控制點影像數(shù)據(jù)庫建庫研究

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)常會遇到應急響應的需求，為了解決控制點采集速度不高對應急響應造成的影響，經(jīng)過實踐摸索、調研學習，可以采用建立控制點庫的方式，解決地理信息應急響應的需求。控制點庫的建立讓原有的地理信息數(shù)據(jù)成果能夠被重復使用，在一定精度范圍內(nèi)，實現(xiàn)控制點數(shù)據(jù)影像快速匹配，經(jīng)過算法解算，可以將控制點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.控制點影像數(shù)據(jù)庫概述

控制點可以分為多個不同的級別，例如，國家控制點、影像控制點、工程控制點、地方控制點等。國家控制點包括三角網(wǎng)點、基本水準點、全球定位系統(tǒng)站點、衛(wèi)星定位服務參考站等。影像控制點是攝影測量、遙感解譯等應用領域的基本參考數(shù)據(jù)，是目前應用范圍最廣的控制點。依據(jù)不同類型項目的等級和精度需求，國家控制點一般歸屬國家所有，而影像控制點則按照獲取方式、分辨率、比例尺、像控等級等指標的不同，可以提取出屬性、數(shù)據(jù)結構等有用信息，這些特征信息經(jīng)過分析和取舍，錄入數(shù)據(jù)庫，即成為控制點影像數(shù)據(jù)庫。

2.控制點影像庫建設

2.1 建設流程

建立控制點影像數(shù)據(jù)庫是完成影像拼接幾何糾正過程的重要環(huán)節(jié)，也是利用控制點影像數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)點采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應用的主要步驟。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，在控制點采集之前，需要對數(shù)據(jù)源的質量進行控制，精度不符合要求的數(shù)據(jù)直接影響控制點的精度。在數(shù)據(jù)采集與質量把控階段，要進行圖形控制點采集、相關的屬性錄入和檢查、像控點采集等環(huán)節(jié)，生成圖形和圖像控制點數(shù)據(jù)集。錄入數(shù)據(jù)庫后，要對控制點庫進行管理，以保證數(shù)據(jù)的質量。建立控制點庫的最終目的是應用，因此在數(shù)據(jù)應用階段，還要對控制點進行選點糾正，并進行必要的質量檢查?？刂泣c影像庫建設及應用流程（如圖1 所示）：

圖1 控制點影像庫建設及應用流程

2.2 數(shù)據(jù)源

控制點影像數(shù)據(jù)庫一般由控制點影像和元數(shù)據(jù)等兩部分組成，控制點影像是在選取的控制點所在區(qū)域外擴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。一般選取色彩鮮艷、清晰度高、對比度高的圖像進行截取，且控制點精度高，這樣可以提高匹配的成功率?？刂泣c影像需要使用進行過幾何校正的正射影像，元數(shù)據(jù)一般包括分辨率、影像獲取時間、幾何精度、獲取姿態(tài)、坐標系信息、影像處理時間等信息。

2.3 相關技術

2.3.1 影像存儲技術

遙感影像數(shù)據(jù)量很大，相比之下，控制點影像的數(shù)據(jù)量就小很多，因此在系統(tǒng)存儲和讀取控制點影像時，可以考慮通過二進制流的形式將控制點影像直接存入數(shù)據(jù)庫，這樣做可以便于后期對控制點影像的管理，因為控制點影像經(jīng)常需要更新，將控制點影像存入數(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用影像路徑進行顯示。

2.3.2 數(shù)據(jù)整合技術

數(shù)據(jù)整合包括多個級別、多個來源的像控點數(shù)據(jù)整合，像控點元數(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)對應關系整合，以及漏洞數(shù)據(jù)整合。

2.3.3 坐標轉換技術

常見的坐標系有1954 北京坐標系、1980 西安坐標系、WGS-84 經(jīng)緯度坐標系和CGCS2000 坐標系，本論文設計的控制點影像數(shù)據(jù)庫應用程序需要在必要時對它們進行轉換。坐標系轉換第一步是需要收集坐標系參數(shù)；第二步是計算轉換參數(shù)，采用高斯展開式計算；第三步是根據(jù)不用精度要求設計小數(shù)規(guī)則，經(jīng)緯度一般保留小數(shù)點后三位，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)結構設計

系統(tǒng)自底向上可以分解為三個層次，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)務邏輯層或具體業(yè)務實現(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)進行持久化設計和封裝。邏輯層一般采用模塊化設計，按照不同的功能封裝算法或跳轉方式。用戶層是直接與用戶交互的部分，用戶只和界面打交道，無需關注業(yè)務邏輯是如何實現(xiàn)的。系統(tǒng)總體架構（如圖2 所示）：

圖2 系統(tǒng)總體架構圖

2.5 程序界面設計

應用程序采用.net 平臺C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)列表分為用戶基表、選中表結構和瀏覽數(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

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

2.6 數(shù)據(jù)庫表結構

按照數(shù)據(jù)庫設計相關規(guī)范，同時參考控制點影像管理的具體業(yè)務，本論文設計了控制點信息表、控制點影像信息表、用戶信息表、坐標系統(tǒng)信息表、用戶權限信息表等5 個數(shù)據(jù)庫表。控制點影像信息表結構（如表1 所示）：

表1 控制點影像信息表結構

2.7 精度指標

不同級別的控制點，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

3.控制點影像數(shù)據(jù)建庫實例

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影像數(shù)據(jù)進行分類，一般1∶10000 比例尺的控制點影像裁切為10241024 像素，1:50000 比例尺的控制點影像裁切為512512 像素，不同比例尺又分為全色和多光譜，控制點影像數(shù)據(jù)庫影像實例（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 控制點影像數(shù)據(jù)庫全色

圖5 1∶10000 控制點影像數(shù)據(jù)庫多光譜

圖6 1∶50000 控制點影像數(shù)據(jù)庫全色

圖7 1∶50000 控制點影像數(shù)據(jù)庫多光譜

3.2 控制點入庫

控制點元數(shù)據(jù)的錄入分為兩種方法，一種方法是逐條錄入，即錄入一個控制點的信息保存后再錄入下一條控制點信息；另一種方法是批量導入，首先按照標準格式整理好Excel表，然后一次性錄入系統(tǒng)。制作Excel 表的方法，可以利用VirtuoZo 的空三加密成果擴展名為“.grd”文件，或者JX4C 的空三加密成果擴展名為“.gd”文件，刪掉冗余信息，保留需要的屬性字段。批量導入時，先將數(shù)據(jù)讀取至內(nèi)存，進行數(shù)據(jù)合法性校驗，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范圍進行查詢，用戶可以根據(jù)需要框選出查詢范圍，輸入坐標值進行查詢，自定義查詢提供多種條件組合，例如，按平面精度、比例尺、坐標系、分帶號、省市代碼、航攝區(qū)域編碼等。查詢結果以列表形式顯示，用戶雙擊每一條記錄可以查看該控制點的詳細信息和影像。

3.4 控制點提取與輸出

控制點的提取應滿足至少4 個條件，（1）是精度，也是最重要的指標；（2）是坐標系，滿足常用的坐標系；（3）是獲取時間，表示控制點的現(xiàn)勢性；（4）是經(jīng)緯度，通過這4 個條件一般能夠提取到符合條件的控制點影像。獲取到的控制點影像要按照規(guī)范進行取舍，過密的控制點應該抽稀，識別度不高的控制點影像應該刪除?？刂泣c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影像的輸出需要用到像素和坐標轉換方法和計算點到直線的距離，像素坐標轉換方法采用雙線性變換和求點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為相關系數(shù)；(x,y)為影像四角直角平面坐標。根據(jù)影像分辨率和影像的長寬像素，分別計算得到影像四角像素坐標(x',y')利用影像四角直角平面和像素坐標分別列4組方程，即可求得系數(shù)a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3，利用這個系數(shù)和影像上任意一點所在的平面，進而計算出任何一點的像素點位坐標。

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

4.結束語

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