王迎東，姚磊華，張 亮，王俊鑫

（1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

基于DRG生產(chǎn)的標準圖幅精準誤差校正

王迎東1,2，姚磊華2，張 亮2，王俊鑫2

（1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

MapGIS系統(tǒng)主要應(yīng)用于對矢量文件的精準誤差校正。傳統(tǒng)方法采用逐個采集控制點，繁瑣且易出錯。在實際工作中發(fā)現(xiàn)了圖像像素坐標系與圖形物理坐標系之間存在的關(guān)系，探討了DRG生產(chǎn)校正點數(shù)據(jù)應(yīng)用于矢量精準校正的方法,并以實例驗證了其高效性。

精準誤差校正；像素坐標系；物理坐標系；DRG生產(chǎn)

MapGIS是具有自主版權(quán)的國產(chǎn)大型基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)軟件平臺，目前在國內(nèi)使用廣泛[1]。通常在地圖掃描輸入或數(shù)字化輸入過程中，難免存在圖紙變形誤差，掃描儀質(zhì)量及掃描分辨率選擇上的誤差，以及操作過程中的誤差，使輸入后的圖形與實際圖形所在的位置有所偏差，精度難以達到工作要求[2]，數(shù)字化的地圖數(shù)據(jù)必須經(jīng)過編輯處理和數(shù)據(jù)校正，消除輸入圖形的變形，才能進行應(yīng)用或入庫[3]。但在實際工作中，由于操作人員專業(yè)素質(zhì)和軟件經(jīng)驗的參差不齊，經(jīng)常遇到?jīng)]對底圖校正配準就進行矢量化的情況，造成不可避免的矢量誤差，此時，矢量地圖必須經(jīng)過誤差校正，清除輸入圖形的變形，才能使之滿足工作要求[4]。

1 傳統(tǒng)MapGIS誤差校正方法

MapGIS 的誤差校正系統(tǒng)提供了兩種誤差校正方法：交互式校正和自動校正。其中交互式誤差校正適用于所選控制點較少，誤差校正精度要求不高的圖形；自動校正適用于控制點較多，誤差校正精度要求較高的圖形[1]。

1.1 交互式誤差校正步驟

1）打開需要校正的文件（點文件、線文件或面文件）及校正參考文件；

2）設(shè)置控制點參數(shù)為采集實際值并選擇采集文件；

3） 添加校正控制點，按一定規(guī)則逐一采集控制點的實際坐標值，同時可手動輸入理論值（若如此，則可跳過步驟4）；

4）設(shè)置控制點參數(shù)為采集理論值，選擇校正參考文件，并按步驟3）中的規(guī)則采集控制點的理論坐標值；

5）檢查修改控制點并進行文件校正。

1.2 自動誤差校正步驟

1）打開需要校正的文件（點文件、線文件或面文件）及校正參考文件（包括從光柵文件上采集的實際經(jīng)緯網(wǎng)交點文件以及與該圖幅對應(yīng)的標準圖框線文件）；

2）設(shè)置控制點參數(shù)為采集實際值，選擇實際經(jīng)緯網(wǎng)交點文件，并自動采集實際控制點；

3）設(shè)置控制點參數(shù)為采集理論值，選擇圖框線文件，自動采集理論控制點，此時一般先定位4個角點，再自動匹配，生成控制點文件；

4）檢查修改控制點并進行文件校正。

一般情況下，傳統(tǒng)誤差校正遇到精度要求較高，需要進行精準誤差校正時，就需要盡可能在圖面上選取大致均勻分布的點狀要素或者線狀要素的交點[5]。在實際工作中這種方式采集工作量大，耗費時間較多，且在采集控制點時易漏易錯。有工作人員針對傳統(tǒng)誤差校正方法提出改進[6,7]，但仍需進行人工采集較大數(shù)量校正點，可操作性不佳。

2 基于DRG生產(chǎn)的誤差校正改進方法

DRG（digital raster graphic）即數(shù)字柵格地圖，是利用現(xiàn)有的紙質(zhì)地形圖經(jīng)掃描、幾何糾正、圖像處理和數(shù)據(jù)壓縮后形成的在內(nèi)容、幾何精度和色彩上與原圖保持一致的柵格數(shù)據(jù)文件。MapGIS系統(tǒng)根據(jù)DRG數(shù)據(jù)生產(chǎn)的特點提供了高精度的幾何校正算法，能根據(jù)圖幅信息有效采集格里網(wǎng)上交點的控制數(shù)據(jù)，形成約500個控制點的校正數(shù)據(jù)文件，相對于傳統(tǒng)誤差校正控制點數(shù)據(jù)的獲取方式更加精準和便捷。

2.1 坐標轉(zhuǎn)化原理

MapGIS系統(tǒng)由2種不同坐標系組成，如圖1所示。

圖1 圖像像素坐標系與圖形物理坐標系示意

圖像像素坐標系[u，v]：即一般數(shù)字圖像識別和圖像處理所用的坐標系統(tǒng)。它是固定在圖像上以像素為單位的平面直角坐標系，其原點位于圖像左上角，圖像進行幾何校正時，便是按照選定的糾正變換函數(shù)把原始數(shù)字圖像中的像素逐個變換到糾正后的幾何空間中[8]。DRG生產(chǎn)即是選用此坐標系。

圖形物理坐標系[x，y]：即矢量文件所用的坐標系統(tǒng)。它是以mm為單位的平面直角坐標系，其坐標原點位于圖形左下角，誤差校正中圖形坐標采用該坐標系。

由于地圖數(shù)字化過程中掃描分辨率不同，致使單位長度上的像素個數(shù)也不同，一張地質(zhì)圖在圖像像素坐標系的范圍為（0，0）～（umax，vmax），每一像素的坐標（u，v）分別是該像素在像素坐標系中的列數(shù)與行數(shù) ，而在圖形物理坐標系中的范圍則為（0，0）～（xmax，ymax）。本文在此定義λ為像素縮放因子，代表標準方向軸單位像素上的物理長度：

式中，λx代表x方向上的縮放因子；λy代表y方向上的縮放因子。

當圖像像素坐標系中某一點為（u0，v0），則在圖形物理坐標系中的坐標（x0，y0）可由式（2）計算得出：

將2個坐標系之間寫成矩陣形式：

根據(jù)上述轉(zhuǎn)化原理，可將像素坐標系中的坐標轉(zhuǎn)化為物理坐標系中的值，實現(xiàn)將DRG生產(chǎn)過程中的校正控制點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成誤差校正控制點數(shù)據(jù)。

2.2 應(yīng)用實例

本文以1∶ 5萬某地質(zhì)圖為例，使用MapGIS K9平臺，從操作細節(jié)上講述本文方法的實現(xiàn)步驟。

1）求取縮放因子。打開柵格目錄管理器，將柵格影像添加至地圖文檔中，使其處于當前編輯狀態(tài)。切換到柵格校正視圖，單擊“開始柵格校正”，并顯示控制點信息，可見未進行任何校正操作的底圖4個角點的坐標，如圖2所示。

圖2 未操作時的控制點信息

其中，“校正點X（或Y）坐標”為圖像像素坐標系下的最大像素長度，即umax（或vmax）；“參照點X（或Y）坐標”則為圖形物理坐標系下的最大物理長度，即 xmax（或ymax）。由式（1），可求得該標準圖幅下x和y方向的縮放因子λx與λy。其中，為保證計算精度，在實際計算中仍直接代入表達式。

2）生成控制點數(shù)據(jù)。在幾何校正菜單下選擇圖幅生成控制點，輸入圖幅信息，并通過在影像上選擇圖幅坐標點，定位內(nèi)圖廓點，完成參數(shù)設(shè)置和內(nèi)圖廓點信息的輸入后，點擊生成GCP，將自動計算出控制點的理論坐標，并根據(jù)理論坐標反算出控制點的圖像坐標[1]，此時粗略得到控制點像素坐標值與理論坐標值之間的映射關(guān)系。需要注意的是，該地質(zhì)圖不采用國家2000大地坐標系，故輸入圖幅信息時不勾選“采用大地坐標”。

利用順序修改控制點依次修改原圖上的所有控制點，并適時糾正格網(wǎng)大小，以提高生產(chǎn)速度[9]，直至殘差達精度要求，更新并保存控制點信息為*.gcp文件，即實際坐標為圖像像素坐標的校正數(shù)據(jù)。

3）修改控制點文件。本文利用Excel軟件將實際坐標值為像素坐標的*.gcp控制點文件修改為實際值為物理坐標的*.pnt控制點文件。

將*.gcp 文件導(dǎo)入Excel 表，分隔符號選“逗號”，并刪去“殘差”一列，此時待處理數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 待處理的像素坐標控制點數(shù)據(jù)

利用上述求得的縮放因子λx、λy和式（3）的一一對應(yīng)關(guān)系來處理坐標數(shù)據(jù)，將圖像坐標x或y轉(zhuǎn)化為所對應(yīng)的圖形物理坐標系下的坐標值，此時，處理后的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 處理后的圖形坐標控制點數(shù)據(jù)

將修改后的坐標數(shù)據(jù)文件保存為csv（逗號分隔）格式的文件，以記事本打開*csv文件，將“，”全部替換為空格。在誤差校正模塊中新建控制點*.pnt文件，用csv 格式文件中修改好的控制點信息更新*.pnt文件中的控制點數(shù)據(jù)，并保存文件。

4）數(shù)據(jù)驗證。本文利用傳統(tǒng)誤差校正方法采集了25個控制點數(shù)據(jù)來驗證上述數(shù)據(jù)，按照坐標位置與上述得到的對應(yīng)的控制點進行對比,如表3所示。

表3 控制點數(shù)據(jù)對比

綜合25組控制點數(shù)據(jù)可知，最大的絕對誤差率僅為4.83×10-3。若考慮傳統(tǒng)誤差校正方法對控制點坐標采集的偏差，則可忽略這2種方法之間的誤差對校正結(jié)果的影響。

進入誤差校正子系統(tǒng)，利用本文方法得到的*.pnt控制點文件進行矢量誤差校正，與該圖幅所對應(yīng)的標準圖框套合結(jié)果如圖3所示。

圖3 校正結(jié)果與標準圖框套合示意圖

3 結(jié) 語

實踐表明，利用圖像像素坐標系與圖形物理坐標系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，可成功將DRG生產(chǎn)的*.gcp控制點文件應(yīng)用在矢量文件精準誤差校正中。相較于傳統(tǒng)的添加控制點格網(wǎng)進行誤差校正的方式，大大減少了數(shù)字化員采集原圖校正控制點的工作量，提高了校正速度，省時高效，方便快捷。

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1672-4623（2015）04-0145-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.052

王迎東,碩士，研究方向為地質(zhì)工程與巖土工程。

2013-10-21。