基于DRG生產的標準圖幅精準誤差校正

王迎東，姚磊華，張 亮，王俊鑫

（1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083）

基于DRG生產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計研究院有限公司，北京 100024；2.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083）

MapGIS系統主要應用于對矢量文件的精準誤差校正。傳統方法采用逐個采集控制點，繁瑣且易出錯。在實際工作中發現了圖像像素坐標系與圖形物理坐標系之間存在的關系，探討了DRG生產校正點數據應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

MapGIS是具有自主版權的國產大型基礎地理信息系統軟件平臺，目前在國內使用廣泛[1]。通常在地圖掃描輸入或數字化輸入過程中，難免存在圖紙變形誤差，掃描儀質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]，數字化的地圖數據必須經過編輯處理和數據校正，消除輸入圖形的變形，才能進行應用或入庫[3]。但在實際工作中，由于操作人員專業素質和軟件經驗的參差不齊，經常遇到沒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MapGIS誤差校正方法

MapGIS 的誤差校正系統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）設置控制點參數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）設置控制點參數為采集理論值，選擇校正參考文件，并按步驟3）中的規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緯網交點文件以及與該圖幅對應的標準圖框線文件）；

2）設置控制點參數為采集實際值，選擇實際經緯網交點文件，并自動采集實際控制點；

3）設置控制點參數為采集理論值，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誤差校正方法提出改進[6,7]，但仍需進行人工采集較大數量校正點，可操作性不佳。

2 基于DRG生產的誤差校正改進方法

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

2.1 坐標轉化原理

MapGIS系統由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]：即一般數字圖像識別和圖像處理所用的坐標系統。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把原始數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。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。

由于地圖數字化過程中掃描分辨率不同，致使單位長度上的像素個數也不同，一張地質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與行數 ，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：

根據上述轉化原理，可將像素坐標系中的坐標轉化為物理坐標系中的值，實現將DRG生產過程中的校正控制點數據轉化成誤差校正控制點數據。

2.2 應用實例

本文以1∶ 5萬某地質圖為例，使用MapGIS K9平臺，從操作細節上講述本文方法的實現步驟。

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。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）生成控制點數據。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，定位內圖廓點，完成參數設置和內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系。需要注意的是，該地質圖不采用國家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，并適時糾正格網大小，以提高生產速度[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據。

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 文件導入Excel 表，分隔符號選“逗號”，并刪去“殘差”一列，此時待處理數據如表1所示。

表1 待處理的像素坐標控制點數據

利用上述求得的縮放因子λx、λy和式（3）的一一對應關系來處理坐標數據，將圖像坐標x或y轉化為所對應的圖形物理坐標系下的坐標值，此時，處理后的數據如表2所示。

表2 處理后的圖形坐標控制點數據

將修改后的坐標數據文件保存為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文件中的控制點數據，并保存文件。

4）數據驗證。本文利用傳統誤差校正方法采集了25個控制點數據來驗證上述數據，按照坐標位置與上述得到的對應的控制點進行對比,如表3所示。

表3 控制點數據對比

綜合25組控制點數據可知，最大的絕對誤差率僅為4.83×10-3。若考慮傳統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果的影響。

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

圖3 校正結果與標準圖框套合示意圖

3 結 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化關系，可成功將DRG生產的*.gcp控制點文件應用在矢量文件精準誤差校正中。相較于傳統的添加控制點格網進行誤差校正的方式，大大減少了數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。

[1] 吳信才.MapGIS地理信息系統[M].北京:電子工業出版社,2004

[2] 余曉紅. 地圖掃描數字化的誤差分析[J]. 測繪科學, 2001, 26(4): 49-52

[3] 樊文有, 謝忠. GIS 空間數據的誤差校正[J]. 地球科學, 1998, 23(4): 344-347

[4] 鄭偉鋒, 彭衛平, 賀冰, 等. 基于MapGIS“ 校正” 功能解決特殊問題的案例[J]. 測繪與空間地理信息, 2009, 32(2): 122-124

[5] 郝明, 張建龍, 梁虹. MapGIS投影變換與誤差校正結合應用的研究與實踐[J]. 測繪與空間地理信息, 2010, 33(4):119-124

[6] 楊金玲, 朱大明, 曹先革. 基于 MapGIS 的誤差校正改進方法[J]. 測繪工程, 2006, 15(1): 3l-33

[7] 張華平,王增輝,趙西強,等. 一種基于MapGIS的矢量文件快速校正方法[J]. 測繪通報,2012(增刊):455-456

[8] 洪鋼, 張繼賢. 數字柵格地圖的制作[J]. 測繪科學, 2000, 25(3): 43-45

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1672-4623（2015）04-0145-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.052

王迎東,碩士，研究方向為地質工程與巖土工程。

2013-10-21。