李桂芬 于愛潔 王天明

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

在測繪測繪地理信息數(shù)據(jù)大規(guī)模生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到應(yīng)急響應(yīng)的需求，為了解決控制點(diǎn)采集速度不高對應(yīng)急響應(yīng)造成的影響，經(jīng)過實(shí)踐摸索、調(diào)研學(xué)習(xí)，可以采用建立控制點(diǎn)庫的方式，解決地理信息應(yīng)急響應(yīng)的需求?？刂泣c(diǎn)庫的建立讓原有的地理信息數(shù)據(jù)成果能夠被重復(fù)使用，在一定精度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)影像快速匹配，經(jīng)過算法解算，可以將控制點(diǎn)信息直接用于糾正后的正射影像，對影像的定向、定位、快速糾正都具有一定的意義。

1.控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫概述

控制點(diǎn)可以分為多個(gè)不同的級別，例如，國家控制點(diǎn)、影像控制點(diǎn)、工程控制點(diǎn)、地方控制點(diǎn)等。國家控制點(diǎn)包括三角網(wǎng)點(diǎn)、基本水準(zhǔn)點(diǎn)、全球定位系統(tǒng)站點(diǎn)、衛(wèi)星定位服務(wù)參考站等。影像控制點(diǎn)是攝影測量、遙感解譯等應(yīng)用領(lǐng)域的基本參考數(shù)據(jù)，是目前應(yīng)用范圍最廣的控制點(diǎn)。依據(jù)不同類型項(xiàng)目的等級和精度需求，國家控制點(diǎn)一般歸屬國家所有，而影像控制點(diǎn)則按照獲取方式、分辨率、比例尺、像控等級等指標(biāo)的不同，可以提取出屬性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等有用信息，這些特征信息經(jīng)過分析和取舍，錄入數(shù)據(jù)庫，即成為控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫。

2.控制點(diǎn)影像庫建設(shè)

2.1 建設(shè)流程

建立控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫是完成影像拼接幾何糾正過程的重要環(huán)節(jié)，也是利用控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用的主要步驟。首先，在數(shù)據(jù)源選擇環(huán)節(jié)，我們要處理數(shù)字柵格地圖、航空正射影像、航天正射影像等類型的數(shù)據(jù)源，在控制點(diǎn)采集之前，需要對數(shù)據(jù)源的質(zhì)量進(jìn)行控制，精度不符合要求的數(shù)據(jù)直接影響控制點(diǎn)的精度。在數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量把控階段，要進(jìn)行圖形控制點(diǎn)采集、相關(guān)的屬性錄入和檢查、像控點(diǎn)采集等環(huán)節(jié)，生成圖形和圖像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)集。錄入數(shù)據(jù)庫后，要對控制點(diǎn)庫進(jìn)行管理，以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。建立控制點(diǎn)庫的最終目的是應(yīng)用，因此在數(shù)據(jù)應(yīng)用階段，還要對控制點(diǎn)進(jìn)行選點(diǎn)糾正，并進(jìn)行必要的質(zhì)量檢查?？刂泣c(diǎn)影像庫建設(shè)及應(yīng)用流程（如圖1 所示）：

圖1 控制點(diǎn)影像庫建設(shè)及應(yīng)用流程

2.2 數(shù)據(jù)源

控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫一般由控制點(diǎn)影像和元數(shù)據(jù)等兩部分組成，控制點(diǎn)影像是在選取的控制點(diǎn)所在區(qū)域外擴(kuò)一定寬高比截取的圖片，是主要數(shù)據(jù)；元數(shù)據(jù)也稱屬性數(shù)據(jù)，是對控制點(diǎn)影像的描述，屬性字段是固定不變的，是輔助數(shù)據(jù)?？刂泣c(diǎn)影像的采集一般建立在已有的數(shù)據(jù)成果之上，例如，DOM或外業(yè)控制點(diǎn)。一般選取色彩鮮艷、清晰度高、對比度高的圖像進(jìn)行截取，且控制點(diǎn)精度高，這樣可以提高匹配的成功率?？刂泣c(diǎn)影像需要使用進(jìn)行過幾何校正的正射影像，元數(shù)據(jù)一般包括分辨率、影像獲取時(shí)間、幾何精度、獲取姿態(tài)、坐標(biāo)系信息、影像處理時(shí)間等信息。

2.3 相關(guān)技術(shù)

2.3.1 影像存儲技術(shù)

遙感影像數(shù)據(jù)量很大，相比之下，控制點(diǎn)影像的數(shù)據(jù)量就小很多，因此在系統(tǒng)存儲和讀取控制點(diǎn)影像時(shí)，可以考慮通過二進(jìn)制流的形式將控制點(diǎn)影像直接存入數(shù)據(jù)庫，這樣做可以便于后期對控制點(diǎn)影像的管理，因?yàn)榭刂泣c(diǎn)影像經(jīng)常需要更新，將控制點(diǎn)影像存入數(shù)據(jù)庫可以最大限度降低數(shù)據(jù)冗余度。常用的影像格式有JPG,BMP,PNG 和TIFF，讀取數(shù)據(jù)流要使用ADO 的BitStream 類的相關(guān)方法，讀取出的二級制流需要在本地磁盤建立虛擬目錄，然后從虛擬目錄中調(diào)用影像路徑進(jìn)行顯示。

2.3.2 數(shù)據(jù)整合技術(shù)

數(shù)據(jù)整合包括多個(gè)級別、多個(gè)來源的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)整合，像控點(diǎn)元數(shù)據(jù)與影像信息匹配整合，數(shù)據(jù)邏輯層級與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系整合，以及漏洞數(shù)據(jù)整合。

2.3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)

常見的坐標(biāo)系有1954 北京坐標(biāo)系、1980 西安坐標(biāo)系、WGS-84 經(jīng)緯度坐標(biāo)系和CGCS2000 坐標(biāo)系，本論文設(shè)計(jì)的控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序需要在必要時(shí)對它們進(jìn)行轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換第一步是需要收集坐標(biāo)系參數(shù)；第二步是計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，采用高斯展開式計(jì)算；第三步是根據(jù)不用精度要求設(shè)計(jì)小數(shù)規(guī)則，經(jīng)緯度一般保留小數(shù)點(diǎn)后三位，第四位視情況而定，可以四舍五入或者全部舍去。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)自底向上可以分解為三個(gè)層次，分別為數(shù)據(jù)層、邏輯層和用戶層，其中數(shù)據(jù)層也稱作數(shù)據(jù)訪問及數(shù)據(jù)庫層，邏輯層也稱為業(yè)務(wù)邏輯層或具體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層，用戶層也稱為用戶交互層或用戶界面層。數(shù)據(jù)層一般采用官方提供的數(shù)據(jù)連接方式，封裝了數(shù)據(jù)訪問方法，部分公共數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化設(shè)計(jì)和封裝。邏輯層一般采用模塊化設(shè)計(jì)，按照不同的功能封裝算法或跳轉(zhuǎn)方式。用戶層是直接與用戶交互的部分，用戶只和界面打交道，無需關(guān)注業(yè)務(wù)邏輯是如何實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)總體架構(gòu)（如圖2 所示）：

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.5 程序界面設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序采用.net 平臺C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)列表分為用戶基表、選中表結(jié)構(gòu)和瀏覽數(shù)據(jù)三部分。數(shù)據(jù)庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫，通過程序界面可以控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的增刪改查，以及數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)顯示和圖像數(shù)據(jù)輸出等功能，同時(shí)可以指定路徑上傳影像，數(shù)據(jù)庫操作界面（如圖3 所示）：

圖3 數(shù)據(jù)庫操作界面

控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫可以按照不同比例尺分為多個(gè)級別，一般1∶10000 比例尺庫保存1 米/像素和2.5米/像素分辨率的控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)，1∶50000 比例尺庫保存5米/像素分辨率控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容一般包括控制點(diǎn)的影像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)符合第三范式，便于檢索，避免冗余，在實(shí)際管理過程中還加入了權(quán)限控制，這樣做有利于在不同的生產(chǎn)項(xiàng)目中管理不同級別的控制點(diǎn)。

2.6 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

按照數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，同時(shí)參考控制點(diǎn)影像管理的具體業(yè)務(wù)，本論文設(shè)計(jì)了控制點(diǎn)信息表、控制點(diǎn)影像信息表、用戶信息表、坐標(biāo)系統(tǒng)信息表、用戶權(quán)限信息表等5 個(gè)數(shù)據(jù)庫表?？刂泣c(diǎn)影像信息表結(jié)構(gòu)（如表1 所示）：

表1 控制點(diǎn)影像信息表結(jié)構(gòu)

2.7 精度指標(biāo)

不同級別的控制點(diǎn)，精度要求也不同，以1∶10000 和1∶50000 比例尺為例，在不同地形類別中，各種地形類別精度誤差（如表2 所示）：

表2 不同比例尺不同地形類別精度指標(biāo)

3.控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)建庫實(shí)例

3.1 影像數(shù)據(jù)

以DOM 為例，按照不同比例尺、數(shù)據(jù)源、精度要求等屬性對控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，一般1∶10000 比例尺的控制點(diǎn)影像裁切為10241024 像素，1:50000 比例尺的控制點(diǎn)影像裁切為512512 像素，不同比例尺又分為全色和多光譜，控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫影像實(shí)例（如圖4—圖7 所示），其中，圖4 為1:10000 比例尺全色影像，圖5 為1:10000 比例尺多光譜影像，圖6 為1:50000 比例尺全色影像，圖7 為1∶50000 比例尺多光譜影像。

圖4 1∶10000 控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫全色

圖5 1∶10000 控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫多光譜

圖6 1∶50000 控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫全色

圖7 1∶50000 控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)庫多光譜

3.2 控制點(diǎn)入庫

控制點(diǎn)元數(shù)據(jù)的錄入分為兩種方法，一種方法是逐條錄入，即錄入一個(gè)控制點(diǎn)的信息保存后再錄入下一條控制點(diǎn)信息；另一種方法是批量導(dǎo)入，首先按照標(biāo)準(zhǔn)格式整理好Excel表，然后一次性錄入系統(tǒng)。制作Excel 表的方法，可以利用VirtuoZo 的空三加密成果擴(kuò)展名為“.grd”文件，或者JX4C 的空三加密成果擴(kuò)展名為“.gd”文件，刪掉冗余信息，保留需要的屬性字段。批量導(dǎo)入時(shí)，先將數(shù)據(jù)讀取至內(nèi)存，進(jìn)行數(shù)據(jù)合法性校驗(yàn)，如果出現(xiàn)錯誤，則提示給用戶，即刻終止操作，提示用戶修改后重新錄入，直到全部數(shù)據(jù)合格后才寫入數(shù)據(jù)庫。

3.3 控制點(diǎn)查詢

查詢分為固定查詢和自定義查詢，固定查詢僅按照坐標(biāo)范圍進(jìn)行查詢，用戶可以根據(jù)需要框選出查詢范圍，輸入坐標(biāo)值進(jìn)行查詢，自定義查詢提供多種條件組合，例如，按平面精度、比例尺、坐標(biāo)系、分帶號、省市代碼、航攝區(qū)域編碼等。查詢結(jié)果以列表形式顯示，用戶雙擊每一條記錄可以查看該控制點(diǎn)的詳細(xì)信息和影像。

3.4 控制點(diǎn)提取與輸出

控制點(diǎn)的提取應(yīng)滿足至少4 個(gè)條件，（1）是精度，也是最重要的指標(biāo)；（2）是坐標(biāo)系，滿足常用的坐標(biāo)系；（3）是獲取時(shí)間，表示控制點(diǎn)的現(xiàn)勢性；（4）是經(jīng)緯度，通過這4 個(gè)條件一般能夠提取到符合條件的控制點(diǎn)影像。獲取到的控制點(diǎn)影像要按照規(guī)范進(jìn)行取舍，過密的控制點(diǎn)應(yīng)該抽稀，識別度不高的控制點(diǎn)影像應(yīng)該刪除。控制點(diǎn)影像的輸出要符合下一工序大型軟件的數(shù)據(jù)讀取格式，例如，PCI,Geoway 等?？刂泣c(diǎn)影像的輸出需要用到像素和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法和計(jì)算點(diǎn)到直線的距離，像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法采用雙線性變換和求點(diǎn)到直線的距離公式如式（1）和式（2）所示：

式（1）為雙線性變換公式，其中，a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3為相關(guān)系數(shù)；(x,y)為影像四角直角平面坐標(biāo)。根據(jù)影像分辨率和影像的長寬像素，分別計(jì)算得到影像四角像素坐標(biāo)(x',y')利用影像四角直角平面和像素坐標(biāo)分別列4組方程，即可求得系數(shù)a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3，利用這個(gè)系數(shù)和影像上任意一點(diǎn)所在的平面，進(jìn)而計(jì)算出任何一點(diǎn)的像素點(diǎn)位坐標(biāo)。

式（2）是點(diǎn)到直線的距離計(jì)算公式，A、B、C分別為系數(shù)，利用影像任意一邊的兩個(gè)角點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)(x,y)建立兩組方程，計(jì)算得出系數(shù)A、B、C，這樣兩個(gè)方向分別有一個(gè)方程d。Rx、Ry為影像在水平和豎直方向的分辨率；(dx,dy)是計(jì)算得出的像素點(diǎn)坐標(biāo)。在影像傾斜角度大的時(shí)候用式（2）轉(zhuǎn)換較好，可以得到高精度的像素點(diǎn)坐標(biāo)。

4.結(jié)束語

充分利用控制點(diǎn)影像庫能夠在一定程度上解決重復(fù)工作，最大限度利用控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過精度檢測的控制點(diǎn)還可以為影像自動匹配提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在影像幾何糾正過程中，控制點(diǎn)數(shù)據(jù)是被頻繁使用的，因此建立可靠的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫對提高影像糾正工作效率具有實(shí)際意義。