一種將“三調(diào)”外業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為“國(guó)情”外業(yè)數(shù)據(jù)的方法

許偉杰，魏 瑄*

（1.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500）

外業(yè)核查是基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)情 監(jiān)測(cè)”）的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是對(duì)內(nèi)業(yè)無(wú)法判讀圖斑的補(bǔ)充和檢驗(yàn)內(nèi)業(yè)判讀準(zhǔn)確性重要手段。在外業(yè)核查過(guò)程中，為了覆蓋所有新增地類，外業(yè)軌跡經(jīng)常是會(huì)跑遍整個(gè)測(cè)區(qū)[1]。除此以外，外業(yè)核查人員還要兼顧對(duì)每天采集的數(shù)據(jù)做分析和處理，工作量大，外業(yè)工作往往需時(shí)至少一周到半個(gè)月。由于2019 年廣東省第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查（以下簡(jiǎn)稱“三調(diào)”）外業(yè)核查時(shí)間節(jié)點(diǎn)與2019 年國(guó)情監(jiān)測(cè)的時(shí)間剛好重合，并且三調(diào)的外業(yè)范圍覆蓋了廣東省陸地全境，核查成果也已通過(guò)逐級(jí)檢查，成果數(shù)據(jù)真實(shí)可信，筆者經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)三調(diào)外業(yè)核查成果包含了地理國(guó)情監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)性監(jiān)測(cè)待業(yè)核查的所需信息，可以將其充分利用起來(lái)，按照國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)成果的提交要求，轉(zhuǎn)換成國(guó)情監(jiān)測(cè)的外業(yè)成果，從而大大減少國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)核查的工作量。

國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)成果數(shù)據(jù)包括拍攝點(diǎn)的位置、方位角、照片以及截取的影像樣本，因此制作國(guó)情監(jiān)測(cè)的外業(yè)成果需要對(duì)多種不同數(shù)據(jù)的處理，如影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、照片等，若單純依靠人工去處理，不僅步驟繁瑣，效率低下，同時(shí)也容易產(chǎn)生人為錯(cuò)誤，比如字段漏填、錯(cuò)填，填寫不規(guī)范等等的問(wèn)題，造成成果質(zhì)量難以保證，往往需要多次返工[2]。此外，三調(diào)的外業(yè)核查成果外業(yè)核查缺失了重要的地物點(diǎn)信息，而地物點(diǎn)對(duì)于保證截取影像樣本時(shí)保證地物位于影像樣本中心具有關(guān)鍵作用。本文針對(duì)以往制作國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)核查成果的方法中出現(xiàn)的弊病，利用FME 和Python技術(shù)，依據(jù)ETL 的工作流思想[3]，設(shè)計(jì)出一套外業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程處理方法，大大減少了人工的參與，實(shí)現(xiàn)了對(duì)影像、矢量數(shù)據(jù)屬性的自動(dòng)化讀取填寫、地物點(diǎn)計(jì)算、影像樣本的自動(dòng)裁切、數(shù)據(jù)入以及點(diǎn)位標(biāo)記處理，成功將三調(diào)外業(yè)核查成果批量轉(zhuǎn)換為國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)核查成果。

1 三調(diào)外業(yè)核查成果與國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)核查成果的差異分析

1.1 外業(yè)軌跡

國(guó)情監(jiān)測(cè)對(duì)外業(yè)軌跡的提交要求是外業(yè)路線以實(shí)時(shí)定位設(shè)備輸出的軌跡路線為基礎(chǔ)，根據(jù)外業(yè)的實(shí)際有效行程和實(shí)地照片拍攝位置的分布，刪除重復(fù)線段和非外業(yè)作業(yè)區(qū)的無(wú)效路段，編輯漂移點(diǎn)和斷點(diǎn)，形成客觀反映外業(yè)實(shí)際作業(yè)區(qū)的行程線路。從對(duì)三調(diào)數(shù)據(jù)的外業(yè)軌跡數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)三調(diào)數(shù)據(jù)包含大量重復(fù)線段和無(wú)效線段，因此需要對(duì)三調(diào)的外業(yè)軌跡進(jìn)行抽稀和簡(jiǎn)化才能符合國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)軌跡的提交要求，如圖1 所示。

圖1 三調(diào)外業(yè)軌跡

1.2 地面照片

國(guó)情監(jiān)測(cè)對(duì)地面照片的要求是：地面照片盡可能使用精細(xì)模式保存，總像素?cái)?shù)量應(yīng)在200 萬(wàn)像素以上。由于數(shù)據(jù)量原因，不宜采用過(guò)大的總像素?cái)?shù)量，一般控制在1 000 萬(wàn)像素以下，文件名按照“PH”+“YYYYMMDDHHMMSS”+“DDDMMSS”+“DDMMSS”+“DDD”的形式保存，其中“PH”是固定前綴，“YYYYMMMDDHHMMMSS”是拍攝時(shí)間，“DDDMMSS”和“DDMMSS”分別對(duì)應(yīng)拍攝點(diǎn)的經(jīng)度和緯度，最后一個(gè)“DDD”是照片的拍攝方位角。筆者分析了所獲得的三調(diào)照片，分辨率都是1 920×1 080，可以滿足國(guó)情監(jiān)測(cè)對(duì)于總像素的要求，但是三調(diào)照片的命名格式是“Photo_時(shí)間戳_用戶Id”，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

1.3 遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)

三調(diào)外業(yè)與國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)最大的不同點(diǎn)就在于，國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)需要提交遙感影像解譯樣本，這部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)法從外業(yè)核查中直換生成，需要在外調(diào)拍照時(shí)，通過(guò)平板操作記錄下所拍地物的地物點(diǎn)，然后在內(nèi)業(yè)根據(jù)地物點(diǎn)進(jìn)行裁圖、編輯、入庫(kù)等處理來(lái)生成。另外，如表1 所示，筆者通過(guò)對(duì)比三調(diào)與國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)拍照點(diǎn)的數(shù)據(jù)格式，發(fā)現(xiàn)三調(diào)外業(yè)既不記錄地物點(diǎn)，也不記錄拍攝距離，因此無(wú)法直換運(yùn)用坐標(biāo)正算公式將地物點(diǎn)反算出來(lái)。所以為了能夠生成正確的地物點(diǎn)，需要先獲取拍攝距離。

表1 外業(yè)外業(yè)拍照點(diǎn)字段比較

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 挑選樣本點(diǎn)

根據(jù)更新后的地表覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)，確定今年度國(guó)情監(jiān)測(cè)地表新增的地類，然后將三調(diào)的拍照點(diǎn)數(shù)據(jù)和本年度國(guó)情監(jiān)測(cè)地表數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap 軟件中進(jìn)行套合[4]，通過(guò)對(duì)三調(diào)拍攝的外業(yè)照片、對(duì)應(yīng)的拍照點(diǎn)位置和地類編碼進(jìn)行人工比對(duì)，將照片、點(diǎn)位信息以及地類編碼對(duì)應(yīng)上的拍照點(diǎn)挑選出來(lái)，填入地類編碼。最后把挑選好的拍攝點(diǎn)提取出來(lái)，如圖2 所示。

圖2 樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.2 生成外業(yè)軌跡

在三調(diào)外業(yè)軌跡的基礎(chǔ)上，疊加挑選的三調(diào)拍照點(diǎn)及國(guó)情監(jiān)測(cè)影像底圖，沿著影像中的道路和有三調(diào)軌跡的區(qū)域，繪制線段將各個(gè)拍照點(diǎn)連換起來(lái)，如圖3 所示。

圖3 繪制路線連接各個(gè)拍照點(diǎn)

通過(guò)緩沖區(qū)工具將繪制的軌跡外擴(kuò)10 m，然后用裁剪工具，用緩沖的面裁取三調(diào)的原始軌跡，再對(duì)裁取出來(lái)的原始線段進(jìn)行簡(jiǎn)化抽稀，形成外業(yè)軌跡[5]。

2.3 生成地物點(diǎn)

地物點(diǎn)是外業(yè)拍照人員在外業(yè)拍照時(shí)的假定點(diǎn)。地物點(diǎn)通過(guò)拍攝地面照片時(shí)，相機(jī)所在位置到地面與被攝景物中的主體地物之間的直線距離，利用坐標(biāo)正算[6]的方法可將地物點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，計(jì)算公式如下：

式中，x地為地物點(diǎn)的橫坐標(biāo)；y地為地物點(diǎn)的縱坐標(biāo)；x拍為拍攝點(diǎn)的橫坐標(biāo)；y拍為拍攝點(diǎn)的縱坐標(biāo)；α方位角為相機(jī)拍攝的方位角；d為拍攝距離。

根據(jù)國(guó)情監(jiān)測(cè)影像樣本的要求：影像樣本應(yīng)盡可能把地面照片拍攝的主體地物置于影像的中間部分，同時(shí)保證拍攝點(diǎn)也位于遙感影像實(shí)例范圍內(nèi)。但在三調(diào)外業(yè)核查數(shù)據(jù)中，外業(yè)點(diǎn)只記錄了拍照點(diǎn)的數(shù)據(jù)，很多時(shí)候拍照點(diǎn)并不一定在拍攝的主體地物類。若以拍照點(diǎn)為中心裁取影像，則無(wú)法總是滿足主體地物置于影像中間的要求。因此，為了便于后面截取影像樣本，則需要找出距離拍攝點(diǎn)200 m 范圍內(nèi)且包含在主體地物內(nèi)部的地物點(diǎn)作為影像樣本的中心點(diǎn)。200 m 是國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)核查技術(shù)規(guī)定中推薦的最大拍攝距離，由于在挑選圖斑時(shí)已考慮了拍攝距離，即只挑選目視距離大概在200 m 內(nèi)的照片，因此可直換用200 m 作為拍攝距離的最大值，并以此作為計(jì)算影像樣本的中心點(diǎn)的重要參數(shù)。拍攝距離的計(jì)算通過(guò)計(jì)算坐標(biāo)正算公式，以拍照點(diǎn)為中心，沿著坐標(biāo)方位角的方向生成一條200 m 的線段。換著通過(guò)疊加分析[7]，獲取該線段經(jīng)過(guò)的第一個(gè)與拍攝點(diǎn)所記錄的地物編碼一致的圖斑作為該拍攝點(diǎn)所拍照片的主體地物并計(jì)算拍照點(diǎn)到該圖斑的距離。計(jì)算拍攝距離的操作通過(guò)FME 來(lái)完成，具體處理流程如圖4 所示。

圖4 求取拍攝距離的處理流程

2.4 裁取影像樣本

裁剪操作以地物點(diǎn)為裁剪范圍的中心，根據(jù)裁取框的分辨率大小，將點(diǎn)的四至范圍外擴(kuò)一定長(zhǎng)度，作為影像樣本的裁切范圍。這里要注意的是，裁剪的影像樣本在分辨率上應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇511×511，但如果拍攝距離過(guò)大超出511×511 的顯示范圍，則需要將分辨率擴(kuò)大至1 023×1 023。裁取的分辨率與拍攝距離滿足這樣的規(guī)律：由于裁取的影像以地物點(diǎn)為中心，地物點(diǎn)占用了一個(gè)像素，因此設(shè)定了裁取的分辨率與拍攝距離的判斷方法。如果拍攝距離換算成行列后不超過(guò)255 個(gè)像素寬度，即511×511 圖幅的一半寬度，則可采用511×511 分辨率的裁取框，否則，需要將分辨率提高至1 023×1 023。確定好裁取框的分辨率后也就確定了四至外擴(kuò)的長(zhǎng)度，若分辨率為511×511，則以地物點(diǎn)為中心，往上下左右四個(gè)方向延長(zhǎng)像元大?。▎挝唬簃）；若分辨率為1 023×1 023，則以地物點(diǎn)為中心，往上下左右四個(gè)方向延長(zhǎng)像元大小（單位：m）。

2.5 標(biāo)記拍攝點(diǎn)和視野范圍

裁切影像后，還需要將拍攝點(diǎn)以及視野范圍（視場(chǎng)角）在影像樣本上表示出來(lái)。首先是定位拍攝點(diǎn)在像片的位置，這一步可以通過(guò)仿射變換[8]，將拍攝點(diǎn)的投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以像片左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)的行列坐標(biāo)。確定好拍攝點(diǎn)后，根據(jù)公式（等效焦距即照片拍攝時(shí)的焦距，可通過(guò)讀取照片的exif 信息來(lái)獲?。?，計(jì)算出視角v，然后利用已知的拍攝點(diǎn)的方位角A，求出視野范圍左右兩條邊界線的方位角a1=A–0.5v和a2=A+0.5v，由方位角a1,a2和拍攝點(diǎn)投影坐標(biāo)可以算出兩條邊界線的斜率k1,k2，常數(shù)b1,b2，再通過(guò)仿射變換，計(jì)算出拍攝點(diǎn)半徑50 個(gè)像元范圍內(nèi)的像素點(diǎn)的投影坐標(biāo)（xi,yi）并代入直線方程進(jìn)行計(jì)算[9]，得出該直線經(jīng)過(guò)的所有像素，最后把視場(chǎng)角和中心點(diǎn)像素的像素值修改為0，形成最終結(jié)果如圖5、6 所示。

圖5 十字標(biāo)志

圖6 十字標(biāo)志與視野范圍線

上述步驟通過(guò)FME 來(lái)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，因此筆者改為使用Python 語(yǔ)言，借助第三方開(kāi)源影像讀寫庫(kù)來(lái)修改影像像素值。下面是繪制十字標(biāo)線的代碼片段：

2.6 生成遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫(kù)

遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)庫(kù)由記錄地面照片屬性及文件名的 PHOTO 數(shù)據(jù)表、記錄遙感影像實(shí)例屬性信息及文件名的 SMPIMG 數(shù)據(jù)表、以及反映地面照片和遙感影像實(shí)例對(duì)應(yīng)關(guān)系的關(guān)系表 PHOTO_IMG3 個(gè)表格構(gòu)成。PHOTO 數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)從三調(diào)拍攝點(diǎn)數(shù)據(jù)表中提取出來(lái)，SMPIMG 數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)從裁取的影像中讀取，PHOTO_IMG 數(shù)據(jù)表是PHOTO 數(shù)據(jù)表與SMPIMG 數(shù)據(jù)表的外鍵連換表，只存儲(chǔ)另外兩表的主鍵[10]，處理時(shí)的工作流程如圖7 所示。

完成生成影像樣本數(shù)據(jù)庫(kù)后，加上之前裁取的影像樣本和經(jīng)過(guò)挑選的外業(yè)照片，將數(shù)據(jù)按國(guó)情監(jiān)測(cè)的提交要求，將影像樣本放入SMPIMG 文件夾，外業(yè)照片放入PHOTO 文件夾，將SMPDATA.mdb 放入SMPDATA 文件夾，即完成整個(gè)三調(diào)外業(yè)核查成果轉(zhuǎn)換至國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)的工作。

圖7 生成樣本數(shù)據(jù)庫(kù)的處理流程

2.7 組織成果

將原始調(diào)繪數(shù)據(jù)、原始拍照數(shù)據(jù)、外業(yè)軌跡、遙感影像樣本和其他外業(yè)資料匯總，按相關(guān)軌跡組織好文件，即可作為國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)成果提交，如圖8 所示。

圖8 成果匯交組織形式

相比以往全人工參與的外業(yè)成果制作方法，利用已有的三調(diào)外業(yè)核查成果，結(jié)合FME 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和Python 語(yǔ)言等技術(shù)手段，可以批量、快速生成各個(gè)縣的國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)成果，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的有效利用，讓原本短則一周、長(zhǎng)則一個(gè)月的國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)核查縮短至幾天時(shí)間，節(jié)省了成本，提高了工作效率。此外，由于新方法盡可能地減少人為參與制作的過(guò)程，作業(yè)人員只需要完成挑選拍照點(diǎn)的工作，然后把需要用到的數(shù)據(jù)按指定形式整理好就可以利用流程進(jìn)行自動(dòng)化的外業(yè)成果制作，避免了原有制作方式會(huì)出現(xiàn)的各種返工、重復(fù)檢查、紕漏、錯(cuò)誤填寫等問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種利用現(xiàn)有的三調(diào)外業(yè)核查成果轉(zhuǎn)換成符合國(guó)情監(jiān)測(cè)提交要求的外業(yè)成果的方法。利用FME 生成地物點(diǎn)以及截取樣本影像，同時(shí)使用Python語(yǔ)言標(biāo)記樣本拍攝點(diǎn)及視野范圍，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)鏈換整合形成外業(yè)成果數(shù)據(jù)庫(kù)。整個(gè)過(guò)程中，僅第一步挑選樣本點(diǎn)需要人工手動(dòng)去完成，其余則自動(dòng)在搭建好的FME 平臺(tái)及Python 工具上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換和樣本影像的裁剪。本方法基本實(shí)現(xiàn)了流程的自動(dòng)化處理，轉(zhuǎn)換過(guò)程不再需要人工干預(yù)，避免出現(xiàn)不必要的人為錯(cuò)誤，提高了生產(chǎn)效率。

三調(diào)外業(yè)的調(diào)查范圍具有全覆蓋的特性，面對(duì)如此龐大的外業(yè)數(shù)據(jù)，筆者只使用了其中很小一部分用于制作本年度的基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)外業(yè)核查成果?；诒疚奶峁┑霓D(zhuǎn)換方法，除了應(yīng)用于基礎(chǔ)性地理國(guó)情監(jiān)測(cè)外，還能將這套三調(diào)的數(shù)據(jù)應(yīng)用于其他專題監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的外業(yè)成果制作上面去。雖然不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)外業(yè)成果會(huì)有不同的細(xì)節(jié)要求，但整體上還是大同小異。本方法可根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)調(diào)整部分模塊位置和參數(shù)來(lái)完成轉(zhuǎn)換任務(wù)。轉(zhuǎn)換的成果除了可以作為數(shù)據(jù)成果提交外，即使在時(shí)相上不滿足提交要求的情況下，也可用于項(xiàng)目前期作分析參考用，實(shí)現(xiàn)資源復(fù)用和數(shù)據(jù)成果共享。