影像配准及地图数字化

1、整理ppt1 影像配准及地图数字化 3.23.2影像配准及地图数字化影像配准及地图数字化 3.2.1 3.2.1 地图矢量化地图矢量化 3.2.2 3.2.2 屏幕跟踪数字化过程屏幕跟踪数字化过程 3.2.3 3.2.3 影像配准影像配准 3.2.4 3.2.4 要素矢量化要素矢量化 整理ppt2 3.2.1 地图矢量化地图矢量化 数字化可分为手扶跟踪数字化和扫描数字化数字化可分为手扶跟踪数字化和扫描数字化 对于栅格数据的获取，对于栅格数据的获取，GIS GIS 主要使用扫描仪主要使用扫描仪 等设备对图件扫描数字化等设备对图件扫描数字化 从遥感影像上直接提取专题信息，需要使用从遥感影像上直接提

2、取专题信息，需要使用 几何纠正、光谱纠正、影像增强、几何纠正、光谱纠正、影像增强、 图像变图像变 换、结构信息提取、影像分类等技术，主要换、结构信息提取、影像分类等技术，主要 属于遥感图像处理的内容。属于遥感图像处理的内容。 主要介绍主要介绍 GIS GIS 中矢量数据的采集。中矢量数据的采集。 整理ppt3 手扶跟踪数字化 通过数字化仪获取是一种通过数字化仪获取是一种 最普通的传统方法最普通的传统方法 是单调而细致的是单调而细致的 工作工作 整理ppt4 数字化仪工作原理 操作人员在数字操作人员在数字 化仪上点击一点化仪上点击一点 或跟踪一条线段或跟踪一条线段 y = 10 x = 5 坐标

3、被存入到坐标被存入到GISGIS数据库中数据库中 整理ppt5 3.2.2 屏幕跟踪数字化过程屏幕跟踪数字化过程 1. 1. 配准影像配准影像 2. 2. 新建要素类新建要素类 3. 3. 在在ArcMapArcMap中加载已配准的影像和新中加载已配准的影像和新 建的图层（要素类）建的图层（要素类） 4. 4. 在在ArcMapArcMap中使用中使用“编辑器编辑器”，分层，分层 提取要素（对于二值化扫描地图，可使提取要素（对于二值化扫描地图，可使 用用ArcScanArcScan模块进行半自动化的屏幕跟模块进行半自动化的屏幕跟 踪数字化）踪数字化） 整理ppt6 3.2.3影像配准影像配准

4、栅格数据通常是通过扫描纸质地图或采集航空及栅格数据通常是通过扫描纸质地图或采集航空及 卫星照片获得卫星照片获得 。 通过扫描获取的影像不包含定义其地理空间位置通过扫描获取的影像不包含定义其地理空间位置 所需的信息。所需的信息。 航空及卫星照片所使用的坐标系统是相对于通用航空及卫星照片所使用的坐标系统是相对于通用 GISGIS平台软件所使用的坐标系统是独立的。平台软件所使用的坐标系统是独立的。 为了能够将这些影像数据与其它的数据集成，以为了能够将这些影像数据与其它的数据集成，以 便进行分析，便进行分析， 就必须对其进行处理：用户需要事就必须对其进行处理：用户需要事 先将这些数据校准（配准）到一个

5、指定的地图坐先将这些数据校准（配准）到一个指定的地图坐 标系标系 整理ppt7 扫描地图的误差来源 GISGIS中数据的来源主要是对地图图纸中数据的来源主要是对地图图纸 的数字化的数字化, ,扫描数字化过程中引起的扫描数字化过程中引起的 误差主要决定于误差主要决定于 要素对象要素对象 软件处理技术软件处理技术 扫描仪扫描仪 整理ppt8 扫描要素对象扫描要素对象 要素本身的宽度、复杂程度、粘连以要素本身的宽度、复杂程度、粘连以 及图面的整洁和清晰程度都对扫描数字化及图面的整洁和清晰程度都对扫描数字化 误差有一定的影响。例如误差有一定的影响。例如, ,线条的粘连线条的粘连, ,结合结合 处易出现

6、较大的误差处易出现较大的误差; ;线条发虚线条发虚, ,会得到多个会得到多个 实体实体; ;图面不整洁引入了噪声图面不整洁引入了噪声, ,易引起软件误易引起软件误 判判; ;线条不光滑线条不光滑, ,易出现毛刺等易出现毛刺等。 整理ppt9 软件处理技术软件处理技术 在扫描数字化过程中在扫描数字化过程中, ,三个主要参数三个主要参数: :分辨率、分辨率、 门槛值门槛值( (灰度值或对比度值灰度值或对比度值) )和滤波值的确定将和滤波值的确定将 对扫描图的质量产生重大的影响对扫描图的质量产生重大的影响; ; 图像处理、几何校正和矢量化等后处理技术图像处理、几何校正和矢量化等后处理技术, , 其功

7、能的强弱、模型的优化将直接影响扫描数其功能的强弱、模型的优化将直接影响扫描数 字化的精度。字化的精度。 采用合适的校正模型采用合适的校正模型( (仿射变换、双线形变换、仿射变换、双线形变换、 多项式变换等多项式变换等) )、定向点的自动对中、采样点的、定向点的自动对中、采样点的 自动对中等自动对中等, ,将有效的提高扫描数字化的精度。将有效的提高扫描数字化的精度。 整理ppt10 扫描仪扫描仪 在扫描过程中在扫描过程中, ,由于使用由于使用CCDCCD扫描仪扫描仪, ,会引入会引入 一些误差。一些误差。 主要包含有主要包含有: : 扫描仪的分辨率扫描仪的分辨率; ; 光学误差光学误差; ; 电

8、信号传输过程中造成的辐射误差电信号传输过程中造成的辐射误差; ; 沿导轨扫描过程中沿导轨扫描过程中, ,由于机械运动、速度不均或其它原由于机械运动、速度不均或其它原 因所造成的直线性误差因所造成的直线性误差; ; 线阵方向与扫描方向不垂直所引起的线阵方向与扫描方向不垂直所引起的CCDCCD线阵的直线线阵的直线 性误差性误差; ; 外界因素影响产生的误差外界因素影响产生的误差; ; 随机性误差等等。随机性误差等等。 整理ppt11 所有以上这些扫描的误差引起的几何变形所有以上这些扫描的误差引起的几何变形, ,可看可看 成成平移、旋转、缩放、仿射、弯曲平移、旋转、缩放、仿射、弯曲以及各种更以及各种

9、更 高变形的综合作用结果。在实际操作过程中高变形的综合作用结果。在实际操作过程中, , 很难对这些误差一一进行变形改正很难对这些误差一一进行变形改正, ,只能综合只能综合 考虑它们的影响考虑它们的影响, ,综合校正。综合校正。 整理ppt12 输入到计算机中的图形，实际上都是通过输入到计算机中的图形，实际上都是通过 其位置坐标其位置坐标(x,y)(x,y)来表示，因此校正过程实来表示，因此校正过程实 质上是找一种数学关系质上是找一种数学关系( (或函数关系或函数关系) )，描述，描述 变换前图形坐标变换前图形坐标(x,y)(x,y)与变换后图形坐标与变换后图形坐标 (x,y)(x,y)之间的换

10、算，其数学关系一般描之间的换算，其数学关系一般描 述为述为 x=fx=f1 1(x,y)(x,y) y=f y=f2 2(x,y)(x,y) 整理ppt13 多项式变换(Polynomial) 这个数学关系常表示为二元多项式一次、二次或这个数学关系常表示为二元多项式一次、二次或 三次及更高次表达式三次及更高次表达式. . 其中其中A A、B B代表二次以上高次项之和。上式是高次变代表二次以上高次项之和。上式是高次变 换方程，符合上式的变换称为高次变换。在进行换方程，符合上式的变换称为高次变换。在进行 高次变换时，需要有高次变换时，需要有6 6对以上控制点的坐标和理论对以上控制点的坐标和理论 值

11、，才能求出待定系数。值，才能求出待定系数。 整理ppt14 当不考虑高次变换方程中的当不考虑高次变换方程中的A A和和B B时，则变时，则变 成二次变换方程，称为二次变换。二次变成二次变换方程，称为二次变换。二次变 换适用于原图有非线性变形的情况，至少换适用于原图有非线性变形的情况，至少 需要需要5 5对控制点的坐标及其理论值，才能求对控制点的坐标及其理论值，才能求 出待定系数。出待定系数。 整理ppt15 仿射变换（1次多项式） 仿射变换是使用最多的一种几何纠正方式，仿射变换是使用最多的一种几何纠正方式， 只考虑到只考虑到x x和和y y方向上的变形，仿射变换的方向上的变形，仿射变换的 特性

12、是：特性是： 直线变换后仍为直线；直线变换后仍为直线； 平行线变换后仍为平行线；平行线变换后仍为平行线； 不同方向上的长度比发生变化。不同方向上的长度比发生变化。 整理ppt16 对于仿射变换，只需知道不在同一直线上对于仿射变换，只需知道不在同一直线上 的三对控制点的坐标及其理论值，就可求的三对控制点的坐标及其理论值，就可求 得待定系数。但在实际使用时，往往利用得待定系数。但在实际使用时，往往利用4 4 个以上的点进行纠正，利用最小二乘法处个以上的点进行纠正，利用最小二乘法处 理，以提高变换的精度。理，以提高变换的精度。 整理ppt17 名词：Georeference 地理配准：是为了使地理配

13、准：是为了使 得影像数据可以和得影像数据可以和 GISGIS矢量数据集成在矢量数据集成在 一起，而为影像数据一起，而为影像数据 指定一个参考坐标系指定一个参考坐标系 的过程。的过程。 整理ppt18 将扫描地图配准到坐标系下将扫描地图配准到坐标系下 整理ppt19 影像配准的步骤 （RegisterRectify） 校准栅格数据校准栅格数据 （选择控制点）（选择控制点） 坐标变换坐标变换 （求解二元多项式（求解二元多项式n n次方程）次方程） 检查均方差（计算控制点误差）检查均方差（计算控制点误差） 重采样矫正（重采样矫正（RectifyRectify）：生成新的影）：生成新的影 像文件像文件

14、 （三种重采样算法）（三种重采样算法） 整理ppt20 整理ppt21 校准栅格数据 通常通常, ,你会将栅格数据校准到已经存在具有坐你会将栅格数据校准到已经存在具有坐 标信息的空间数据标信息的空间数据 （矢量数据）（矢量数据） 。首先假。首先假 定矢量化数据中的一些空间要素定矢量化数据中的一些空间要素 ( (目标数据目标数据) ) 也同时存在于要进行配准的栅格图像上也同时存在于要进行配准的栅格图像上 比如：比如： 街道、建筑物、河流街道、建筑物、河流. . 地理配准的基本过程地理配准的基本过程是在栅格图像中选取一是在栅格图像中选取一 定数据的定数据的控制点控制点，将它们的坐标指定为矢量，将它

15、们的坐标指定为矢量 数据中对应点的坐标（在空间数据中，这些数据中对应点的坐标（在空间数据中，这些 点的坐标是已知的，坐标系统为地图坐标系）点的坐标是已知的，坐标系统为地图坐标系） 整理ppt22 控制点 在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标，在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标， 即控制点。即控制点。 控制点的选取：控制点可以是经纬控制点的选取：控制点可以是经纬 线网格线网格 的交点、公里网格的交点或者一些典型地的交点、公里网格的交点或者一些典型地 物的坐标。物的坐标。 控制点的坐标：控制点的坐标： 如果我们知道这些点在我们矢量坐标系内坐标，如果我们知道这些点在我们矢量坐标系内坐标， 则直接输

16、入控制点的坐标值则直接输入控制点的坐标值; ; 如果不知道它们的坐标，则可以采用间接方法如果不知道它们的坐标，则可以采用间接方法 获取从矢量数据中选取。获取从矢量数据中选取。 整理ppt23 选取控制点 控制点的数目取决于控制点的数目取决于 你打算使用哪一种数学方法你打算使用哪一种数学方法 来实现坐标转换来实现坐标转换. . 但是，过多的控制点并不一定能够保证高精度的但是，过多的控制点并不一定能够保证高精度的 配准配准 。要尽可能使控制点均匀分布于整个格格图。要尽可能使控制点均匀分布于整个格格图 像，而不是只在图像的某个较小区域像，而不是只在图像的某个较小区域 选择控制点。选择控制点。 通常通

17、常, ,先在图像的四个角选择先在图像的四个角选择4 4个控制点，然后在个控制点，然后在 中间的位置有规律地选择一些控制点能得到较好中间的位置有规律地选择一些控制点能得到较好 的效果的效果 整理ppt24 地形图中，读取控制点的坐标，图中红色控制点地形图中，读取控制点的坐标，图中红色控制点 的坐标为（的坐标为（564000,2776000564000,2776000），单位：米），单位：米 整理ppt25 输入控制点坐标输入控制点坐标 整理ppt26 坐标变换坐标变换 一旦你选取了足够的控制点一旦你选取了足够的控制点, , 你就可以你就可以 将栅格数据变换（或转换）到地图坐将栅格数据变换（或转换

18、）到地图坐 标系统下标系统下. . 转换转换(Transformation) (Transformation) 运运 用一种数学变换方法来重新确定栅格用一种数学变换方法来重新确定栅格 数据中每个像元的灰度值。数据中每个像元的灰度值。 一次多项式：仿射（一次多项式：仿射（affineaffine）变换可变换可 以将栅格数据平移以将栅格数据平移, , 缩放缩放, , 及旋转及旋转. . 栅格图像中的一条直线变换后然后为直栅格图像中的一条直线变换后然后为直 线。线。 矩形和正方形变换后为平行四边形矩形和正方形变换后为平行四边形 整理ppt27 整理ppt28 检查均方差检查均方差(RMS) 坐标转换

19、的准确程度可以通过比较某坐标转换的准确程度可以通过比较某 一点在地图中的实际坐标与根据变换一点在地图中的实际坐标与根据变换 公式得到的坐标来判断。公式得到的坐标来判断。 这两个点之间的距离之差称为残差这两个点之间的距离之差称为残差 (residual error). (residual error). 通过计算均方差通过计算均方差 (RMS)(RMS)获取控制点总误差。获取控制点总误差。 均方差均方差(RMS) (RMS) 的大小描述了变换公式的大小描述了变换公式 在不同控制点间的一致性。在不同控制点间的一致性。 可以将残差特别大控制点删除，然后可以将残差特别大控制点删除，然后 添加新的控制点

20、。添加新的控制点。 整理ppt29 RMS RMS 比较小时，说明控制点的选取比较小时，说明控制点的选取 是比较准确的，但也要注意有可能存是比较准确的，但也要注意有可能存 在残差非常大的控制点，但由于其它在残差非常大的控制点，但由于其它 控制点是很精确的，所以总的控制点是很精确的，所以总的RMSRMS 误差比较小的情况。误差比较小的情况。 整理ppt30 矫正栅格数据矫正栅格数据-重采样重采样 你可能会认为一旦实现了栅格数据到地图坐标变换之后，每一个像元都你可能会认为一旦实现了栅格数据到地图坐标变换之后，每一个像元都 被转换到了新的地图坐标。事实并非如此。被转换到了新的地图坐标。事实并非如此。

21、 在地理配准过程中，将基于地图坐标生成在地理配准过程中，将基于地图坐标生成 一个一个“空的空的” 矩阵矩阵, , 矩阵中每个元素的值矩阵中每个元素的值 （表示颜色）将通过重采样重新计算。（表示颜色）将通过重采样重新计算。 整理ppt31 有三种通用的图像重采样技术有三种通用的图像重采样技术 最小紧邻最小紧邻 双线性内插双线性内插 立方卷积立方卷积 Nearest neighborNearest neighbor assignment takes the value from the cell assignment takes the value from the cell closest to

22、 the transformed cell as the new value. Its the closest to the transformed cell as the new value. Its the fastest resampling technique and is appropriate for fastest resampling technique and is appropriate for categorical, or thematic, data. categorical, or thematic, data. Bilinear interpolation and

23、 cubic convolutionBilinear interpolation and cubic convolution techniques techniques combine a greater number of nearby cells (4 and 16, combine a greater number of nearby cells (4 and 16, respectively) to compute the value for the transformed cell. respectively) to compute the value for the transfo

24、rmed cell. These two techniques use a weighted averaging method to These two techniques use a weighted averaging method to compute the output transformed cell value and thus are compute the output transformed cell value and thus are only appropriate for continuous data such as elevation, only approp

25、riate for continuous data such as elevation, slope, and other continuous surfaces.slope, and other continuous surfaces. 整理ppt32 Rectify：矫正栅格数据：矫正栅格数据 Rectify Rectify 生成一个新的已经过地理配准的栅生成一个新的已经过地理配准的栅 格文件。可以保存为格文件。可以保存为 ESRI GRIDESRI GRID、 TIFFTIFF 或者或者 ERDAS IMAGINEERDAS IMAGINE的格式的格式. . 整理ppt33 其它的矢量化

26、工具 R2V for Windows (9X, NT, 2000, ME, XP)R2V for Windows (9X, NT, 2000, ME, XP)是是 一款高级光栅图矢量化软件系统。该软件系统将一款高级光栅图矢量化软件系统。该软件系统将 强有力的智能自动数字化技术与方便易用的菜单强有力的智能自动数字化技术与方便易用的菜单 驱动图形用户界面有机地结合到驱动图形用户界面有机地结合到 Windows Windows 环境环境 中，为用户提供了全面的自动化光栅图像到矢量中，为用户提供了全面的自动化光栅图像到矢量 图形的转换，它可以处理多种格式的光栅（扫描）图形的转换，它可以处理多种格式的光

27、栅（扫描） 图像，是一个可以用扫描光栅图像为背景的矢量图像，是一个可以用扫描光栅图像为背景的矢量 编辑工具。由于该软件的良好的适应性和高精确编辑工具。由于该软件的良好的适应性和高精确 度，其非常适合于度，其非常适合于 GISGIS、地形图、地形图、CAD CAD 及科学及科学 计算等应用。计算等应用。 整理ppt34 整理ppt35 VPMax 整理ppt36 3.2.4要素矢量化要素矢量化 要素编辑的一般步骤要素编辑的一般步骤 创建新图层（要素类）：点、线、多边创建新图层（要素类）：点、线、多边 形形 编辑环境及工具编辑环境及工具 点要素编辑点要素编辑 线要素编辑线要素编辑 多边形要素编辑多

28、边形要素编辑 整理ppt37 要素编辑的一般步骤 在在ArcCatlogArcCatlog中创建新的要素类中创建新的要素类 在在ArcMapArcMap中加载新建的要素类，如有必要，加中加载新建的要素类，如有必要，加 载经过配准的扫描地图载经过配准的扫描地图 在在ArcMapArcMap中打开中打开“编辑器编辑器”工具栏，执行其中工具栏，执行其中 的的 “开始编辑开始编辑”命令，进入编辑状态。命令，进入编辑状态。 利用利用“编辑器编辑器”的功能完成地图要素的分层提的功能完成地图要素的分层提 取，打开图层的属性表，输入要素的相关属性取，打开图层的属性表，输入要素的相关属性 在编辑过程中，点击在编

29、辑过程中，点击“编辑器编辑器”中的中的“保存编保存编 辑辑”可以随时保存修改的结果，点可以随时保存修改的结果，点“停止编辑停止编辑” 完成编辑。完成编辑。 整理ppt38 创建新图层（要素类） ArcCatalogArcCatalog中可以创建矢量数据集中可以创建矢量数据集(shape(shape文件和文件和 地理数据库地理数据库geodatabase = “geodatabase = “要素类要素类”) ) 点：点：PointPoint 线：线：LineLine 多边形：多边形：PolygonPolygon 在在ArcMapArcMap中提供了全面的工具，可以完成矢量中提供了全面的工具，可以

30、完成矢量 数据的编辑数据的编辑 空间数据空间数据 属性数据属性数据 整理ppt39 新建图层要素类新建图层要素类 指定要素类型：点？指定要素类型：点？ 线？多边形？线？多边形？ 整理ppt40 在创建图层时在创建图层时 指定坐标系统指定坐标系统 在在ArcMapArcMap中指定数据中指定数据 框（定义地图）的坐标框（定义地图）的坐标 系统系统 整理ppt41 在创建图层（要素类）的在创建图层（要素类）的 时候除指定坐标系外，还时候除指定坐标系外，还 需要指定要素类的坐标范需要指定要素类的坐标范 围围 可以从已有的数据导入或可以从已有的数据导入或 手动指定这个范围手动指定这个范围 整理ppt4

31、2 添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在编添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在编 辑器中，点击辑器中，点击“开始编辑开始编辑”，并在目标图层中选，并在目标图层中选 中要编辑的图层。中要编辑的图层。 整理ppt43 屏幕跟踪数字化 从从“编辑器编辑器”工具栏中选中草图工具，根工具栏中选中草图工具，根 据扫描地图上的内容分层提取地图要素。据扫描地图上的内容分层提取地图要素。 整理ppt44 编辑图层中要素的属性 属性字段可以在创建图层时定义，也可以属性字段可以在创建图层时定义，也可以 在在ArcMapArcMap中添加中添加 字段名称：字段名称：field namefield name 数

32、据类型：数据类型：data typedata type 字段宽度：字段宽度：widthwidth 精度：精度：decimal precisiondecimal precision 整理ppt45 打开图层（要素类）的属性表，添加新字段打开图层（要素类）的属性表，添加新字段 添加属性字段 整理ppt46 编辑要素属性信息 在属性字段添加后，就可以输入或修改要在属性字段添加后，就可以输入或修改要 素的属性素的属性 整理ppt47 编辑环境及工具 主要编辑环境主要编辑环境“编辑器编辑器”工具栏工具栏 整理ppt48 “编辑器”工具栏 整理ppt49 捕捉环境Snapping 捕捉或悬挂操作捕捉或悬挂

33、操作: : 控制在新建或编辑要素时，要素如何排列控制在新建或编辑要素时，要素如何排列 线段之间的连接线段之间的连接 ( (在两条线段连接的地方在两条线段连接的地方 加一个结点加一个结点) ) 避免长悬避免长悬线线（overshootsovershoots）/ /短悬线短悬线 undershootsundershoots 避免避免 多边形区域的重叠或多边形区域的重叠或 间隙间隙 整理ppt50 捕捉环境Snapping 通过捕捉环境对话框设定在编辑时捕捉方 式 整理ppt51 捕捉线段 整理ppt52 撤销编辑 编辑操作可以撤销编辑操作可以撤销 编辑操作可以恢复到先前保存的状态编辑操作可以恢复到先前保存的状态 一旦进行了保存操作，所做编辑和修改无一旦进行了保存操作，所做编辑和修改无 法再撤销法再撤销 整理ppt53 保存编辑成果 在编辑过程中注意保存修改成果在编辑过程中注意保存修改成果 执行以下操作时，软件会提示进行保存执行以下操作时，软件会提示进行保存: : 停止数据集的编辑操作停止数据集的编辑操作 开始另一个数据集的编辑操作开始另一个数据集的编