MapGIS影像镶嵌融合控制点获取的一种有效方法.pdf

2023.26 科学技术创新MapGIS 影像镶嵌融合控制点获取的一种有效方法赵卫东（河北省地质矿产勘查开发局第一地质大队，河北 邯郸）1镶嵌融合控制点及其 gcp 文件Mapgis 中影像的镶嵌融合功能非常强大1，只要有足够的控制点或其文件（*.gcp）2，可以随心所欲的将 msi 影像进行平移、旋转、缩放，甚至局部伸缩、揉皱。Mapgis 影像文件（.msi 文件）镶嵌融合控制点文件3，可用记事本打开，其格式见图 1。图 1gcp 文件格式该文件第一行为表头，各列间以空格与制表符两个字符分隔，下面为控制点信息，以英文豆点与制表符两个字符分隔。经试验，表头及下面控制点信息各列之间有英文豆点分隔即可。gcp 文件最关键的信息即是控制点的图像坐标、理论坐标，相关的坐标系称为像素坐标系、图形坐标系，其意义如下。（1）图像坐标，在镶嵌融合控制点采集窗口左窗口状态栏显示称为“图像坐标”，即 msi 影像像素的坐标，以像素为单位。像素坐标系以影像左上角为像素坐标系的坐标原点，向右、向下为正向。msi 文件的像素信息与 msi 影像转换前的原光栅图像相同，将鼠标悬停于光栅图像可出现像素列数、行数等信息。（2）理论坐标，为目标图形坐标。图形坐标是在镶嵌融合控制点采集窗口中右侧窗口的 Mapgis 的图形坐标，亦即 mapis 点、线、面文件编辑窗口显示的坐标，以 mm 为单位。图形坐标系横向 x 轴向右为正，纵向 y 轴向上为正。当地图图面比例尺为 1:1 000，且没有旋转、平移，则图形坐标（以 mm 为单位）的数值即为公里网坐标数值（以 m 为单位）。所谓控制点，即是同一点具备这两种坐标，将影像的像素坐标进行校正与理论坐标对应。以上，明确了像素坐标系与图形坐标系，以及控制点文件*.gcp 格式，现在需要获取控制点信息。2获取控制点设一光栅地图其四角为经纬度坐标，图中有已知坐标的公里网格，本文研究推荐的获取控制点步骤如下。2.1矢量化控制点将光栅图像初转换的 msi 文件添加至 Mapgis 点、线、面文件编辑窗口，用合适的子图（如十字丝形）标记控制点：第 1，标记 msi 影像右上角点；第 2，标记右作者简介：赵卫东（1970-），男，本科，地球物理高级工程师（副高），现在河北省地质矿产勘查开发局第一地质大队从事物探工作。摘要：Mapgis 的 msi 影像要方便应用，镶嵌融合校正必不可少。采集足够多的镶嵌融合控制点使得影像校正更加精细。传统采集控制点需要先产生控制点参照文件，然后在 Mapgis 图像处理、图像分析系统中的影像文件窗口与控制点参照文件窗口中交互采集，窗口切换、平移、缩放，对于采集大量的控制点时，很是费时费力。具有公里网格的栅格地图，常通过公里网格的理论坐标进行影像校正。本研究主要探讨这类影像的镶嵌融合控制点的一种有效获取方法，以改善镶嵌融合控制点的采集体验，提高采集效率。关键词：Mapgis；镶嵌融合；影像校正；Msi 影像；平面两点对齐变换中图分类号院P208；TP391.4文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤26-0039-0439-科学技术创新 2023.26下角点；第 3，从左下按逆时针顺序标记图框四角经纬度角点（此顺序只是建议）；第 4，标记足够的公里网格交点，可随机性标记。2.2控制点赋属性与导出第 5，利用 Mapgis 二次开发程序 section 中“1 辅助工具”“导入导出功能”“点位置转属性”，让每个控制点子图具备图形坐标属性；第 6，增加控制点文件“像素 x”、“像素 y”、“经度”、“纬度”、“理论 Y”、“理论 X”、“备注”等属性；第 7，将 msi 影像的右上、右下角点根据原光栅图像的像素行列信息赋予像素坐标，将“第 3”步的四角赋予经度纬度坐标属性。第 8，section 中“1 辅助工具”“导入导出功能”“导出属性数据(EXCEL)”，将刚标记的控制点信息导出至 excel。2.3图框四角经纬度坐标正算为公里网格坐标在导出的 Excel 表格中将图框四角经纬度换算为公里网坐标，注意换算时与原光栅地图投影参数一致。这步需要经纬度与公里网坐标正反算的软件，如Mapgis、二次开发的 Excel、CoordTools_7.0.0.exe、arcgis等，资源丰富。2.4计算所有控制点的像素坐标设 msi 影像有 m 列、n 行像素，初始未校正的 msi影像右上角 P 的图形坐标为（xP，yP），E 为任一点，其图形坐标为(xE，yE），像素坐标（xF，yF)，显然，初转换的 msi 影像像素坐标系相对图形坐标系只有平移、缩放，没有旋转，则：（1）利用式（1）可计算各控制点的像素坐标系坐标。2.5计算各控制点的理论坐标控制点的理论坐标即是将原 msi 影像的控制点的图形坐标，计算至目标图形坐标（理论坐标）。根据任两个已知理论公里网坐标的控制点，计算各控制点的公里网坐标，然后按公里网格间距取整，即得各控制点的理论公里网坐标。图框四角点的理论公里网坐标，即 2.3 节正算的结果，不能取整，若有其它特殊的控制点，也需要像图框四角一样，单独赋予其理论公里网坐标。总之，本研究正是基于地图图面上有规律的公里网或经纬网，利用其规律获取其交点的理论公里网坐标或经纬度坐标，根据需要的比例尺缩放至理论坐标（目标图形坐标），与计算而得的各控制点的图像坐标，形成控制点 gcp 文件，用于影像校正。前面 2.12.4 节的步骤均易实现，本小节问题较为复杂，这是本研究要解决的关键问题之一。抽象化后此问题即：平面坐标系有一组点形成“刚体”，其中两点对齐这组点外另两点，求这组点中其它点对齐后的坐标，这种变换称为平面两点对齐变换，下面阐述。3平面两点对齐变换设 A（xA，yA）、B（xB，yB）、C（xC，yC）、D（xD，yD）为平面坐标系 xoy 中不重合的四点，E（xE，yE）为另外任意一点，现令 A、C、E 三点组成“刚体”，做变换：A 点对齐 B 点、C 点对齐 D 点，则 E 点将对齐 F（xF，yF）点，现在已知 A、B、C、D、E 五点的坐标，求 F 点坐标。引用矢量的内积、外积定义与性质，及矢量旋转矩阵4，经推导，有（2）式中：式（2）即可完成平面二点对齐变换，其中 ABCDE五点的坐标均为已知，可求得 F 点坐标。虽然，式（2）在 Excel 中编辑公式可以实现，但若应用 Excel 内置的 VBA5编辑自定义函数，更加方便快捷。4计算控制点的理论公里网格坐标利用式（2），可求得对应 F 点坐标（xF，yF），即该控制点的公里网坐标，但不是最终理论公里网坐标，需要将其按公里网格间距取整。理论公里网坐标一般为整数，甚至是 10、100、1 000、的倍数，比如，公里网格间距为 500 m，按 100 m 取整，即可获得正确的理论公里网坐标。各控制点的 xF、yF 坐标还可以继续变换，如缩放（可控制 msi 影像校正后的比例尺）、换带计算、不同坐标系转换（简单的平移）等，这些在 Excel 中容易实现。这样事情做好一次后，在 Excel 中可以复制，极方便形/xFm xP xEyFnn yP yE 2/xFneiJiwaiJixExAxBACyFwaiJineiJiyEyAyB 222()()()()neiJixCxA xDxByCyA yDyBwaiJixCxAyDyBxDxByCyAACxCxAyCyA40-2023.26 科学技术创新成 gcp 校正文件，这才是本研究倡导的这种获取 gcp文件方法的方便快捷之处。5实例 gcp 文件形成图 2 为获取 msi 影像校正 gcp 文件的实例截图（图中设置了小数位数显示，实际小数未显示全）。该 msi 影像有 m=12 153 列、n=9 697 行像素，msi影像右上角的图形坐标（12 153，9 697），第 1 行为表头，注意：大写的 X、Y 表示南北向、东西向坐标，后面有 114、117 表示该公里网坐标的投影中央子午线经度，小写的 x、y 表示东西向、南北坐标，经度、纬度以“d.ffmmm”格式表示，如 114.123 456 表示 1141234.56。第 2 行为要校正的地图名称。第 3、4 行为msi 影像右上、右下角点坐标信息。第 58 行为地图图框四角点坐标信息，已知其经纬度坐标，公里网坐标为正算获得。第 9 行及之下为公里网交点的控制点，图中公式栏中显示单元格 H9:I9 的数组公式编辑状态，当“ctrl+shift+enter”后，公式编辑栏显示见图 3。表明自定义函数 xFyF_from_AtoB_CtoD_EtoF 存在于工作簿 Hong2024.xlsm 中。在其它工作簿中引用该自定义函数时，必须同时将 Hong2024.xlsm 打开，否则找不到该函数。计算像素坐标所引用的公式显示见图 4、图 5。上面已经获取了形成 gcp 文件的要素，要形成gcp 文件，只需将这些要素提取至 gcp 文件中。可在图2 中的后面列如 PQRS 四列中直接重现前面像素坐标与理论公里网坐标的四列内容（令该单元“=”另外的单元格即可），在 O 列形成以 1 起始的序号列，将这五列复制到已有的 gcp 文件中，代替 gcp 文件中原有内容，再将这五列分隔符（tab 制表符）替换为英文豆点，保存。也可编辑公式直接形成这五列内容，代替某 gcp文件中原有内容，形成新的 gcp 文件。6结论本研究倡导的这种获取 gcp 文件的方法有如下特点：（1）矢量化控制点比传统方法简化了很多切换窗口、缩放窗口、平移窗口、点击鼠标的步骤，也不必图 2计算像素坐标系坐标、理论公里网坐标实例图 3公式编辑栏中显示的数组公式图 5E5 单元格计算像素 y 坐标图 4D5 单元计算像素 x 坐标41-科学技术创新 2023.26制作参照文件，控制点采集不考虑顺序，能有效避免人工错误，大大改善了控制点采集体验，当有大量的msi 文件需要校正时，更能提高效率。（2）形成一次获取 gcp 文件工作表后，注意公式中对单元格的相对引用、绝对引用，在 Excel 中可以复制整个实例，只粘贴替换图形坐标两列与 msi 影像的像素列数、行数，处理好特殊情况如图框四角点的经纬度坐标，即可自动计算，极方便形成 gcp 校正文件，这是本研究倡导的这种获取 gcp 文件方法的方便快捷之处。（3）理论公里网坐标还可以再次转换，如：将1954 北京坐标系坐标转换为 CGCS2000 坐标，或者六度带换算为三度带等，获得最终的理论公里网坐标，可轻易实现 msi 影像的坐标变换、比例缩放。（4）若将图形坐标与理论坐标组成坐标对，可形成误差校正文件，用于 Mpagis 图形文件的误差校正。参考文献1王新宇.MapGIS 影像镶嵌融合方法及其用途.甘肃冶金,2017，39（4）：102-103.2吴信才.MAPGIS 地理信息系统M.北京：电子工业出版社，2008.3中地软件丛书编委会.MapGis 地理信息系统实用教程M.武汉:中地公司，2003.4谢树艺.矢量分析与场论M.北京：高等教育出版社,1986.5Michael Alexander,Dick KusleiKa（著）.中文版Excel2016 高级 VBA 编程宝典（第 8 版）M.姚瑶,王战红,译.北京：清华大学出版社，2017.An Effective Method to Obtain ControlPoints for MapGIS Image Mosaic FusionZhao Weidong（The First Geological Brigade of Hebei Geology and Mineral Resources Exploration Bureau,Handan,China）Abstract:Mosaic fusion correction is indispensable to facilitate the application of Mapgis image(msifile).EnoughMosaiccontrolpoints arecollectedtomakeimagecorrectionmoreprecise.Conventionalacquisition control points need to generate control point reference files first,and then interactively collect theimage file window and control point reference file window in the image processing and image analysissubsystem of Mapgis,window switching,translation and scaling.It is time-consuming and laborious to collecta large number of control points,and the theoretical control points and actual control points are also prone tocorresponding errors.The image correction of a grid map with a kilometer grid is often carried out by thetheoretical coordinates of the kilometer grid.This paper mainly discusses another acquisition method of Mosaicfusion control points of such images,so as to improve the acquisition experience and efficiency of Mosaicfusion control points.Key words:Mapgis;mosaic fusion;image correction;Msi file;planar two-point alignment transformation42-