基于arcpy 的大比例尺數(shù)字正射影像圖平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換流程及其實(shí)現(xiàn)

鄭玉娜

(福建省測(cè)繪院 福建福州 350003)

1 引言

國(guó)土資源部2017 年第30 號(hào)文件提出2018 年6 月底前完成全系統(tǒng)各類國(guó)土資源空間數(shù)據(jù)向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，2018 年7 月1 日起全面使用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系[1]。各級(jí)國(guó)土資源部門有大量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作，其中就包括了大比例尺數(shù)字正射影像圖（DOM）數(shù)據(jù)。ESIR 公司的ArcGIS 軟件是常用的地理信息數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件只提供了七參數(shù)和三參數(shù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法，而國(guó)內(nèi)針對(duì)局部地區(qū)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是使用平面四參數(shù)方法[2]。Arcpy 是ESRI 公司提供的站點(diǎn)包，能夠以高效實(shí)用的方式執(zhí)行地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和地圖自動(dòng)化創(chuàng)建基礎(chǔ)等功能。

本文分析了在ArcGIS 平臺(tái)下的數(shù)字正射影像圖（DOM）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換流程，并利用Arcpy 站點(diǎn)包開(kāi)發(fā)了針對(duì)數(shù)字正射影像圖的四參數(shù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工具，在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作中實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守一鍵化生產(chǎn)。

2 數(shù)字正射影像圖（DOM）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程分析

常見(jiàn)的大比例尺數(shù)字正射影像圖（DOM）按照GB/T202571.1《國(guó)家基本比例尺地圖圖式第1 部分:1∶5001∶10001∶2000 地形圖圖式》標(biāo)準(zhǔn)分幅儲(chǔ)存[3]。這種形式的DOM 數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)需要進(jìn)行以下步驟：

1）將分幅數(shù)據(jù)鑲嵌為總圖，考慮到數(shù)據(jù)量問(wèn)題，可以分成若干區(qū)域；

2）對(duì)總圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；

3）對(duì)總圖進(jìn)行重新分幅并命名。

在步驟2）中ArcGIS 軟件沒(méi)有提供直接的四參數(shù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工具， 但提供了扭曲工具（Warp_management），使用2 對(duì)或2 對(duì)以上的控制點(diǎn)可以對(duì)柵格數(shù)據(jù)集進(jìn)行相似變換。

步驟3）中，ArcGIS 軟件提供了分割柵格工具，但是使用該工具生成的分幅數(shù)據(jù)存在兩個(gè)問(wèn)題：1)命名不符合國(guó)標(biāo)規(guī)范；2）以GeoTiff 格式生成柵格數(shù)據(jù)集時(shí)對(duì)應(yīng)的tfw 文件中的坐標(biāo)變換參數(shù)存在小數(shù)點(diǎn)數(shù)字精度問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)為ArcGIS 軟件自身缺陷。

2.2 四參數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

坐標(biāo)系的平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換是一種相似變換，四個(gè)參數(shù)分別為X 和Y 軸方向上的兩個(gè)平移參數(shù)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，和一個(gè)縮放參數(shù)。其變換如下式（1）所示：

其中ΔX、ΔY 分別為X 軸和Y 軸上的平移量；α 為旋轉(zhuǎn)量，以X 軸正方向到Y(jié) 軸正方向的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎担籯 為縮放比例量。X 和Y 為原坐標(biāo)值，X'和Y'為變換后的坐標(biāo)值[4]。

在我國(guó)使用的測(cè)繪坐標(biāo)系中，正北方向?yàn)閅 軸正方向，正東為X 軸正方向。這與數(shù)學(xué)笛卡爾直角坐標(biāo)系正好相反，而ArcGIS 軟件中使用的坐標(biāo)系為數(shù)學(xué)坐標(biāo)系，需要注意四參數(shù)中的旋轉(zhuǎn)參數(shù)的方向問(wèn)題，以本文所提及四參數(shù)轉(zhuǎn)換公式為例，在測(cè)繪坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)參數(shù)α 正值為順時(shí)針?lè)较颉?/p>

3 基于Arcpy 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程算法

3.1 算法流程

本工具對(duì)DOM 影像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的核心是基于配準(zhǔn)方式進(jìn)行的，腳本自動(dòng)提取適合的同名點(diǎn)對(duì)作為配準(zhǔn)控制點(diǎn)，其具體流程如下圖1 所示：

圖1 腳本算法流程圖

1）獲取分幅DOM 影像鑲嵌后的總圖四至角點(diǎn)坐標(biāo)作為配準(zhǔn)控制點(diǎn)；

2）判斷四至角點(diǎn)距離，如距離過(guò)大則內(nèi)插網(wǎng)格點(diǎn)作為加密控制點(diǎn)；

3）對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行四參數(shù)計(jì)算，獲得控制點(diǎn)對(duì)；

4）以步驟3 控制點(diǎn)對(duì)結(jié)果，對(duì)柵格總圖進(jìn)行相似變換方式的配準(zhǔn)；

5）重采樣并捕捉配準(zhǔn)成果至標(biāo)準(zhǔn)DOM 格網(wǎng)：在DOM 影像處理過(guò)程中，涉及到重采樣的步驟均應(yīng)使用三次卷積插值法（cubic），即使用16個(gè)最鄰近像素的距離加權(quán)值來(lái)計(jì)算像素值。DOM 影像的坐標(biāo)定位應(yīng)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33175-2016《國(guó)家基本比例尺地圖1:500 1:1 000 1:2 000 正射影像地圖》中所規(guī)定，以像元的中心點(diǎn)為坐標(biāo)0 值[5]；6）分割分幅DOM 影像，并以原始數(shù)據(jù)的方式命名DOM。

3.2 核心代碼

本工具核心功能代碼主要包括四個(gè)部分：

1）控制點(diǎn)加密方法，對(duì)輸入的柵格提取四角點(diǎn)作為控制點(diǎn)，并以一定密度生成加密控制點(diǎn)；

2）調(diào)用Arcpy 配準(zhǔn)工具對(duì)柵格進(jìn)行配準(zhǔn)；

3）圖幅號(hào)自動(dòng)命名方法，輸入的圖幅左下角點(diǎn)自動(dòng)生成圖幅號(hào)；

4）柵格分割方法，以標(biāo)準(zhǔn)圖幅方式分割生成分幅DOM。

3.3 腳本界面

在ArcGIS 中添加腳本工具，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換腳本的參數(shù)有輸入柵格、輸出柵格和轉(zhuǎn)換所需的四參數(shù)，腳本界面如圖2 所示：

圖2 四參數(shù)轉(zhuǎn)換腳本界面

運(yùn)行四參數(shù)轉(zhuǎn)換腳本需要在輸入柵格處指定待轉(zhuǎn)換影像路徑，在輸出柵格處指定轉(zhuǎn)換成果存放路徑和文件名，在dx，dy，t，k 處輸入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)。參數(shù)配置完畢即可點(diǎn)擊確定運(yùn)行腳本。

影像分幅腳本的參數(shù)有輸入柵格、輸出目錄、比例尺和外擴(kuò)尺寸四個(gè)參數(shù)，腳本界面如圖3 所示：

圖3 分割柵格腳本界面

運(yùn)行柵格分割腳本需要在輸入柵格處指定待分幅的影像總圖，在輸出文件夾處指定分幅DOM 輸出存放目錄，在比例尺處輸入原始待分幅影像比例尺，在外擴(kuò)處輸入分幅DOM 外擴(kuò)尺寸，參數(shù)配置完畢即可點(diǎn)擊確定運(yùn)行腳本。

圖4 原始坐標(biāo)系DOM 鑲嵌預(yù)覽

4 實(shí)例及精度驗(yàn)證

以某市CGCS2000 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目數(shù)據(jù)為研究實(shí)例。該批數(shù)據(jù)比例尺為1∶1000 的數(shù)字正射影像，共1085 張分幅影像，測(cè)區(qū)面積271.25km2，原始坐標(biāo)為地方坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)換分幅后共1186 張分幅影像，研究區(qū)示意如圖4 所示。

以該地區(qū)現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目建立的控制點(diǎn)作為精度檢驗(yàn)。該地區(qū)分布有6 對(duì)同名控制點(diǎn)，分布如圖4 中紅色十字絲點(diǎn)位。上述6 對(duì)同名控制點(diǎn)的X 方向中誤差為0.007698 m，Y 方向中誤差為0.010869m，可以用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)果驗(yàn)證。其中便于分辨的4 對(duì)同名控制點(diǎn)如下表1 所示：

表1 轉(zhuǎn)換前后控制點(diǎn)處影像對(duì)比

經(jīng)檢驗(yàn)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果誤差在1 個(gè)像元之內(nèi)，符合項(xiàng)目作業(yè)要求，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換腳本精度符合限差要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)踐生產(chǎn)中需要轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的問(wèn)題，本文基于Arcpy 站點(diǎn)包開(kāi)發(fā)了針對(duì)數(shù)字正射影像圖的四參數(shù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工具，便于安裝部署，大幅度提高了工作生產(chǎn)效率，并經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目檢驗(yàn)，符合作業(yè)要求，切實(shí)可行。