影像配准及地图数字化.ppt

GIS 空间分析使用 ArcGIS 影像配准及地图数字 化 3.2影像配准及地图数字化 3.2.1 地图矢量化 3.2.2 屏幕跟踪数字化过程 3.2.3影像配准 3.2.4要素矢量化 3.2.1 地图矢量化 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，GIS 主要涉及使用 扫描仪等设备对图件的扫描数字化， 这部 分的功能也较简单。因为通过扫描获取的 数据是标准格式的图像文件，大多 可直接 进入 GIS 的地理数据库。 从遥感影像上直接提取专题信息，需要使 用几何纠正、光谱纠正、影像增强、 图像 变换、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。 因此，以 下主要介绍 GIS 中矢量数据的采集。 手扶跟踪数字化 通过数字化仪获取是一 种最普通的传统方法 是单调而细致 的工作 数字化仪工作原理 操作人员在数字 化仪上点击一点 或跟踪一条线段 y = 10 x = 5 坐标被存入到GIS数据库中 3.2.2 屏幕跟踪数字化过程 1. 配准影像 2. 新建要素类 3. 在ArcMap中加载已配准的影像和新 建的图层（要素类） 4. 在ArcMap中使用“编辑器”，分层提 取要素（对于二值化扫描地图，可使用 ArcScan模块进行半自动化的屏幕跟踪 数字化） 3.2.3影像配准 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 。 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。而航空及卫星照片所 使用的坐标系统是相对于通用GIS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，以便进行分析， 就必须对其进行处理 ：用户需要事先将这些数据校准（配准） 到一个指定的地图坐标系 扫描地图的误差来源 GIS中数据的来源主要是对地图图纸 的数字化,扫描数字化过程中引起 的误差主要决定于 要素对象 软件处理技术 扫描仪 扫描要素对象 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 误差有一定的影响。例如，线条的粘连， 结合处易出现较大的误差;线条发虚,会得 到多个实体；图面不整洁引入了噪声，易 引起软件误判；线条不光滑,易出现毛刺 等。 软件处理技术 在扫描数字化过程中,三个主要参数:分辨率 、门槛值(灰度值或对比度值)和滤波值的确定将 对扫描图的质量产生重大的影响;而图像处理、 几何校正和矢量化等后处理技术,其功能的强弱 、模型的优化将直接影响扫描数字化的精度。 如采用合适的校正模型(仿射变换、双线形变换 、多项式变换等)、定向点的自动对中、采样点 的自动对中等,将有效的提高扫描数字化的精度 。 扫描仪 在扫描过程中,由于使用CCD扫描仪, 会引入一些误差。主要包含有:扫描仪的分 辨率;光学误差;电信号传输过程中造成的 辐射误差;沿导轨扫描过程中,由于机械运 动、速度不均或其它原因所造成的直线性 误差;线阵方向与扫描方向不垂直所引起的 CCD线阵的直线性误差;外界因素影响产 生的误差;随机性误差等等。 所有以上这些扫描的误差引起的几何变形,可看 成平移、旋转、缩放、仿射、弯曲以及各种 更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,只能综 合考虑它们的影响,综合校正。 输入到计算机中的图形，实际上都是通过 其位置坐标(x,y)来表示，因此校正过程实 质上是找一种数学关系(或函数关系)，描 述变换前图形坐标(x,y)与变换后图形坐标 (x,y)之间的换算，其数学关系一般描述 为 x=f1(x,y) y=f2(x,y) 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 或三次及更高次表达式. 其中A、B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 进行高次变换时，需要有6对以上控制点的坐标 和理论值，才能求出待定系数。 当不考虑高次变换方程中的A和B时，则 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 少需要5对控制点的坐标及其理论值，才 能求出待定系数。 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 ，只考虑到x和y方向上的变形，仿射变换 的特性是： 直线变换后仍为直线； 平行线变换后仍为平行线； 不同方向上的长度比发生变化。 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 得待定系数。但在实际使用时，往往利用 4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。 名词：Georeference 地理配准：是为了 使得影像数据可以 和GIS矢量数据集 成在一起，而为影 像数据指定一个参 考坐标系的过程。 将扫描地图配准到坐标系下 影像配准的步骤 （RegisterRectify） n校准栅格数据 （选择控制点） n坐标变换 （求解二元多项式n次方程） n检查均方差（计算控制点误差） n重采样矫正（Rectify）：生成新的影 像文件 （三种重采样算法） 校准栅格数据 通常,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 （矢量数据） 。首先 假定矢量化数据中的一些空间要素 (目标数 据)也同时存在于要进行配准的栅格图像上 比如： 街道、建筑物、河流. 地理配准的基本过程是在栅格图像中选取 一定数据的控制点，将它们的坐标指定为 矢量数据中对应点的坐标（在空间数据中 ，这些点的坐标是已知的，坐标系统为地 图坐标系） 控制点 在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标 ，即控制点。 控制点可以是经纬 线网格的交点、公里网 格的交点或者一些典型地物的坐标。 我们可以从 图中均匀的取几个点。如果我 们知道这些点在我们矢量坐标系内坐标， 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获取 从矢量数据中选取。 选取控制点 控制点的数目取决于 你打算使用哪一种数学方 法来实现坐标转换. 但是，过多的控制点并不一 定能够保证高精度的配准 。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 选择控制点。 通常,先在图像的四个角选择4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 好的效果 地形图中，读取控制点的坐标，图中红色控制 点的坐标为（564000,2776000），单位：米 输入控制点坐标 坐标变换 一旦你选取了足够的控制点, 你就可 以将栅格数据变换（或转换）到地图 坐标系统下. 转换(Transformation) 运 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。 一次多项式：仿射（affine）变换 可以将栅格数据平移, 缩放, 及旋转. 栅格图像中的一条直线变换后然后为直 线。 矩形和正方形变换后为平行四边形 检查均方差(RMS) 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 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 (residual error). 通过计算均方差 (RMS)获取控制点总误差。 均方差(RMS) 的大小描述了变换公式 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 添加新的控制点。 RMS 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RMS误差比较小的情况。 矫正栅格数据-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，每一个像元都被转换到了 新的地图坐标。事实并非如此。在地理配 准过程中，将基于地图坐标生成一个“空 的” 矩阵, 矩阵中每个元素的值（表示颜色 ）将通过重采样重新计算。 Rectify：矫正栅格数据 Rectify 生成一个新的已经过地理配准的 的格文件。可以保存为 ESRI GRID、 TIFF或者 ERDAS IMAGINE的格式. 其它的矢量化工具 R2V for Windows (9X, NT, 2000, ME, XP)是一 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 单驱动图形用户界面有机地结合到 Windows 环 境中，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 应性和高精确度，其非常适合于 GIS、地形图 、CAD 及科学计算等应用。 VPMax 3.2.4要素矢量化 要素编辑的一般步骤 创建新图层（要素类）：点、线、多边形 编辑环境及工具 点要素编辑 线要素编辑 多边形要素编辑 要素编辑的一般步骤 l在ArcCatlog中创建新的要素类 l在ArcMap中加载新建的要素类，如有必 要，加载经过配准的扫描地图 l在ArcMap中打开“编辑器”工具栏，执行其 中的 “开始编辑”命令，进入编辑状态。 l利用“编辑器”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 l在编辑过程中，点击“编辑器”中的“保存编 辑”可以随时保存修改的结果，点“停止编 辑”完成编辑。 创建新图层（要素类） ArcCatalog中可以创建矢量数据集(shape文件 和地理数据库geodatabase = “要素类”) 点：Point 线：Line 多边形：Polygon 在ArcMap中提供了全面的工具，可以完成矢量 数据的编辑 空间数据 属性数据 新建图层要素类 指定要素类型：点 ？线？多边形？ 在创建图层时 指定坐标系统 在ArcMap中指定数 据框的坐标系统 在创建图层（要素类） 的时候除指定坐标系外 ，还需要指定要素类的 坐标范围 可以从已有的数据导入 或手动指定这个范围 添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在 编辑器中，点击“开始编辑”，并在目标图层中选 中要编辑的图层。 屏幕跟踪数字化 从“编辑器”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。 编辑图层中要素的属性 属性字段可以在创建图层是定义，也可以 在ArcMap中添加 Fields are added; define 字段名称：field name 数据类型：data type 字段宽度：width 精度：decimal precision 打开图层（要素类）的属性表，添加新字 段 添加属性字段 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 素的属性 编辑环境及工具 主要编辑环境“编辑器”工具栏 “编辑器”工具栏 捕捉环境Snapping 捕捉或悬挂操作: how features align during creation/editing 线段之间的连接 (在两条线段连接的地 方加一个结点) completion of polygons avoid overshoots/undershoots avoid slivers or gaps 捕捉环境Snapping 通过捕捉环境对话框设定在编辑时捕捉方 式 Snapping options Interactive snapping options Snap to an existing vertex Snap to an existing line segment or polygon edge Snap to an intersection of two or more lines Snap to an existing line endpoint Snapping can be layer-to-layer_ 捕捉线段 点要素的编辑 在图层中新建、删除、移动一个点要素 线要素的编辑 悬挂功能 修改线段的形状（编辑顶点） 分割线要素、公共顶点的编辑 合并线要素 封闭线段 打断线要素 打断工具 封闭线段 多边形要素的编辑 多边形顶点编辑（改变形状） 分割多边形 公共边的编辑 要素合并（Union）：求并集，比如：由 多个岛屿组成的行政区，飞地。 要素联合（Combine): 中心有岛屿的湖泊 要素相减（Subtract）：去除重叠部分（ landuse) 要素相交（Intersection): 获取多个多边形 的公共部分 多边形顶点编辑 topological editing 多边形顶点编辑 non-topological editing 分割多边形 Splitting features Geodatabase splitting policies Attributes are handled by policies Duplicate: values in new records are copied from the parent record Geometry property (e.g., area, perimeter, length) automatically handled Geometry ratio (e.g., population)_ Splitting features Attribute splitting (for geodatabase feature classes) is handled by policies image from ESRI 同层要素空间合并(Merge) sele