实验报告2

《GIS原理与应用》课程实验报告二

姓名：杨波班级学号：0802601-20

实验名称

影像配准及矢量化

实验目的

1.利用影像配准(Georeferencing) 工具进行影像数据的地理配准。

2.编辑器的使用（点要素、线要素、多边形要素的数字化）。

3.了解GPS数据在ArcGis中的转换与显示。

实验原理

由普吉地形图上的1:10000方里网坐标配准影像。

实验数据

昆明市西山区普吉地形图1:10000 地形图――70011-1.Tif，昆明市旅游休闲图.jpg 实验过程记录：

实验过程

第1步地形图的配准－加载数据和影像配准工具

第2步输入控制点

第3步设定数据框的属性

第4步矫正并重采样栅格生成新的栅格文件

第5 步分层矢量化－在ArcCatalog中创建一个线要素图层

第6步.GPS数据的转换成果。

问题回答：

一、总结屏幕跟踪数字化过程的基本步骤及每一步骤的必要性。

答：屏幕数字化就是根据数字化(矢量化)软件（如R2V，ArcMap中Arcscan模块等），对已经进行扫描的地图分层进行矢量化的过程。

①、打开ArcMap，加载ArcScan模块（在菜单栏空白处右键，选择ArcScan就可以了），然后在菜单栏上Tools/Extensions，将ArcScan前的复选框挑上钩；加载地图配准模块Georeferencing,方法同加载ArcScan一样。

②、为data frame设置地图坐标系统，从前面的介绍可以知道，这里设置坐标系统是

和地图的真实坐标系统一致的，也即是采用Beijing54地理坐标系统下的高斯-克吕格投影，具体的设置前面已有介绍。

③、加载地图

④、利用Georeferencing进行地图配准（建议先把Georeferencing下的Auto Adjust 前的勾去掉。点击图标进行选取控制点。控制点的选取原则是知道确定坐标的点（在这里是，如果是图到图的配准的话则需选取实际位置不变的点），地图的四角都有经纬度坐标，因此先分别选择这四个点（具体方法是放大地图，在经纬度相交的地方点一下，然后再在其他任何位置点一下（也许认为这样不对，别忙，下面将做解释），这就完成了一个控制点的初选取，然后在依次完成其余点的选取。

选择完成后在点击图标，可以看到地图的Xmap,Ymap字段，先把这个放在一边，下面进行大地坐标（经纬度表示），到平面坐标的转换（平面单位，这里是米），也即使地图上的如48°50′N，127°45′E的点投影后在地图上的平面坐标是多少的计算过程。转换需要相应的投影参数，为了方便，可以使用一些坐标转换的小软件。将这些点的坐标转换完成后对应输入Xmap和Ymap下的表格中。

⑤、地图数字化

建立需要数字化的图层，如等高线层，图层的坐标系统应和之前实际地图坐标系统一致。加载需要数字化的图层和地图文件（已经完成地图配准后的文件）和该地图文件的某一个波段栅格数据（如Band2），将该单波段栅格图像二值化，Start Editing后这时可以看到ArcScan工具条被激活。

说明：ArcScan矢量化工具只能在二值化栅格数据的情况下使用，而加载RGB合成的地图数据是为了便于人工干涉矢量跟踪，当然也可以不加载（后果是工作量大大增加并且容易出错）。将单波段图像不显示，这是就可以利用ArcScan矢量化地图要素同时人看到的是

“真彩色”合成的“原地图”，便于操作

二、分析数字化过程中误差的来源及减小误差的相关方法。

答：图形数据误差可分为源误差、处理误差和应用误差3种类型.源误差是指数据采集和录入过程中产生的误差，如制图过程中展绘控制点、编绘或清绘地图、制印和套色等引入的误差，数字化过程中因纸张变形、变换比例尺、数字化仪的精度(定点误差、重复误差和分辨率)、操作员的技

能和采样点的密度等引起的误差.处理误差是指数据录入后进行数据处理过程中产生的误差，包括几何变换、数据编辑、图形化简、数据格式转换、计算机截断误差等.应用误差是指空间数据在使用过程中出现的误差［1］.其中数据处理误差远远小于数据源的误差，应用误差不属于数据本

身的误差，因此本文着重介绍数据源误差及其校正方法.

在图件数字化输入过程中，通常的输入方法有扫描矢量化、数字化仪跟踪数字化、标准数据输入法等.通常将一幅地图按一定的数据结构数字化得到的数据一般存在如下误差：(1)由于地图纸张变形所产生的误差；(2)由于数字化时地图定向所产生的误差；(3)由于数字化读数所产生的

误差；(4)数字化操作产生的各种粗差.这些误差的性质有系统误差、偶然误差和粗差.由于各种误差的存在，使地图各要素的数字化数据转换成图形时不能套合，使不同时间数字化的成果不能精确联结，使相邻图幅不能拼接；所以数字化的地图数据必须经过编辑处理和数据校正，消除输入

图形的变形，才能使之满足实际要求，进行应用或入库.

一般情况下，数据编辑处理只能消除或减少在数字化过程中因操作产生的局部误差或明显误差，但图纸变形和数字化过程产生的随机误差，必须经过几何校正，才能消除.由

于造成数据变形的因素很多，对于不同因素引起的误差，其校正方法也不同，具体采用何种方法应根据实际情况

而定，因此，在设计系统时，应针对不同的情况，应用不同的方法来实施校正.

1、几何变换

在数字化过程中，由于地图定向，即数字化仪坐标系与地图投影坐标系不一致所产生的误差，可以通过坐标旋转得到校正.

设XOY系为数字化仪坐标系，xoy系为经平移旋转后的地图投影坐标系，其坐标变换公式为

x=Xcosα-Ysinα,

y=Ysinα+Ycosα.

式中α可通过共同点在两系中的坐标求得，即

tanα=(yX-xY)/(xX+yY).

如发生平移或比例变化，则选择平移或比例变换进行校正即可.

为了校正由于纸张伸缩和地图定向引起的系统误差，可采用同素变换进行数据校正.同素变换是一种比较简单的一次变换，设数字化的坐标为(X,Y)，经同素变换后的坐标为(x,y)，则同素变换的公式为

x=(A1X+A2Y+A3)/(C1X+C2Y+1),

y=(B1X+B2Y+B3)/(C1X+C2Y+1).

2、最小二乘法线性校正

在实际校正过程中，由于造成变形的因素很多，有机械的、也有人工的，如数字化后的图是放大了，还是缩小了，放大或缩小了多少倍，是局部变形还是整体变形，是某些图

元与实际不符，还是整个图形都发生了畸变等，实际参数很难估算；因此很少通过几何变换即可完全校正图形.

为此，一般采用上述介绍的一次或高次多项式进行校正.

从理论上讲，控制点越多，分布越均匀，校正的效果越好.当方程次数与控制点的个数相同时，这样总可以使控制点满足精度要求.但当方程次数增高时，控制点外的其他位置点将按照曲面拟合路径进行变换，而图形输入过程中产生的误差很少满足这种关系，因此控制点外其他点的误

差反而会增大，离控制点越远，变化越大；所以在实际使用中很少用高次变换，一般用得较多的是一次变换，即仿射变换和双线性变换，也称双一次变换.

当选定一数学关系时，如一次多项式或二次多项式，按照解方程组未知数与方程个数必须相同的原则，一次多项式选取3个控制点即可求出未知系数，二次多项式选取6个，双线性多项式选取4个控制点即可.如果所给控制点数多于方程所要求的个数，为了使其尽量满足各个控制点，可

运用最小二乘法求解其校正系数.由于最小二乘法只能使各个控制点的真值与图形输入值的平方差达到最小，当控制点很多时，往往很难达到地图精度的要求

3、分块校正

图形控制点实际上是分布在图形中的一系列坐标位置点，校正的目的是通过这些已知的控制点，来校正整幅图形，使其满足精度要求.一般情况下，由于数据的相关性，图形中某一点的位置误差与其附近控制点的误差最接近，受这些控制点的影响最大；距离越远，影响越小.为此，可以将这些控制点形成一个个小区域，使该区域内的点仅受相应区域上的控制点控制.最简单的方法是将这些控制点形成一个个三角形，所有的三角形组成了一个三角网，每个三角形内的点用该三角形上的3个控制点来进行校正.故可用仿射变换，

即通过这种计算，所得的结果图件中，控制点可以完全达到所给定的值.每个三角形内部的点，都使用该三角形的校正系数来进行校正变换.相邻的两个三角形由于共边，所以在公共边上的点，用两边的校正系数进行校正都可以，跨接相邻三角形的曲线不会出现跳跃现象.但对于三角形外

的点需作特殊处理，为避免这种情况，在被校正图形的边缘处，要想办法选取控制点，用外推的方法一般会产生较大的误差.

那么如何构成三角形网呢？这实际上是一个三角剖分的问题.自动生成三角剖分的基本问题，是如何将有界平面上所有n个互不重合的参考点(在此为控制点)结成一张满足下列条件的三角形格网：(1)三角形格网中的所有网格(剖分)都是三角形；(2)全部n个参考点都是三角形格网的结点

，三角形格网共有n个结点.可利用一步法、分步法或应用数学形态学等方法来生成三角形网合并相邻的三角形，可以形成四边形网，对于每个四边形，可选用双线性变换关系式.利用四边形的4个顶点，即可求出每个四边形内数据的校正系数.每个四边形内的数据都通过双线性变换关系式，根据所得的校正系数进行校正，则校正结果图件中的控制点也可完全达到真值.特别是

对于小比例尺区域图来说，图中都有经纬网，通常一个经纬网格就是一个四边形，可作为一个校正单元，并对经纬网格进行统一编号.为了建立四边形格网，计算校正多项式系数，应按一定的顺序数字化所有经纬网的交点，将它们作为校正控制点，而经纬网交点的理论值可由坐标表查取或

根据投影坐标公式求得.根据控制点的值，求得校正多项式的校正系数，从而可对网格内图形元素的数字化点进行校正.

在MAPGIS中，就是采用这种校正方法，实际应用表明，效果很好.值得注意的是，

由于是分块进行校正，任一条具有行政意义的边，可能隶属于不同的校正单元，所以必须进行接边处理

三、为什么要对配准后的数据进行重采样？

答：因为经过配准的不同栅格的像元并不总是对齐的，因为像元大小可能不同，或者像元边界之间会有相对的偏移。当进行栅格合并时，空间分析必须为每一个输出像元指定对应的输入栅格的像元，这个过程就叫做重采样。

重采样的方法有最近邻发、search法、双线性内插法和立方卷积法。前两者适用于离散数据，后两者适用于连续数据。

实验总结：本次实验内容是影像配准及矢量化，但是由于时间原因，只能做到影像配准，矢量化就没做了。通过本次实验，我们进一步学习了ARCGIS软件，知道了怎样利用影像配准(Georeferencing) 工具进行影像数据的地理配准，对编辑器的使用有了一定的基础，并且了解GPS数据在ArcGis中的转换与显示。

成绩评定

签字：年月日