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摘 要

本文研究了彩色地形图中等高线提取的一般性步骤。等高线提取一般性步骤包括：扫描、过滤与阈值分割、细化裁剪和去噪、栅格到矢量转换。扫描是由扫描仪完成，得到纸质地形图的彩色栅格图；过滤与阈值分割是基于HSI颜色空间，初步提取出二值等高线；细化裁剪和去噪借助了数字图像处理中的形态学方法，对二值等高线进行细化、去噪、裁剪；栅格到矢量转换包括断点重连、栅格图自动矢量化、矢量数据压缩、写入shapefile文件。断点重连将断开的悬挂点进行匹配连接；自动矢量化将栅格等高线转换为矢量坐标串；矢量数据压缩则采用道格拉斯·普克经典算法压缩矢量数据；最后借助第三方程序库将矢量数据写入shapefile文件。断点重连是整个等高线提取的难点之一，本文将断点重连单独成章，并提出了基于距离和方向的一种改进算法。

整个等高线自动提取过程涉及到的理论和算法非常多，每一环节都可单独进行研究，本文重点在于等高线提取过程的框架，以及涉及的理论、算法，并进行实现，因此本文并不对每一环节进行深入研究。

关键词：等高线提取、颜色空间、数学形态学、断点重连、自动矢量化、数据压缩

Automatic extraction of contour lines from topographic maps

Abstract

In this paper, the general steps of contour extraction in color topographic maps are studied. Contour extraction general steps includes scanning, filtering and threshold segmentation, thinning, denoising, raster to vector conversion. Color raster map is gained by the scanner scanning the papery topographic map; filtering and threshold segmentation is based on HSI color space, and binary contours are extracted based on it; thinning cutting and denoising with morphological method in digital image processing, the binary contour refinement, cutting; raster to vector conversion, including breakpoint reconnection, grid map automatic vector, vector data compression, writing vector data to shapefile. The breakpoint will reconnect by matching connection; auto raster to vector will convert vector to raster contour into vector coordinates; vector data is compressed using the Douglas Burke algorithm; finally, the vector data is written to the shapefile file with the third party library. Breakpoint reconnection is one of the difficulties in the extraction of contour lines. In this paper, a new algorithm based on distance and direction is proposed.

The automatic extraction of contour line in color theory and algorithm process involves much, each aspect can be studied individually. This paper emphasized framework of contour extraction process, and relates to the theory, algorithm and implementation. So this article does not make a deep research on each aspect.

Key words: contour line extraction, color space, mathematical morphology, breakpoint reconnection, raster to vector conversion, vector data compression

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 地形图等高线 1

1.3 研究领域 1

1.4 相关工作 2

1.5 论文组织 2

第二章 基于HSI颜色空间的过滤与阈值分割 3

2.1 难点 3

2.1.1 地图及等高线固有特征 3

2.1.2 地形图扫描的颜色误差 3

2.2 颜色空间 4

2.2.1 颜色空间类型 4

2.2.2 颜色空间选择与转换 6

2.3 等高线提取算法 6

2.4 实验分析 6

2.5 颜色分割提取等高线总结 9

第三章 等高线后处理 10

3.1 数学形态学 10

3.1.1 二值腐蚀和膨胀 10

3.1.2 二值开运算和闭运算 12

3.1.3 击中与不击中变换 13

3.1.4 数学形态学总结 15

3.2 等高线细化 16

3.2.1 基本概念 16

3.2.2 经典细化算法 16

3.2.3 噪声去除 17

3.2.4 剪枝 17

3.3 实验分析 18

3.4 总结 20

第四章 断点重连 21

4.1 断点处理算法 21

4.1.1 最小点对法 22

4.1.2 基于数学形态学细化法 22

4.1.3 基于先验知识的方法 22

4.1.4 基于拓扑的连接方法 23

4.1.5 基于距离与方向的改进算法 23

4.2 实验分析 24

4.3 断点重连总结 25

第五章 栅格到矢量转换 26

5.1 曲线自动跟踪算法 26

5.2 道格拉斯数据压缩算法 27

5.3 矢量数据写入shapefile 28

1）shapefile文件 28

2）IO设计 28

5.4 实验设计 28

1）曲线自动跟踪 28

2）道格拉斯数据压缩 30

3）写入shapefile文件 31

5.5 栅格到矢量转化总结 32

第六章 总结与展望 33

1. 研究工作总结 33

2. 研究展望 33

1）等高线分割 33

2）断点连接 33

3）原型系统的完善 33

参考文献 35

致谢 36

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

地理信息系统（Geographic Information System, GIS）是一种集成信息获取、存储、管理、分析的系统，主要由地理信息、用户、硬件、软件四个要素构成。GIS的核心是空间分析，空间分析是基于地理信息数据进行，地理信息数据的采集是建立GIS系统的基础。实践表明，在GIS系统的建立中，地理信息数据的获取所投入的工作量和资金占很大比重，逐渐成为制约GIS高速发展的一个瓶颈。

地理信息数据主要分为空间数据和属性数据，空间数据包括地图数字化、遥感、GPS等途径采集的数据，其中，地图数字化是最基本的数据采集方法。地图数字化本质上是地理位置坐标化的过程，大部分是先将纸质地图扫描成栅格地图，经过配准后，利用ArcGIS、MapGIS、Mapinfo 等GIS软件人工进行数字化。地形图等纸质地图的数字化过程非常耗时，需要投入较高的人力成本。若能找到有效的方法提高数字化的速度，将对GIS的发展有很大的促进作用，这也是本文选题确定这个方向的原因。

1.2 地形图等高线

地形图是地貌的一种表达方式，传统的地图一般是打印在纸张上。一张纸质图进行扫描后，扫描得到的文件又名数字栅格图。地形图最明显的特征是地貌表面的形状是用等高线表达的。等高线是一组假想的线条，这些线条将绝对高程值相等的地方联合起来。用等高线可以测量山峰的高度、海洋的深度以及斜坡的坡度等。但一张传统地形图包含的远远不止等高线这部分，还包含了代表不同地图要素的符号，比如街道、建筑、河流和森林等。这些符号其中一部分覆盖了等高线，加大了自动识别提取等高线的难度。实际上，对扫描的地形图进行过滤处理后，保留的只有一些点的集合，这些点的集合就是等高线的一个采样。

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