时要考虑这些资料的经过，最终获得各种性质的地图数据。
因此，地图数据可以定义为一组负载地理信息的数字集合。它们应该是指输入某个计算机系统进行处理并在必要时可以再生的地理信息。从这个意义上说，地图数据可以分为:
- 空间数据(或图形数据)
空间数据是构成地图元素的几何图形，例如地图上的井、山、灯塔、河流、道路、等高线、湖泊、森林边界和土壤类型边界。为了在二维平面上表示这些元素的空间模式的定位特征，一对平面直角坐标(X，Y)常用来表示地图数据，称为矢量数据；或者用它来表示网格单元的左下角坐标(行和列)，称为栅格数据。
地图要素图形大致可以分为点、线、面三种基本类型。
面——由围绕它们的线条表示；或者通过他们所在区域的点
线——一组离散的点
点——由平面坐标系中的一对坐标来确定
在实际应用中，仅有坐标数据是不够的，必须根据不同地图要素的含义进行特殊编码加以区分。
- 语义数据(属性数据)
语义数据又称为非几何数据，包括定性数据和定量数据。定性数据用于描述特征的分类或标记特征。定量数据是一个要素的性质、特征或强度，如距离、面积、人口、产量、收入、流量、温度和海拔。
对于语义数据，基本上是一个地理编码的问题。在科学的分类和分级体系的基础上，对地理环境中的基本实体及其关系进行编码，以便唯一地识别和处理系统中的所有地图元素，这一功能不仅在用户环境中，而且在计算机系统中都是非常重要的。
目前，不可能建立一个通用的编码来满足所有方面的需求。因此，最现实的事情是开发多样性编码，以满足各部门的不同需求，同时考虑到建立数据库的要求，一般来说，编码的一些基本要求包括:
- 元素的类别，例如地名、实体类型和等级；
- 基本特征(属性)-每个特征可以具有与其相关联的大量属性值，这些属性值携带关于特征特性的信息；
- 行动范围的描述——例如，一个地区的土壤类型；
- 地理定义——在某些情况下，编码可以是对一组实体的间接引用，集合中的每个实体都会用自己的地理编码来解释，比如水系和地质构造的编码。
在GIS数据录入过程中，空间数据录入更为重要，因为处理空间数据和空间信息是GIS的核心功能。与属性数据录入相比，空间数据录入的工作量更大，需要GIS软件工具的支持(属性数据录入使用常见的数据库软件)。
地图数字化的分类[1]
其主要种类有手扶跟踪数字化和扫描数字化。
跟踪数字化是一种地图数字化方式，是通过纪录数字化板上点的平面坐标来获取矢量数据的。利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标。其具体的输入方式与地理信息系统软件的实现有关。
手扶跟踪数字化的方式：
(1)点方式（Point Mode）：每按下游标(Puck)一次，向计算机发送一个点的坐标信息。
(2)流方式（Stream Mode）:流方式又分距离流方式和时间流方式。
距离流方式（Distance Stream）：当前接收的点与上一点距离超过一定阈值，才记录该点；
时间流方式（Time Stream）：按照一定时间间隔对接收的点进行采样。
手扶跟踪数字化的作用，可以直接获取矢量数据。用数字化仪跟踪纸介质图形中的点、线等信息，通过数字化软件实现图形信息向数字化信息的转换。
扫描图为栅格数据，要进行屏幕跟踪矢量化。故在扫描后处理中，需要进行栅格转矢量的运算称为扫描矢量（数字）化。
扫描屏幕数字化就是利用数字化扫描仪将地图图形或图像转换成栅格数据的方法。 扫描屏幕数字化基本步骤：纸质地图→扫描转化→拼接子图块→几何校正→屏幕跟踪矢量化→矢量图合成接边→矢量图编辑→存入空间数据库。
手扶跟踪数字化方法需要作业人员逐点，逐线地在数字化板上采集数据，存在劳动强度大，工作效率低等问题，因此，手扶跟踪数字化成图方法已经较少使用。而地图扫描屏幕数字化方法亦称扫描矢量化，其矢量化软件通过人机交汇结合自动跟踪的方式，对扫描所得的影像地形图进行数据采集化，经过编辑整理，得到失量格式的数字化地图。
地图扫描矢量化方法是地形图数字化处理的主要方法，它与手扶跟踪数字化方法相比，具有以下优点：作业速度快、精度高、工作效率高、所需劳动力少等。
地图数字化的步骤[2]
将数字化仪与计算机通过RS-232C标准串行线连接进行地图定向。其定向类型可分为图廓点定位和控制点定位两种。实际作业时，一般首选4个内图廓点作为定向点进行图纸定位，而采用控制点定位，应确定好控制点的图上坐标，然后输入对应的控制点坐标。
利用手扶跟踪数字化仪进行地图数字化时，数字化仪输入到计算机的坐标属于数字化仪坐标系统，要将该坐标转换成要数字化的地图采用的坐标系统，就必须确定两个坐标系之间的转换参数。
在地图扫描屏幕数字化方法中，地图扫描后成为以像元坐标行和列表示的栅格数据，将其矢量化，也就是建立栅格数据行列与矢量数据坐标之间的对应关系，对应关系的建立也必须事先确定它们之间的变换参数。
确定坐标间的变换参数其实质就是地图定向或栅格图像纠正。 地图定向或栅格图像纠正一般包括坐标的平移，旋转和尺度缩放，并非单纯的定向。 根据纸质图和扫描栅格图像的变形程度，变换参数可以通过以下几种方法来求定：赫尔默特变换、仿射变换、双线性变换、二次变换以及三次变换。
地形图数字化除需要给出地形图要素的地形图坐标外，还必须输入地形图要素的类别，用规定的代码来表示，而代码输入通常采用菜单输入，菜单亦称代码清单，它是一张栅格表，表中各个方格用图形或文字表明了各种地形图符号和图形处理功能，每一个符号或功能通过软件与其代码相对应。
图板菜单在使用前，须先进行定位，一般将其定位在地形图的右边。
图板菜单定位完成后菜单区内某一位置的行号和列号就可以用数字化仪坐标换算出来。在数字化软件中，每一行号和列号都已和方格所对应的代码或程序功能联系起来。因此，只要在数字化地形图要素时，将数字化仪定标器移动到菜单区相应的地形图符号的小方格内，就把该地形图要素的代码和图形坐标连在一起，形成一个规定格式的数据串存储在计算机内。操作菜单除用于输入图形要素代码外，还可以输入程序执行命令，进行数字化数据的处理和屏幕图形的编辑，作为人机交互系统中的一个输入设备。
将数字化仪定标器十字丝对准图形的特征点逐一数字化，得到相应点的坐标数据，再移动定标器到菜单区并选择相应地形图符号，按下定标器，它会自动记录下该要素的代码，并与图形坐标保存在一起。并依次完成其他地形图符号的数字化，直至完成所有。
