歷史圖件圖像配準(zhǔn)的常用方法研究

黃錦斌

（1.廣州市房地產(chǎn)測(cè)繪院，廣東 廣州 510000；2.廣州市測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，廣東 廣州 510000）

1 引言

戶地圖是新中國(guó)成立后廣州市最早利用的地籍成果，自1930年測(cè)制后一直修編至1986年。戶地圖不僅關(guān)聯(lián)著土地和房屋的權(quán)屬信息，也記錄著道路、水系、地名等基礎(chǔ)地理要素。隨著城市的發(fā)展變遷，有許多物權(quán)已滅失于歷史長(zhǎng)河中，而現(xiàn)實(shí)中實(shí)體滅失的物權(quán)由于缺乏空間位置、門牌地址、四鄰關(guān)系等必要線索，需要根據(jù)戶地圖所關(guān)聯(lián)的歷史物權(quán)信息進(jìn)一步確認(rèn)其產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀，把戶地圖與其年代相近的歷史地形圖進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，將戶地圖數(shù)據(jù)成果與已有的空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。戶地圖目前可用于土地確權(quán)、地籍調(diào)查成果核查、權(quán)屬糾紛調(diào)處、直管房管理等諸多國(guó)土房管業(yè)務(wù)。

2 圖像配準(zhǔn)的基本原理

圖像配準(zhǔn)是圖像處理和分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，將不同年代、不同變形程度的圖像與參考底圖變換,使同名像點(diǎn)在位置和方位上完全疊合。

圖像配準(zhǔn)主要包括兩方面內(nèi)容：（1）確定足夠數(shù)量的配準(zhǔn)匹配點(diǎn)；（2）根據(jù)這些配準(zhǔn)匹配點(diǎn)確定圖像與參考底圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

目前常用的圖像配準(zhǔn)方法主要有 ：零階平移變換、一階多項(xiàng)式變換、校正變換、投影變換、二階多項(xiàng)式變換、三階多項(xiàng)式變換、樣條函數(shù)變換。因?yàn)闁鸥駭?shù)據(jù)集需要拉伸、縮放和旋轉(zhuǎn)，所以一階多項(xiàng)式（仿射）變換常用于對(duì)柵格數(shù)據(jù)集進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。

使用一階（或仿射）變換來平移、縮放和旋轉(zhuǎn)柵格數(shù)據(jù)集，通常會(huì)在柵格數(shù)據(jù)集上得到直線，這些直線在扭曲的柵格數(shù)據(jù)集中映射為直線。因此，柵格數(shù)據(jù)集上的正方形和矩形通常會(huì)變?yōu)榫哂腥我獗壤徒嵌确较虻钠叫兴倪呅巍?/p>

通過使用最少三個(gè)鏈接，采用一階變換的數(shù)學(xué)方程可將每個(gè)柵格點(diǎn)準(zhǔn)確映射至目標(biāo)位置。任意三個(gè)以上的鏈接都會(huì)產(chǎn)生誤差或殘差，它們會(huì)均勻分布在所有鏈接上，從而達(dá)到最理想的配準(zhǔn)效果。

3 戶地圖與歷史數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

3.1 戶地圖數(shù)據(jù)分析

上世紀(jì)50年代測(cè)制的1∶2000歷史地形圖上標(biāo)注了兩種圖號(hào)，一是與目前廣州坐標(biāo)的1∶2000圖號(hào)一致，二是與戶地圖上鉛筆標(biāo)注的十字絲圖號(hào)一致，根據(jù)戶地圖上后期添加的十字絲，通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，與1∶500標(biāo)準(zhǔn)地形圖分幅一致。通過以上規(guī)律，依據(jù)戶地圖上十字絲及其圖幅命名方式，找出命名規(guī)律，制作出1∶500和1∶2000戶地圖結(jié)合表。

經(jīng)多次配準(zhǔn)測(cè)試，擬定利用戶地圖上的十字絲（方格網(wǎng)）作為參考同名點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，先找到大致位置，再利用歷史地形圖中的歷史地物、現(xiàn)狀電子地圖數(shù)據(jù)中的水系、道路走向等資料，作為配準(zhǔn)參考進(jìn)行精確配準(zhǔn)。鑒于以上原因，只能參照明顯地物，通過幾何配準(zhǔn)的方法將戶地圖配準(zhǔn)到有統(tǒng)一坐標(biāo)系的現(xiàn)狀地形圖或歷史地形圖。

3.2 戶地圖配準(zhǔn)方法

圖像配準(zhǔn)有多種方式可以選擇，實(shí)際作業(yè)時(shí)可根據(jù)數(shù)據(jù)情況按如下順序依次選擇方法：

（1）戶地圖上的標(biāo)的物目前仍存在的，則根據(jù)標(biāo)的物進(jìn)行圖像配準(zhǔn)；（2）戶地圖上的標(biāo)的物已不存在但歷史資料（影像或歷史地形圖）能找到記錄的，則根據(jù)歷史資料進(jìn)行圖像配準(zhǔn)；（3）戶地圖上的標(biāo)的物目前已不存在且歷史資料（影像或地圖）未有記錄的，則根據(jù)圖幅結(jié)合表進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。

3.2.1 根據(jù)分幅框粗略配準(zhǔn)

由于掃描件可進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)，可先根據(jù)戶地圖上人工標(biāo)注的分幅編碼找到對(duì)應(yīng)的分幅框，用圖上的分幅角點(diǎn)對(duì)戶地圖進(jìn)行定位，疊加已配準(zhǔn)好的歷史地形圖，根據(jù)圖中還存在的標(biāo)的物，如水系網(wǎng)、道路（鐵路）網(wǎng)、房屋房角點(diǎn)等進(jìn)行粗略配準(zhǔn)（如圖1所示），確保圖幅位置大致正確，盡量不產(chǎn)生圖像變形。

圖1 戶地圖粗略定位

3.2.2 根據(jù)歷史地形圖進(jìn)行精確配準(zhǔn)

在粗略配準(zhǔn)基礎(chǔ)上，以歷史地形圖、現(xiàn)狀電子地圖上的地物等為參考資料，逐次選擇整個(gè)范圍內(nèi)均勻分布的4個(gè)或以上關(guān)鍵地物點(diǎn)作為匹配點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使圖幅精度符合要求。根據(jù)精確配準(zhǔn)后的位置定位，可以看出戶地圖中的小橋、道路及水系與歷史地形圖中的小橋、道路、水系走向及田埂基本吻合（如圖2所示），以這幅戶地圖為基準(zhǔn)圖，用上述方法對(duì)其周邊的戶地圖進(jìn)行配準(zhǔn)。在配準(zhǔn)過程中會(huì)出現(xiàn)圖框變形、超出允許值范圍的現(xiàn)象，因此在圖內(nèi)地物配準(zhǔn)時(shí)，要保證圖框尺寸在允許值范圍內(nèi)。

圖2 戶地圖精確配準(zhǔn)

3.2.3 以多幅圖為配準(zhǔn)基準(zhǔn)，提高整體配準(zhǔn)精度

一區(qū)段的戶地圖數(shù)據(jù)少則10張，多則可達(dá)50張，實(shí)驗(yàn)證明，如果以配準(zhǔn)好的一張戶地圖作為基準(zhǔn)圖，越往外輻射圖幅變形越大，與現(xiàn)狀地物偏離越大，因此，在配準(zhǔn)前期需要找到戶地圖上地物較多、在整區(qū)段分布均勻的多幅圖作為配準(zhǔn)整個(gè)段的基準(zhǔn)圖（如圖3所示），以提高配準(zhǔn)精度。

圖3 選用多基準(zhǔn)圖進(jìn)行配準(zhǔn)

3.2.4 部分圖件上的地物與現(xiàn)狀地物匹配度

最早的戶地圖測(cè)制于1930年，當(dāng)時(shí)測(cè)繪儀器十分簡(jiǎn)陋，如果出現(xiàn)跨江河、山體等跨度較大的地物，邊長(zhǎng)精度就難以保證。

在配準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)，同一幅戶地圖，以河流為界，河流右側(cè)房屋與現(xiàn)狀基本吻合，但河流左側(cè)的房屋、道路與現(xiàn)狀地物不匹配。經(jīng)多方面考慮，圖上河流寬度約30米，可能因河流寬度不準(zhǔn)確而導(dǎo)致圖形配準(zhǔn)時(shí)變形錯(cuò)位，達(dá)不到配準(zhǔn)要求。因此，為提高局部要素精度，對(duì)于能沿河流、道路、空地塊分布的要素，用Photoshop對(duì)圖幅進(jìn)行裁切，將一幅圖分為多幅圖再進(jìn)行配準(zhǔn)，雖然增加了配準(zhǔn)工作量，但實(shí)踐證明該方法可行，有效解決了在配準(zhǔn)后同一幅戶地圖左右區(qū)域配準(zhǔn)偏差的現(xiàn)象。底圖裁切后配準(zhǔn)效果如圖4所示。

圖4 底圖裁切后配準(zhǔn)效果

3.2.5 戶地圖接邊

以精確配準(zhǔn)后的戶地圖為中心，對(duì)周邊的戶地圖進(jìn)行接邊處理。經(jīng)過精確配準(zhǔn)的戶地圖在與相鄰圖幅接邊時(shí)，圖斑基本能重疊對(duì)上，地物與現(xiàn)狀電子地圖房屋、道路走向基本吻合，再經(jīng)過手工添加控制點(diǎn)進(jìn)行糾正，得到很好的接邊效果，如圖5所示。

圖5 與相鄰圖幅接邊效果

4 圖像配準(zhǔn)精度評(píng)定

本次矢量化的戶地圖基本都是新中國(guó)成立前測(cè)制的戶地圖，下述幾個(gè)方面對(duì)幾何配準(zhǔn)精度造成影響：

（1）由于測(cè)量年代久遠(yuǎn)，測(cè)量方法和條件限制，無(wú)法得知戶地圖和用以配準(zhǔn)的歷史地形圖的測(cè)量精度，與現(xiàn)代測(cè)量相比相差較大；（2）由于紙質(zhì)保存和使用頻繁，戶地圖存在不同程度的破損、折痕、伸縮、變形等情況，影響戶地圖的原有測(cè)量精度；（3）選取用于配準(zhǔn)的關(guān)鍵地物點(diǎn)數(shù)量是否足夠多、有無(wú)變化變形、測(cè)量精度高低等。

由于戶地圖的地物點(diǎn)坐標(biāo)值和測(cè)量精度均無(wú)法估算，配準(zhǔn)精度無(wú)法采用對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)位較差的方法進(jìn)行檢測(cè)，需要計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)鍵地物點(diǎn)和鄰近對(duì)應(yīng)關(guān)鍵地物點(diǎn)的點(diǎn)位間距中誤差，進(jìn)行幾何配準(zhǔn)精度檢核，即分別計(jì)算戶地圖和歷史地形圖對(duì)應(yīng)地物點(diǎn)的間距，再求中誤差。參考相關(guān)精度要求，計(jì)算本次戶地圖矢量化的相鄰地物點(diǎn)中誤差是不現(xiàn)實(shí)的。因此，盡量尋找更多的對(duì)應(yīng)地物點(diǎn)，對(duì)各區(qū)域的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得知各區(qū)段的精度差異。針對(duì)戶地圖上的標(biāo)的物目前仍存在，或者標(biāo)的物目前已不存在但歷史資料（影像或地圖）仍能找到的，根據(jù)統(tǒng)計(jì)把標(biāo)的物當(dāng)作關(guān)鍵地物點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。對(duì)于戶地圖上的標(biāo)的物目前已不存在且歷史資料沒有記錄的，則無(wú)法進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。

圖像配準(zhǔn)的精度評(píng)定，通過內(nèi)、外業(yè)評(píng)定兩種方式確定。內(nèi)業(yè)評(píng)定是通過十字絲及均勻分布的配準(zhǔn)匹配點(diǎn)，通過查看連接表中各檢查匹配點(diǎn)的殘差，刪除殘差特別大的匹配點(diǎn)并重新選取，各匹配點(diǎn)殘差均勻分布，可以認(rèn)定這幅圖配準(zhǔn)成功，要做好戶地圖配準(zhǔn)工作記錄。

戶地圖數(shù)據(jù)在圖像配準(zhǔn)后，對(duì)現(xiàn)存地物進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，利用全站儀測(cè)量房角點(diǎn)坐標(biāo)、量取房屋邊長(zhǎng)，對(duì)實(shí)測(cè)的房角點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與戶地圖上同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較。由比較結(jié)果可知，點(diǎn)位中誤差和邊長(zhǎng)中誤差均滿足1∶2000數(shù)字地形圖中的地物點(diǎn)平面位置精度要求。地物點(diǎn)平面位置精度如表1所示，檢驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表1 地物點(diǎn)平面位置精度（m）

表2 平面測(cè)量精度（m）

表3 量邊檢驗(yàn)記錄表（m）

5 結(jié)論分析

本文在特征點(diǎn)匹配的基礎(chǔ)上，采用一階多項(xiàng)式（仿射）的模型進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，重點(diǎn)介紹配準(zhǔn)過程中出現(xiàn)的問題和解決方法，以及匹配特征點(diǎn)數(shù)目及多幅圖作為配準(zhǔn)基準(zhǔn)對(duì)圖像配準(zhǔn)精度的影響，最后進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：

（1）影像特征點(diǎn)匹配結(jié)果正確、匹配點(diǎn)分布均勻時(shí)，匹配點(diǎn)數(shù)目越多，利用一階多項(xiàng)式（仿射）進(jìn)行圖像配準(zhǔn)的精度越高。

（2）戶地圖圖像配準(zhǔn)中，要多方面、多角度分析每一張戶地圖與歷史地形圖、現(xiàn)狀地物數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，找到戶地圖上地物較多的圖形，以多幅圖作為配準(zhǔn)整個(gè)段的基準(zhǔn)，提高整體配準(zhǔn)精度，出現(xiàn)偏差較大的，要具體問題具體分析。