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機(jī)助土地面積自動(dòng)測(cè)量?jī)x的使用方式
來(lái)源： 類(lèi)別：技術(shù)文章 更新時(shí)間：2013-02-28 閱讀次
土地是一切生產(chǎn)和存在的源泉，土地資源是人類(lèi)不能出讓的生存條件和再生產(chǎn)條件，因此，精確地掌握我國(guó)土地資源的現(xiàn)狀，是了解我國(guó)國(guó)情，發(fā)展生產(chǎn)的基礎(chǔ)。自1985年全國(guó)開(kāi)展土地資源詳查工作以來(lái)，各地都投入了大量的人力、物力，取得了很大成績(jī)，但是，土地資源調(diào)查中的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)—土地面積的圖上量算方法卻十分落后。傳統(tǒng)的方格法、求積儀法及稱重法等方法量算精度低，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)工，量算結(jié)果數(shù)據(jù)的處理、匯總相當(dāng)困難，而某些高精度的量算方法如電子掃描儀法又需配置昂貴的儀器設(shè)備，推廣困難。
如何發(fā)揮微機(jī)測(cè)畝儀在地圖面積量算中的作用，實(shí)現(xiàn)圖上土地面積量算的自動(dòng)化、精確化，是近年來(lái)廣為關(guān)注的課題，也取得了一定的成果。本文作者在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量分析、試驗(yàn)、對(duì)比，建立了一套實(shí)用的微機(jī)土地面積自動(dòng)量算系統(tǒng)，本文介紹了該系統(tǒng)建立的基本思想和技術(shù)路線，用大量的實(shí)測(cè)資料分析了該系統(tǒng)的量算精度和效益，并對(duì)其中幾個(gè)理論問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的探討。
量算的方法與步驟地圖面積自動(dòng)量算的基本步驟可以按工作的先后次序分為底圖準(zhǔn)備、圖斑數(shù)字化、人機(jī)交互編輯、平差處理和結(jié)果輸出5個(gè)階段。以下對(duì)其中主要的兩個(gè)階段進(jìn)行描述。
1 準(zhǔn)備階段
1.1 地圖變形參數(shù)的瀏定與糾正任何地圖都會(huì)由于地圖投影和紙張伸縮等因素影響而產(chǎn)生一定程度的變形。常規(guī)的面積量算方法較難消除，而在機(jī)助面積量算中可得到較為滿意的解決。
對(duì)于由于地圖投影而產(chǎn)生的投影誤差的糾正，首先，要確定該地圖投影的解析方程式，并可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的誤差公式。式中投影誤差。是圖上平面直角坐標(biāo)的函數(shù)。在利用數(shù)字化儀量算圖斑面積時(shí)，可利用以上函數(shù)關(guān)系式直接計(jì)算各量測(cè)點(diǎn)的誤差微分值，最后利用累加法統(tǒng)計(jì)誤差總值并對(duì)量測(cè)圖斑進(jìn)行結(jié)果修正。
紙張變形的誤差糾正如為非扭曲變形，可先測(cè)定x,y方向的變形系數(shù)，再對(duì)每個(gè)數(shù)字化點(diǎn)進(jìn)行修正，如地圖有明顯的扭曲變形，則需采用仿射變換法則進(jìn)行糾正。
1.2 數(shù)字化原圖的分幅和拼接由于數(shù)字化儀臺(tái)面尺寸的限制，地圖數(shù)字化過(guò)程中往往需要對(duì)一幅數(shù)字化原圖進(jìn)行分幅數(shù)字化，使圖中原來(lái)許多獨(dú)立、完整的圖斑被分割成二個(gè)以上的圖斑，而在統(tǒng)計(jì)中需以單獨(dú)的面積數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)，所以，在分別完成兩幅圖的數(shù)字化之后，還需進(jìn)行面積數(shù)據(jù)的歸并和圖形矢量數(shù)據(jù)文件的拼接，以保證每一圖斑數(shù)據(jù)的完整性。
1.3 原圖標(biāo)描在數(shù)字化原圖上對(duì)于進(jìn)行數(shù)字化的各類(lèi)點(diǎn)、線進(jìn)行分色標(biāo)描，以降低數(shù)字化時(shí)的出錯(cuò)率。
1.4 設(shè)五特征碼和功能菜單區(qū)對(duì)多屬性圖斑面積量算一般需在數(shù)字化面板的空白處開(kāi)辟屬性編碼和系統(tǒng)功能菜單區(qū)，以方便數(shù)字化時(shí)對(duì)屬性碼的賦值和功能選擇。
2 圖斑數(shù)字化
圖斑數(shù)字化是機(jī)助面積自動(dòng)量算的核心工作，它有以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。
量算過(guò)程一般按照所編碼的圖斑順序進(jìn)行；每圖斑開(kāi)始量算時(shí)一般需先標(biāo)明數(shù)字化起點(diǎn)位置，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的多邊形圖斑，以折點(diǎn)作為數(shù)字化的輸人點(diǎn)；而對(duì)于不規(guī)則的曲邊圖斑，需選擇對(duì)其邊界幾何圖形有控制意義的特征點(diǎn)作為數(shù)字化點(diǎn)。
圖斑的數(shù)字化工作必須嚴(yán)格按照順時(shí)針的方向進(jìn)行，對(duì)于圖斑中套有其他類(lèi)型小圖斑的狀況，可從外圖斑邊界一點(diǎn)切入，對(duì)內(nèi)圖斑進(jìn)行反方向數(shù)字化，再?gòu)倪M(jìn)入點(diǎn)轉(zhuǎn)出，完成整個(gè)圖斑的全部數(shù)字化工作。由于對(duì)內(nèi)部小圖斑是反方向數(shù)字化，其面積為負(fù)值，與總面積累加之后便可保證有效地扣除而獲得圖斑的量算面積。
數(shù)字化儀的取數(shù)方式可以采用點(diǎn)方式、時(shí)間增量方式和步長(zhǎng)增量3種方式。點(diǎn)方式一般適用于簡(jiǎn)單的折邊多邊形類(lèi)圖形；步長(zhǎng)增量方式適用于邊界平緩彎曲的圖形；時(shí)間增量方式則適用于圖斑邊界彎曲多而且變化十出入點(diǎn)圖2套合圖斑量算方法示意圖分復(fù)雜的圖形。在一幅地圖的實(shí)際測(cè)量中往往是以上3種方式交替使用，以提高量測(cè)效率。
對(duì)于精度要求很高（誤差值小于0.5%）的地圖面積量算，還可以采用分線段數(shù)字化，建立圖斑一線段一點(diǎn)位3級(jí)檢索的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。對(duì)需量測(cè)面積的圖斑重新進(jìn)行線段及點(diǎn)位的組合，再量測(cè)其面積值。該方法由于采用了統(tǒng)一的線段和節(jié)點(diǎn)編碼，每條線段只需一次單向數(shù)字化，而避免了圖斑的公用邊由于雙向重復(fù)數(shù)字化帶來(lái)的非重合差，使量測(cè)精度大大提高，而且所形成的圖形數(shù)據(jù)文件利于建立地理信息系統(tǒng)的圖形庫(kù)和自動(dòng)制圖。但是，該方法需在數(shù)字化原圖上對(duì)每一線段的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次性統(tǒng)一編碼，從而使面積量算的預(yù)處理工作量大大增加。
目前，一般數(shù)字化儀分辨率均高于0.olmm,只要數(shù)字化儀工作正常，量算的系統(tǒng)誤差可以忽略不計(jì)。所以，偶然誤差和粗差是產(chǎn)生量算誤差的主要來(lái)源。從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，具體的影響因素是圖斑的圖形復(fù)雜程度和數(shù)字化取點(diǎn)密度。
不同的圖斑都具有各自復(fù)雜程度不同的邊界彎曲形9U2,兩個(gè)面積相同而形狀不同的圖斑，邊界長(zhǎng)度愈長(zhǎng)者可視其復(fù)雜程度愈大，使用數(shù)字化儀量算時(shí)所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)也愈多，因而產(chǎn)生偶然誤差和粗差的機(jī)率也愈大。在此，我們用圖斑復(fù)雜度W來(lái)描述圖斑的復(fù)雜程度。W~S0/S。式中S。為圖斑的面積值，S為與該圖斑周長(zhǎng)相同的圓的面積。從以上公式可看出圖斑的復(fù)雜度與該圖斑的周長(zhǎng)成反比。
作為校準(zhǔn)值，對(duì)一組面積均為250m,的不同復(fù)雜度圖斑面積測(cè)定的統(tǒng)計(jì)分析圖。圖中反映了圖斑的復(fù)雜度對(duì)數(shù)字化儀量測(cè)面積的精度變化態(tài)勢(shì)。
由于數(shù)字化儀量算面積的基本原理是以小多邊形進(jìn)行面積的累加擬合、逼近，所以，數(shù)字化取點(diǎn)密度同樣也影響著量測(cè)精度。在實(shí)驗(yàn)中以不同的數(shù)字化密度進(jìn)行多組面積量測(cè)精度試驗(yàn)。如圖4所示，面積量測(cè)誤差值在開(kāi)始時(shí)隨著數(shù)字化點(diǎn)數(shù)的增加、密度的加大而急劇減少。而當(dāng)點(diǎn)數(shù)增大至一定程度時(shí)，量測(cè)誤差值便穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，但當(dāng)取數(shù)點(diǎn)密度進(jìn)一步增大時(shí)，相對(duì)誤差又出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。以任意一個(gè)矩形為例，矩形的特征點(diǎn)只有4個(gè)（4個(gè)角點(diǎn)），如取數(shù)點(diǎn)超過(guò)4個(gè)，決不可能增加圖斑的量測(cè)精度，而只能增大量測(cè)的誤差值。由此可見(jiàn)，對(duì)于一般的圖斑來(lái)說(shuō)，數(shù)字化點(diǎn)數(shù)必須限定在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶�，且盡量減少非特征點(diǎn)的輸入。
為進(jìn)一步分析圖斑形態(tài)特點(diǎn)對(duì)面積量測(cè)精度的影響，并比較不同面積量算法的效率和精度，實(shí)驗(yàn)中對(duì)一組同面積不同復(fù)雜度的圖斑運(yùn)用3種不同量算方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如附表所示。
從以上分析可以得出以下結(jié)論：機(jī)助面積自動(dòng)量算法與其他方法相比，具有系統(tǒng)功能完備，量測(cè)精度高，省時(shí)、省工的優(yōu)點(diǎn)；所得到的面積量測(cè)數(shù)據(jù)直接存入面積數(shù)據(jù)庫(kù)并同時(shí)建立了圖斑邊界的圖形庫(kù)，為后期的面積平差處理和建立GIS創(chuàng)造了良好條件；另外，該系統(tǒng)的硬設(shè)備便宜，除面積量算外還具有更廣的應(yīng)用面，易推廣。綜上所述，我們認(rèn)為機(jī)助面積自動(dòng)量算方法具有廣闊的應(yīng)用前景。
如何發(fā)揮微機(jī)測(cè)畝儀在地圖面積量算中的作用，實(shí)現(xiàn)圖上土地面積量算的自動(dòng)化、精確化，是近年來(lái)廣為關(guān)注的課題，也取得了一定的成果。本文作者在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量分析、試驗(yàn)、對(duì)比，建立了一套實(shí)用的微機(jī)土地面積自動(dòng)量算系統(tǒng)，本文介紹了該系統(tǒng)建立的基本思想和技術(shù)路線，用大量的實(shí)測(cè)資料分析了該系統(tǒng)的量算精度和效益，并對(duì)其中幾個(gè)理論問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的探討。
量算的方法與步驟地圖面積自動(dòng)量算的基本步驟可以按工作的先后次序分為底圖準(zhǔn)備、圖斑數(shù)字化、人機(jī)交互編輯、平差處理和結(jié)果輸出5個(gè)階段。以下對(duì)其中主要的兩個(gè)階段進(jìn)行描述。
1 準(zhǔn)備階段
1.1 地圖變形參數(shù)的瀏定與糾正任何地圖都會(huì)由于地圖投影和紙張伸縮等因素影響而產(chǎn)生一定程度的變形。常規(guī)的面積量算方法較難消除，而在機(jī)助面積量算中可得到較為滿意的解決。
對(duì)于由于地圖投影而產(chǎn)生的投影誤差的糾正，首先，要確定該地圖投影的解析方程式，并可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的誤差公式。式中投影誤差。是圖上平面直角坐標(biāo)的函數(shù)。在利用數(shù)字化儀量算圖斑面積時(shí)，可利用以上函數(shù)關(guān)系式直接計(jì)算各量測(cè)點(diǎn)的誤差微分值，最后利用累加法統(tǒng)計(jì)誤差總值并對(duì)量測(cè)圖斑進(jìn)行結(jié)果修正。
紙張變形的誤差糾正如為非扭曲變形，可先測(cè)定x,y方向的變形系數(shù)，再對(duì)每個(gè)數(shù)字化點(diǎn)進(jìn)行修正，如地圖有明顯的扭曲變形，則需采用仿射變換法則進(jìn)行糾正。
1.2 數(shù)字化原圖的分幅和拼接由于數(shù)字化儀臺(tái)面尺寸的限制，地圖數(shù)字化過(guò)程中往往需要對(duì)一幅數(shù)字化原圖進(jìn)行分幅數(shù)字化，使圖中原來(lái)許多獨(dú)立、完整的圖斑被分割成二個(gè)以上的圖斑，而在統(tǒng)計(jì)中需以單獨(dú)的面積數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)，所以，在分別完成兩幅圖的數(shù)字化之后，還需進(jìn)行面積數(shù)據(jù)的歸并和圖形矢量數(shù)據(jù)文件的拼接，以保證每一圖斑數(shù)據(jù)的完整性。
1.3 原圖標(biāo)描在數(shù)字化原圖上對(duì)于進(jìn)行數(shù)字化的各類(lèi)點(diǎn)、線進(jìn)行分色標(biāo)描，以降低數(shù)字化時(shí)的出錯(cuò)率。
1.4 設(shè)五特征碼和功能菜單區(qū)對(duì)多屬性圖斑面積量算一般需在數(shù)字化面板的空白處開(kāi)辟屬性編碼和系統(tǒng)功能菜單區(qū)，以方便數(shù)字化時(shí)對(duì)屬性碼的賦值和功能選擇。
2 圖斑數(shù)字化
圖斑數(shù)字化是機(jī)助面積自動(dòng)量算的核心工作，它有以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。
量算過(guò)程一般按照所編碼的圖斑順序進(jìn)行；每圖斑開(kāi)始量算時(shí)一般需先標(biāo)明數(shù)字化起點(diǎn)位置，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的多邊形圖斑，以折點(diǎn)作為數(shù)字化的輸人點(diǎn)；而對(duì)于不規(guī)則的曲邊圖斑，需選擇對(duì)其邊界幾何圖形有控制意義的特征點(diǎn)作為數(shù)字化點(diǎn)。
圖斑的數(shù)字化工作必須嚴(yán)格按照順時(shí)針的方向進(jìn)行，對(duì)于圖斑中套有其他類(lèi)型小圖斑的狀況，可從外圖斑邊界一點(diǎn)切入，對(duì)內(nèi)圖斑進(jìn)行反方向數(shù)字化，再?gòu)倪M(jìn)入點(diǎn)轉(zhuǎn)出，完成整個(gè)圖斑的全部數(shù)字化工作。由于對(duì)內(nèi)部小圖斑是反方向數(shù)字化，其面積為負(fù)值，與總面積累加之后便可保證有效地扣除而獲得圖斑的量算面積。
數(shù)字化儀的取數(shù)方式可以采用點(diǎn)方式、時(shí)間增量方式和步長(zhǎng)增量3種方式。點(diǎn)方式一般適用于簡(jiǎn)單的折邊多邊形類(lèi)圖形；步長(zhǎng)增量方式適用于邊界平緩彎曲的圖形；時(shí)間增量方式則適用于圖斑邊界彎曲多而且變化十出入點(diǎn)圖2套合圖斑量算方法示意圖分復(fù)雜的圖形。在一幅地圖的實(shí)際測(cè)量中往往是以上3種方式交替使用，以提高量測(cè)效率。
對(duì)于精度要求很高（誤差值小于0.5%）的地圖面積量算，還可以采用分線段數(shù)字化，建立圖斑一線段一點(diǎn)位3級(jí)檢索的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。對(duì)需量測(cè)面積的圖斑重新進(jìn)行線段及點(diǎn)位的組合，再量測(cè)其面積值。該方法由于采用了統(tǒng)一的線段和節(jié)點(diǎn)編碼，每條線段只需一次單向數(shù)字化，而避免了圖斑的公用邊由于雙向重復(fù)數(shù)字化帶來(lái)的非重合差，使量測(cè)精度大大提高，而且所形成的圖形數(shù)據(jù)文件利于建立地理信息系統(tǒng)的圖形庫(kù)和自動(dòng)制圖。但是，該方法需在數(shù)字化原圖上對(duì)每一線段的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次性統(tǒng)一編碼，從而使面積量算的預(yù)處理工作量大大增加。
目前，一般數(shù)字化儀分辨率均高于0.olmm,只要數(shù)字化儀工作正常，量算的系統(tǒng)誤差可以忽略不計(jì)。所以，偶然誤差和粗差是產(chǎn)生量算誤差的主要來(lái)源。從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，具體的影響因素是圖斑的圖形復(fù)雜程度和數(shù)字化取點(diǎn)密度。
不同的圖斑都具有各自復(fù)雜程度不同的邊界彎曲形9U2,兩個(gè)面積相同而形狀不同的圖斑，邊界長(zhǎng)度愈長(zhǎng)者可視其復(fù)雜程度愈大，使用數(shù)字化儀量算時(shí)所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)也愈多，因而產(chǎn)生偶然誤差和粗差的機(jī)率也愈大。在此，我們用圖斑復(fù)雜度W來(lái)描述圖斑的復(fù)雜程度。W~S0/S。式中S。為圖斑的面積值，S為與該圖斑周長(zhǎng)相同的圓的面積。從以上公式可看出圖斑的復(fù)雜度與該圖斑的周長(zhǎng)成反比。
作為校準(zhǔn)值，對(duì)一組面積均為250m,的不同復(fù)雜度圖斑面積測(cè)定的統(tǒng)計(jì)分析圖。圖中反映了圖斑的復(fù)雜度對(duì)數(shù)字化儀量測(cè)面積的精度變化態(tài)勢(shì)。
由于數(shù)字化儀量算面積的基本原理是以小多邊形進(jìn)行面積的累加擬合、逼近，所以，數(shù)字化取點(diǎn)密度同樣也影響著量測(cè)精度。在實(shí)驗(yàn)中以不同的數(shù)字化密度進(jìn)行多組面積量測(cè)精度試驗(yàn)。如圖4所示，面積量測(cè)誤差值在開(kāi)始時(shí)隨著數(shù)字化點(diǎn)數(shù)的增加、密度的加大而急劇減少。而當(dāng)點(diǎn)數(shù)增大至一定程度時(shí)，量測(cè)誤差值便穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，但當(dāng)取數(shù)點(diǎn)密度進(jìn)一步增大時(shí)，相對(duì)誤差又出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。以任意一個(gè)矩形為例，矩形的特征點(diǎn)只有4個(gè)（4個(gè)角點(diǎn)），如取數(shù)點(diǎn)超過(guò)4個(gè)，決不可能增加圖斑的量測(cè)精度，而只能增大量測(cè)的誤差值。由此可見(jiàn)，對(duì)于一般的圖斑來(lái)說(shuō)，數(shù)字化點(diǎn)數(shù)必須限定在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶�，且盡量減少非特征點(diǎn)的輸入。
為進(jìn)一步分析圖斑形態(tài)特點(diǎn)對(duì)面積量測(cè)精度的影響，并比較不同面積量算法的效率和精度，實(shí)驗(yàn)中對(duì)一組同面積不同復(fù)雜度的圖斑運(yùn)用3種不同量算方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如附表所示。
從以上分析可以得出以下結(jié)論：機(jī)助面積自動(dòng)量算法與其他方法相比，具有系統(tǒng)功能完備，量測(cè)精度高，省時(shí)、省工的優(yōu)點(diǎn)；所得到的面積量測(cè)數(shù)據(jù)直接存入面積數(shù)據(jù)庫(kù)并同時(shí)建立了圖斑邊界的圖形庫(kù)，為后期的面積平差處理和建立GIS創(chuàng)造了良好條件；另外，該系統(tǒng)的硬設(shè)備便宜，除面積量算外還具有更廣的應(yīng)用面，易推廣。綜上所述，我們認(rèn)為機(jī)助面積自動(dòng)量算方法具有廣闊的應(yīng)用前景。
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