劉文龍，張 超，高艷龍，陳 欣

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

0 引言

在地震系統(tǒng)當(dāng)前存儲(chǔ)的水準(zhǔn)測量高差表檔案中，歷史稍久遠(yuǎn)的紙質(zhì)高差表不包含水準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)度甚至全部坐標(biāo)信息，這對當(dāng)今需要完整水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)使用人員造成了極大的困擾。歷史紙質(zhì)高差表在數(shù)字化的過程中又難免會(huì)產(chǎn)生粗差，尤其是水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)粗差會(huì)導(dǎo)致平差結(jié)果不準(zhǔn)確。這類問題非常隱蔽，即使經(jīng)過多次反復(fù)比對也不能完全保證數(shù)據(jù)的正確性。目前，（工作人員）采用的方法為反復(fù)人工校核，但該方法數(shù)字化效率極低，即使經(jīng)過多輪校核也無法完全保證數(shù)據(jù)完全正確。如何綜合利用現(xiàn)存的碎片資料，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)各資料之間的空間和屬性關(guān)聯(lián)，間接推導(dǎo)出水準(zhǔn)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)信息，是一個(gè)值得研究的科學(xué)問題。

針對這種情況，利用水準(zhǔn)點(diǎn)和水準(zhǔn)測線的地理空間關(guān)系，及測線中相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的上下文關(guān)系，以經(jīng)過GIS方法糾正的水準(zhǔn)路線分布圖為電子底圖，研制出一款“水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)修正系統(tǒng)”，以表圖交互的形式進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)修復(fù)、糾正，該系統(tǒng)能夠有效修正水準(zhǔn)點(diǎn)缺失的坐標(biāo)信息，控制坐標(biāo)粗差的產(chǎn)生，提高數(shù)字化效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

考慮到存取安全性、快捷性、交互性以及業(yè)務(wù)需求等特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）結(jié)構(gòu)，簡稱C/S結(jié)構(gòu)。在客戶機(jī)終端上實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入與輸出，在服務(wù)器端架設(shè)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)對來自Client端的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（圖1）。C/S配備的是點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模式，適用于局域網(wǎng)，其安全性較為可靠。

圖 1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

系統(tǒng)包括平臺(tái)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和應(yīng)用層，具體如下：平臺(tái)層：水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)信息的修復(fù)所涉及到的碎片數(shù)據(jù)多樣，包括水準(zhǔn)路線圖掃描件、水準(zhǔn)測線數(shù)據(jù)、shp格式數(shù)據(jù)等，科研人員常常結(jié)合此類數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)修復(fù)和結(jié)果展示等工作，基于這種考慮系統(tǒng)嵌入了ArcGIS Engine地圖引擎作為實(shí)現(xiàn)地理信息展示與配準(zhǔn)的技術(shù)支撐；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：系統(tǒng)采用微軟公司旗下的Access產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)庫；

應(yīng)用層：軟件應(yīng)用的核心，是業(yè)務(wù)處理的集中層。系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)度線和費(fèi)控線將業(yè)務(wù)管理從業(yè)務(wù)邏輯層面貫穿起來，業(yè)務(wù)涉及到數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、地圖配準(zhǔn)、坐標(biāo)糾正、系統(tǒng)工具等等。

1.2 功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)修正軟件支持shp格式、Excel格

式數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出和地圖可視化，為用戶提供更加直觀的數(shù)據(jù)對比效果（圖2）。集成ArcGIS的柵格數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊，實(shí)現(xiàn)了水準(zhǔn)路線圖掃描件的幾何糾正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法有仿射變換、二階多項(xiàng)式變換和三階多項(xiàng)式變換，能夠滿足對不同扭曲程度圖件的配準(zhǔn)。同時(shí)軟件提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)比對工具，將當(dāng)前編輯的測線與歷史數(shù)據(jù)庫中信息做對比，抽取點(diǎn)名相同的水準(zhǔn)點(diǎn)，批量糾正水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，減少用戶重復(fù)性工作。在數(shù)據(jù)對比對話框中，系統(tǒng)智能判斷經(jīng)緯度坐標(biāo)不一致的點(diǎn)，提示用戶替換數(shù)據(jù)，解決同名水準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)修正的問題，大幅提高工作效率（圖3）。

圖 2 水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)修正軟件主界面

圖 3 數(shù)據(jù)對比結(jié)果

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 扭曲水準(zhǔn)路線圖的幾何糾正和坐標(biāo)變換

幾何糾正水準(zhǔn)路線圖是水準(zhǔn)路線成果整理的重要內(nèi)容，可清晰反映水準(zhǔn)路線圖的走向和點(diǎn)位分布情況，以及測區(qū)的地理概況[1]。理論上，基于正確水準(zhǔn)路線地圖的信息采集方法可以有效地補(bǔ)救完整水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)信息。然而，水準(zhǔn)路線圖在保存和掃描過程中不可避免地產(chǎn)生了圖紙變形誤差和掃描儀誤差。如圖紙?jiān)诒４孢^程中，紙張會(huì)收縮；在數(shù)字化時(shí)掃描儀對圖紙也有損壞，容易使紙張褶皺；掃描圖紙時(shí)放置位置不正導(dǎo)致數(shù)字化圖出現(xiàn)扭曲、旋轉(zhuǎn)。這些都會(huì)使影像失真，影響圖像的幾何精度，解決辦法是進(jìn)行糾正。

掃描儀得到的圖像采用掃描儀坐標(biāo)系，一般以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，以像素為單位，以有效幅面的框架為縱橫軸，構(gòu)成左手系。地面點(diǎn)的表示都是在一定的地理坐標(biāo)系中，而地理信息系統(tǒng)中采用用戶坐標(biāo)系(UCS)、世界坐標(biāo)系(WCS)或?qū)嶓w坐標(biāo)系（ECS)。因此，地圖數(shù)字化過程中，掃描儀坐標(biāo)系要變換為地理坐標(biāo)系[2]。

圖像幾何精度的糾正和坐標(biāo)變換的過程就是地圖配準(zhǔn)，其常用方法包括仿射變換、二階多項(xiàng)式變換和三階多項(xiàng)式變換等（圖4）。

圖 4 地圖配準(zhǔn)方法分類

變換的階次越高，可校正的畸變就越復(fù)雜，需要的參數(shù)也越多。一般來說，如果柵格數(shù)據(jù)集需要進(jìn)行拉伸、縮放和旋轉(zhuǎn)，使用一階變換；而如果必須彎曲柵格數(shù)據(jù)集，使用二階或三階變換[3]。根據(jù)上述掃描誤差原理和地圖配準(zhǔn)方法，可將柵格圖像糾正綜合為1個(gè)二維圖像幾何變形變換公式：

式中：X、Y表示糾正后的地理坐標(biāo)；x、y為柵格圖像糾正前的像素坐標(biāo)；為對圖形進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、對[稱、]錯(cuò)切等變換； c f為對圖形進(jìn)行平移變換； gh為對圖形做投影變換； [i]為對整體圖形做伸縮變換[4]。

基于上述GIS影像幾何糾正理論，系統(tǒng)集成ArcGIS的柵格數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)了水準(zhǔn)路線圖掃描件的幾何糾正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法有仿射變換、二階多項(xiàng)式變換和三階多項(xiàng)式變換，能夠滿足對不同扭曲程度圖件的配準(zhǔn)（圖5）。

圖 5 影像配準(zhǔn)工具

1.3.2 水準(zhǔn)點(diǎn)圖上糾正

高差表按照空間信息完整性可分3類：①經(jīng)緯度完整數(shù)據(jù)，此類別無需使用該方案進(jìn)行坐標(biāo)修正，直接數(shù)字化即可；②經(jīng)度缺失數(shù)據(jù)，該分類在紙質(zhì)高差表中比較常見，在數(shù)字化過程中需輔助緯線來建立與測線的拓?fù)潢P(guān)系，分析水準(zhǔn)點(diǎn)的正確坐標(biāo)；③經(jīng)緯度信息完全缺失數(shù)據(jù)，該分類沒有緯線輔助，只能借助相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的上下文關(guān)系分析正確坐標(biāo)。

對3種類型數(shù)據(jù)做不同方法的糾正：①經(jīng)緯度完整的數(shù)據(jù)，將水準(zhǔn)點(diǎn)展布在底圖上進(jìn)行圖上吻合度驗(yàn)證和人工驗(yàn)證后寫入數(shù)據(jù)庫；②缺失經(jīng)度信息的數(shù)據(jù)，軟件會(huì)根據(jù)點(diǎn)的緯度信息生成貫穿整個(gè)圖幅的緯線，建立緯線與測線拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)緯線和路線圖的空間關(guān)系獲得水準(zhǔn)點(diǎn)的正確位置；③經(jīng)緯度信息完全缺失的數(shù)據(jù)，只能根據(jù)相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的上下文關(guān)系人工核查該點(diǎn)在圖上的正確位置，一般來說，1條測線中只要能查詢到1個(gè)點(diǎn)的正確位置,其他水準(zhǔn)點(diǎn)即可根據(jù)其相鄰關(guān)系推導(dǎo)而出。

本文使用“水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)修正系統(tǒng)”，以表圖交互的形式進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)恢復(fù)、糾正。首先，利用水準(zhǔn)點(diǎn)和水準(zhǔn)測線的地理空間關(guān)系進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)的粗差判斷；然后，根據(jù)測線中相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的上下文關(guān)系建立水準(zhǔn)點(diǎn)集之間的位置和順序邏輯；最后，以經(jīng)過GIS方法配準(zhǔn)好的“水準(zhǔn)路線分布圖”為電子底圖進(jìn)行測線和測點(diǎn)的位置校核和糾正。其中，也綜合利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配以減少重復(fù)性工作量，提高坐標(biāo)糾正效率（圖6）。

2 應(yīng)用實(shí)例

示例1，經(jīng)緯度錯(cuò)誤的情況。按照水準(zhǔn)點(diǎn)在測線的邏輯順序，水準(zhǔn)點(diǎn)“漳漳10基”應(yīng)當(dāng)在圖7a中“漳龍1甲”與“漳漳19基”之間，但是在地圖中該點(diǎn)與理論上的位置距離較遠(yuǎn)，是一個(gè)明顯經(jīng)緯度均錯(cuò)誤的點(diǎn)，需糾正。點(diǎn)擊“漳龍1甲”和“漳漳19基”記錄，圖上找到這2個(gè)點(diǎn)，根據(jù)3個(gè)點(diǎn)的上下文關(guān)系，在圖上找到“漳漳10基”。

圖 6 坐標(biāo)修正技術(shù)流程

圖 7 糾正前后圖上校核

示例2，缺少經(jīng)度信息的水準(zhǔn)點(diǎn)糾正坐標(biāo)的情況。為了增強(qiáng)測線在地圖中可視化效果，提高數(shù)據(jù)的易讀性，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)據(jù)完整性分類的色彩映射法以將水準(zhǔn)點(diǎn)和測線表達(dá)于地圖中。同時(shí)，構(gòu)建真實(shí)測線與底圖所示測線之間的空間拓?fù)潢P(guān)系。例如，在缺失經(jīng)度的水準(zhǔn)點(diǎn)地圖中繪制穿過地圖圖幅的緯線，用戶可根據(jù)緯線與測線的拓?fù)潢P(guān)系推導(dǎo)出水準(zhǔn)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置（圖8）。

圖 8 通過建立拓?fù)潢P(guān)系解析坐標(biāo)

由圖8可以看到，水準(zhǔn)點(diǎn)“嶺漳24基”缺少經(jīng)度信息。系統(tǒng)自動(dòng)生成貫穿圖幅的緯線（圖8中藍(lán)色線條），通過緯線與測線相交的交點(diǎn)集可得到“嶺漳24基”的坐標(biāo)可能位于圖中“a”、“b”、“c”位置處；再根據(jù)測線順序邏輯關(guān)系可確認(rèn)“嶺漳24基”地理位置應(yīng)當(dāng)在2點(diǎn)“漳龍9甲”和“漳龍1甲”之間，則可確認(rèn)“b”點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)的正確位置。

表 1 修正前后坐標(biāo)

坐標(biāo)糾正前后效果如表1所示。

3 結(jié)論

本文基于GIS圖像配準(zhǔn)原理將掃描的紙質(zhì)水準(zhǔn)路線圖進(jìn)行配準(zhǔn)，同時(shí)綜合利用水準(zhǔn)點(diǎn)、水準(zhǔn)測線的地理空間關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系及相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的上下文關(guān)系，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以表圖交互的形式進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)恢復(fù)、糾正等工作。經(jīng)驗(yàn)證，使用該方法坐標(biāo)修正速度快、精度高（達(dá)0.001°），能夠有效地恢復(fù)、糾正水準(zhǔn)點(diǎn)缺失和錯(cuò)誤的坐標(biāo)信息，提高紙質(zhì)高差表數(shù)字化效率，并可進(jìn)一步應(yīng)用于地學(xué)有限元建模等具體工作[5]。受數(shù)據(jù)庫表類型和結(jié)構(gòu)單一性的影響，用戶之間數(shù)據(jù)傳輸和共享效率不高，不利于實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的協(xié)同數(shù)據(jù)處理任務(wù)。下一步工作中，我們將優(yōu)化數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，提高實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和共享效率，使系統(tǒng)適應(yīng)更大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。