影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的一體化處理研究

張曉東，吳正鵬，陳楚，王琳

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的一體化處理研究

張曉東?，吳正鵬，陳楚，王琳

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

實(shí)際工作中，常存在各種坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換的需求。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程中，產(chǎn)生了過(guò)多不必要的中間成果，同時(shí)影響數(shù)據(jù)處理效率。本文針對(duì)天津市特定情況，為提高數(shù)據(jù)處理效率，減少對(duì)硬盤空間的需求，研究一種新的影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)一體化處理。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；多項(xiàng)式糾正；一體化

1 引 言

天津市目前常用的坐標(biāo)系有1990年天津市任意直角坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱90系)、1980西安坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱80系)、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、WGS-84坐標(biāo)系，以滿足規(guī)劃、國(guó)土、測(cè)繪等不同部門的需要。其中90系是為滿足經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市基本建設(shè)的需要而形成的自己一套獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)[1]。在實(shí)際生產(chǎn)工作中，常存在90系轉(zhuǎn)80系，80系轉(zhuǎn)2 000國(guó)家大地坐標(biāo)系等需求。對(duì)于遙感影像而言，數(shù)據(jù)量大，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中帶來(lái)硬盤空間不足，效率低下的問(wèn)題。針對(duì)上述生產(chǎn)中的問(wèn)題及天津市特定情況，本文以90系(1∶2 000)轉(zhuǎn)80系(1∶2 000)為例，介紹影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的一體化快速實(shí)現(xiàn)方法。

2 傳統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

天津市地理位置約為東經(jīng)116°42′～118°03′，其中央經(jīng)線為117°，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中不存在3°帶或6°帶跨帶問(wèn)題。因各坐標(biāo)系參數(shù)嚴(yán)格保密，為便于常規(guī)生產(chǎn)，一般是先獲取不同坐標(biāo)系之間的數(shù)量相當(dāng)?shù)耐c(diǎn)對(duì)，根據(jù)多項(xiàng)式糾正實(shí)現(xiàn)影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。同名點(diǎn)對(duì)的獲取方法如下:分別在X方向和Y方向上每隔一定距離均勻生成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位，根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位，從當(dāng)?shù)販y(cè)繪主管部門生成不同坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)。

以90系轉(zhuǎn)80系為例，目前各作業(yè)部門通常做法如下:

(1)在ERDAS軟件中拼接90系影像；

(2)將拼接后的90系影像采用二次多項(xiàng)式方法糾正到80系；

(3)對(duì)糾正后的80系影像分幅編號(hào)。

在以上步驟中，存在以下問(wèn)題:若數(shù)據(jù)量過(guò)大，拼接后的90系影像和糾正得到的80系影像占用大量磁盤空間；拼接影像耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，且這一過(guò)程屬于不必要時(shí)間；采用分步操作，作業(yè)員需要人工干預(yù)過(guò)多，不符合一體化數(shù)據(jù)處理思想。

3 一體化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

因90系和80系具有標(biāo)準(zhǔn)的分幅編號(hào)，根據(jù)地理坐標(biāo)可以找到相應(yīng)的圖幅編號(hào)，根據(jù)圖幅編號(hào)同樣可以找到對(duì)應(yīng)像素的地理坐標(biāo)，兩種坐標(biāo)系1∶2 000的分幅方式定義如下:

90系1∶2 000分幅方法:采用40 cm×50 cm矩形分幅，圖號(hào)采用天津市地形圖系列編號(hào)辦法，即每幅1∶10 000圖分為25幅1∶2 000圖，編號(hào)在1∶10 000圖幅號(hào)后由1～25順序編排，如300-95-2[1]。

80系1∶2 000分幅方法:采用50 cm×50 cm分幅方式，四角點(diǎn)按整千米數(shù)進(jìn)行分幅。地形圖編號(hào)采用圖廓西南角坐標(biāo)千米數(shù)編號(hào)法，北方向坐標(biāo)在前，東方向坐標(biāo)在后，取至1 km(如4345-543)，如圖1所示。

圖1 分幅方式說(shuō)明

提出一體化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思路方法后，通常想到的做法如圖2所示，即對(duì)于給定的80系影像編號(hào)，遍歷其每一個(gè)像素，根據(jù)其地理坐標(biāo)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換二次多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算相應(yīng)的90系坐標(biāo)，判斷該點(diǎn)位于哪一幅90系影像，打開(kāi)該影像并通過(guò)雙線性內(nèi)插計(jì)算該點(diǎn)的像素值。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的通常方法

上述方法存在問(wèn)題如下:在圖2中第三步計(jì)算該坐標(biāo)位于90系影像的分幅編號(hào)名稱，并打開(kāi)對(duì)應(yīng)影像，對(duì)于每一個(gè)像素都需要進(jìn)行上述操作，即頻繁打開(kāi)并關(guān)閉影像，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)處理效率。對(duì)于得到一副1∶2 000圖80系影像，其計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多小時(shí)。為減少影像打開(kāi)次數(shù)，提高數(shù)據(jù)處理效率，其改進(jìn)后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一體化數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一體化數(shù)據(jù)處理流程

首先，預(yù)先建立與影像像幅大小一樣的標(biāo)志數(shù)組，并初始化為0；逐一遍歷80系影像，判斷該處標(biāo)志數(shù)組是否為0，如果為0則根據(jù)其地理坐標(biāo)計(jì)算相應(yīng)的90系影像坐標(biāo)，并計(jì)算該坐標(biāo)所處的90系影像分幅編號(hào)名稱，打開(kāi)該90系影像；為防止頻繁打開(kāi)該90系影像，需要找到與該90系影像相關(guān)的所有像素，因此，再次遍歷80系影像的每一個(gè)像素，如果標(biāo)志數(shù)組相應(yīng)位置為0，則根據(jù)其地理坐標(biāo)計(jì)算相應(yīng)的90系坐標(biāo)，如果該坐標(biāo)位于已經(jīng)打開(kāi)的90系影像，則通過(guò)雙線性內(nèi)插[2]計(jì)算該處像素值，并將標(biāo)志數(shù)組相應(yīng)位置置為1。上述流程涉及關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的仿射變換系數(shù)計(jì)算

因?yàn)樘旖蚴忻娣e相對(duì)較小，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中不存在跨帶問(wèn)題，因此80系和90系之間的轉(zhuǎn)換可以近似看作為平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射、偏扭、彎曲等基本形變的合成，可以用以下多項(xiàng)式表達(dá)[3，4]。

上式多項(xiàng)式系數(shù)的計(jì)算根據(jù)一定數(shù)量的同名點(diǎn)對(duì)通過(guò)最小二乘法[5]計(jì)算得到。

(2)90系圖幅號(hào)與坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換①已知圖幅號(hào)計(jì)算其左下角坐標(biāo)

已知90系1∶2 000圖的編號(hào)為y10000-x10000-index，則其所在圖幅的左下角坐標(biāo)計(jì)算如下: xGeo=x10000+[(index-1)%5]×1000；yGeo=y10000+[4-(index-1)/5]×800；②已知坐標(biāo)計(jì)算其所在圖幅號(hào)

已知某點(diǎn)地理坐標(biāo)為(xGeo，yGeo)，求在90系1∶2 000圖的編號(hào)y10000-x10000-index，用偽代碼表示過(guò)程如下:

index=int(xGeo/1 000)；

x10 000=index-index%5；

index=int(yGeo/1 000)；

y10 000=index-index%4；

int yID=5-int((yGeo-y10 000?1 000))/800；

int xID=int((xGeo-x10 000?1 000))/1 000+1；

index=(yID-1)?5+xID；

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)上述流程總結(jié)并通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)，目前已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后的影像位置與ERDAS糾正之后的影像位置完全吻合。對(duì)于20 000幅DOM，采用常規(guī)作業(yè)方法，由于需要人工干預(yù)，且對(duì)硬盤空間需求較大，從90系轉(zhuǎn)到80系需要將近1個(gè)月的時(shí)間。采用本文提出的方法，其過(guò)程是全自動(dòng)化，中間不需要任何人工干預(yù)，其數(shù)據(jù)處理時(shí)間約60 h，有效減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高了整個(gè)作業(yè)效率。

由于天津市是一個(gè)直轄市，其區(qū)域面積相對(duì)各省面積小很多，且不存在3°帶或6°帶跨帶問(wèn)題，因此采用二次多項(xiàng)式糾正進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換能夠保證其精度。

[1] 天津市測(cè)繪院.天津市基礎(chǔ)地理信息要素?cái)?shù)據(jù)字典[R]. 2011.

[2] 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 張劍清，潘勵(lì)，王樹(shù)根.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.

[4] 張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[5] 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院.誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

The Research on Integrated Processing of Coordinate Transformation

Zhang Xiaodong，Wu Zhengpeng，Chen Chu，Wang Lin
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 100381，China)

In the practicalwork，there is a demand for the transformation of different coordinate systems..However，there are some redundant results in the traditional data processing which affects the processing efficiency.Aiming at the specific situation of Tianjin，the integrated processing of coordinate transformation is put forward in order to improve the efficiency and reduce the demand for the hard disk space.

Coordinate transform；Polynomial rectification；Integration

1672-8262(2013)02-116-02

P226+.3

A

2012—07—11

張曉東(1968—)，男，高級(jí)工程師，主要從事有關(guān)航空航天攝影測(cè)量工作。