森林空间图像的矢量化

【摘 要】地理信息系统(GIS)与遥感系统(RS)和全球定位系统(GPS)密不可分，它们合在一起称为“3S”，构成数字地球。RS是森林地理图像的主要信息源、GPS是森林地理图像的定位手段，而GIS是数字地球的核心。本文对森林空间图像的矢量化进行简要的分析与探讨。

【关键词】森林；空间；图像；矢量化

地理信息系统(Geographical Information System，简称GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的软件系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。它是20世纪60年代开始发展起来的图形(图像)技术，被广泛应用于资源调查、环境监测、森林保健(FHM)监测、规划设计等多学科的交叉领域。

1．工程与图层的概念

图层(theme)是GIS空间数据的实体文件，是空间数据(图形与属形)的载体。从图形管理的角度(包括图形的检索，专业图的组装、加载)，根据林学的特征，将具有相同特征的图元放置在一起形成的图称为图层。在ArcGIS中，图层有shp文件、利用lyt文件和coverage文件。

图层分为栅格图层和矢量图层。栅格数据结构则只有一个图层(背景图层)。不同图层在内存中是物理分开的，每个图层都独立保存为一个图层文件。在ArcGIS中，图层严格区分为三种类型：点图层、线图层、面图层。一般只能在一个图层工作(输图、编辑、属性库)，工作前必须激活它，工作后必须关闭它(存盘)。图元是最小图单元，分为点图元、线图元、面图元。点图元包括点、符号点；圆、矩形、弧等类型线是各种类型的线图元，包括有一定宽度的公路、铁路；只有弧段和构成的多边形是面图元。

项目(或工程)是图层文件组成的集合(文件夹)，它包含了各图层的名称、图层属性及图层状态，保存了制图环境的各种信息，如符号库、颜色库等，有助于一项完整的制图的管理外壳的形成。图中的汉字直接附属于工程文件。

在ArcGIS中，有一系列的图层管理功能：图层的新建、删除、追加，修改图层属性等。

2．森林线状图元的矢量化

在森林背景图像的支持下，线状图元(含点图元)是森林地图的主要图元，它应分别层(按管理的需要)于进行矢量化。所谓的矢量化就是栅格图像向矢量图形的转换。这种转换是有条件的，它依赖于栅格图像的质量、特征分布和清晰度。一般彩色栅格图像不比黑白图像具有更大的优势，因为现行的矢量化软件将彩色栅格图像转换成黑白图像来处理。在R2V中矢量化有三种方式：

(1)全自动矢量化：如果你的图像上仅有单一类型的线条，如地形等高线图，可以用Vector／AutoVectorize命令直接对其矢量化，但是得到的是分段的矢量化图形。

(2)手动矢量化：如果栅格图像的质量不好，只能直接在背景图像的支持下进行矢量化。

(3)交互式矢量化跟踪：如果栅格图像的质量中等，时好时坏，可用切换自动和手动方式交互跟踪进行有选择的矢量化。

在森林地图中，每条等高线在矢量化都应手工追加高程属性。

3．小班多边形图元矢量化和它的拓扑关系的形成

3.1多边形的概念

多边形又称面图元。面图元是由一个依次首尾相接，各面图元间不相重复的弧段构成的一个个非封闭的多边形，表示覆盖一定区域的图斑区。小班多边形表示一定的地类和林分的特征。森林地图是一类十分重要的图元。

3.2拓扑的概念

拓扑就是对象之间的空间关系。建立对象之间的空间关系是进行空间分析和网络分析的前提和基础。拓扑结构是存储地理要素的最高级概括。通过存储某÷要素相对于其他要素的位置信息，拓扑结构提供了许多地理分析的基础。

拓扑亦即位相关系，是指将点、线及区域等图元的空间关系加以结构化的一种数学方法，主要包括区域的定义、区域的相邻性及弧段的接序性。区域由构成其轮廓的弧段所组成，所有的弧段都加以编码，再将区域看做由弧段代码组成的；区域的相邻性是指区域与区域间是否相邻，可由它们是否具有共同的边界弧段决定；弧段的接序性是指对于具有方向性的弧段，可定义它们的起始结点和终止结点，以便在网络图层中查导路径或回路。拓扑性质是变形后保持不变的属性。

作为GIS数据的采集，在数据入库前构建拓扑关系和进行拓扑检查，也是数据质量控制的一种手段。构建拓扑关系可以帮助确定矢量化数据中存在的如下错误：①多边形没有封闭；②多边形无标识点或内部有多个点；③标识点不正确。

构建拓扑关系之所以可以标识这些错误是因为在弧段预处理和构造拓扑关系之后生成了弧的交点，定义了构成多边形的弧，将标识点关联到了相应的多边形。

空间数据的拓扑关系包括拓扑的关联性、拓扑的邻接性和拓扑的包含性。

拓扑关系的表达有拓扑的全显式表达和拓扑的半隐式表达。

小班图元即是多边形图元，它由一系列依次首尾相连的弧段组成，表示一定的地类和林分的特征。森林地图是一类十分重要的图元。

3.3多边形图元矢量化的方式

多边形图元的矢量化有两种方式：(1)以多边形为核心的输入法，如Arcview。该法输入苛刻，工作量大，但多边形的拓扑关系同时生成。(2)以连续线段为核心的输入法。输入独立的小班线，则小班多边形图元由小班线和林班界、河流线等共同组成。该法工作量小，是一种常用的方法。

3.4多边形的拓扑关系自动生成

对于以连续线段为核心输入的小班多边形实际上是由一段段的线段构成的线图元的集合。在矢量化的过程中，不可避免会出现过交、未到位以及悬挂线的现象，所以要进行节点的预封闭拟合。当然，节点拟合要有合理误差。

尽管如此并未形成一个小班是一个单独的封闭多段边线的集合。在ArcCIS中利用它的BUILD或CLEAN命令，生成一个个小班封闭的小班图元。这是该小班图层的元素发生根本性的变化，由原来的线图元转换为面图元，此时它的结构同以多边形为核心输入的小班面图元。此时多边形的拓扑关系自动生成。

多边形生成的实质是根据分割好的各线(弧)段，从一个线(弧)段出发，顺时针或逆时针前进，寻找该线(弧)段的后续线(弧)段的过程。这样不断前进搜索，直到回到起始线(弧)为止。

结 语

地理信息系统GIS与Autocad有两个重要的区别，就是GIS的具有图形与属性一体化和空间分析功能。虽然GIS与Autocad都具有数字制图的功能，但GIS已具有数字地球的理念，它的图形(图像)坐标系是按全球建立的。