地圖數字化
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地圖數字化（Map Digitizing）
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地圖數字化（Map Digitizing）是將地圖圖形或圖像的模擬量轉換成離散的數字量的過程。換言之就是，紙質地形圖轉換成電腦能存儲，識別和處理的數字地形圖，這一過程稱為紙質地形圖的數字化，簡稱地圖數字化或原圖數字化。
即將傳統的紙質或其他材料上的地圖（模擬信號）轉換成電腦可識別圖形數據（數字信號）的過程，以便進一步電腦存儲、分析和輸出。是將地圖圖形或圖像的模擬量轉換成離散的數字量的過程
地圖數字化的誤差若不考慮原圖本身的誤差，地圖數字化的精度取決於原圖載體的變形誤差、數字化過程中的設備誤差和認為誤差。
隨著科技的發展，人們對地圖的要求進一步提高。由於傳統的紙質地圖效率低、速度慢、精度低，難以適應現代和未來的技術發展。藉助GIS工具，可以將紙質地圖通過一系列處理轉換成可以在屏幕上顯示的電子地圖，滿足人們使用地圖的新需求。為了便於討論問題，矢量電子地圖定義如下:
當紙質地圖通過電腦圖形系統量化成點陣圖數字圖像，進行圖像處理和曲線矢量化，或者直接通過手持跟蹤數字化，生成可以顯示、修改、標註、漫游的地理信息系統。計算、管理和列印的矢量地圖數據文件。這種對應於紙質地圖的電腦數據文件稱為矢量化電子地圖。這種地圖工作需要應用軟體和硬體系統的支持，通過人機交互和GIS應用軟體對硬體設備的控制來實現對矢量化地圖的操作。
在硬體系統和相應GIS軟體的支持下，矢量電子地圖相比紙質地圖具有以下優勢:
- 快速準確地計算距離並標註地名符號；
- 可以放大地圖，放大縮小，顯示漫游功能。
- 分層顯示地圖(當地圖上的各種信息存儲在不同的圖層中時，可以顯示部分圖層，關閉不顯示的圖層)；
- 信息可以圖元為單位進行編輯修改，人機交互繪製線狀符號，刪除地圖上的冗餘信息；
- 如果能有效解決地圖符號的自動分割和識別問題，就可以實現地圖的智能矢量化。這裡的智能化指的是自動矢量化和自動標註，最優路徑優化，自動跟蹤目標。
與點陣圖圖像相比，矢量電子地圖具有以下優勢:
- 前者在相同信息量下文件大小相對較小，圖形越複雜性能越明顯；
- 前者可以圖元為單位編輯刪除信息，人機交互繪製線狀符號；後者只能以像素為基本單位(如矩形圖像塊)進行複製、移動和刪除，即其編輯功能很差；
- 前者可以分層顯示所有元素，後者只能控制整個畫面某個區域(矩形區域)的視窗顯示。
為地圖自動製圖而採集的資料，要適應電腦處理的需要，同時要考慮這些資料的經過，最終獲得各種性質的地圖數據。
因此，地圖數據可以定義為一組負載地理信息的數字集合。它們應該是指輸入某個電腦系統進行處理併在必要時可以再生的地理信息。從這個意義上說，地圖數據可以分為:
- 空間數據(或圖形數據)
空間數據是構成地圖元素的幾何圖形，例如地圖上的井、山、燈塔、河流、道路、等高線、湖泊、森林邊界和土壤類型邊界。為了在二維平面上表示這些元素的空間模式的定位特征，一對平面直角坐標(X，Y)常用來表示地圖數據，稱為矢量數據；或者用它來表示網格單元的左下角坐標(行和列)，稱為柵格數據。
地圖要素圖形大致可以分為點、線、面三種基本類型。
面——由圍繞它們的線條表示；或者通過他們所在區域的點
線——一組離散的點
點——由平面坐標系中的一對坐標來確定
在實際應用中，僅有坐標數據是不夠的，必鬚根據不同地圖要素的含義進行特殊編碼加以區分。
- 語義數據(屬性數據)
語義數據又稱為非幾何數據，包括定性數據和定量數據。定性數據用於描述特征的分類或標記特征。定量數據是一個要素的性質、特征或強度，如距離、面積、人口、產量、收入、流量、溫度和海拔。
對於語義數據，基本上是一個地理編碼的問題。在科學的分類和分級體系的基礎上，對地理環境中的基本實體及其關係進行編碼，以便唯一地識別和處理系統中的所有地圖元素，這一功能不僅在用戶環境中，而且在電腦系統中都是非常重要的。
目前，不可能建立一個通用的編碼來滿足所有方面的需求。因此，最現實的事情是開發多樣性編碼，以滿足各部門的不同需求，同時考慮到建立資料庫的要求，一般來說，編碼的一些基本要求包括:
- 元素的類別，例如地名、實體類型和等級；
- 基本特征(屬性)-每個特征可以具有與其相關聯的大量屬性值，這些屬性值攜帶關於特征特性的信息；
- 行動範圍的描述——例如，一個地區的土壤類型；
- 地理定義——在某些情況下，編碼可以是對一組實體的間接引用，集合中的每個實體都會用自己的地理編碼來解釋，比如水系和地質構造的編碼。
在GIS數據錄入過程中，空間數據錄入更為重要，因為處理空間數據和空間信息是GIS的核心功能。與屬性數據錄入相比，空間數據錄入的工作量更大，需要GIS軟體工具的支持(屬性數據錄入使用常見的資料庫軟體)。
地圖數字化的分類[1]
其主要種類有手扶跟蹤數字化和掃描數字化。
跟蹤數字化是一種地圖數字化方式，是通過紀錄數字化板上點的平面坐標來獲取矢量數據的。利用手扶跟蹤數字化儀可以輸入點地物、線地物以及多邊形邊界的坐標。其具體的輸入方式與地理信息系統軟體的實現有關。
手扶跟蹤數字化的方式：
(1)點方式（Point Mode）：每按下游標(Puck)一次，向電腦發送一個點的坐標信息。
(2)流方式（Stream Mode）:流方式又分距離流方式和時間流方式。
距離流方式（Distance Stream）：當前接收的點與上一點距離超過一定閾值，才記錄該點；
時間流方式（Time Stream）：按照一定時間間隔對接收的點進行採樣。
手扶跟蹤數字化的作用，可以直接獲取矢量數據。用數字化儀跟蹤紙介質圖形中的點、線等信息，通過數字化軟體實現圖形信息向數字化信息的轉換。
掃描圖為柵格數據，要進行屏幕跟蹤矢量化。故在掃描後處理中，需要進行柵格轉矢量的運算稱為掃描矢量（數字）化。
掃描屏幕數字化就是利用數字化掃描儀將地圖圖形或圖像轉換成柵格數據的方法。 掃描屏幕數字化基本步驟：紙質地圖→掃描轉化→拼接子圖塊→幾何校正→屏幕跟蹤矢量化→矢量圖合成接邊→矢量圖編輯→存入空間資料庫。
手扶跟蹤數字化方法需要作業人員逐點，逐線地在數字化板上採集數據，存在勞動強度大，工作效率低等問題，因此，手扶跟蹤數字化成圖方法已經較少使用。而地圖掃描屏幕數字化方法亦稱掃描矢量化，其矢量化軟體通過人機交匯結合自動跟蹤的方式，對掃描所得的影像地形圖進行數據採集化，經過編輯整理，得到失量格式的數字化地圖。
地圖掃描矢量化方法是地形圖數字化處理的主要方法，它與手扶跟蹤數字化方法相比，具有以下優點：作業速度快、精度高、工作效率高、所需勞動力少等。
地圖數字化的步驟[2]
將數字化儀與電腦通過RS-232C標準串列線連接進行地圖定向。其定向類型可分為圖廓點定位和控制點定位兩種。實際作業時，一般首選4個內圖廓點作為定向點進行圖紙定位，而採用控制點定位，應確定好控制點的圖上坐標，然後輸入對應的控制點坐標。
利用手扶跟蹤數字化儀進行地圖數字化時，數字化儀輸入到電腦的坐標屬於數字化儀坐標系統，要將該坐標轉換成要數字化的地圖採用的坐標系統，就必須確定兩個坐標系之間的轉換參數。
在地圖掃描屏幕數字化方法中，地圖掃描後成為以像元坐標行和列表示的柵格數據，將其矢量化，也就是建立柵格數據行列與矢量數據坐標之間的對應關係，對應關係的建立也必須事先確定它們之間的變換參數。
確定坐標間的變換參數其實質就是地圖定向或柵格圖像糾正。 地圖定向或柵格圖像糾正一般包括坐標的平移，旋轉和尺度縮放，並非單純的定向。 根據紙質圖和掃描柵格圖像的變形程度，變換參數可以通過以下幾種方法來求定：赫爾默特變換、仿射變換、雙線性變換、二次變換以及三次變換。
地形圖數字化除需要給出地形圖要素的地形圖坐標外，還必須輸入地形圖要素的類別，用規定的代碼來表示，而代碼輸入通常採用菜單輸入，菜單亦稱代碼清單，它是一張柵格表，表中各個方格用圖形或文字表明瞭各種地形圖符號和圖形處理功能，每一個符號或功能通過軟體與其代碼相對應。
圖板菜單在使用前，須先進行定位，一般將其定位在地形圖的右邊。
圖板菜單定位完成後菜單區內某一位置的行號和列號就可以用數字化儀坐標換算出來。在數字化軟體中，每一行號和列號都已和方格所對應的代碼或程式功能聯繫起來。因此，只要在數字化地形圖要素時，將數字化儀定標器移動到菜單區相應的地形圖符號的小方格內，就把該地形圖要素的代碼和圖形坐標連在一起，形成一個規定格式的數據串存儲在電腦內。操作菜單除用於輸入圖形要素代碼外，還可以輸入程式執行命令，進行數字化數據的處理和屏幕圖形的編輯，作為人機交互系統中的一個輸入設備。
將數字化儀定標器十字絲對準圖形的特征點逐一數字化，得到相應點的坐標數據，再移動定標器到菜單區並選擇相應地形圖符號，按下定標器，它會自動記錄下該要素的代碼，並與圖形坐標保存在一起。並依次完成其他地形圖符號的數字化，直至完成所有。
