地圖面積量算的新技術(shù)及其誤差分析

 

　　大到全球、全國,小到省、市、縣、某一單位區(qū)域的范圍,面積都是必不可少的重要數(shù)量特征。量算面積是國民經(jīng)濟建設(shè)中一項經(jīng)常涉及到的工作。地圖上可獲得一定范圍的空間表象,地圖的作用之一是可以從其上獲取長度、面積、體積、高度、坡度、傾角等數(shù)據(jù)信息。本文討論幾個在地圖上實施面積量算的問題。

 

1.1　利用求積儀量算面積

　　求積儀曾是在地圖上量算面積的常用工具,現(xiàn)在仍有實用價值。求積儀包括機械求積儀和電子求積儀。前者以機械傳動原理和依靠游標(biāo)讀數(shù)為主,后者采用數(shù)字顯示來代替游標(biāo)讀數(shù),用全部或局部電子傳遞代替機械傳動,并附有換算功能,有的連接小型電子計算機還具有打印功能。

1.2　利用模片法量算面積

　　模片是在透明膠片、玻璃片或透明紙上刻出或印出方格、網(wǎng)點、平行線、同心圓、六角形以及隨機點等,將其覆蓋在欲測圖形的上面,通過統(tǒng)計方格數(shù)或點數(shù)來量算面積。這種方法的特點是工具簡單、容易掌握,能保證一定精度,但勞動強度大,容易出現(xiàn)粗差。

1.3　利用稱重法求地形圖上的面積

　　將地圖圖紙單位面積用較精密的天平稱出其重量,然后將不規(guī)則圖形按其輪廓曲線剪裁下來,稱其重量,將它與單位面積重量相比,再乘以單位面積值,即得所求的面積。本方法的精度取決于圖紙密度均勻情況、氣溫、濕度、圖紙出版時間、印刷方式、天平精度以及剪裁誤差。

1.4　利用光電面積量測儀量算面積

　　把需要量測面積的圖象涂上顏色加以區(qū)分,光電量測儀利用光點對該圖象進(jìn)行分解,將它分成許多小單位(象元或象點),利用光電器件對每個小單元進(jìn)行識別,再通過光電變換,即根據(jù)圖象反映光的強弱不同,把圖象上各點光強的變化轉(zhuǎn)換為光電流大小的變化,再經(jīng)放大、整形、變成電位高低變化的脈沖信號、從而驅(qū)動計數(shù)器計數(shù),以達(dá)到自動量測面積的目的。

1.5　其他方法量算面積

　　除以上方法外,還可利用密度分割儀、密度掃描儀,微機控制多功能圖形量算儀,數(shù)字長度—面積量測儀等量算地圖上的面積。對于區(qū)域比較小的面積,可直接用各種精度的儀器觀測量算。

 

　　新技術(shù)的發(fā)展,尤其是計算機技術(shù)的崛起,帶來了國民經(jīng)濟建設(shè)各行各業(yè)的新技術(shù)革命。在地圖上量算面積的手段也取得了質(zhì)的進(jìn)步。主要是以計算機及其外圍輸入輸出設(shè)備,完成區(qū)域邊界的采集、面積的計算,并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、分析等管理,更重要的是對量算的成果能進(jìn)行動態(tài)更新,充分發(fā)揮新技術(shù)的優(yōu)勢,提高量測數(shù)據(jù)的利用價值。

　　新技術(shù)方法的實現(xiàn)路線是以地形圖為底圖,把邊界劃分依據(jù)轉(zhuǎn)標(biāo)到地形圖上,再蒙繪到薄膜上,采用掃描跟蹤(或手扶采集)的方法矢量化,最后在ARC/INFO等軟件平臺上量測面積。

2.1　資料準(zhǔn)備

　　a) 收集該區(qū)域界線劃分依據(jù)。主要包括邊界劃分的附圖、文字材料、數(shù)據(jù)資料等。

　　b) 收集用于標(biāo)繪邊界線的地形圖。比例尺應(yīng)盡量與依據(jù)附圖一致。

　　c) 對收集到的上述資料進(jìn)行核對、清理、分析、登記。

2.2　技術(shù)準(zhǔn)備

　　a) 對現(xiàn)有資料無法進(jìn)行轉(zhuǎn)標(biāo)的個別問題提出處理方法。

　　b) 對整個量測工作流程中的各個階段的技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)行實際試驗,提出問題及解決方法。

　　c) 制定基本資料底圖和量測膜片制作作業(yè)技術(shù)規(guī)定。

　　d) 制定掃描跟蹤數(shù)字化或手扶采集數(shù)字化作業(yè)技術(shù)規(guī)定。

　　e) 設(shè)計編制面積統(tǒng)計計算軟件,圖形庫、數(shù)據(jù)庫建庫方案及使用維護(hù)軟件。

2.3　儀器設(shè)備、人力調(diào)配

　　根據(jù)任務(wù)的要求,科學(xué)合理地安排人力、物力、保證作業(yè)的進(jìn)度和質(zhì)量。

2.4　制作基本資料底圖

　　嚴(yán)格按照區(qū)域界線劃分依據(jù)和作業(yè)技術(shù)規(guī)定,采用透繪、相關(guān)地物控制轉(zhuǎn)繪、網(wǎng)格法轉(zhuǎn)繪等方法將區(qū)域界線等量測要素精確轉(zhuǎn)繪到相應(yīng)比例尺地形圖上。并注出界端注記、圖斑號等要素。完成后的該地形圖稱“基本資料底圖”,用作下一道工序制作量測膜片的圖。

2.5　制作量測膜片

　　以上述“基本資料底圖”為底圖,用聚脂薄膜蒙繪區(qū)域界線,并注記圖號、國斑號、界端注記等要素。完成后的聚脂薄膜稱為“量測膜片”,將在該膜片上對所有量測要素進(jìn)行掃描跟蹤或手扶采集數(shù)字化,以求解各圖斑面積。

2.6　掃描跟蹤數(shù)字化

　　a) 用高精度的掃描儀對量測膜片進(jìn)行掃描。

　　b) 對掃描的圖形信息進(jìn)行跟蹤采集。

　　c) 用ARC/INFO等軟件進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)編輯和屬性編輯。

　　d) 回放檢查無誤后,對圖形數(shù)據(jù)用理論圖廓進(jìn)行仿射變換糾正。

　　e) 按照作業(yè)規(guī)定的限差要求,對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊處理,完成后建立多邊形拓?fù)潢P(guān)系。

　　f) 對圖形進(jìn)行拓?fù)?求解各圖斑面積。最后做成標(biāo)準(zhǔn)格式文件作為量測統(tǒng)計的原始數(shù)據(jù)。

　　若采用手扶數(shù)字化采集的方法,是在量測膜片上對相關(guān)要素信息進(jìn)行手扶跟蹤采集,其他作業(yè)過程與掃描跟蹤數(shù)字化一致。

2.7　匯總統(tǒng)計

　　a) 統(tǒng)計量測圖幅各圖斑面積之和。

　　b) 計算非量測圖幅理論面積之和。

　　c) 非量測圖幅覆蓋的總面積與量測圖幅的面積相加,即可計算出總面積。

2.8　質(zhì)量控制

　　在生產(chǎn)作業(yè)過程中要嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制,最基本的原則是絕不把上一道工序的錯誤帶到下一道工序。

　　a) 基本資料底圖轉(zhuǎn)標(biāo)完畢,進(jìn)行多級檢查,然后進(jìn)入下一道工序——制作量測膜片。

　　b) 量測膜片制作完畢,進(jìn)行多級檢查,然后進(jìn)入下一道工序——數(shù)據(jù)采集。

　　c) 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形回放,回放圖形與量測膜片進(jìn)行套合檢查,檢查數(shù)據(jù)采集精度和各要素屬性是否正確。

　　d) 圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行仿射變換后,再次進(jìn)行圖形回放,并與量測膜片進(jìn)行套合檢查。

2.9　面積類型

　　上述過程統(tǒng)計計算出的面積值為高斯平面的面積,用圖幅的橢球面理論面積作為控制,可以歸化至橢球面面積。還可以經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為其他面積,如地表實際面積等。

 

3.1　基本誤差的分析與計算

　　影響面積量算數(shù)據(jù)精度的因素很多,歸納起來可分為:量測底圖資料所帶來的誤差從轉(zhuǎn)標(biāo)依據(jù)圖上把界線轉(zhuǎn)標(biāo)到基本資料底圖及量測膜片造成的誤差、量測過程中產(chǎn)生的誤差、計算過程中產(chǎn)生的誤差,下面詳細(xì)分析計算一下這些誤差。

3.1.1　資料誤差m資

　　資料誤差主要指量測界線在測繪、清繪、印刷等過程中造成的偏移及紙張伸縮變形產(chǎn)生的誤差。分項列舉如下:

　　a) 底圖投影誤差m投　　　　　　0.001 mm

　　b) 外業(yè)對界線的測繪中誤差m測0.5 mm

　　c) 內(nèi)業(yè)對界線的清繪中誤差m清0.15 mm

　　d) 制印對界線的套印中誤差m印0.3 mm

　　e) 紙張的伸縮變形誤差m變1 mm

　　依據(jù)誤差傳遞定律:

3.1.2　轉(zhuǎn)標(biāo)誤差m轉(zhuǎn)

　　轉(zhuǎn)標(biāo)誤差是指在界線轉(zhuǎn)標(biāo)的過程中造成的界線偏移。轉(zhuǎn)標(biāo)的過程是嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)標(biāo)依據(jù)把界線轉(zhuǎn)繪到基本資料底圖上,然后在基本資料底圖上蒙膜轉(zhuǎn)標(biāo)成量測膜片。

　　a) 由轉(zhuǎn)標(biāo)依據(jù)到基本資料底圖的轉(zhuǎn)標(biāo)誤差m底　　0.15 mm

　　b) 由基本資料底圖到量測膜片的轉(zhuǎn)標(biāo)誤差m膜　　0.15 mm

　　依據(jù)誤差傳遞定律:

3.1.3　量測誤差

　　量測誤差是指在數(shù)字化過程中儀器本身精度和操作人為造成的界線偏移。

　　a) 儀器本身的精度誤差m儀　　0.1 mm

　　b) 人為操作儀器的誤差m作　　0.1 mm

　　依據(jù)誤差傳遞定律:

3.1.4　計算誤差

　　利用計算機目前的軟硬件條件我們采用長雙精度浮點數(shù),有效數(shù)據(jù)位數(shù)可以達(dá)到19位,故這項誤差與其他誤差相比非常之小(差幾個數(shù)量級),可忽略不計。

3.2　量算的絕對誤差的計算

　　上述基本誤差的表現(xiàn)形式均為造成界線的偏移,把界線的偏移量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)比例尺上的實地距離,再與該圖幅上量測界線的長度相乘,即得該幅圖的絕對誤差。

3.3　量算的相對誤差及相對精度的計算

　　相對誤差是量算造成的絕對誤差與本項量算理論面積和近似為量算面積總值的比值,相對誤差轉(zhuǎn)化成分子為1的分?jǐn)?shù)即為相對精度。量測區(qū)域邊界圖幅才有誤差(非量測整幅圖的面積是理論計算得到的,誤差可忽略不計),故相對精度可以達(dá)到很高。

 

　　新技術(shù)方法采用高速度、高精度的計算機及其外圍設(shè)備來量算面積,其優(yōu)點有:保證界線嚴(yán)格完整閉合、量算結(jié)果精確,避免人工粗差;數(shù)字化作業(yè)方案信息獲取迅速、統(tǒng)計計算快捷、流水作業(yè)效率高;作業(yè)過程自動化程度高,勞動強度小;在計算機內(nèi)進(jìn)行圖幅拼接、套合容易,方便質(zhì)量檢查,易于質(zhì)量控制;可以提供多種不同方案進(jìn)行統(tǒng)計計算,互相校核;可以建立數(shù)據(jù)庫和圖形庫,進(jìn)行維護(hù)管理、動態(tài)更新,提高數(shù)據(jù)利用率和使用價值。

　　上述誤差分析詳細(xì)分析計算了可能對結(jié)果精度產(chǎn)生影響的各種基本誤差(省略了具體的誤差計算過程)。由以上的分析計算可見,量算過程造成的誤差(包括轉(zhuǎn)標(biāo)誤差、量測誤差、計算誤差)比資料本身的誤差要小得多,說明新技術(shù)方法非�？煽�。計算機的精度是足夠的,儀器的精度誤差、人員操作的誤差理論上也可以繼續(xù)控制縮小,但要想獲取更高精度的面積量算數(shù)據(jù),主要手段應(yīng)是減小底圖資料的誤差或在更大比例尺的地形圖上進(jìn)行量算.