计算机地图制图和地图数字化的原理及硬件设备

计算机地图制图又称为地图制图自动化或机助地图制图。 这是一门迅速发展的应用技术学科。它是研究根据地图制图原理和编辑制作要求， 利用计算机及相关的输入/输出设备为制图工具， 通过运用数据库技术和图形数字处理方法， 实现与地图相关信息的获取、变换处理和显示， 最终以自动或人机交互的方式出图。随着现代科学技术的发展， 其应用范围在不段扩大。

这一技术从诞生、发展到逐步推广应用， 经历了理论探讨、设备研制和软件开发等阶段。它酝酿于本世纪50年代初期, 1964年第一次在数控绘图机上绘制出地图图形。70年代借助于计算机硬、软件的飞速发展，自动扫描机的初步研制成功和交互系统的试验，各种制图算法和应用程序的调试，与计算机地图制图相关的硬件或软件都初步实现了商品化。80年代逐步进入推广应用阶段，此时许多数据库和地理信息系统的建立， 为机助制图技术提供和积累了大量的数据，扩大了计算机地图制图应用范围。

我国计算机地图制图的研究工作始于60年代末，经过近三十年的试验和研究， 已经取得明显的进展。如研制出国产的数字化板、扫描机、绘图机及相关软件系统，这一技术已成功应用于一些项目中。但由于计算机地图制图中尚有一些理论和技术问题有待研究和解决，有些问题的解决需借助于相关领域技术的研究成果，如人工智能技术，模式识别等技术。针对不同的应用需求、数据状况和软、硬件环境， 在处理技术和方法上亦有差异。

计算机地图制图的硬设备有：计算机硬件设备、地图数字化输入设备、地图输出设备

一、计算机硬件设备
计算机是数字制图的核心设备，一般由中央处理机（CPU）、内存储器、外存储器和输入、输出设备等五部分组成。中央处理机包括运算器和控制器。运算器是数据处理部件，其主要职能是实现算术运算、逻辑运算以及信息的传递；控制器是发布输入输出命令的构件，是计算机系统的指挥中心。内存储器是用于完成记忆、存储程序和数据的设备。内存储器直接和运算器配合工作，中央处理机在执行程序时能随时访问这些数据和指令。因此，内存储器也称随机存储器。外存储器亦称辅助存储器，其特点是存储量很大。磁带、磁盘、光盘、活动硬盘是最常见的外存储器。

计算机本身所带的输入输出设备负责数据的传递和转化，是人机联系的必要工具。

二、地图数字化输入设备
地图数字化输入设备主要包括键盘、鼠标、磁盘（软盘、光盘、活动硬盘等）、数字化仪等。

键盘用于数字、文字的输入。鼠标用于人机交互操作及屏幕数字化时图形数据处理。磁盘、光盘和活动硬盘用于存贮输入已有的地图数据，或接收从其它设备或仪器接收的数据，如接收GPS测量数据以及全站仪测量数据等。数字化仪是一种将地图图形转化成数据的工具，是最主要的数据输入设备，也称图数转换仪。数字化仪有跟踪数字化仪和扫描数字化仪。

1.跟踪数字化仪
跟踪数字化仪是以跟踪单要素线划的原理进行图数转换，能把地图图形全部转换为以矢量方式表示的数据。根据采集数据的方式，跟踪数字化仪按结构可分为机械式、超声波式和全电子式三种，其中全电子式数字化仪精度最高，应用最广。按自动化程度可分为手扶跟踪、半自动跟踪和全自动跟踪三种。

数字化仪由电磁感应板、坐标输入控制器和相应的电子电路组成（图8-2）。这种设备利用电磁感应原理，在电磁感应板的（x,y）方向上有许多平行的印刷线，每隔200μm一条，游标中装有一个线圈。操作时使用者在电磁感应板上移动游标到图件的指定位置，将十字丝交点对准数字化点位，按动相应的按钮，线圈中就会产生交流信号，十字丝的中心就产生一个电磁场。当游标在电磁感应板上移动时，板下印刷线就会产生感应电流，而印刷板周围的多路开关等线路则可检测出最大信号位置，即十字丝中心所在位置，从而得到该点x, y坐标值。跟踪数字化是初期的图数转换设备，工作效率不如扫描仪高。

2.扫描数字化仪
扫描数字化仪能将原图分解为许多很小的栅格像元，并能把每一像元的地图图形转换成数字，从而实现数字化。扫描数字化仪有平台式扫描仪和滚筒式扫描仪两类。平台式扫描仪主要由扫描头和平台组成，被扫描的图纸通过真空吸附装置固定于台面上，由扫描头作逐行扫描。滚筒式扫描仪由旋转滚筒和光学扫描头两个主要部件构成，工作时，在上面安置图纸的滚筒作y方向的旋转，而装有扫描显微镜的扫描头在x方向沿导轨移动，分别通过圆光栅和长光栅控制栅格的大小。扫描头通过记录装置记录色彩或灰度。扫描数字化仪的工作原理是：光照射到待扫描资料上后，被反射到电荷藕合器CCD的光敏元件上，完成光电转换。不同的反射光亮强度，CCD器件都能将其转变为数字信息，达到数字化目的。

扫描数字化速度快、精度高，是地图生产中普遍使用的数字化方法。随着大幅面扫描仪成本的不断降低，扫描和矢量化技术的不断完善，跟踪数字化方式可能成为自动扫描数字化的一种补充。目前，常见的大幅面扫描仪品牌有：

CONTEX 、VIDAR、 ANAtech等。衡量扫描仪性能最主要的技术指标包括扫描速度、光学分辨率、扫描宽度和扫描方式等。

三、地图输出设备
实施制图数据到图形转化的设备称之为地图输出设备，主要有打印机、图形显示器和自动绘图仪等几种。

1.打印机
打印机是最基本的在纸上输出文字和图形的设备，是栅格输出设备。早期的计算机地图制图常采用行式打印机作为最终的图形输出设备。行式打印机是根据计算机处理的数据，利用每台计算机必备的行式打印机上的符号，按程序编排好的位置打印或重叠打印一些数据、符号或它们的组合图形，以制作分级统计图或类型图等。现在，行式打印机制作地图的方法已被替代。机械式打印机适用于精度要求不高的地图输出；激光打印机的特点是分辨率高，噪声小；喷墨打印机有墨白和彩色两种，其中彩喷采用黄、品红、青、黑四色输出。

2.图形显示器
计算机显示输出设备主要是图形显示器，其大多采用阴极射线管(CRT)作为显示器件。电真空器件CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏组成。电子枪利用静电场来使电子流聚焦和加速，产生精确聚焦和高速度的电子束。当电子束打到荧光屏的荧光粉上时会发出辉光(光点)。电子束按某种轨迹扫描荧光屏，使光点构成荧光屏上图形的每一点而显示出图形。微型计算机上一般采用图形显示器并配置相应的图形显示卡，图形显卡类型有CGA、EGA、VGA和SVGA等。图形显示的分辨率、色彩数等性能主要取决于显示器及图形显示卡的质量，分辨率目前有640×480、1024×768、1400×1050和1600×1200（可显示行数×每行光点数）等几种，色彩主要有256色、真彩色(16M色)等。

3.自动绘图仪
自动绘图仪可以在纸或其他介质上绘制或刻绘地图图形，产生“硬拷贝”。

自动绘图仪按外形可分为滚筒式绘图仪和平台式绘图仪；按绘图方式可分为笔式、光学式、静电式、喷墨式等类型；按绘图仪接受的图形数据格式可分为矢量绘图仪和栅格绘图仪。

矢量绘图仪（笔式绘图仪）是接受矢量坐标形式数字信息，并以一定速度和精度绘制线划图形的输出装置。矢量绘图仪的主要性能指标有：台面形状、驱动方式、传动机结构、绘图精度、速度、绘图方式等，但最主要的性能指标是步距和精度。步距是指绘图仪每接受一个脉冲，绘图笔在x或y方向上可移动的距离。步距越小，所绘图形在视觉上越显光滑。低精度矢量绘图仪的步距为0.05-0.3mm，精度为±0.07-0.5mm，可用于一般地图或审校用地图。高精度矢量绘图仪的步距为0.0125-0.02mm，精度在±0.03-0.06之间，可满足高精度地形图的绘图要求。矢量绘图仪有平台式、滚筒式绘图仪两种主要类型。

将计算机处理并存贮的栅格数据仍按照栅格方式变成图形并绘制在感光胶片、图纸等绘图介质上，则需用栅格绘图仪。其主要类型有静电、扫描和喷墨绘图仪等，其中大幅面（A0）彩色喷墨绘图仪是目前广泛使用的一种绘图仪。这种绘图仪的结构与激光扫描绘图仪相似，但它不是用光束在感光胶片上曝光，而是同时用品红、黄、青、黑四种色液从四个喷嘴喷出雾液，并按不同比例混合后在图纸或胶片上喷绘出图形和色彩。