2023年數(shù)字測圖技術講義

第一章數(shù)字測圖概述

隨著電子技術和計算機技術日新月異的發(fā)展及其在測繪領域的廣泛應用，20世紀80年代產生

了電子速測儀、電子數(shù)據終端，并逐步地構成了野外數(shù)據采集系統(tǒng)，將其與內業(yè)機助制圖系統(tǒng)結合，

形成了一套從野外數(shù)據采集到內業(yè)制圖全過程的、實現(xiàn)數(shù)字化和自動化的測量制圖系統(tǒng)，人們通常稱

作為數(shù)字化測圖（簡稱數(shù)字測圖）或機助成圖。廣義的數(shù)字測圖主要包括：全野外數(shù)字測圖（或稱地

面數(shù)字測圖、內外一體化測圖）、地圖數(shù)字化成圖、攝影測量和遙感數(shù)字測圖。狹義的數(shù)字測圖指全

野外數(shù)字測圖。本書主要介紹全野外數(shù)字測圖技術。

1.1數(shù)字地形表達

一.地形表達的方法

人們生活在地球上并與地球表面處處發(fā)生聯(lián)系：建筑師在地表設計、構筑樓房；地

質學家研究地表結構；地質生態(tài)學家想了解地表形態(tài)和地物形成的過程；測繪工作者則

對地形起伏進行各種測量，并用各種方式如地圖和正射影像圖等描述地形。盡管專業(yè)領

域不同，研究的側重點各異，但所有的工作都希望能用一種既方便又準確的方法來表達

實際地表現(xiàn)象。

人類在很早以前就開始想方設法來描述自己所熟悉的地表現(xiàn)象，繪圖是最古老的一

種，但僅是很粗略地反映所見到的地形景觀，但這些信息反映的主要是對象的形態(tài)特征

和色彩特征，定量的描述則非常有限。

另外一種古老而有效并一直沿用至今的精確表達地表現(xiàn)象的方式是呦圖。地圖對人

類社會發(fā)展的作用如同語言和文字對社會發(fā)展的作用一樣，具有不言而喻的重要性。地

圖是記錄和傳達關于自然世界、社會和人文的位置與空間特性信息最卓越的工具。早期

地圖用半符號、半寫景的方法來表示地形，實現(xiàn)了在各種二維介質平面上對實際的三維

地形表面的表示和描述。現(xiàn)代地圖按照一定的數(shù)學法則，運用符號系統(tǒng)概括地將地面上

各種自然和社會現(xiàn)象表示在平面上。地圖具有三個基本的特性：數(shù)學法則性、制圖綜合

性和內容符號性?，F(xiàn)代地圖的最大優(yōu)點在于具有可量測性。

在各種地圖中，用來準確描述地貌形態(tài)的是等高線地圖。用等高線來表達地形表面

起伏可追溯到18世紀，它的方便性和直觀性使得人們認為在制圖學的歷史上等高線是一

項最重要的發(fā)明。在等高線地形圖上，所有的地形信息都正交地投影在水平面上，用線

劃或符號表示成比例縮小后的地物，而地物高度和地形起伏的信息則有選擇地用等高線

進行表達。

與各種線劃圖形相比，彩辭無疑具有更大的優(yōu)點，如細節(jié)豐富、成像快速、直觀逼

真等，因此攝影術一出現(xiàn)就被廣泛用于記錄我們生活的這個世界。1849年出現(xiàn)了利用地

面攝影相片進行地形圖的編繪，而航空攝影由于周期短、覆蓋面廣、現(xiàn)勢性強而廣泛采

用。利用多張具有一定重迭度的像片還能重建實際地形的立體模型，并可以進行精確進

行三維定位。

20世紀60年代初，遙感技求隨著空間科學的發(fā)展面興起。70年代美國地球資源衛(wèi)

星上天后，遙感技術獲得了極為廣泛的應用。在遙感技術中除了使用對可見光攝影的框

幅式黑白攝影機，還使用彩色或彩紅外攝影機、全景攝影機、紅外掃描儀、雷達、CCD

推掃式行掃描儀和矩陣數(shù)字攝影機等，它們能提供比原先黑白像片更豐富的影像信息。

從本質上講，地圖是對客觀存在的特征和變化規(guī)則的一種科學的概括和抽象。對于

地圖中最典型也是最重要的地形圖而言，由于其描述的客觀世界是豐富多彩、千姿百態(tài)

的三維空間實體，其二維空間的表達與所表示的三維現(xiàn)實世界之間有著不可逾越的鴻溝。

因此，地圖學者們一直致力于地形圖的立體表示，試圖尋求一種既能符合人們的視覺生

理習慣，又能恢復真實世界的表示方法。在此過程中先后出現(xiàn)了寫景法、地貌暈翁法、

地貌暈渲法、分層設色法等，但由于這些方法缺乏嚴密的數(shù)學理論以及繪制復雜等而使

其受到了很大局限。

20世紀中葉后，伴隨著計算機科學、現(xiàn)代數(shù)學和計算機圖形學等的發(fā)展，各種數(shù)字

的地形表達方式也得到迅猛的發(fā)展。電子計算機為自然科學的發(fā)展提供了進行嚴密計算

和快速演繹的工具。使用計算機和計算機技術是當今信息時代的一個重要標志，其在測

繪方面的應用使得測繪學科逐步向數(shù)字化與自動化、實時處理與多用途的方向發(fā)展。計

算機技術在很大程度上改變了地圖制圖的生產方式，同時也改變著地圖產品的樣式和用

圖概念。借助于數(shù)字地形表達，現(xiàn)實世界的三維特征得到充分而真實的再現(xiàn)。

總之：數(shù)字地形表達的方式可以分為兩大類，即數(shù)學描述和圖像描述。使用傅立葉

級數(shù)和多項式來描述地形是常用的數(shù)學描述方法。規(guī)則格網、不規(guī)則格網、等高線、剖

面圖等則是圖像描述的常用方式。

數(shù)字地面模型

模型是用來表現(xiàn)其它事物的一個對象或概念，是按比例縮減并轉變到我們能夠理解

的形式的事物本體。建立模型可以有許多特定的目的，如預測、控制等。在這種情況下，

模型只需要具備足夠重要的細節(jié)來滿足即可。同時，模型也可以用來表現(xiàn)系統(tǒng)或現(xiàn)象的

最初狀態(tài)，或者用來表現(xiàn)某些假定或預測的情況等。一般說來，模型可以分為三種不同

的層次，即概念模型、物質模型的數(shù)學模型。概念模型是基于個人的經驗與知識在大腦

中形成的關于狀況或對象的模型，概念模型往往也形成了模擬的初級階段。然而，如果

事物非常復雜難于描述，則模擬也許只能停留在概念的形式上。物質模型通常是一個模

擬的模型，如用橡膠、塑料或泥土制成的地形模型等。數(shù)學模型一般是基于數(shù)字系統(tǒng)的

定量模型，根據問題的確定性和隨機性數(shù)學模型又有函數(shù)模型和隨機模型之分。采用數(shù)

學模型具有以下明顯的優(yōu)點：

1.理解現(xiàn)實世界和發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的工具；

2.提供了考慮所有可能性、評價選擇性和排除不可能的機會；

3.幫助在其它領域推廣或應用解決問題的結果；

4.幫助明了思路，集中精力關注問題重要的方面；

5.使問題的主要成分能被更好地觀察，同時確保交流、減少模糊，并提供關于問題

一致看法的機會。

評價數(shù)學模型的標準：

精確性：模型的輸出是正確的或是非常接近正確；

描述的現(xiàn)實性：基本正確的假設；

準確性：模型的預測是確定的數(shù)字、函數(shù)或幾何圖表等；

可靠性：對輸入數(shù)據中的錯誤具有相對免疫力；

一般性：適用大多數(shù)情況；

成效性：結論有用，并可以啟發(fā)或指導其它好的模型。

麻省理工學院教授米勒將計算機和攝影測量技術結合在一起，比較成功地解決了道

路工程的計算機輔助設計問題。

測繪學從地形測繪的角度來研究數(shù)字地面模型，一般僅把基本地形圖中的地形要素、

特別是高程信息，作為數(shù)字地面模型的內容。測繪學家心目中的數(shù)字地面模型是新一代

的地形圖，地貌和地物不再用直觀的等高線和圖例符號在紙上表達，而是通過儲存在磁

介質中的大量密集的地面點的空間坐標和地形屬性編碼，以數(shù)字的形式描述。其它非測

繪應用的課題，通常根據各自的具體需要，將某些地形的特性信息與地形信息結合在一

起，構成數(shù)字地面模型。20世紀60年代出現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)，由于具有眾多用戶共享的

特點，它的數(shù)字地面模型中所包含的地面特性信息類型就更加豐富。一般可分為下列四

組：

1.地貌信息：高程、坡度、坡向、坡面形態(tài)及描述地表起伏情況的更為復雜的地貌

因子；

2.基本地物信息：水系、交通網、居民點和工礦企業(yè)及境界線；

3.主要的自然資源和環(huán)境信息：土壤、植被、地質、氣候；

4.主要的社會經濟信息：人口分布、工農業(yè)產值、國民收入。

1.2數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型的含義

從最一般的形式上看，數(shù)字地面模型包括平面和地形起伏兩種數(shù)據，并且從其本身

導出的數(shù)據如坡度、坡向、可視性也包含其中。

Miller于1958年提出：數(shù)字地面模型是利用一個任意坐標場中大量選擇的已知X、

Y、Z的坐標點對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計表示，或者說，DTM是地形表面簡單的數(shù)

字表示。

數(shù)字地面模型更通用的定義是描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列,

從數(shù)學的角度，可能用二維函數(shù)系統(tǒng)取值的有序集合來概括地表示數(shù)字地面模型的豐富

內容和多樣形式。

地理空間實質是三維的，但人們往往在二維地理空間上描述并分析地面特性的空間

分布，如專題圖大多是平面地圖。數(shù)字地面模型是對某一種或多種地面特性空間分布的

數(shù)字描述，在迭加在二維地理空間上的一維或多維地面特性向量空間，是地理信息系統(tǒng)

空間數(shù)據庫的某類實體或所有這些實體的總和。數(shù)字地面模型的本質共性是二維地理空

間定位和數(shù)字描述。

數(shù)字高程模型是數(shù)字地面模型中最基本的部分，它是對地球表面地形地貌的一種離

散的數(shù)字表達，是表示區(qū)域D上的三維向量有限序列。

二.數(shù)字高程模型的特點

與傳統(tǒng)的地形圖相比，數(shù)字高程模型作為地表的一種數(shù)字表達形式有如下特點：

1.容易以多種形式顯示地形信息。地形數(shù)據經過計算機軟件處理后，產生多種比例

尺的地形圖、縱橫斷面圖和立體圖。而常規(guī)地形圖一經制作完成后，比例尺不易改變，

改變或繪制其它形式地形圖則需要人工處理。

2.精度不會損失。常規(guī)地圖隨著時間的推移，圖紙將會變形，失掉原有的精度。而

DEM采用數(shù)字媒介，因而能保持精度不變。另外，由常規(guī)的地圖用人工的方法制作其它

種類的地圖，精度不會受到損失。

3.容易實現(xiàn)自動化、實時化。常規(guī)地圖要增加和修改都必須重復相同的工序，勞動

強度大而且周期長，不利于地圖的實時更新。而DEM由于是數(shù)字形式的，所以增加和改

變地形信息只需要將修改信息直接輸入計算機，經軟件處理后立即可產生實時化的各種

地形圖。概括起來，數(shù)字高程模型具有以下顯著特點：便于存儲、更新、傳播和計算機

自動處理；具有多比例尺特性；特別適合于各種定量分析與三維建模。

三.數(shù)字高程模型的分類

1.根據大小和覆蓋范圍分類：

①局部的DEMs(Local)：建立局部的模型往往源于這樣的前提，即待模擬的區(qū)域非

常復雜，只能對一個局部的范圍進行處理。

②全局的DEMs(Global)：全局性的模型一般包括大量的數(shù)據并覆蓋一個很大的區(qū)域,

并且該區(qū)域通常具有簡單、規(guī)則的地形特征。或者為了一些特殊的目的如偵察，只需要

使用地形表面最一般的信息。

③地區(qū)的DEMs(Regional)：界于局部和全局兩種模型之間的情況。

2.根據模型的連續(xù)性分類

①不連續(xù)的DEMs(Discontinuous)：一個不連續(xù)的模型表面源于這樣的考慮，每一

個觀測點的高程都代表了其鄰域范圍內的值?；谶@樣的觀點，任何待內插的點的高程

都可以利用最鄰近的參考點近似。這時，一系列局部的表面被用來表示整個地形。

②連續(xù)的DEMs(Continuous)：與不連續(xù)的DEMs相反，連續(xù)的模型表面基于這樣

的思想，即每個數(shù)據點代表的只是連續(xù)表面上的一個采樣值，而表面的一階導數(shù)可以是

連續(xù)的也可以是不連續(xù)的。但這里的定義還是限定于一階導數(shù)不連續(xù)的情況，因為任何

一階導數(shù)或更高階導數(shù)連續(xù)的表面將被定義為光滑表面。

③光滑的DEMs(Smooth)：光滑DEMs指的是一階導數(shù)或更高階導數(shù)連續(xù)的表面，

通常是在區(qū)域或全局的尺度上實現(xiàn)。創(chuàng)建這種模型一般基于以下假設：模型表面不必經

過所有原始觀測點，待構建的表面應該比原始觀測數(shù)據所反映的變化要平滑得多。

四.數(shù)字高程模型的應用范疇

1.相關學科和技術

①基礎理論與技術支持

計算機科學是數(shù)字高程模型產生和發(fā)展的最重要的基礎之一，計算機科學的技術突破必將對數(shù)字

高程模型的技術理論體系產生深遠的影響。數(shù)值逼近、計算幾何、圖論和數(shù)學形態(tài)學等數(shù)學分支的有

關理論和方法則奠定了數(shù)字高程模型的數(shù)學基礎。各種數(shù)字技術如編碼、數(shù)據壓縮、數(shù)據結構和數(shù)據

庫技術等則是數(shù)字高程模型數(shù)據的理論依據。地形的三維逼真顯示技術，一直是計算機圖形學的重要

研究內容。數(shù)字高程模型的可視表現(xiàn)更是依托于計算機圖形的發(fā)展。

②測繪學

數(shù)字高程模型的原始數(shù)據采集主要依靠測繪學的支持。對不同的數(shù)據源，可分別借助攝影測量

與遙感（RS）、GPS、機助地圖制圖的圖形數(shù)字化輸入和編輯以及野外數(shù)字測圖等技術，進行數(shù)字高

程模型原始數(shù)據的采集工作。特別是攝影測量領域，DEM已經成為主要的新產品形式和正射影像生

產的基礎。DEM輔助遙感影像的處理，則可提高影像分類及解譯的成功率。

③地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）出現(xiàn)于20世紀60年代，它是在計算機軟硬

件支持下，對空間信息進行管理、分析、表示和應用的技術系統(tǒng)或系統(tǒng)實體。DEM作為地球空間框

架數(shù)據的基本內容和其它各種地理信息的載體，是各種地學分析的基礎數(shù)據，自然也是GIS的基本內

容。特別是GIS中的三維可視化和虛擬現(xiàn)實更是離不開DEM。

2.應用

數(shù)字高程模型既然是地理空間定位的數(shù)字集合，因此凡牽涉到地理空間定位，在研究過程中又

依靠計算機系統(tǒng)支持的課題，一般都要建立數(shù)字高程模型。在這個角度看，建立數(shù)字地面模型是對地

面特性進行空間描述的一種數(shù)字方法途徑，數(shù)字高程模型的應用可遍及整個地學領域。在測繪中可用

于繪制等高線、立體匹配片、立體地形模型及地圖的修測。在各種工程中可用于體積和面積的計算、

種剖面圖的繪制及線路的設計。軍事上可用于導航、通訊、作戰(zhàn)任務的計劃等。在遙感中可用作為分

類的輔助數(shù)據。在環(huán)境與規(guī)則中可用于土地現(xiàn)狀的分析、各種規(guī)劃及洪水險情預報等。

隨著各種相關技術的發(fā)展，數(shù)字高程模型經歷了一個循序漸進的發(fā)展過程。20世紀50年代中

期到60年代初，多局限于土木水利工程和地圖測繪中。DEM的建立都只是為了某種特定的應用，如

高速公路設計中的體積計算，遙感影像的幾何糾正和正射影像生產等，這些DEM只能滿足特定的行

業(yè)和專業(yè)部門的應用需求，未成為一種像地圖那樣的標準產品。從60年代中期開始，隨著數(shù)據庫和

環(huán)境遙感技術的迅速發(fā)展，一些發(fā)達國家在機助制圖的基礎上，逐步建立起國家范圍和區(qū)域范圍的地

理信息系統(tǒng)，DEM作為標準的基礎地理信息系統(tǒng)產品開始大規(guī)模的生產。如加拿大環(huán)境部的“加拿

大地理信息系統(tǒng)（CGIS）”美國地質調查局的“地理信息檢索和分析系統(tǒng)（GISAS）”。數(shù)字高程模型

開始作為數(shù)據庫的實體，為地理信息系統(tǒng)進行空間分析和輔助決策提供充實而便于操作的數(shù)據基礎，

同時與地理信息系統(tǒng)的結合也愈來愈緊密.近年來，隨著空間數(shù)據基礎設施的建設和“數(shù)字地球

（DigitalEarth）”戰(zhàn)略的實施，更加快了DEM與地理信息系統(tǒng)、遙感等的一體化進程，為DEM的

應用開辟了更廣闊的天地。

1.3數(shù)字測圖概念

一、數(shù)字測圖的基本思想

傳統(tǒng)的地形測圖（白紙測圖）實質上是將測得的觀測值（數(shù)值）用圖解的方法轉化為圖形。這一

轉化過程幾乎都是在野外實現(xiàn)的，即使是原圖的室內整飾一般也要在測區(qū)駐地完成，因此勞動強度較

大；再則，這個轉化過程將使測得的數(shù)據所達到的精度大幅度降低。特別是在信息劇增，建設日新月

異的今天，一紙之圖已難載諸多圖形信息；變更、修改也極不方便，實在難以適應當前經濟建設的需

要。

數(shù)字測圖就是要實現(xiàn)豐富的地形信息和地理信息數(shù)字化和作業(yè)過程的自動化或半自動化。它希望

盡可能縮短野外測圖時間，減輕野外勞動強度，而將大部分作業(yè)內容安排列室內去完成。與此同時，

將大量手工作業(yè)轉化為電子計算機控制下的機械操作，這樣不僅能減輕勞動強度，而且不會降低觀測

精度。

數(shù)字測圖的基本思想是將地面上的地形和地理要素（或稱模擬量）轉換為數(shù)字量，然后由電子計

算機對其進行處理，得到內容豐富的電子地圖，需要時由圖形輸出設備（如顯示器、繪圖儀）輸出地

形圖或各種專題圖圖形。將模擬量轉換為數(shù)字這一過程通常稱為數(shù)據采集。目前數(shù)據采集方法主要有

野外地面數(shù)據采集法、航片數(shù)據采集法、原圖數(shù)字化法。數(shù)字測圖的基本思想與過程如圖所示。數(shù)字

測圖就是通過采集有關的繪圖信息并及時記錄在數(shù)據終端（或直接傳輸給便攜機），然后在室內通過

數(shù)據接口將采集的數(shù)據傳輸給電子計算機，并由計算機對數(shù)據進行處理，再經過人機交互的屏幕編輯,

形成繪圖數(shù)據文件。最后由計算機控制繪圖儀自動繪制所需的地形圖，最終由磁盤、磁帶等貯存介質

保存電子地圖。數(shù)字測圖雖然生產成品仍然以提供圖解地形圖為主，但是它以數(shù)字形式保存著地形模

型及地理信息。

二、地圖圖形的描述

一切地圖圖形都可以分解為點、線、面三種圖形要素，其中點是最基本的圖形要素。這是因為一

組有序的點可連成線，而錢可以圍成面。但要準確地表示地圖圖形上點、線、面的具體內容，還要借

助一些特殊符號、注記來表示。獨立地物可以由定位點及其符號表示，線狀地物、面狀地物由各種線

劃、符號或注記表示，等高線由高程值表達其意義。

測量的基本工作是測定點位。傳統(tǒng)方法是用儀器測得點的三維坐標，或者測量水牛角、豎直角及

距離來確定點位，然后繪圖員按坐標（或角度與距離）將點展繪到圖紙上。跑尺員根據實際地形向繪

圖員報告測的是什幺點（如房角點），這個（房角）點應該與哪個（房角）點連接等等，繪圖員則當

場依據展繪的點位按圖式符號將地物（房屋）描繪出來。就這樣一點一點地測和繪，一幅地形圖也就

生成了。

數(shù)字測圖是經過計算機軟件自動處理（自動計算、自動識別、自動連接、自動調用圖式符號等），

自動繪出所測的地形圖。因此，數(shù)字測圖時必須采集繪圖信息，它包括點的定位信息、連接信息和屬

性信息。

定位信息亦稱點位信息，是用儀器在外業(yè)測量中測得的，最終以x,Y,Z（H）表示的三維坐

標。點號在測圖系統(tǒng)中是唯一的，根，據它可以提取點位坐標。“連接信息是指測點的連接關系，它

包括連接點號和連接線型，據此可將相關的點連接成一個地物。上述兩種信息臺稱為圖形信息，又稱

為幾何信息。以此可以繪制房屋、道路、河流、地類界、等高統(tǒng)等圖形。

屬性信息又稱為非幾何信息，包括定性信息和定量信息。屬性的定性信息用來描述地圖圖形要素

的分類或對地圖圖形要素進行標名，一般用擬定的特征碼（或稱地形編碼）和文字表示。有了特征碼

就知道它是什幺點，對應的圖式是什幺。屬性的定量信息是說明地圖要素的性質、特征或強度的，例

如面積、樓層、人口、產量、流速等，一般用數(shù)字表示。

進行數(shù)字測圖時不僅要測定地形點的位置（坐標），還要知道是什幺點，是道路還是房屋，當場

記下

該測點的編碼和連接信息，顯示成圖時，利用測圖系統(tǒng)中的圖式符號庫，只要知道編碼，就可以

從庫中調出與該編碼對應的圖式符號成圖。

三、地圖圖形的數(shù)據格式

地圖圖形要素按照數(shù)據獲取和成圖方法的不同，可區(qū)分為關量數(shù)據和珊格數(shù)據兩種數(shù)據格式。矢

量數(shù)據是圖形的離散點坐標（X,Y）的有序集合；柵格數(shù)據是圖形像元值按矩陣形式的集合，對應

的圖形表示法如圖所示。由野外采集的數(shù)據、由解析測圖儀獲得的數(shù)據和手扶跟蹤數(shù)字化儀采集的數(shù)

據是關量數(shù)據；由掃描儀和遙感獲得的數(shù)據是柳格數(shù)據。據估計，一幅1：1000的一般密度的平

面圖只有幾千個點的坐標對，一幅1。工000O的地形圖矢量數(shù)據多則可達幾十萬甚至上百萬個的

坐標對。矢量數(shù)據量與比例尺、地物密度有關。而一幅地形圖（50X50cm）的柵格數(shù)據，隨柵格

單元（像元）的邊長（一般＜0.02mm）而不同，通常達上億個像元點。故一幅地圖圖形的柵格

數(shù)據量一般情況下比矢量數(shù)據量大得多。矢量數(shù)據結構是人們最熟悉的圖形表達形式，從測定地形特

征點位置到線劃地形圖中各類地物的表示以及設計用圖，都是利用矢量數(shù)據。計算機輔助設計（CA

D）、圖形處理及網絡分析，也都是利用矢量數(shù)據和矢量算法。因此數(shù)字測圖通常采用矢量數(shù)極結構

和畫矢量圖。若采集的數(shù)據是柳梢數(shù)據，必須將其轉換為矢量數(shù)據。再則由計算機控制輸出的關量圖

形不僅美觀，而且更新方便，應用非常廣泛。

四、數(shù)字測圖需要解決的問題

歸納起來，數(shù)字測圖所要解決的問題是：

①使采集的圖形信息和屬性信息為計算機識別。

②由計算機按照一定的要求對這些信息進行一系列的處理。

③將經過處理的數(shù)據和文字信息轉換成圖形，由屏幕輸出或繪圖儀輸出各種所需的圖形。

④按照一定的要求自動實現(xiàn)圖形數(shù)據的應用問題。

能自動地給制地圖圖形是數(shù)字測圖的首要任務，但這只是最基本的任務。數(shù)字測圖還解決電子地

圖應用問題，尤其要使數(shù)字測圖成果滿足地理信息系統(tǒng)（GIS）的需要。數(shù)字測圖的最終目的是實

現(xiàn)測圖與設計和管理一體化、自動化.

1.4數(shù)字測圖系統(tǒng)

數(shù)字測圖系統(tǒng)是以計算機為核心，在外連輸入、輸出設備硬件和軟件的支持下，對地形空間數(shù)據

進行采集、輸入、成圖、處理、繪圖、輸出、管理的測繪系統(tǒng)。數(shù)字測圖系統(tǒng)主要由數(shù)據輸入、數(shù)據

處理和數(shù)據輸出三部分組成，如圖。

地形數(shù)據采集I—?I數(shù)據處理與成畫—?I成果與圖形輸由

圍繞這三部分，由于硬件配置、工作方式、數(shù)據輸入方法。輸出成果內容的不同，可產生多種數(shù)

字測圖系統(tǒng)。接輸入方法可區(qū)分為：原圖數(shù)字化數(shù)字成圖系統(tǒng)，航測數(shù)字成圖系統(tǒng)，野外數(shù)字測圖系

統(tǒng)，綜合采樣（集）數(shù)字測圖系統(tǒng)；按硬件配置可區(qū)分為：全站儀配合電子手簿測圖系統(tǒng)，電子平板

測圖系統(tǒng)等。校輸出成果內容可區(qū)分為：大比例尺數(shù)字測圖系統(tǒng)，地形地籍測圖系統(tǒng)，地下管線測圖

系統(tǒng)，房地產測量管理系統(tǒng)，城市規(guī)劃成圖管理系統(tǒng)等等。不同的時期，不同的應用部門，如水利、

物探、石油等科研院校，也研制了眾多的自動成圖系統(tǒng)。

目前大多數(shù)數(shù)字化測圖系統(tǒng)內容豐富，具有多種數(shù)據采集方法，具有多種功能和多種應用范圍，

能輸出多種圖形和數(shù)據資料，其結構如圖1—4。數(shù)字測圖系統(tǒng)需有一系列硬件和軟件組成。用于野

外采集數(shù)據的硬件設備有全站式或半站式電子速測儀；用于室內輸入的設備有數(shù)字化儀、掃描儀、解

析測圖儀等；電子手簿、PC卡用于記表數(shù)據：用于室內輸出的設備主要有磁盤、顯示器、打印機和

數(shù)控繪圖儀等；便攜機或微機是數(shù)字測圖系統(tǒng)的硬件控制設備，既用于數(shù)據處理，又用于數(shù)據采集和

成果輸出。最基本的軟件設備有系統(tǒng)軟件和應用軟件。應用軟件主要包括控制測量計算軟件、數(shù)據采

集和傳輸軟件、數(shù)據處理軟件、圖形編輯軟件、等高線自動繪制軟件、繪圖散件及信息應用軟件等。

在計算機自動化成圖過程中，主要采用野外數(shù)據采集然后由計算機自動進行數(shù)據處

理，而隨著計算機的袖珍化和軟件功能的內外業(yè)一體化，內外業(yè)設備已沒有明顯的界限，

就一般而言，主要由以下幾部分組成。

1.地面測量儀器

地面測量儀器是獲取地面信息的基本設備，它包括電子速測儀（全站儀）、電子（或

光學）經緯儀、測距儀等。目前一些傳輸?shù)臋C助成圖系統(tǒng)都適用各種地面測量儀器進行采

集，如CASS系統(tǒng)設有速測儀、經緯儀加測距儀、視距、量距等各種采集模式，能充分的

利用現(xiàn)有的儀器設備。

2.電子計算機

電子計算機是進行數(shù)據采集、儲存、處理的基本設備。對于機助成圖一般包括兩個

部分即外業(yè)數(shù)據采集的計算機和內業(yè)數(shù)據處理所用計算機。外業(yè)數(shù)據采集所用的計算機

要求計算機袖珍化，便于野外攜帶和使用，常用PCT500、PC-E500及便攜機。內業(yè)處理

所用的計算機一般采用微型計算機，要求計算機有足夠的貯存容量和運算速度。

3.圖形輸入設備

用于將地圖幾何圖形轉換為數(shù)據的專用設備稱為圖形輸入設備。常用的圖形輸入設

備有數(shù)字化儀。數(shù)字化儀的類型按不同指標或性能有不同的分類，如：

①自動化程度分：手扶跟蹤式、半自動跟蹤式和自動掃描式；

②按數(shù)據格式分：矢量式和柵格式；

③按坐標系分：直角坐標式和極坐標；

④按數(shù)字化臺面形狀分：平臺式和滾筒式。

目前通常指的數(shù)字化儀都是指手扶跟蹤式直角坐標數(shù)字化儀，由于手扶跟蹤數(shù)字化

儀操作簡單、價格低，其圖形輸入的精度能夠滿足地圖精度的要求，因此這一類型數(shù)字

化儀在機助成圖中廣泛使用。半自動跟蹤數(shù)字化儀精度高、速度快，但價格昂貴，尚未

得到普及應用；自動掃描數(shù)字化儀（亦稱掃描儀）雖然速度快，但由于其精度和矢量化等

問題，在精度要求較高的大比例尺成圖方面，還有待進一步研究。

4.圖形輸出設備

實施制圖數(shù)據到圖形的設備稱為圖形輸出設備，主要有打印機、圖形顯示器和自動

繪圖機等。

打印機具有圖形輸出速度快的特點，雖然打印的圖形不精致，但能為制圖人員提供

概略的樣圖以供檢查。

圖形顯示器通常把它歸屬于計算機設備，而不是一個單獨的圖形輸出設備。

自動繪圖儀的種類很多，功能各異，沒有嚴格的分類標準。有噴墨式、激光式。

1.5數(shù)字測圖的優(yōu)點

大比例尺數(shù)字測圖有力地沖擊著傳統(tǒng)的平板儀或經緯儀的白紙測圖方法，大有取代白紙測圖之勢,

這是因為數(shù)字測圖具有諸多的優(yōu)點.

一.測圖用圖自動化

傳統(tǒng)測圖方式主要是手工作業(yè)，外業(yè)測量人工記錄，人工繪制地形圖，在圖上人工量算所需要的

坐標、距離和面積等等。數(shù)字測圖則使野外測量自動記錄，自動解算，使內業(yè)數(shù)據自動處理，自動成

圖，自動繪圖，并向用圖者提供可處理的數(shù)字地（形）圖軟盤，用戶可自動提取圖數(shù)信息。

二.圖形數(shù)字化

用軟盤保存的數(shù)字地（形）圖，存儲了圖中具有特定含義的數(shù)字、文字、符號等各類數(shù)據信息，

可方便地傳輸、處理和供多用戶共享。數(shù)字地圖不僅可以自動提取點位坐標、兩點距離、方位以及地

塊面積等，還可以供工程、規(guī)、CAD（計算機輔助設計）使用和供GIS（地理信息系統(tǒng)）建庫使

用。數(shù)字地圖的管理，即節(jié)省空間，操作又十分方便。

三.點位精度高

傳統(tǒng)的經緯儀配合小平板、半圓儀白紙測圖，地物點平面位置的誤差主要受解析圖根的測定誤差

和展繪誤差、測定地物點的視距誤差、方向誤差、地形圖上的地物點的刺點誤差等影響，綜合影響使

地物點平面位置的測定誤差圖上約為士0.5mm（1：1000比例尺），主要誤差源為視距誤差和刺點

誤差。經緯儀視距高程法測定地形點高程時，即使在較平坦地區(qū)（0-6）,視距為150m。，地形點高

程測定誤差也達土0.06m,而且隨著傾斜角的增大，高程測定誤差會急劇增加。

用全站儀采集數(shù)據，測定地物點的誤差在450m內約為主22mm,測定地形點的高程誤差在

450m內約為士21mm,若距離在30omm以內，則測定地物點誤差約為全15mm,測定地形

點的高程誤差約為士18mm。在數(shù)字測圖中，野外采集的數(shù)據的精度毫無損失，也與圖的比例尺天

關。數(shù)字測圖的高精度為地籍測量、管網測量、房產測量、工程規(guī)劃設計等工作提供了保證。

四.便于成果更新

數(shù)字測圖的成果是以點的定位信息和屬性信息存入計算機，當實地有變化時，只需輸人變化信息

的坐標、代碼，經過編輯處理，很快便可以得到更新的圖，從而可以確保地面的可靠性和現(xiàn)勢性，數(shù)

字測圖可謂“一勞永逸二

五.避免因圖紙伸縮帶來的各種誤差

表示在圖紙上的地圖信息隨著時間的推移，會因圖紙的變形而產生誤差。數(shù)字測圖的成果以數(shù)字

信息保存，避免了對圖紙的依賴性。

六.能以各種形式輸出成果

計算機與顯示器、打印機聯(lián)機時，可以顯示或打印各種需.要的資料信息，如用打印機可打印數(shù)

據表格，當對繪圖精度要求不高時，可用打印機打印圖形。計算機與繪圖議聯(lián)機，可以繪制出各種比

例尺的地形圖、專題圖，以滿足不同用戶的需要。

七.方便成果的深加工利用.

數(shù)字測圖分層存放，可使地面信息無限存放（這是模擬圖無法比擬的優(yōu)點），不受圖面負載量的

限制，從而便于成果的深加工利用，拓寬測繪工作的服務面，開拓市場。比如CASS軟件中共定義

26個層（用戶還可根據需要定義新居），房屋、電力線、鐵路、植被、道路、水系、地貌等均存于

不同的層中，通過關閉層、打開層等操作來提取相關信息，便可方便地得到所需的測區(qū)內各類專題圖、

綜合圖，如路網圖、電網圖、管線圖、地形圖等。又如在數(shù)字地籍圖的基礎上，可以綜合相關內容，

補充加工成不同用戶所需要的城市規(guī)劃用圖、城市建設用圖、房地產圖以及各種管理用圖和工程用圖。

A.可作為GIS的重要信息源

地理信息系統(tǒng)（GIS）具有方便的空間信息查詢檢索功能、空間分析功能以及輔助決策功能,

這些功能在國民經濟、辦公自動化及人們日常生活中都有廣泛的應用。然而，要建立一個GIS,花

在數(shù)據采集上的時間和精力約占整個工作的80%；GIS要發(fā)揮輔助決策的功能，需要現(xiàn)勢性強的

地理信息資料。數(shù)字測圖能提供現(xiàn)勢性強的地理基礎信息，經過一定的格式轉換，其成果即可直接進

入GIS的數(shù)據庫，并更新*IS的數(shù)據庫。一個好的數(shù)字測圖系統(tǒng)應該是*IS的一個子系統(tǒng)。

1.6數(shù)字測圖的基本過程

數(shù)字測圖的作業(yè)過程與使用的設備和軟件、數(shù)據源及圖形輸出的目的有關。但不論是測繪地形圖，

還是制作種類繁多的專題圖、行業(yè)管理用圖，只要是測繪數(shù)字圖，都必須包括數(shù)據采集、數(shù)據處理和

圖形輸出三個基本階段。

一、數(shù)據采集

地形圖、航空航天遙感像片、圖形數(shù)據或影像數(shù)據、統(tǒng)計資料、野外測量數(shù)據或地理調查資料等，

都可以作為數(shù)字測圖的信息源。數(shù)據資料可以通過鍵盤或轉儲的方法輸入計算機；圖形和圖像資料一

定要通過圖數(shù)轉換裝置轉換成計算機能夠識別和處理的數(shù)據。

數(shù)據采集主要有如下幾種方法：

①GPS法，即通過GPS接收機采集野外碎部點的信息數(shù)據；

②航測法，即通過航空攝影測量和遙感手段采集地形點的信息數(shù)據；

③數(shù)字化儀法，即通過數(shù)字化儀在已有地圖上采集信息數(shù)據；

④大地測量儀器法，即通過全站儀、測距儀、經緯儀等大地測量儀器實現(xiàn)碎部點野外數(shù)據采集。

目前我國主要采用數(shù)字化儀法、航測法和大地測量儀器法采集數(shù)據。前兩者主要是室內作業(yè)采集

數(shù)據，大地測量儀器法是野外采集數(shù)據。

1.野外數(shù)據采集

野外常規(guī)數(shù)據采集是工程測量中，尤其是工程中大比例尺測圖獲取數(shù)據信息的主要

方法。而采集數(shù)據的方法隨著野外作業(yè)的方法和使用的儀器設備不同可以分為下面三種

形式。

①普通地形圖測圖方法

使用普通的測量儀器，例如經緯儀、平板儀和水準儀等，將外業(yè)觀測成果人工記錄

于手簿中，再進行內業(yè)數(shù)據的處理，然后輸入到計算機內。

②使用測距經緯儀和電子手簿方法

用測距經緯儀進行外業(yè)觀測距離，水平方向和天頂距等，用電子手簿在野外進行觀

測數(shù)據的記錄及必要的計算并將成果貯存。內業(yè)處理時再用電子手簿中的觀測數(shù)據或經

處理后的成果輸入計算機中。

③野外使用全站儀方法

用全站儀進行外業(yè)觀測，測量數(shù)據自動存入儀器的數(shù)據終端，然后將數(shù)據終端通過

接口設備輸入到計算機。采用這種方法則從外業(yè)觀測到內業(yè)處理直至成果輸出整個流程

實現(xiàn)自動化。

大比例尺地面數(shù)字測圖與傳統(tǒng)白紙測圖相比，有如下避：

1.白紙測圖通常是在外業(yè)直接成圖，除在1：500的地形圖上對主要建筑物輪廓點

注記外，其余碎部點坐標是不保留的。外業(yè)工作處觀測數(shù)據外，地形圖的現(xiàn)場繪制、清

繪占地形測量很重的比例。數(shù)字測圖在外業(yè)是記錄觀測數(shù)據或計算的坐標。在記錄中，

點的編號和特征碼是不可缺少的信息，特征碼的記錄可在該測時輸入記錄器或在內業(yè)根

據草圖輸入。數(shù)字測圖對于數(shù)據記錄要有一定的格式，這種格式應被數(shù)字測圖軟件所識

別，能和數(shù)據庫的建立統(tǒng)一起來。

2.數(shù)字測圖中，電子手簿應具有測站點坐標計算功能，可以自由設站。同時測距儀

在幾百米距離內測距精度較高，可達1厘米。因此，一般來說地圖圖根點的密度相對于

白紙測圖的要求可減少。碎部測量時可較多采用自由設站的方法建立測站點。

3.碎部測量時不受圖幅邊界的限制，外業(yè)不再分幅作業(yè)，內業(yè)圖形生成時由軟件根

據圖幅分幅表及坐標范圍自動進行分幅和接邊處理。

4.白紙測圖是在圖根加密后進行碎部測量。數(shù)字測圖的碎部測量可在圖根控制加密

后進行，也可和圖根控制的觀測同時進行，然后在內業(yè)計算圖根點坐標后再進行碎部點

坐標計算。

5.數(shù)字測圖由數(shù)控繪圖機繪制地形圖，所有的地形輪廓轉點都要有坐標才能繪出地

物的輪廓點來。對必須表示的細部地貌也要按實測地貌點才能繪出。因此數(shù)字測圖直接

測量地形點的數(shù)目比白紙測圖要多。

2.原圖數(shù)字化采集

不論從哪種比例尺的地形圖上采集DEM數(shù)據，最基本的問題都是對地形圖要素如等

高線進行數(shù)字化處理，如手扶跟蹤數(shù)字化或者半自動掃描數(shù)字化，然后再用某種數(shù)據建

模方法內插DEM。而關于地形圖要素的數(shù)字化處理特別是半自動掃描數(shù)字化技術已經很成

熟并已成為地圖數(shù)字化的主流。

①手扶跟蹤數(shù)字化

將地圖平放在數(shù)字化儀的臺面上，用一個帶十字絲的游標，手扶跟蹤等高線或其它

地物符號，按等時間間隔或等距離間隔的數(shù)據流模式記錄平面坐標，或由人工按鍵控制

平面坐標的記錄，高程則需由人工從鍵盤輸入。這種方法的優(yōu)點是所獲取的向量形式的

數(shù)據在計算機中比較容易處理；缺點是速度慢、人工勞動強度大。

②掃描數(shù)字化或稱屏幕數(shù)字化

利用平臺式掃描儀或滾筒式掃描儀將地圖掃描得到柵格形式的地圖數(shù)據，即一組陣

列式排列的灰度數(shù)據（數(shù)字影像）。將柵格數(shù)據轉換成矢量數(shù)據可以充分利用圖像處理的

先進技術進行曲線自動跟蹤和注記符號的自動識別等，因此效率很高。目前主要采用半

自動化跟蹤的方法，即先由計算機自動跟蹤和識別，當出現(xiàn)錯誤或計算機無法完成的時

候再進行人工干預，這樣既可減輕人工勞動強度，又能使處理軟件簡單易實現(xiàn)。國內已

有許多優(yōu)秀的半自動矢量軟件如GeoScan等。數(shù)字化后的等高線數(shù)據通過一定的處理如

粗差的剔除、高程點的內插、高程特征的生成等便可產生最終的DEM數(shù)據。

3.航片數(shù)據采集

涉及DEM數(shù)據采集的攝影測量采樣方法包括等高線法、規(guī)則格網點法、選擇采樣點、

漸進采樣法、剖面法、混合采樣法等，這些方法可以是人機交互的或自動化的。

①沿等高線采樣

在地形復雜及陡峭地區(qū)，可采用沿等高線跟蹤的方式進行數(shù)據采集，在平坦地區(qū)，

則不宜采用此方式。沿等高線采樣可按等距離間隔記錄數(shù)據或按等時間間隔記錄數(shù)據。

采用等時間間隔記錄數(shù)據時，由于等高線曲率大的地方跟蹤的速度較慢，因而采集的點

較密集，而在曲線較平直的地方跟蹤速度較快，采集的點較稀疏，故只要選擇恰當?shù)臅r

間間隔，所記錄的數(shù)據就能很好地描述地形，又不會有太多的數(shù)據冗余。

②規(guī)則格網采樣

確保采集的數(shù)據具有規(guī)則的格網形式。通過固定某一方向（如X方向），而在另一方

向（如Y方向）以等間隔移動測標，同時對每一點測量其高程值，便可獲得規(guī)則格網數(shù)據。

在這樣測量方法中，量測點在X或Y方向的移動由微處理器自動控制，不需要手工的操

作。這各方法非常適于自動或半自動的數(shù)據采集。

③剖面法

與規(guī)則格網法類似，它們之間的惟一區(qū)別是在格網中量測點在格網的兩個方向上都

是均勻采集，而在剖面法中，只是在一個方向即剖面方向上均勻采樣。在剖面法中，通

常情況下點以動態(tài)方式量測，而不像規(guī)則采樣中以靜態(tài)方式進行。因此從速度方面具有

較高的效率。但其精度將比以靜態(tài)方式量測的規(guī)則格網點的精度低。另外這種方法固有

的缺點是如果要保持較小而且重要的地形特征，那就必須保證采樣數(shù)據有較高的冗余度。

大多數(shù)情況下，剖面法并非主要為了采集DEM數(shù)據，而是正射影像的生產聯(lián)系到一起的，

從這一方面來說，DEM數(shù)據更像剖面法的副產品，而不是主要產品。

④漸進采樣

為了使采樣分布合理，即平坦地區(qū)樣點較少，地形復雜地區(qū)的樣點較多，采用漸近

采樣方法。此方法中，小區(qū)域的格網間距逐漸改變，而采樣也由粗到精地逐漸進行。優(yōu)

點：漸近采樣能解決規(guī)則格網采樣方法所固有的數(shù)據冗除。缺點：地表突變鄰近區(qū)域內

的采樣仍有較高的冗除度，有些相關特性在第一輪粗略采樣中有可能丟失，并且不能在

其后的任一輪采樣中恢復；跟蹤路徑太長，導致時間效率降低。

⑤選擇性采樣

為了準確反映地形，可根據地形特征進行選擇性的采樣，例如沿山脊線、山谷線、

斷裂線以及離散特征點進行采集。這種方法的突出優(yōu)點在于只需要少量的點便能使其所

代表的地面具有足夠的可信度。缺點：因為它需要受到專業(yè)訓練的觀測者對立體模型進

行大量的內插，故并非高效的采樣方法，實際上，沒有一種自動采樣程序是基于這種策

略的，因此這種方法并不常用。

⑥混合采樣

混合采樣是一種將選擇采樣與規(guī)則格網采樣相結合或者是選擇采樣與漸近采樣相結

合的采樣方法。這種方法在地形突變處以選擇采樣的方式進行，然后這些特征線和另外

一些特征點如山頂點、谷底點等，被加入規(guī)則格網數(shù)據中。實踐證明：使用混合采樣能

解決很多在規(guī)則格網采樣和漸近采樣中遇到的問題?；旌喜蓸涌山⒏郊拥匦翁卣鞯囊?guī)

則矩形格網DEM,也可建立沿特征附加三角網混合形式的DEM,但顯然其數(shù)據的存貯管理

與應用均較復雜。

⑦交互式采集

上述的①③⑤⑥等方法適用于利用解析測圖儀或機助測圖儀進行半自動的交互式數(shù)

據采集。特別是在數(shù)字攝影測量工作站中，混合采樣的方法既能達到較高的作業(yè)效率，

又可取得較好的數(shù)據質量。這種方法首先使用計算機自動生成粗格網DEM,然后在立體模

型上加測地形特征線，在此基礎上內插細格網DEMo

⑧自動采集

這也是數(shù)字攝影測量系統(tǒng)最主要的特征。自動采集方法按照像片上的規(guī)則格網利用

影像進行數(shù)據采集，若利用高程直接求解的影像匹配方法，也可按模型上的規(guī)則格網進

行數(shù)據采集。全數(shù)字化攝影測量系統(tǒng)在市場上已有成熟的產品。這種方法的優(yōu)點：許多

操作是自動化的，用戶不需要做太多的干預。缺點：在自動相關生成DEM時仍需要采集

地貌特征點線，才能保證DEM的高保真度。特別是在平坦地區(qū)、森林覆蓋地區(qū)和房屋密

集的城區(qū)，仍需要相當多的人工干預和編輯工作，否則，DEM的精度將難以保證。

4.關于DEM采集的幾點結論

1.對DEM的采集方法可以從性能、成本、時間、精度等方面進行評價。應當指出,

各種采集方法都有各自的優(yōu)點和缺點，因此選擇DEM采集的方法要從目的需求、精度要

求、設備條件、經費條件等方面考慮選擇合適的采集方法。

獲取方式DEM的精度速度成本更新程度應用范圍

地面測量非常高(cm)耗時很高很困難小范圍區(qū)域、特別的工程項目

大的工程項目、

攝影測量比較高(cm~m)比較快比較高周期性國家范圍內的數(shù)據收集

國家范圍乃至

立體遙感低很快低很容易全球范圍內的數(shù)據收集

GPS比較高(cm~m)很快比較高容易小范圍、特別的項目

手扶跟蹤數(shù)比較低(圖上精度比較耗

字化0.2~0.4mm)時低周期性國家范圍內以及軍事上的數(shù)據

地形圖比較低(圖上精度采集，中小比例尺地形圖的數(shù)

屏幕數(shù)字化0.1~0.3mm)非?？毂容^低據采集

激光掃描

干涉雷達非常高(cm)非常高很快容易高分辨率、各種范圍

2.攝影測量是DEM重要的數(shù)據源，采用解析測圖儀或經數(shù)字化改造的精密立體測圖

儀在使用攝影測量方法對DEM的采集中仍占有很重要的地位。由于交互式數(shù)字攝影測量

自動化程度較高，并可顧及地形特征，同時生成的DEM精度也較高，因此是進行數(shù)據庫

更新的最有效的方式之一。

3.現(xiàn)在地形圖是DEM的另一重要數(shù)據源，經過大量的實踐證明，從等高線地形圖生

產DEM的方法已經相當成熟，可以廣泛用于生產。

4.使用全球定位系統(tǒng)GPS、激光掃描、干涉雷達等新型技術進行DEM數(shù)據采集是很

有發(fā)展前景的采集方式，不應當忽視。

5.不論從何種數(shù)據源獲取DEM數(shù)據，在采集等高線或規(guī)則格網點的同時采集重要的

地形特征點線是保證DEM質量和提高作業(yè)效率的重要的措施。

6.利用基于不規(guī)則三角網TIN的方法進行數(shù)據建模和隨機柵格轉換，是快速可靠地

生產高精度格網DEM切實可行的方案。

二、數(shù)據處理

實際上，數(shù)字測圖的全過程都是在進行數(shù)據處理，但這里講的數(shù)據處理階段是指在數(shù)據采集以后

到圖形輸出之前對圖形數(shù)據的各種處理。數(shù)據處理主要包括數(shù)據傳輸、數(shù)據須處理、數(shù)據轉換、數(shù)據

計算、圖形生成、圖形編輯與整飾、圖形信息的管理與應用等。數(shù)據預處理包括坐標變換、各種數(shù)據

資料的匹配、圖比例尺的統(tǒng)一、不同結構數(shù)據的轉換等等。數(shù)據轉換內容很多，如將野外采集到的帶

簡碼的數(shù)據文件或無碼數(shù)據文件轉換為帶繪圖編碼的數(shù)據文件，供自動繪圖使用；將AutoCAD的圖形

數(shù)據文件轉換為GIS的交換文件。數(shù)據計算主要是針對地貌關系的。當數(shù)據輸入到計算機后，為建

立數(shù)字地面模型繪制等高線，需要進行插值模型建立、插值計算、等高線光滑處理三個過程的工作。

在計算過程中，需要給計算機輸入必要的數(shù)據，如插值等高距、光滑的擬會步距等。必要時需對插值

模型進行修改，其余的工作都由計算機自動完成。數(shù)據計算還包括對房屋類呈直角拐彎的地物進行誤

差調整，消除非直角化誤差等。

經過數(shù)據處理后，可產生平面圖形數(shù)據文件和數(shù)字地面模型文件。要想得到一幅規(guī)范的地形圖，

還要對數(shù)據處理后生成的“原始”圖形進行修改、編輯、整理；還需要加上漢字注記、高程注記，并

填充各種面狀地物符號：還要進行測區(qū)圖形拼接、圖形分幅和圖廓整飾等。數(shù)據處理還包括對圖形信

息的全息保存、管理、使用等。

數(shù)據處理是數(shù)字測圖的關，鍵階段。在數(shù)據處理時，既有對圖形數(shù)據進行交互處理，也有批處理。

數(shù)字測圖系統(tǒng)的優(yōu)劣取決于數(shù)據處理的功能。

三、成果輸出

經過數(shù)據處理以后，即可得到數(shù)字地圖，也就是形成一個圖形文件，由磁盤或磁帶作永久性保存。

也可以將數(shù)字地圖轉換成地理信息系統(tǒng)所需要的圖形格式，用于建立和更新GIS圖形數(shù)據庫。輸出

圖形是數(shù)字測圖的主要目的，通過對層的控制，可以編制和輸出各種專題地圖.（包括平面圖、地籍

圖、地形圖、管網圍、帶狀圖、規(guī)劃圖等等），以滿足不同用戶的需要?可采用矢量繪圖儀、柵格繪

圖儀、圖形顯示器、縮微系統(tǒng)等繪制或顯示地形圖圖形。為了使用方便，往往需要用繪圖儀或打印機

將圖形或數(shù)據資料輸出。在用繪圖儀輸出圖形時，還可按層來控制線劃的粗細或顏色，繪制美觀、實

用的圖形。如果以產生出版原圖為目的，可采用帶有光學繪圖頭或刻針（刀）的平臺矢量繪圖儀，它

們可以產生帶有線劃、符號、文字等高質量的地圖圖形。

1.7數(shù)字測圖作業(yè)模式

由于軟件設計者思路不同，使用的設備不同，數(shù)字測圖有不同的作業(yè)模式。歸納而言，可區(qū)分為

兩大作業(yè)模式，即數(shù)字測記模式（簡稱測記式）和電子平板測繪模式（簡稱電子平板）。數(shù)字測記模

式就是用全站儀（或普通測量儀器）在野外測量地形特征點的點位，用電子手簿（或PC卡）記錄測

點的幾何信息及其屬性信息，或配合草圖到室內將測量數(shù)據由電子手簿傳輸?shù)接嬎銠C，經人機交互編

輯成圖。測記式外業(yè)設備輕便，操作方便，野外作業(yè)時間短。由于是“盲式”作業(yè)，對于較復雜的地

形,通常要繪制草圖。電子平板測繪模式就是全站儀十便攜機十相應測圖軟件，實施外業(yè)測圖的模式。

這種模式將便攜機的屏幕模擬測板在野外直接測圖，可及時發(fā)現(xiàn)并糾正測量錯誤，外業(yè)工作完成，圖

也就出來了，實現(xiàn)了內外業(yè)一體化。

從實際作業(yè)來看，數(shù)字測圖的作業(yè)模式是多種多樣的。不同軟件支配不同的作業(yè)模式，一種軟件

可支配多種測圖模式。由于用戶的設備不同，要求不同，作業(yè)習慣不同，細分目前我國教宗潮圖作必

德式大致有如下幾種：

①全站儀十電子手簿測圖模式；

②普通經緯儀十電子手簿測圖模式；

③平板儀測圖十數(shù)字化儀數(shù)字化測圖模式；

④舊圖數(shù)字化成圖模式；

⑤測站電子平板測圖模式：

③鏡站遙控電子平板測圖模式；

⑤航測像片量測成圖模式。

各種作業(yè)模式的硬件連接方式和數(shù)據傳輸方式如圖所示

第一種作業(yè)模式是測記式，為絕大部分軟件所支持。該模式使用電子手簿自動記錄觀測數(shù)據，作

業(yè)自動化程度較高，可以較大地提高外業(yè)工作的效率。在采用這種作業(yè)模式時的主要問題是地物屬性

和連接關系的采集。由于全站儀的采用，測站和鏡站的距離可以拉得很遠，因而測站上就很難看到所

測點的屬性和與其它點的連接關系。屬性和連接關系輸入不正確，會給后期的圖形編輯工作帶來極大

的困難。解決的方法之一，是使用對講機加強測站與立鏡（尺）點之間的聯(lián)系，以保證測點編碼（簡

碼）輸入的正確性。也可以為采集系統(tǒng)配置一個袖珍繪圖儀（A3/A4）現(xiàn)場按坐標實時展點繪草

圖。解決的方法之二，將屬性和連接關系的采集移到鏡站用手工草圖來完成，測站電子手簿只記錄定

位數(shù)據（坐標），在內業(yè)編輯時用“引導文件”導人屬性和連接關系。這樣，既保證了數(shù)據的可靠性

又大幅度地提高了外業(yè)工作的效率，可以說是一種較理想的作業(yè)模式。

第二種作業(yè)模式適合暫時還沒有條件購買全站儀的用戶，它采用手工鍵人觀測數(shù)據到電子手簿,

其它與第一種作業(yè)模式相同。由于用手工鍵人數(shù)據，其數(shù)據可靠性和工作效率顯然都存在一定的問題。

然而，由于它對儀器設備的要求較低，也有一些單位仍在采用。

第三種作業(yè)模式也幾乎被所有的數(shù)字測圖軟件所支持。該模式的基本作法是先用平板測圖方法測

出白紙圖，可不清繪，然后在室內用數(shù)字化儀將白紙圖轉為數(shù)字地圖。就我國的基本國情和目前測繪

行業(yè)的現(xiàn)狀（設備條件、技術力量）而言，平板測圖仍然被大部分測繪單位所鐘愛，而某些工程項目

卻又需要數(shù)字地圖（例如用計算機作城市規(guī)劃等），這時可采用這種折衷方式的作業(yè)模式。然而，這

種作業(yè)模式所得到的數(shù)字地圖的精度較低，特別是數(shù)字地圖用于地籍管理等精度要求較高的工作時，

精度問題就突出了。對于測繪數(shù)字地籍圖，可以用第一種作業(yè)模式測量界址點，用平板儀測繪房屋、

道路等平面圖（不清繪），再用數(shù)字化儀將平面圖數(shù)字化裝繪到界址點展點圖（數(shù)字圖）上，即可得

到實用的數(shù)字地籍圖。

第四種作業(yè)模式是我國早期（80年代末、90年代初）的數(shù)字測圖的主要作業(yè)模式。由于大多

數(shù)城市都有精度較高、現(xiàn)勢性較好的地形圖，要制作多功能的數(shù)字地圖，這些地形圖是很好的數(shù)據源。

1987~1997年主要用手扶跟蹤數(shù)字化儀數(shù)字化舊圖。近年來隨著掃描矢量化軟件的成熟，掃

描儀逐漸取代數(shù)字化儀數(shù)字化舊圖。先用掃描儀掃描得到柳格圖形，再用掃描矢量化軟件將柵格圖形

轉換成矢量圖形。這一掃描矢量化作業(yè)模式，不僅速度快，勞動強度小，而且精度幾乎沒有損失。

第五種作業(yè)模式即電子平板，它的基本思想是用計算機屏幕來模擬圖板，用軟件中內置的功能來

模擬鉛筆、直線筆、曲線筆，完成曲線光滑?、符號繪制、線型生成等工作。具體作業(yè)時，將便攜機移

至野外，現(xiàn)測現(xiàn)畫，且也可不需要作業(yè)人員記憶輸入數(shù)據編碼。這種模式的突出優(yōu)點是現(xiàn)場完成絕大

部分工作，因而不易漏測，在測圖時觀念上也不需大的改變。這種作業(yè)模式對設備要求較高，起碼要

求每個作業(yè)小組配備一臺檔次較高的便攜機，但在作業(yè)環(huán)境較差（如有風沙）的情況下，便攜機容易

損壞。由于點位數(shù)據和連接關系都在測站采集，當測、鏡站距離較遠時，屬性和連接關系的錄入比較

困難。這種作業(yè)模式適合條件較好的測繪單位，用于房屋密集的城鎮(zhèn)地區(qū)的測圖工作。

第六種作業(yè)模式將現(xiàn)代化通訊手段與電子平板結合起來，從根本上改變了傳統(tǒng)的測圖作業(yè)概念。

該模式由持便攜式電腦的作業(yè)員在跑點現(xiàn)場指揮立鏡員跑點，并發(fā)出指令遙控驅動全站儀觀測（自動

跟蹤或人工照誰），觀測結果通過無線傳輸?shù)奖銛y機，并在屏幕上自動展點。作業(yè)員根據展點即測即

繪，現(xiàn)場成圖。由于由鏡站指揮測站，能夠“走到、看到、繪到”，不易漏測；能夠同步地“測、量、

繪、注”，以提高成圖質量。鏡站遙控電子平板作業(yè)模式可形成單人測圖系統(tǒng)，只要一名測繪員在鏡

站立對中桿，遙控測站上帶伺服馬達的全站儀瞄準鏡站反光鏡，并將測站上測得的三維坐標用無線電

傳輸入電子平板儀并展點和注記高程，繪圖員迅速實時地把展點的空間關系在電子平板儀上描述（表

示）出來。這種作業(yè)模式現(xiàn)已實現(xiàn)無編碼作業(yè)，測繪準確，效率高，代表未來的野外測圖發(fā)展方向。

但該測圖模式由于需數(shù)據傳輸?shù)耐ㄓ嵲O備，需高檔便攜機及帶伺服馬達的全站儀（非單人測圖時可用

一般的全站儀），設備較貴。

第七種作業(yè)模式的基本方法是：用解析測圖儀或經過改造的立體坐標量測儀量測像片點的坐標，

并將量測結果傳送到計算機，形成數(shù)字化測圖軟件能支持的數(shù)據文件。經驗證明，這種作業(yè)模式能極

大地減少外業(yè)工作量，對于平坦地區(qū)的數(shù)字化測圖顯然是一種可行的方法。然而，由于受航測方法本

身的局限和精度方面的限制，這種作業(yè)模式對于大比例尺成圖來說其應用范圍會受到一定的限制。該

作業(yè)模式會逐漸被全數(shù)字攝影測量所取代。

1.8數(shù)字測圖的發(fā)展與展望

數(shù)字測圖首先是由機助地圖制圖（亦稱自動化制圖、機助制圖）開始的。機助地圖制圖技術醞釀

于20世紀50年代。1950年第一臺能顯示簡單圖形的圖形顯示器作為美國麻省理工學院旋風1

號計算機的附件問世。1958年美國C。1mP公司將聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展為滾筒式繪圖機，

Greber公司把數(shù)控機床發(fā)展成平臺式繪圖儀。50年代末，數(shù)控繪圖儀首先在美國出現(xiàn)，于此

同時出現(xiàn)了第二、第三代電子計算機，從而促進了機助制圖的研究和發(fā)展，很快就形成了一種“從圖

上采集數(shù)據進行自動制圖”的系統(tǒng)。1964年第一次在數(shù)控繪圖儀上繪出了地圖。1965-19

70年第一批計算機地圖制圖系統(tǒng)開始運行，用模擬手工制圖的方法繪制了一些地圖產品。1970

一1980年，在新技術條件下，對機助制圖的理論和應用問題，如地圖圖形的數(shù)字表示和數(shù)學描述、

地圖資料的數(shù)字化和數(shù)據處理方法、地圖數(shù)據庫、制圖綜合和圖形輸出等方面的問題進行了深入的研

究，許多國家建立了硬軟件結合的交互式計算機地圖制圖系統(tǒng)，進一步推動了地理信息的發(fā)展。80

年代進入推廣應用階段，各種類型的地圖數(shù)據庫和地理信息系統(tǒng)相繼建立起來，計算機地圖制圖，尤

其是機助專題地圖制圖得到了極大的發(fā)展和廣泛的應用。70年代末和80年代初自動制圖主要包括

數(shù)字化儀、掃描儀、計算機及顯示系統(tǒng)四個部分，數(shù)字化儀數(shù)字化成圖成為主要的自動成圖方法。

20世紀5。年代末，航空攝影測量都是使用立體測圖儀及機械連動坐標繪圖儀，采用模擬法測

圖原理，利用航測像對測繪出線劃地形圖。到60年代就有了解析測圖儀，它是由精密立體坐標儀、

電子計算機和數(shù)控繪圖儀3個主要部分組成，將模擬測圖創(chuàng)新為解析測圖，其成果依然是圖解地形圖。

威特（Wi1d）公司生成的BCZ、BC3,歐波同（OPton）公司的PZ、P3等都是后來

生產的先進的解析測圖儀，我國也研制和生產了解析測圖儀。后來在解析測圖儀直接量測并自動解算

測圖點坐標的基礎上，再鍵人相關信息，經過人機交互的編輯工作，由計算機處理，便可生成數(shù)字地

形圖。SD年代初，為了滿足數(shù)字測

圖的需要，我國在生產、使用解析測圖儀的同時，對原有模擬立體測圖儀和立體坐標量測儀，逐

漸地改裝成數(shù)字測圖儀。將量測的模擬信息經編碼器轉換為數(shù)字信息，由計算機接受并處理，最終輸

出數(shù)字地形圖。80年代末、90年代初，又出現(xiàn)了全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)。我國武漢測繪科技大學張

祖勛教授主持研制出了具有世界先進水平的全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)。全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)大致作業(yè)過程:

將影像掃描數(shù)字化，利用立體觀測系統(tǒng)觀測立體模型（計算機視覺），利用系統(tǒng)提供的一系列進行量

測的軟件一一掃描數(shù)據處理、測量數(shù)據管理、數(shù)字走向、立體顯示、地物采集、自動提?。ɑ蚪换ゲ?/p>

集）DTM（數(shù)字地面模型）、自動生成正射影像等軟件（其中利用了影像相關技術、核線影像匹配

技術）使量測過程自動化。全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)在我國迅速推廣和普及，目前已基本上取代了解析攝

影測量。

大比例尺地面數(shù)字測圖，是20世紀70年代在輕小型、自動化、多功能的電子速測儀問世后，

在機助地圖制圖系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的。80年代全站型電子速測儀（電子速測儀十電子記錄器，

簡稱全站儀）的迅猛發(fā)展，加速了數(shù)字測圖的研究與應用。我國從8。年代初開始開展大比例尺數(shù)字

測圖的研究與實踐，有的偏重于城市大比例尺平面圖的自動測繪；有的則著眼于城市及其郊區(qū)大比例

尺地形圖的自動測繪；有的側重于數(shù)據采集的編碼研究；有的側重于自動化儀器的開發(fā)?，F(xiàn)已開發(fā)出

數(shù)十套從數(shù)據采集到圖形編輯功能較完善的數(shù)字化測圖系統(tǒng)。有人預測：在我國平板儀測圖的時代將

要結束，數(shù)字化測圖設計思想和作業(yè)方法，研制出一套既能適合各種地形地物，又簡單易學，易于被

用戶接受的數(shù)字化測圖系統(tǒng)。這期間又有人提出了一些新的數(shù)字化測圖方法，如野外數(shù)字裝圖法、“電

子平板”法、測算法、多種編碼方案采集法等。開發(fā)的比較受用戶歡迎的數(shù)字化測圖系統(tǒng)主要有：南

方測繪儀器公司的“cASS南方內外業(yè)一體化成圖系統(tǒng)”、武漢瑞得公司的“RDMS數(shù)字測圖系

統(tǒng)”、清華山維公司的“EPSW電子平板測圖系統(tǒng)”等。“八五”期間我國建立了四川、陜西、黑龍

江、北京、上海、廣東、湖北等七個數(shù)字化測繪生產示范基地。其間在我國南方、沿海以及內陸部分

經濟發(fā)達地區(qū)，已較普遍應用數(shù)字化測圖手段測繪地形圖、地籍圖。從1997年后為數(shù)字測圖技術

全面成熟階段。數(shù)字測圖系統(tǒng)已跳出“測圖”框框，向測圖與設計一體化、自動化和數(shù)據采集與數(shù)據

管理一體化、自動化發(fā)展，使數(shù)字測圖系統(tǒng)將取代白紙測圖。

我國開發(fā)大比例尺數(shù)字化測圖系統(tǒng)研究和實驗，主要經歷了四個階段。8