歷史圖件圖像配準的常用方法研究

黃錦斌

（1.廣州市房地產(chǎn)測繪院，廣東 廣州 510000；2.廣州市測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心，廣東 廣州 510000）

1 引言

戶地圖是新中國成立后廣州市最早利用的地籍成果，自1930年測制后一直修編至1986年。戶地圖不僅關聯(lián)著土地和房屋的權(quán)屬信息，也記錄著道路、水系、地名等基礎地理要素。隨著城市的發(fā)展變遷，有許多物權(quán)已滅失于歷史長河中，而現(xiàn)實中實體滅失的物權(quán)由于缺乏空間位置、門牌地址、四鄰關系等必要線索，需要根據(jù)戶地圖所關聯(lián)的歷史物權(quán)信息進一步確認其產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀，把戶地圖與其年代相近的歷史地形圖進行圖像配準，將戶地圖數(shù)據(jù)成果與已有的空間數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。戶地圖目前可用于土地確權(quán)、地籍調(diào)查成果核查、權(quán)屬糾紛調(diào)處、直管房管理等諸多國土房管業(yè)務。

2 圖像配準的基本原理

圖像配準是圖像處理和分析的一個重要環(huán)節(jié)，將不同年代、不同變形程度的圖像與參考底圖變換,使同名像點在位置和方位上完全疊合。

圖像配準主要包括兩方面內(nèi)容：（1）確定足夠數(shù)量的配準匹配點；（2）根據(jù)這些配準匹配點確定圖像與參考底圖之間的對應關系。

目前常用的圖像配準方法主要有 ：零階平移變換、一階多項式變換、校正變換、投影變換、二階多項式變換、三階多項式變換、樣條函數(shù)變換。因為柵格數(shù)據(jù)集需要拉伸、縮放和旋轉(zhuǎn)，所以一階多項式（仿射）變換常用于對柵格數(shù)據(jù)集進行圖像配準。

使用一階（或仿射）變換來平移、縮放和旋轉(zhuǎn)柵格數(shù)據(jù)集，通常會在柵格數(shù)據(jù)集上得到直線，這些直線在扭曲的柵格數(shù)據(jù)集中映射為直線。因此，柵格數(shù)據(jù)集上的正方形和矩形通常會變?yōu)榫哂腥我獗壤徒嵌确较虻钠叫兴倪呅巍?/p>

通過使用最少三個鏈接，采用一階變換的數(shù)學方程可將每個柵格點準確映射至目標位置。任意三個以上的鏈接都會產(chǎn)生誤差或殘差，它們會均勻分布在所有鏈接上，從而達到最理想的配準效果。

3 戶地圖與歷史數(shù)據(jù)配準

3.1 戶地圖數(shù)據(jù)分析

上世紀50年代測制的1∶2000歷史地形圖上標注了兩種圖號，一是與目前廣州坐標的1∶2000圖號一致，二是與戶地圖上鉛筆標注的十字絲圖號一致，根據(jù)戶地圖上后期添加的十字絲，通過實驗確認，與1∶500標準地形圖分幅一致。通過以上規(guī)律，依據(jù)戶地圖上十字絲及其圖幅命名方式，找出命名規(guī)律，制作出1∶500和1∶2000戶地圖結(jié)合表。

經(jīng)多次配準測試，擬定利用戶地圖上的十字絲（方格網(wǎng)）作為參考同名點進行配準，先找到大致位置，再利用歷史地形圖中的歷史地物、現(xiàn)狀電子地圖數(shù)據(jù)中的水系、道路走向等資料，作為配準參考進行精確配準。鑒于以上原因，只能參照明顯地物，通過幾何配準的方法將戶地圖配準到有統(tǒng)一坐標系的現(xiàn)狀地形圖或歷史地形圖。

3.2 戶地圖配準方法

圖像配準有多種方式可以選擇，實際作業(yè)時可根據(jù)數(shù)據(jù)情況按如下順序依次選擇方法：

（1）戶地圖上的標的物目前仍存在的，則根據(jù)標的物進行圖像配準；（2）戶地圖上的標的物已不存在但歷史資料（影像或歷史地形圖）能找到記錄的，則根據(jù)歷史資料進行圖像配準；（3）戶地圖上的標的物目前已不存在且歷史資料（影像或地圖）未有記錄的，則根據(jù)圖幅結(jié)合表進行圖像配準。

3.2.1 根據(jù)分幅框粗略配準

由于掃描件可進行縮放和旋轉(zhuǎn)，可先根據(jù)戶地圖上人工標注的分幅編碼找到對應的分幅框，用圖上的分幅角點對戶地圖進行定位，疊加已配準好的歷史地形圖，根據(jù)圖中還存在的標的物，如水系網(wǎng)、道路（鐵路）網(wǎng)、房屋房角點等進行粗略配準（如圖1所示），確保圖幅位置大致正確，盡量不產(chǎn)生圖像變形。

圖1 戶地圖粗略定位

3.2.2 根據(jù)歷史地形圖進行精確配準

在粗略配準基礎上，以歷史地形圖、現(xiàn)狀電子地圖上的地物等為參考資料，逐次選擇整個范圍內(nèi)均勻分布的4個或以上關鍵地物點作為匹配點進行調(diào)整，使圖幅精度符合要求。根據(jù)精確配準后的位置定位，可以看出戶地圖中的小橋、道路及水系與歷史地形圖中的小橋、道路、水系走向及田埂基本吻合（如圖2所示），以這幅戶地圖為基準圖，用上述方法對其周邊的戶地圖進行配準。在配準過程中會出現(xiàn)圖框變形、超出允許值范圍的現(xiàn)象，因此在圖內(nèi)地物配準時，要保證圖框尺寸在允許值范圍內(nèi)。

圖2 戶地圖精確配準

3.2.3 以多幅圖為配準基準，提高整體配準精度

一區(qū)段的戶地圖數(shù)據(jù)少則10張，多則可達50張，實驗證明，如果以配準好的一張戶地圖作為基準圖，越往外輻射圖幅變形越大，與現(xiàn)狀地物偏離越大，因此，在配準前期需要找到戶地圖上地物較多、在整區(qū)段分布均勻的多幅圖作為配準整個段的基準圖（如圖3所示），以提高配準精度。

圖3 選用多基準圖進行配準

3.2.4 部分圖件上的地物與現(xiàn)狀地物匹配度

最早的戶地圖測制于1930年，當時測繪儀器十分簡陋，如果出現(xiàn)跨江河、山體等跨度較大的地物，邊長精度就難以保證。

在配準過程中發(fā)現(xiàn)，同一幅戶地圖，以河流為界，河流右側(cè)房屋與現(xiàn)狀基本吻合，但河流左側(cè)的房屋、道路與現(xiàn)狀地物不匹配。經(jīng)多方面考慮，圖上河流寬度約30米，可能因河流寬度不準確而導致圖形配準時變形錯位，達不到配準要求。因此，為提高局部要素精度，對于能沿河流、道路、空地塊分布的要素，用Photoshop對圖幅進行裁切，將一幅圖分為多幅圖再進行配準，雖然增加了配準工作量，但實踐證明該方法可行，有效解決了在配準后同一幅戶地圖左右區(qū)域配準偏差的現(xiàn)象。底圖裁切后配準效果如圖4所示。

圖4 底圖裁切后配準效果

3.2.5 戶地圖接邊

以精確配準后的戶地圖為中心，對周邊的戶地圖進行接邊處理。經(jīng)過精確配準的戶地圖在與相鄰圖幅接邊時，圖斑基本能重疊對上，地物與現(xiàn)狀電子地圖房屋、道路走向基本吻合，再經(jīng)過手工添加控制點進行糾正，得到很好的接邊效果，如圖5所示。

圖5 與相鄰圖幅接邊效果

4 圖像配準精度評定

本次矢量化的戶地圖基本都是新中國成立前測制的戶地圖，下述幾個方面對幾何配準精度造成影響：

（1）由于測量年代久遠，測量方法和條件限制，無法得知戶地圖和用以配準的歷史地形圖的測量精度，與現(xiàn)代測量相比相差較大；（2）由于紙質(zhì)保存和使用頻繁，戶地圖存在不同程度的破損、折痕、伸縮、變形等情況，影響戶地圖的原有測量精度；（3）選取用于配準的關鍵地物點數(shù)量是否足夠多、有無變化變形、測量精度高低等。

由于戶地圖的地物點坐標值和測量精度均無法估算，配準精度無法采用對應點坐標點位較差的方法進行檢測，需要計算對應關鍵地物點和鄰近對應關鍵地物點的點位間距中誤差，進行幾何配準精度檢核，即分別計算戶地圖和歷史地形圖對應地物點的間距，再求中誤差。參考相關精度要求，計算本次戶地圖矢量化的相鄰地物點中誤差是不現(xiàn)實的。因此，盡量尋找更多的對應地物點，對各區(qū)域的精度進行統(tǒng)計，進而得知各區(qū)段的精度差異。針對戶地圖上的標的物目前仍存在，或者標的物目前已不存在但歷史資料（影像或地圖）仍能找到的，根據(jù)統(tǒng)計把標的物當作關鍵地物點進行精度統(tǒng)計。對于戶地圖上的標的物目前已不存在且歷史資料沒有記錄的，則無法進行精度統(tǒng)計。

圖像配準的精度評定，通過內(nèi)、外業(yè)評定兩種方式確定。內(nèi)業(yè)評定是通過十字絲及均勻分布的配準匹配點，通過查看連接表中各檢查匹配點的殘差，刪除殘差特別大的匹配點并重新選取，各匹配點殘差均勻分布，可以認定這幅圖配準成功，要做好戶地圖配準工作記錄。

戶地圖數(shù)據(jù)在圖像配準后，對現(xiàn)存地物進行實地測量，利用全站儀測量房角點坐標、量取房屋邊長，對實測的房角點坐標數(shù)據(jù)與戶地圖上同名點坐標進行比較。由比較結(jié)果可知，點位中誤差和邊長中誤差均滿足1∶2000數(shù)字地形圖中的地物點平面位置精度要求。地物點平面位置精度如表1所示，檢驗結(jié)果如表2、表3所示。

表1 地物點平面位置精度（m）

表2 平面測量精度（m）

表3 量邊檢驗記錄表（m）

5 結(jié)論分析

本文在特征點匹配的基礎上，采用一階多項式（仿射）的模型進行圖像配準，重點介紹配準過程中出現(xiàn)的問題和解決方法，以及匹配特征點數(shù)目及多幅圖作為配準基準對圖像配準精度的影響，最后進行精度評價。結(jié)果表明：

（1）影像特征點匹配結(jié)果正確、匹配點分布均勻時，匹配點數(shù)目越多，利用一階多項式（仿射）進行圖像配準的精度越高。

（2）戶地圖圖像配準中，要多方面、多角度分析每一張戶地圖與歷史地形圖、現(xiàn)狀地物數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，找到戶地圖上地物較多的圖形，以多幅圖作為配準整個段的基準，提高整體配準精度，出現(xiàn)偏差較大的，要具體問題具體分析。