省級影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)踐

胡 菡，范學(xué)峰，張 亮

（1.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

建設(shè)省級影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫不僅有利于影像控制點(diǎn)資料的管理、維護(hù)、查詢與共享，更有利于遙感影像的多行業(yè)、多場景深入應(yīng)用，使衛(wèi)星遙感能更好地服務(wù)于自然資源監(jiān)管、生態(tài)保護(hù)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。因此本文將討論如何為影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地實(shí)現(xiàn)影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)資源共享和信息服務(wù)社會化。

1 影像控制點(diǎn)

1.1 影像控制點(diǎn)的定義

影像控制點(diǎn)（Image Control Point）是為滿足幾何校正、投影變換和配準(zhǔn)等需要，通過野外實(shí)地測量或在已有基礎(chǔ)地理信息成果上提取，用于建立幾何變換函數(shù)的參考點(diǎn)。狹義上是地面上具有平面和高程控制意義的點(diǎn)，廣義上是精確表達(dá)空間位置的地理信息數(shù)據(jù)；其包含的內(nèi)容可以歸納為空間位置坐標(biāo)、點(diǎn)位特征描述說明、輔助信息、點(diǎn)位周圍局部范圍的控制點(diǎn)影像塊[1]。

1.2 影像控制點(diǎn)的類型

1）從獲取方式上，影像控制點(diǎn)可分為外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)和內(nèi)業(yè)圖解控制點(diǎn)。

傳統(tǒng)的控制點(diǎn)多為外業(yè)實(shí)測點(diǎn)，通常具有精度高的特點(diǎn)，但其與影像間連接的同名點(diǎn)需要人工手動選取，操作人員的技術(shù)水平、熟練程度等會影響控制點(diǎn)的精度。同時(shí)，外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)獲取方式較復(fù)雜、成本高、周期長，重復(fù)利用性較差[2]。

內(nèi)業(yè)圖解點(diǎn)獲取方便、成本低、周期短，具有幾何特征明顯、穩(wěn)定性好、易匹配的特點(diǎn)。通?？赏将@取點(diǎn)位周圍局部范圍的控制點(diǎn)影像塊，更利于控制點(diǎn)與影像間建立連接。但其精度受限于資料DLG、DOM等，無法和外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)的精度相媲美。

2）從坐標(biāo)類型上，控制點(diǎn)可分為平面控制點(diǎn)，即具有平面坐標(biāo)值的控制點(diǎn)；高程控制點(diǎn)，即具有高程值的控制點(diǎn)；平高控制點(diǎn)，同時(shí)具有平面坐標(biāo)和高程值的控制點(diǎn)。外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)一般具有平面坐標(biāo)、高程值，內(nèi)業(yè)圖解控制點(diǎn)一般具有平面坐標(biāo)值。

隨著高精度遙感影像需求日益增大，遙感影像的不同應(yīng)用場景對影像控制點(diǎn)的要求也不盡相同。因此很多學(xué)者提出建立影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，尤其是區(qū)域性、全國性的影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，作為解決反復(fù)利用控制點(diǎn)資料行之有效的辦法。

1.3 影像控制點(diǎn)可含信息

影像控制點(diǎn)雖然名為“點(diǎn)”，但其包含的信息絕不止是點(diǎn)，其包含的信息可歸納為：控制點(diǎn)空間位置信息、點(diǎn)位特征信息、點(diǎn)位周圍影像塊、輔助信息等。

1）控制點(diǎn)的空間位置信息，不僅指點(diǎn)位本身的坐標(biāo)值信息，還包括其所在行政區(qū)域、1∶10 000或1∶50 000圖幅等索引信息。

2）控制點(diǎn)的點(diǎn)位特征信息，主要用來描述控制點(diǎn)的特征、特性，便于其查找、使用，包括控制點(diǎn)點(diǎn)號、獲取方式、采集時(shí)間、控制點(diǎn)有效性、類型、坐標(biāo)成果來源、坐標(biāo)系、點(diǎn)位說明、實(shí)地照片等。

3）點(diǎn)位周圍影像塊，控制點(diǎn)影像塊可從采集的遙感數(shù)據(jù)源中裁切獲得，是以控制點(diǎn)位置為中心的矩形影像數(shù)據(jù)塊。使用控制點(diǎn)影像塊進(jìn)行遙感影像幾何糾正時(shí)，可采用多源影像匹配的算法自動選取控制點(diǎn)，并在目標(biāo)影像上實(shí)現(xiàn)匹配定位，是實(shí)現(xiàn)遙感影像快速幾何糾正的主要途徑。為了滿足不同規(guī)格的遙感影像糾正、配準(zhǔn)需求，可以為一個(gè)影像控制點(diǎn)制作多個(gè)影像塊，避免影像塊分辨率太低或太高，而導(dǎo)致控制點(diǎn)影像的特征在目標(biāo)影像上根本不存在而無法順利實(shí)現(xiàn)匹配的情況[3]。

空間位置信息、點(diǎn)位特征信息、點(diǎn)位周圍影像塊、輔助信息等構(gòu)成了影像控制點(diǎn)。利用積累下來的大量影像控制點(diǎn)統(tǒng)一入庫，建立影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，不僅改進(jìn)了控制點(diǎn)資源的管理方式，也提高了控制點(diǎn)的使用效率，同時(shí)可以大大提高多源遙感影像的匹配、糾正速度[4]。

2 影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫

2.1 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容及結(jié)構(gòu)

根據(jù)本文1.3 節(jié)對影像控制點(diǎn)可含信息的分析，影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容應(yīng)涉及如下幾個(gè)方面，同時(shí)應(yīng)符合影像控制點(diǎn)及其使用的相應(yīng)要求。

1）影像控制點(diǎn)空間位置數(shù)據(jù)：以點(diǎn)要素的方式存儲，可采用File GeoDatabase格式。

2）影像控制點(diǎn)點(diǎn)位成果：一般以點(diǎn)位成果表的形式存儲，可采用Excel 格式，內(nèi)容應(yīng)包含點(diǎn)號、獲取方式、類型及等級、采集時(shí)間、時(shí)效性、經(jīng)緯度、大地高等基本信息。點(diǎn)位成果表一方面便于影像控制點(diǎn)的檢索和管理，另一方面可作為錄入矢量信息的數(shù)據(jù)來源。

3）影像控制點(diǎn)點(diǎn)位信息：一般以每個(gè)控制點(diǎn)對應(yīng)一張點(diǎn)位信息表的形式存儲，可采用Excel 格式，內(nèi)容應(yīng)包含影像控制點(diǎn)點(diǎn)號、編號、所在行政區(qū)、獲取方式、類型、布點(diǎn)員、測量員、檢查員、測量單位、采集時(shí)間、坐標(biāo)成果來源、坐標(biāo)系、坐標(biāo)值、控制點(diǎn)Ⅰ級圖形圖像（點(diǎn)位影像索引圖）、實(shí)地照片Ⅰ（點(diǎn)位實(shí)地觀測時(shí)全局拍照）、控制點(diǎn)Ⅱ級圖形圖像（點(diǎn)位局部放大影像圖）、實(shí)地照片Ⅱ（點(diǎn)位實(shí)地觀測時(shí)局部拍照）、點(diǎn)位說明及備注信息等。點(diǎn)位信息表用來記錄影像控制點(diǎn)的基本信息和屬性數(shù)據(jù)，是影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的重要內(nèi)容之一。

4）控制點(diǎn)影像塊：控制點(diǎn)影像塊從采集的遙感數(shù)據(jù)源中裁切，可采用非壓縮TIFF 格式，裁切時(shí)以控制點(diǎn)位置為中心點(diǎn)，裁切固定規(guī)格的影像塊（如：511像素×511像素），并盡可能把實(shí)地照片拍攝的主體地物置于裁切范圍中間。如果具備多種分辨率的遙感數(shù)據(jù)源，可裁切多種分辨率的控制點(diǎn)影像塊，以備不同應(yīng)用場景需求。

2.2 控制點(diǎn)編號方式

要將影像控制點(diǎn)統(tǒng)一管理起來，就必須對收集到的影像控制點(diǎn)成果按統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行編號。為了盡可能體現(xiàn)影像控制點(diǎn)的信息，編號可由獲取方式、類型、時(shí)效性、行政區(qū)劃、采集時(shí)間及序號組成。

2.3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

根據(jù)影像控制點(diǎn)及影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的管理、使用需求，影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要具有影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的錄入、修改、刪除，影像控制點(diǎn)查詢、統(tǒng)計(jì)、輸出，圖層控制、數(shù)據(jù)瀏覽、符號化，用戶管理、數(shù)據(jù)備份等功能。

1）數(shù)據(jù)錄入：數(shù)據(jù)錄入前，按2.1 和2.2 的描述對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的目的是把不規(guī)則的影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則的符合數(shù)據(jù)入庫標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。對已經(jīng)空間化的控制點(diǎn)，采用程序批量錄入控制點(diǎn)位置信息；對未空間化的控制點(diǎn)，利用控制點(diǎn)坐標(biāo)成果表等已有信息，批量或逐條處理、錄入矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)；并按統(tǒng)一規(guī)格制作影像控制點(diǎn)點(diǎn)位成果表、點(diǎn)位信息表、控制點(diǎn)影像塊等必要附件。數(shù)據(jù)錄入完成后應(yīng)記錄數(shù)據(jù)入庫日志。

2）數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)：包括按編號、等級、獲取方式、類型、時(shí)效性、行政區(qū)劃等信息的影像控制點(diǎn)查詢及統(tǒng)計(jì)；按坐標(biāo)范圍、圖形范圍、索引信息的影像控制點(diǎn)查詢及統(tǒng)計(jì)；基于其他信息的模糊查詢、精確查詢。

3）數(shù)據(jù)輸出：根據(jù)查詢條件獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)及附件后輸出；根據(jù)需求輸出統(tǒng)一規(guī)格的相應(yīng)圖表。

4）數(shù)據(jù)瀏覽：放大、縮小、移動、全圖顯示、回退至上一窗口、分圖層勾選等常規(guī)地圖瀏覽功能；可定制的數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽；可定制的符號化。

5）數(shù)據(jù)更新：影像控制點(diǎn)的各類屬性信息更新；影像控制點(diǎn)點(diǎn)位信息表等附件內(nèi)容更新；影像控制點(diǎn)的控制點(diǎn)影像塊更新；自動記錄影像控制點(diǎn)更新痕跡。

6）數(shù)據(jù)備份：增量備份；定期全庫備份。

7）用戶管理：用戶賬號管理、用戶權(quán)限管理、日志管理等，保障影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的安全運(yùn)行。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫建立

根據(jù)以上分析及研究，構(gòu)建我省影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上，對多年來積累的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理入庫。

選取項(xiàng)目來源明確，成果真實(shí)、準(zhǔn)確，可長期保存，其他項(xiàng)目可借鑒性好的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，按入庫預(yù)處理、排查失效和錯(cuò)誤控制點(diǎn)、完善控制點(diǎn)屬性信息、制作控制點(diǎn)影像塊、整理控制點(diǎn)點(diǎn)位信息表、點(diǎn)位成果表及其他資料的流程完成影像控制點(diǎn)入庫。利用第一次全國地理國情普查、地理國情監(jiān)測、第三次全國國土調(diào)查等項(xiàng)目完成的覆蓋湖北全省的0.5 m、1.0 m、2.0 m分辨率數(shù)字正射影像制作控制點(diǎn)影像塊。這些影像均采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：CGCS2000坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)，高斯-克呂格投影。具體入庫流程如圖1。

圖1 影像控制點(diǎn)入庫流程

3.2 影像控制點(diǎn)的應(yīng)用

在省域范圍內(nèi)選取廣水、曾都兩地的遙感影像作為生產(chǎn)1∶10 000 DOM 實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用已建立的影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)衛(wèi)星影像提供的精確RPC參數(shù)，必要時(shí)配合已有DEM 成果等資料，進(jìn)行正射糾正處理。而后通過外業(yè)檢核對實(shí)驗(yàn)區(qū)DOM 成果進(jìn)行精度檢測，驗(yàn)證了影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的可靠性[5]。

該省級影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫陸續(xù)在地理國情監(jiān)測、自然資源監(jiān)測、耕地“非農(nóng)化”、2022 年第三季度耕地監(jiān)測、衛(wèi)星遙感影像快速生產(chǎn)等重大項(xiàng)目中作為遙感影像糾正處理的控制資料和檢查依據(jù)發(fā)揮了重要作用[6-7]。

4 結(jié) 語

本文立足于當(dāng)前自然資源監(jiān)管、各行業(yè)應(yīng)用對遙感影像日益旺盛的需求，以提高遙感影像處理效率，管理、利用歷史控制點(diǎn)資料為目標(biāo)，討論了影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的必要性。在充分探討影像控制點(diǎn)的含義、類型、所需信息、應(yīng)用方向的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立了省級影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。并對多年來我省積累的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理入庫，通過實(shí)驗(yàn)區(qū)應(yīng)用，驗(yàn)證了影像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的可靠性。