基于MapGIS的地理信息柵格圖像數據矢量化處理方法

摘 要：本文研究了基于MapGIS平臺的地理信息柵格圖像數據矢量化處理方法。首先，對柵格圖像數據進行預處理，包括去噪、二值化和圖像增強等操作，以提高圖像質量和降低矢量化難度。其次，采用自動矢量化與手動矢量化相結合的方式，利用MapGIS軟件中的矢量化工具，提取預處理后柵格圖像的矢量數據。在矢量化過程中，結合地理信息系統（Geographic Information System，GIS）知識對矢量數據的拓撲關系、屬性信息和空間關系進行校正和優化。最后，利用實例驗證了本文方法的可行性和有效性。結果表明，基于MapGIS的地理信息柵格圖像數據矢量化處理方法能夠高效、準確地將柵格圖像轉換至矢量數據，為地理信息數據的處理和應用提供支持。

關鍵詞：MapGIS；地理信息；柵格圖像；矢量化處理

中圖分類號：TN 911" " " " 文獻標志碼：A

MapGIS是國內應用廣泛的地理信息系統軟件，其空間數據處理能力強大，用戶界面體驗友好，因此成為地理信息領域的重要工具。地理信息柵格圖像數據矢量化處理方法主要包括深度學習的矢量化技術，該方法雖然矢量化精度高，但是效率低、耗時長，對操作人員的專業知識和技能要求較高。本文提出基于遙感圖像處理平臺（The Environment for Visualizing Images，ENVI）和ArcGIS的矢量化與拓撲分析方法。雖然該方法處理速度快，但是通常根據經驗選擇閾值，不能適應復雜多變的圖像特征。因此，研究基于MapGIS的地理信息柵格圖像數據矢量化處理方法，其目的是使柵格圖像數據矢量化，為地理信息系統提供更加豐富的空間數據支持。

1 項目概況

傳統的土地證和房產證的附圖處理方式是物理粘貼，沒有在系統中保存電子版本。2003年，深圳市引入新版房產證（單頁A4格式），為了提升登記和發證效率，決定取消舊版證書中的人工粘貼附圖方式[1]。受限于當時的信息技術水平，產權登記系統也未能同步制作和存儲相關的附圖數據。

由于國家對附圖有嚴格的標準，因此為高效、準確地打印附圖，本文計劃進行1個專項項目。該項目的核心目標是針對全市已完成初始登記，但是尚未制作不動產權證書附圖的登記單元進行全面梳理。基于現有的登記檔案掃描并應用矢量化技術，將相關圖片轉化為電子格式，完成不動產證書附圖的制作工作。最終，這些成果數據會統一上傳至登記系統，以保證數據的完整性和可訪問性。

本項目工作范圍為深圳市已辦理初始登記、未完成不動產權證書附圖制作的登記單元，包括紙質檔案和電子掃描件等多種形式。

在不動產登記工作中，基于測繪報告的紙質檔案系統地收集相關的房產測繪成果數據。這些成果數據主要包括《房屋建筑面積測繪報告》和《建設工程竣工測量報告》的紙質檔案。為了有效管理和利用這些資料，根據招標清單的具體要求對清單內宗地的首次登記檔案進行細致整理。

對能夠采用掃描矢量化技術制作附圖的檔案按照登記單元進行分類，并使用專業設備將這些紙質檔案掃描成電子版。這個步驟不僅保證數據的數字化存儲，還為后續的數據處理和分析提供了便利。

2 柵格圖像數據預處理

在項目啟動的初期階段，從不動產登記中心全面收集與項目有統計學意義的核心資料。這些資料包括房產測繪的詳細材料、原始紙質圖件、已有的掃描文檔、CAD格式的圖紙文件以及地籍宗地的數據等。對這些資料進行系統性解讀和深入分析，制定一套高效且有針對性的數據整理策略。針對紙質版的房產測繪圖件實施一項重要的數字化轉換工作。這個過程需要投入大量人力。由專業的技術人員仔細檢查每一份紙質圖件，保證在數字化過程中不遺漏任何關鍵信息，并且采用特殊的修復技術使一些年代久遠、破損較為嚴重的圖件盡可能恢復到原始狀態，以更好地進行數字化轉換[2]。經過精心整理后，利用先進的掃描設備將這些圖件轉化為高清的電子圖件。同時，為了保證數據的統一性和可追溯性，對所有電子圖件進行統一命名和編號，并進行標準化的存儲管理。使用高清掃描設備并指派專業人員前往檔案中心對尚未數字化的原始紙質版房產測繪資料進行實地掃描和收集工作。完成這個流程后出具詳盡的掃描清單，準確地記錄和整理每份資料。

柵格圖像數據在獲取過程中可能會受到各種因素的影響，例如傳感器噪聲、大氣干擾和傳輸錯誤等，導致圖像中有噪聲。這些噪聲會降低圖像質量，影響后續分析和應用。針對獲取的柵格圖像數據進行預處理，對數據進行去噪。在去噪過程中，可以采用多種方法相結合的方式。首先，采用濾波算法對圖像進行初步去噪，去除大部分明顯的噪聲點。其次，采用圖像增強技術提高圖像的對比度和清晰度，進一步降低噪聲的影響。最后，對去噪后的圖像進行質量評估，保證其滿足后續分析和應用的要求。如果發現去噪效果不理想，那么需要及時調整去噪方法和參數，以達到最佳的去噪效果。采用均值濾波方法，其計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：y（n）為處理后的柵格圖像數據值；k為濾波器的大小；x（n+i）為第n+i個原始柵格圖像數據。對柵格圖像數據進行二值化處理，如公式（2）所示。

（2）

式中：B（a，b）為二值化后柵格圖像的像素值；a為原始像素的灰度值；b為圖像行數；δ為判斷像素是否為白色的閾值。對柵格圖像進行增強處理，引入增強算法，如公式（3）所示。

S=clog（r+1） " " "（3）

式中：S為增強后的柵格圖像像素值；c為1個常數，其作用是控制增強的程度；r為原始像素值。

在進行數字矢量化前，為保證數據的兼容性和處理效率，電子圖件和掃描件須先轉換為統一的格式。這個轉換過程通常利用專業的軟件平臺，例如FME、MapGIS和ArcGIS等，其能夠將數據轉換為適用于自動或交互式矢量化的中間格式。該過程不僅簡化了后續矢量化的步驟，還有助于對數據進行標準化存儲和便捷核驗，保證數據的準確性和一致性。

3 基于MapGIS的矢量數據提取

利用MapGIS軟件對柵格圖像進行預處理，將自動矢量化與手動矢量化相結合，應用MapGIS對矢量數據進行提取。MapGIS軟件平臺支持多種空間索引形式，例如格網索引、R樹索引以及多重四叉樹索引，還引入多級索引的創新技術。這個技術的應用提升了超大數據量GIS系統在檢索、分析和顯示方面的效率，并充分利用計算機硬件資源的并行處理能力，進一步優化了系統性能[3]。MapGIS在整合多源異構數據集的過程中展現了出色的能力，例如在ArcGIS和AutoCAD數據的管理方面。Oracle 可移植性、可伸縮性、可靠性和易用性高，功能強大，適用于各種規模的計算環境 [4]，因此成為處理高吞吐量數據的有效工具。綜合考慮實際需求和技術現狀，結合MapGIS空間數據引擎的卓越功能和Oracle數據庫系統的應用于文件服務器的強大性能，可以為掃描檔案矢量化數據處理系統的空間數據管理提供全面、高效的解決方案。在柵格數據自動矢量化處理的流程中，保證交點要素的正確生成對矢量化數據的質量至關重要。這些交點通常是在公共點相交的3個或者更多柵格線性元素，例如共享地塊邊界的拐角處。針對這些交點提出以下3種解決方案：幾何交點法、中值交點法以及無交點法。

幾何交點法的作用是準確捕捉角和直線的交點，其特別適用于工程繪圖和街道地圖等需要精確描繪直線和角的應用場景。中值更側重處理非直線角。無交點法則適用于柵格數據中沒有實際交叉點的場景，例如等高線地圖，這些地圖中的線條通常是連續且不相交的。3種交點解決方案在實際應用中的示例如圖1所示。

在實際操作中，由于原始數據可能無法滿足既定的精度標準，因此需要引入人工干預并采用交互式矢量化技術。當需要完全掌控矢量化流程或者僅對柵格圖像中的特定區域進行矢量化時，采用交互式矢量化處理。完成手動創建或補充圖像要素后，結合自動矢量化技術來生成最終的矢量數據。采用GIS平臺MapGIS引擎進行圖形展現以及功能支撐。

4 矢量數據拓撲關系和空間關系校正優化

掃描矢量化技術具備處理GIS兼容的任何二值圖像形式的柵格數據格式的能力。該技術基于識別和應用2種特定顏色來區分和符號化柵格圖層。在地圖應用中，用戶可以利用“唯一值”或“分類”等渲染技術將柵格數據清晰地劃分為2種顏色類別，便于矢量化操作。通常來說，大多數掃描文檔利用深色（例如黑色）來作為主要信息或前景內容，利用淺色（例如白色）來標識背景。這2種顏色的選擇并非一成不變，可以根據具體需求調換為其他顏色值。只要圖像中的這2種顏色具有明確的區分度，掃描矢量化技術就能高效地將前景柵格像元轉化為矢量數據。這個矢量化過程的基本流程如圖2所示。

矢量數據生成后，受坐標系差異、位置誤差等多種因素的影響，其空間位置可能會產生偏差。為保證后續數據融合與建庫過程的質量，需要利用GIS平臺對矢量數據進行精確的空間校正。這個過程的作用是修正矢量數據中的位置偏離、圖件變形和誤差，以保證數據的準確性和可靠性[5]。在矢量化流程中，矢量誤差的出現是難以避免的。為保證數據的真實性和準確性，需要針對這些誤差采取相應的措施。一個有效的方法是結合宗地的登記年代充分利用歷史地形圖數據。深入挖掘和分析這些歷史數據，能夠更準確地還原宗地的地形特征，優化矢量化過程，提高矢量化效率。經過上述步驟處理并優化精度后，矢量數據將規范地存儲并整合成制圖數據庫。該數據庫按照制圖數據庫結構將矢量化后的各類要素圖層標準化，以保證高效批量制圖操作。為了使數據具有關聯性和一致性，將制圖數據庫中與房產登記有統計學意義的圖層要素與登記業務數據進行精確匹配和關聯。數據庫要素層內容統計見表1。

在測繪工作中，當大比例尺圖縮略至小比例尺圖時，根據成圖后的目的和繪制地區的特性，采用一種概括、抽象的形式表現繪制目標類型特征和典型特征的規律，舍棄圖中次要、不重要的要素，例如形狀、數量和種類等。

根據不同的比例尺，宗地圖和房產分戶圖都需要經過綜合制圖處理，在綜合制圖的過程中，可以對圖件元素進行節點編輯、線條編輯和面狀要素編輯等操作，保證圖件表現形式的完整與美感。在綜合制圖的過程中，圖層要素的管理更規范，滿足使用這類數據進行批量出圖的需求[6]。

5 實例應用效果分析

獲取柵格圖像數據后，對其進行預處理。首先，利用公式（1）均值濾波算法進行去噪處理，其次，利用公式（2）對柵格圖像進行二值化處理，最后，引入公式（3）增強算法，對柵格圖像進行增強處理，保證數據的準確性和一致性。對柵格圖像進行預處理后，將自動矢量化與手動矢量化相結合，利用MapGIS提取矢量數據。矢量數據生成后，利用GIS平臺對矢量數據進行精確的空間校正。采用上述方式對該項目柵格圖像數據進行矢量化處理。柵格圖像數據的矢量化處理橫向進度如圖3所示。

由圖3可知，對柵格圖像數據進行矢量化處理可以按照預期進度完成，為進一步驗證數據矢量化處理的準確性，將幾何精度作為評價指標，比較原始數據和矢量數據，進行幾何精度評估，記錄見表2。

由表2可知，采用上述處理方法得到的矢量化結果幾何精度高，因此，上述實例驗證了該方法的有效性，在實際應用中可以有效提高柵格圖像數據處理的效率和準確性。

6 結語

本文探討了基于MapGIS的地理信息柵格圖像數據矢量化處理方法，總結現有方法的不足，提出結合MapGIS軟件功能和圖像處理技術的矢量化處理方案。該方法不僅能夠提高矢量化的效率和精度，還能夠適應不同復雜度的圖像特征，具有較強的魯棒性和實用性。未來將繼續深入研究基于MapGIS的地理信息柵格圖像數據矢量化處理方法，不斷優化算法，提高處理效率和質量，為地理信息系統的發展和應用提供更加堅實的技術支撐。期待與業界同行共同推動地理信息領域的技術進步和應用創新。

參考文獻

[1]王風帆，孔敏，余佳，等.海洋底質類型圖矢量化智能制作技術研究[J].海洋信息技術與應用，2023，38（4）： 212-217.

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[3]李強，石德強，徐璇，等.MapGIS，Section與Surfer軟件在處理氡等值線圖中的應用[J].地理空間信息， 2022（2）：20.

[4]趙衛東.MapGIS影像鑲嵌融合控制點獲取的一種有效方法[J].科學技術創新，2023（26）：39-42.

[5]劉繼梅，張文佳.MAPGis與ArcGis在多源影像圖處理中的應用[J].河南科技，2023，42（22）：13-17.

[6]李犁，周朝陽.基于MapGIS的1︰1萬土地利用數據庫建設與管理[J].信息記錄材料，2022，23（2）：160-163.