基于DRG生产的标准图幅精准误差校正

王迎东，姚磊华，张 亮，王俊鑫

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

基于DRG生产的标准图幅精准误差校正

王迎东1,2，姚磊华2，张 亮2，王俊鑫2

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

MapGIS系统主要应用于对矢量文件的精准误差校正。传统方法采用逐个采集控制点，繁琐且易出错。在实际工作中发现了图像像素坐标系与图形物理坐标系之间存在的关系，探讨了DRG生产校正点数据应用于矢量精准校正的方法,并以实例验证了其高效性。

精准误差校正；像素坐标系；物理坐标系；DRG生产

MapGIS是具有自主版权的国产大型基础地理信息系统软件平台，目前在国内使用广泛[1]。通常在地图扫描输入或数字化输入过程中，难免存在图纸变形误差，扫描仪质量及扫描分辨率选择上的误差，以及操作过程中的误差，使输入后的图形与实际图形所在的位置有所偏差，精度难以达到工作要求[2]，数字化的地图数据必须经过编辑处理和数据校正，消除输入图形的变形，才能进行应用或入库[3]。但在实际工作中，由于操作人员专业素质和软件经验的参差不齐，经常遇到没对底图校正配准就进行矢量化的情况，造成不可避免的矢量误差，此时，矢量地图必须经过误差校正，清除输入图形的变形，才能使之满足工作要求[4]。

1 传统MapGIS误差校正方法

MapGIS 的误差校正系统提供了两种误差校正方法：交互式校正和自动校正。其中交互式误差校正适用于所选控制点较少，误差校正精度要求不高的图形；自动校正适用于控制点较多，误差校正精度要求较高的图形[1]。

1.1 交互式误差校正步骤

1）打开需要校正的文件（点文件、线文件或面文件）及校正参考文件；

2）设置控制点参数为采集实际值并选择采集文件；

3） 添加校正控制点，按一定规则逐一采集控制点的实际坐标值，同时可手动输入理论值（若如此，则可跳过步骤4）；

4）设置控制点参数为采集理论值，选择校正参考文件，并按步骤3）中的规则采集控制点的理论坐标值；

5）检查修改控制点并进行文件校正。

1.2 自动误差校正步骤

1）打开需要校正的文件（点文件、线文件或面文件）及校正参考文件（包括从光栅文件上采集的实际经纬网交点文件以及与该图幅对应的标准图框线文件）；

2）设置控制点参数为采集实际值，选择实际经纬网交点文件，并自动采集实际控制点；

3）设置控制点参数为采集理论值，选择图框线文件，自动采集理论控制点，此时一般先定位4个角点，再自动匹配，生成控制点文件；

4）检查修改控制点并进行文件校正。

一般情况下，传统误差校正遇到精度要求较高，需要进行精准误差校正时，就需要尽可能在图面上选取大致均匀分布的点状要素或者线状要素的交点[5]。在实际工作中这种方式采集工作量大，耗费时间较多，且在采集控制点时易漏易错。有工作人员针对传统误差校正方法提出改进[6,7]，但仍需进行人工采集较大数量校正点，可操作性不佳。

2 基于DRG生产的误差校正改进方法

DRG（digital raster graphic）即数字栅格地图，是利用现有的纸质地形图经扫描、几何纠正、图像处理和数据压缩后形成的在内容、几何精度和色彩上与原图保持一致的栅格数据文件。MapGIS系统根据DRG数据生产的特点提供了高精度的几何校正算法，能根据图幅信息有效采集格里网上交点的控制数据，形成约500个控制点的校正数据文件，相对于传统误差校正控制点数据的获取方式更加精准和便捷。

2.1 坐标转化原理

MapGIS系统由2种不同坐标系组成，如图1所示。

图1 图像像素坐标系与图形物理坐标系示意

图像像素坐标系[u，v]：即一般数字图像识别和图像处理所用的坐标系统。它是固定在图像上以像素为单位的平面直角坐标系，其原点位于图像左上角，图像进行几何校正时，便是按照选定的纠正变换函数把原始数字图像中的像素逐个变换到纠正后的几何空间中[8]。DRG生产即是选用此坐标系。

图形物理坐标系[x，y]：即矢量文件所用的坐标系统。它是以mm为单位的平面直角坐标系，其坐标原点位于图形左下角，误差校正中图形坐标采用该坐标系。

由于地图数字化过程中扫描分辨率不同，致使单位长度上的像素个数也不同，一张地质图在图像像素坐标系的范围为（0，0）～（umax，vmax），每一像素的坐标（u，v）分别是该像素在像素坐标系中的列数与行数 ，而在图形物理坐标系中的范围则为（0，0）～（xmax，ymax）。本文在此定义λ为像素缩放因子，代表标准方向轴单位像素上的物理长度：

式中，λx代表x方向上的缩放因子；λy代表y方向上的缩放因子。

当图像像素坐标系中某一点为（u0，v0），则在图形物理坐标系中的坐标（x0，y0）可由式（2）计算得出：

将2个坐标系之间写成矩阵形式：

根据上述转化原理，可将像素坐标系中的坐标转化为物理坐标系中的值，实现将DRG生产过程中的校正控制点数据转化成误差校正控制点数据。

2.2 应用实例

本文以1∶ 5万某地质图为例，使用MapGIS K9平台，从操作细节上讲述本文方法的实现步骤。

1）求取缩放因子。打开栅格目录管理器，将栅格影像添加至地图文档中，使其处于当前编辑状态。切换到栅格校正视图，单击“开始栅格校正”，并显示控制点信息，可见未进行任何校正操作的底图4个角点的坐标，如图2所示。

图2 未操作时的控制点信息

其中，“校正点X（或Y）坐标”为图像像素坐标系下的最大像素长度，即umax（或vmax）；“参照点X（或Y）坐标”则为图形物理坐标系下的最大物理长度，即 xmax（或ymax）。由式（1），可求得该标准图幅下x和y方向的缩放因子λx与λy。其中，为保证计算精度，在实际计算中仍直接代入表达式。

2）生成控制点数据。在几何校正菜单下选择图幅生成控制点，输入图幅信息，并通过在影像上选择图幅坐标点，定位内图廓点，完成参数设置和内图廓点信息的输入后，点击生成GCP，将自动计算出控制点的理论坐标，并根据理论坐标反算出控制点的图像坐标[1]，此时粗略得到控制点像素坐标值与理论坐标值之间的映射关系。需要注意的是，该地质图不采用国家2000大地坐标系，故输入图幅信息时不勾选“采用大地坐标”。

利用顺序修改控制点依次修改原图上的所有控制点，并适时纠正格网大小，以提高生产速度[9]，直至残差达精度要求，更新并保存控制点信息为*.gcp文件，即实际坐标为图像像素坐标的校正数据。

3）修改控制点文件。本文利用Excel软件将实际坐标值为像素坐标的*.gcp控制点文件修改为实际值为物理坐标的*.pnt控制点文件。

将*.gcp 文件导入Excel 表，分隔符号选“逗号”，并删去“残差”一列，此时待处理数据如表1所示。

表1 待处理的像素坐标控制点数据

利用上述求得的缩放因子λx、λy和式（3）的一一对应关系来处理坐标数据，将图像坐标x或y转化为所对应的图形物理坐标系下的坐标值，此时，处理后的数据如表2所示。

表2 处理后的图形坐标控制点数据

将修改后的坐标数据文件保存为csv（逗号分隔）格式的文件，以记事本打开*csv文件，将“，”全部替换为空格。在误差校正模块中新建控制点*.pnt文件，用csv 格式文件中修改好的控制点信息更新*.pnt文件中的控制点数据，并保存文件。

4）数据验证。本文利用传统误差校正方法采集了25个控制点数据来验证上述数据，按照坐标位置与上述得到的对应的控制点进行对比,如表3所示。

表3 控制点数据对比

综合25组控制点数据可知，最大的绝对误差率仅为4.83×10-3。若考虑传统误差校正方法对控制点坐标采集的偏差，则可忽略这2种方法之间的误差对校正结果的影响。

进入误差校正子系统，利用本文方法得到的*.pnt控制点文件进行矢量误差校正，与该图幅所对应的标准图框套合结果如图3所示。

图3 校正结果与标准图框套合示意图

3 结 语

实践表明，利用图像像素坐标系与图形物理坐标系之间的转化关系，可成功将DRG生产的*.gcp控制点文件应用在矢量文件精准误差校正中。相较于传统的添加控制点格网进行误差校正的方式，大大减少了数字化员采集原图校正控制点的工作量，提高了校正速度，省时高效，方便快捷。

[1] 吴信才.MapGIS地理信息系统[M].北京:电子工业出版社,2004

[2] 余晓红. 地图扫描数字化的误差分析[J]. 测绘科学, 2001, 26(4): 49-52

[3] 樊文有, 谢忠. GIS 空间数据的误差校正[J]. 地球科学, 1998, 23(4): 344-347

[4] 郑伟锋, 彭卫平, 贺冰, 等. 基于MapGIS“ 校正” 功能解决特殊问题的案例[J]. 测绘与空间地理信息, 2009, 32(2): 122-124

[5] 郝明, 张建龙, 梁虹. MapGIS投影变换与误差校正结合应用的研究与实践[J]. 测绘与空间地理信息, 2010, 33(4):119-124

[6] 杨金玲, 朱大明, 曹先革. 基于 MapGIS 的误差校正改进方法[J]. 测绘工程, 2006, 15(1): 3l-33

[7] 张华平,王增辉,赵西强,等. 一种基于MapGIS的矢量文件快速校正方法[J]. 测绘通报,2012(增刊):455-456

[8] 洪钢, 张继贤. 数字栅格地图的制作[J]. 测绘科学, 2000, 25(3): 43-45

[9] 顾绘晓. 数字栅格地图 (DRG) 的生产实践[J]. 三晋测绘, 2002 (2): 9-11

P208

B

1672-4623（2015）04-0145-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.052

王迎东,硕士，研究方向为地质工程与岩土工程。

2013-10-21。