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柵格地圖和矢量地圖的概述

數(shù)字地圖作為整個城市交通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實驗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、坐標等),數(shù)

據(jù)體依次記錄基本單元信息。一般為節(jié)省存儲空間,柵格數(shù)據(jù)需進行壓縮或以其

它形式進行重新組織。

矢量地圖是每幅經(jīng)掃描、幾何糾正后的影像圖，對一種或多種地圖要素進行矢

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、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)進行各種空間分析要求，視為帶有智能的數(shù)據(jù)?？呻S機地進行數(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、線、面3種目標形式?；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)成一個要素

層;多個圖形要素層構(gòu)成一個圖幅,數(shù)據(jù)按圖幅存放;同一比例尺的多個圖幅構(gòu)成

一個區(qū)域。

這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點對比如下：

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)簡單；便于空間分析和地表模擬；現(xiàn)勢性較強；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1：200000（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，只有137K，近3000條

道路（矢量邊）的矢量文件大小只有約61K?？梢娛噶侩娮拥貓D的優(yōu)越性。

2 GPS實驗室開發(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

是從點位圖中利用模式識別的有關(guān)理論進行識別和提取。生成一個準確而完備

的矢量地圖要花費大量的人力和財力，一個中等規(guī)模的城市用數(shù)字化儀生成矢

量地圖，大約需要一個月的時間。如何以較小的代價生成一副實用的矢量地圖，

并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造一個實用的GIS系統(tǒng)，是GPS實驗室一直在研究的一個課題。

GPS實驗室從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

圖2-1矢量地圖的組成

一副地圖可以看成是由點、線、面三種幾何圖形構(gòu)成的。點指的是單位之類的

地物實體，線則是道路、鐵路之類的實體，而區(qū)劃這類的實體就可以用面來表

征。依照傳統(tǒng)的習(xí)慣，把點、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、編輯地圖矢量庫和數(shù)據(jù)庫的過程，下面我

們來詳細介紹一下這兩個最重要的庫。

2.2地圖矢量庫

矢量庫定義出幾何結(jié)構(gòu)的位置形狀信息。點標志比較簡單，只是一個點；面標

志對應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)就是一個多邊形，也比較簡單；而線標志則包含較多的內(nèi)容，

要相對復(fù)雜一些。下面主要介紹一下與線標志有關(guān)的一些定義，也就是道路的

有關(guān)定義：

定義0：矢量邊。是一些點的坐標的集合，表征著一條連續(xù)的折線。它有以下

的性質(zhì)：

a．點的排列順序決定了折線的行進方向，決定了折線的形狀和位置；

b．只有兩個端點可以屬于別的矢量邊。

定義1：大節(jié)點、小節(jié)點、節(jié)點。大節(jié)點是矢量邊的端點；小節(jié)點是指矢量邊

除端點之外的內(nèi)部點；大節(jié)點和小節(jié)點統(tǒng)稱節(jié)點。

定義2：弧。一條弧就是一條矢量邊，是若干個節(jié)點的集合。組成弧的節(jié)點是

順序排列的。

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實驗室形成了一套有實驗室特色的，而且比較成熟的GIS軟

件和GIS環(huán)境矢量地圖生成平臺。下面，我們就介紹一下GPS實驗室開發(fā)的矢

量電子地圖生成平臺和GIS系統(tǒng)。

2.1系統(tǒng)組成

我們所說的GIS往往是一個比較龐大的系統(tǒng)，而且包含了很多各類數(shù)據(jù)管理、

決策的模塊，它是一種針對性比較強的系統(tǒng)，對于不同的用戶，往往對數(shù)據(jù)有

不同的操作、管理、決策。但是它畢竟是一個以地理空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的系

統(tǒng)，所以有一個因素不能少，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、線、面這三種幾何對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和地圖數(shù)據(jù)庫這兩個概念[19]。矢量庫是一組圖形描述數(shù)

據(jù)，保存了地圖的幾何數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫則是一組描述數(shù)據(jù)，保存地圖各種幾何對

象的屬性數(shù)據(jù)，二者之間通過地物對象的序號建立索引關(guān)系。如下圖：

定義3：路。路是若干條弧的集合。

如圖所示：

圖2-2幾種拓撲結(jié)構(gòu)的定義

對于線地物，需要知道的屬性有：類型、位置、形狀、名稱、顏色、顯示寬度、

顯示級別等；

上面提到的各種地物的屬性數(shù)據(jù)中都有一項——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。

整個數(shù)據(jù)庫的層次如下所示：

我們以后所有的工作都要針對以上定義的幾種結(jié)構(gòu)來展開的。

2.3地圖數(shù)據(jù)庫

地圖數(shù)據(jù)庫中包含了各種地物的屬性數(shù)據(jù)。

對于面地物，需要知道的屬性有：類型、位置、形狀、名稱、顏色等；

對于點地物，需要知道的屬性有：類型、位置、名稱、顯示圖標、顯示級別等；

圖2-4地圖對象間的關(guān)系

圖2-3地圖數(shù)據(jù)庫的層次

地圖對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。從這個對象的關(guān)系圖來看，在實現(xiàn)的時候，地圖的數(shù)據(jù)庫與矢量

2.4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)實世界，將實體抽象為對象，用

對象中的數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)模擬客觀世界及其運動。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型有

很強的擴充性。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)計了一個

穩(wěn)健的，易于擴充和修改的數(shù)據(jù)庫模型。如圖2-4所示：

地圖的數(shù)據(jù)庫有四個層次，最上層當然是地圖數(shù)據(jù)庫，它由三個部分

（Division）構(gòu)成的，也就是點、面、線三大類地物；每個部分又由若干個組

（Group）構(gòu)成；每個組又由若干個地物實體（Entity）構(gòu)成，實體，就是點、

面、線這類的地物個體。這種分層結(jié)構(gòu)使得配置地圖數(shù)據(jù)庫時顯得特別的方便。

生成一副較完備矢量交通地圖，主要包括以下三個步驟：

①彩色地圖的道路識別；

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去掉，將孔洞、缺口、間隙

填補上，將小突起刪除。平滑處理是預(yù)處理的第一步，平滑的結(jié)果將影響細化

的結(jié)果，最終影響矢量化。

②細化：

所謂的細化是將圖象上的線條細化成一個象素寬的線條的處理過程，細化的結(jié)

果使得線條所在的地方總保持一個象素寬。對細化的一般要求是：保證細化后

曲線的連通性，細化結(jié)果是原曲線的中心線，細化處理速度快，保留細線端點。

矢量化結(jié)果的好壞，很大程度上取決于細化算法。

③連接斷點：

計算斷點之間的距離，如果之間的距離小于給定的誤差，則在斷點之間畫一條

直線。

④刪除毛刺：主要是刪除圖像點外細小的分杈。

在最終的細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：

庫并不是完全獨立的，相反，數(shù)據(jù)庫實際上包含了矢量庫。也可以這么看，矢

量庫實際上是一個幾何對象集，提供某些Entiy的幾何數(shù)據(jù)。

Entity包含了基本地理對象的屬性和空間幾何信息，指明了基本地理對象的基

本特征和組成的幾何對象，幾何對象包含幾何對象的地理位置和相互關(guān)系的信

息，可以分為純幾何對象類（如點、多邊形等）和拓撲幾何對象類（如節(jié)點、

弧等），后者是由地圖矢量庫來提供的。

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，生成矢量地圖的拓撲

結(jié)構(gòu)——矢量庫。我們采用的是從點位圖中識別、生成矢量地圖的方式。我們

將從紙制地圖掃描得到的點位圖進行識別，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，在這個基礎(chǔ)上進行編輯、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，最終生成一個完整而準確的矢量地圖。

圖2-10地圖矢量化的流程

5矢量地圖的編輯

地圖矢量化完成以后，我們可以得到一個包含了所有道路拓撲信息的基本的矢

量文件，它只是矢量地圖庫的一個雛形。在此基礎(chǔ)上，我們要對矢量地圖進行

編輯，將地圖上地物的屬性信息輸入地圖屬性數(shù)據(jù)庫中，并確定地圖的地理參

數(shù)，從而生成一個完整而又準確的交通矢量地圖。

矢量地圖的編輯主要完成以下的幾個方面的工作：

編輯GIS地圖數(shù)據(jù)庫；編輯地圖的拓撲結(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

圖2-11地圖編輯的流程

圖2-12地理數(shù)據(jù)的分層組織

另外，對于一個GIS系統(tǒng)，不可或缺的功能就是根據(jù)地理空間信息進行一些決

策，例如搜索兩個給定點之間的最優(yōu)路徑。在前面的討論中，我們可以看到節(jié)

點、弧、路之間的關(guān)系是很密切的，因此我們提供充分的機制，使得它們之間

能夠順利的相互訪問。如圖2-13所示。

5.1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)：

電子地圖由基本地理對象集（點、線、面狀地物集）組成；基本地理對象由幾

何對象（點、線、面）加上其屬性數(shù)據(jù)組成，幾何對象包含地理對象的幾何數(shù)

據(jù)，并維護對象間的拓撲關(guān)系。

5.2矢量庫的組織

地圖矢量庫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、弧和

路的信息。它是整個電子地圖和GIS系統(tǒng)的根本，也是我們后面實現(xiàn)路徑尋優(yōu)、

動態(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矢量庫中是如

何組織這些數(shù)據(jù)的。

像我們在最前面提到的，弧是節(jié)點的集合，路是弧的集合。我們可以把矢量庫

看成由三個表構(gòu)成，一個節(jié)點的表，每一行表示一個節(jié)點，X、Y坐標組成這個

表的兩個列；一個弧的表，它的每一行表示一條弧，它的列是構(gòu)成這條弧的點；

還有一個路的表，它的每一行表示一條路，構(gòu)成這條路的所有的弧是各個列。

如圖2-13所示。

圖2-13地圖矢量庫的組織

5.3矢量地圖的編輯

主要包括地圖的整體操作和地圖上地物信息的編輯。

地圖的整體操作包括：地圖的拼接和地圖的平移。這兩個功能是整個GIS和地

圖平臺中非常重要的功能。因為一副紙制地圖往往是很大的，由于條件的限制，

我們不可能把地圖全部一次掃描、處理完成，一般是將地圖分成幾個部分，分

塊掃描處理，得到這幾個塊小圖的矢量文件，然后再將這幾塊矢量文件合并起

來，地圖拼接完成的就是這個功能。我們要將拼接圖調(diào)整到合適的位置，然后

將其中有用的信息加到目標圖上，這就需要對地圖進行整體的平移。

地圖上地物信息的編輯包括：路的操作（定義，刪除）、矢量邊的操作（添加、

刪除、弧的整體調(diào)整）、節(jié)點的操作（節(jié)點的添加、刪除、合并、拆分）、區(qū)

域的操作（定義、調(diào)整、刪除）。這些都涉及地圖矢量數(shù)據(jù)庫中各種拓撲結(jié)構(gòu)

的調(diào)整和他們之間的相互關(guān)系，對于整個矢量地圖具有重要的意義，也是整個

GIS系統(tǒng)和地圖平臺最重要的功能。

來源：中國科技大學(xué)GPS實驗室——RS篇