一種電子地形圖自動幾何校正方法及實現(xiàn)

鄭逢令，安沙舟，阿斯婭·曼力克，蔣 英，李學森

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊　830000；2.新疆畜牧科學院草業(yè)研究所,烏魯木齊　830000；

3.新疆醫(yī)科大學語言文化學院,烏魯木齊　830000)

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一種電子地形圖自動幾何校正方法及實現(xiàn)

鄭逢令1，2，安沙舟1，阿斯婭·曼力克2，蔣 英3，李學森2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊830000；2.新疆畜牧科學院草業(yè)研究所,烏魯木齊830000；

3.新疆醫(yī)科大學語言文化學院,烏魯木齊830000)

摘要：【目的】提出一種地形圖自動幾何校正的方法，并通過編程實現(xiàn)這一方法，提高工作效率和幾何校正的精度?！痉椒ā刻岢鲆环N二次模板匹配的方法來實現(xiàn)電子地形圖的自動校正，并結(jié)合opencv2.4.9、Envi4.8，在visual studio 2010開發(fā)環(huán)境下，使用C++語言編程實現(xiàn)這一過程，二次模板匹配的方法是：第一次是選用整個圖像中特征最明顯的外圖廓四角匹配，確定一個感興趣區(qū)，在這個區(qū)域中，再使用十字絲模板匹配，因為這個區(qū)域內(nèi)只有一個十字交叉點，即已知經(jīng)緯度的圖廓點，所以匹配準確率可以達到100%的準確率?！窘Y(jié)果】以二次模板匹配為核心算法，通過編程開發(fā)的軟件處理掃描地形圖，全程只需要打開待校正地形圖圖像，運行自動校正程序，最終會獲得具有地理編碼的幾何校正后的GEOTIFF格式的文件。通過自動幾何校正軟件的實例運行，發(fā)現(xiàn)通過這一方法處理獲得結(jié)果具有很高的精度。【結(jié)論】應用二次圖像匹配的算法并編程實現(xiàn)的地形圖幾何校正方法，可以全自動完成地形圖圖像幾何校正，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工操作，不僅精度可以滿足工作需求，而且很容易編程實現(xiàn)業(yè)務化的運行軟件。

關(guān)鍵詞：地形圖；幾何校正；二次模板匹配

0引 言

【研究意義】電子地形圖作為一種研究和設(shè)計工作中常用的基礎(chǔ)地理資料，需要轉(zhuǎn)成電子圖像的格式后進行幾何校正，才能在計算機中應用。幾何校正所需要的GCP(Ground control point，地面控制點)點通常是根據(jù)4個內(nèi)圖廓線交點(即圖廓點)的圖像坐標和經(jīng)緯度坐標來求取的。圖廓點的經(jīng)緯度坐標為已知值，而相應的圖像坐標目前一般由人工量取，不僅自動化程度低，而且精度低[1]。目前，缺乏實用快速的幾何校正軟件，手工輸入和配準效率低下，不適用現(xiàn)代工作的要求。【前人研究進展】要實現(xiàn)電子地形圖自動配準，首先是要找到已知坐標的特征點，而四角圖廓點(十字絲的中心點)是已知的，關(guān)鍵是讓計算機自動按一定順序找到這四個十字絲的中心點，然后獲取圖像坐標，與已知的地理坐標組成GCP點，完成地形圖的匹配。但如果直接通過模式識別的方法找電子地形圖的十字絲交叉點，不論通過HOUGH等算法獲取直線交點[2-3]，或者通過Harris等算法搜索強角點[4-7]，亦或是使用圖像匹配的算法，符合條件的結(jié)果會遠遠超過四個。假若地形圖掃描時沒有發(fā)生形變，則有可能通過幾何關(guān)系確定四角圖廓點的位置，但掃描圖件產(chǎn)生變形是絕對的?！颈狙芯壳腥朦c】利用計算機圖像和視覺技術(shù)及地理信息技術(shù)，提出一種二次模板匹配的方法來實現(xiàn)電子地形圖的自動校正技術(shù)，并結(jié)合opencv2.4.9、Envi 4.8，在visual studio 2010開發(fā)環(huán)境下，使用C++語言編程實現(xiàn)這一方法?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究提出二次模板匹配的算法解決這個困難。最終獲取可靠的控制點，完成地形圖的自動幾何校正。

1材料與方法

1.1材 料

研究對象是電子地形圖，使用的材料是新疆范圍內(nèi)的1∶5萬和1∶10萬的中比例尺掃描電子地形圖。

1.2方 法

1.2.1二次模板匹配的方法與思路

二次模板匹配的使用的是圖像匹配算法，具體方法是，先匹配外圖廓的四角，外圖廓四角是特征明顯而且是唯一的，每次匹配都幾乎可以達到100%的準確率。確定了圖廓四角，每個外圖廓框角角點與已知最近圖廓點(十字絲交叉點)的位置是固定的，這樣很容易確定一個ROI(region of interested，感興趣區(qū))，在這個ROI區(qū)域中，再使用十字絲模板匹配，因為這個區(qū)域內(nèi)只有一個十字交叉點-即已知經(jīng)緯度的圖廓點，匹配準確率也可以達到100%的準確率。

圖1地形圖自動校正流程
Fig.1Flow chart of automatic geometric correction of electronic topographic maps

1.2.2電子地形圖自動校正系統(tǒng)的實現(xiàn)1.2.2.1開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)為32位Windows 7專業(yè)版，可視化編程工具選擇visual studio 2010，視頻與圖像開發(fā)工具包選擇opencv2.4.9，開發(fā)語言主要使用C++，同時在生成了GCP(地面控制點)文件后，運用IDL(交互式數(shù)據(jù)語言,Interactive Data Language)編程語言在Envi4.8中調(diào)用自有函數(shù)完成電子地形圖的幾何校正。

1.2.2.2系統(tǒng)流程(圖1)1.2.2.3根據(jù)圖幅號生成四角十字交叉點的經(jīng)緯度坐標

打開一個柵格格式的掃描電子地形圖，在visual studio 2010和C++的環(huán)境下，截取文件名，文件名以新圖幅號命名，如果獲取的文件名不符合新圖幅號的命名規(guī)范，將跳出錯誤提示。如果命名正確，則根據(jù)新圖幅號計算獲得四角圖廓點(為一十字絲交點)的經(jīng)緯度坐標。

地形圖以圖號和圖名來標識，通過查找索引表來找到所需要的圖紙，圖幅號為了地形圖的管理、保存而出現(xiàn)。1992年12月，我國頒布了《國家基本比例尺地形圖分幅和編號GB/T139 89-92》文件，1993年3月開始實施，規(guī)定新圖幅號的標準。根據(jù)這個標準，已知圖幅號計算該圖幅西南圖廓點的經(jīng)緯度，按下式計算該圖幅西南圖廓點的經(jīng)緯度：

B=(b-31)×6°+(d-1)×△B；

L=(a-1)×4°+(4°/△L-c)×△L；

式中：B——圖幅內(nèi)某點的經(jīng)度；

L：圖幅內(nèi)某點的緯度；

△B：所求比例尺地形圖分幅的經(jīng)差；

△L：所求比例尺地形圖分幅的緯差；

a.1∶100萬地形圖圖幅所在緯度帶字符碼所對應的數(shù)字碼；

b.1∶100萬地形圖圖幅所在經(jīng)度帶的數(shù)字碼；

c.所求比例尺地形圖在1∶100萬地形圖圖號后的行號；

d.所求比例尺地形圖在1∶100萬地形圖圖號后的列號；

1.2.2.4模板匹配

Opens是一個應用廣泛的開源計算機視覺庫，它提供了很多函數(shù)，實現(xiàn)了很多計算機視覺算法，算法從最基本的圖像和視頻處理到高級的人臉識別皆有涉及。在圖像處理(IMGPROC MODULE)模塊中，能實現(xiàn)模板匹配(Template Matching)功能，在Opens中，圖像匹配可以做一對一的圖像匹配和一對多的圖像匹配，由于地形圖中外圖廓邊框角是唯一的，所以這里采用一對一的圖像匹配方法。

模板匹配中常用的相似度計算方法有：

(1)Square difference matching method(method = CV_TM_SQDIFF)平方差方法

(2)Correlation matching methods(method = CV_TM_CCORR)相關(guān)匹配方法

(5)Sum of Absolute difference SAD絕對差值

(6)Match Pixel Count MPC匹配成功點數(shù)

通過對幾種方法應用結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)平方差方法的效果是最好的。

首先利用模板匹配的CV_TM_SQDIFF方法，對外圖廓四角進行匹配，匹配后通過四角內(nèi)角點和已知經(jīng)緯度的十字絲交叉點(圖廓點)相對固定的距離計算獲得圖廓點圖面坐標。由于掃描圖都有一定的變形，計算獲取坐標未必與圖廓點重合，但這只是初次匹配，在二次模板匹配中，設(shè)置一個以初次獲得的圖面坐標點為中心的正方形ROI感興趣區(qū)，長寬為30～40像素為宜(300ppi圖像而言)。在這個區(qū)域內(nèi)使用十字絲模板再次匹配，就可以獲得精度很高的圖廓點圖面坐標。

1.2.2.5在ENVI+IDL環(huán)境中完成配準

經(jīng)過以上步驟，獲得了四對GCP點，由于配準需要在ENVI+IDL環(huán)境中進行，所以需要將地形圖的路徑和GCP點對傳入ENVI系統(tǒng)。

在visual studio中常用C#和C++來調(diào)用IDL進行ENVI的二次開發(fā)，由于研究是運用OPENCV的函數(shù)來做模板匹配，因此編程語言使用了C++。

Visual C++下調(diào)用IDL的方式有以下幾種方式：①Callable技術(shù)；②IDLDrawWidget組件；③COM_IDL_CONNECT組件；④對象輸出助手。此次研究選擇和方便傳入?yún)?shù)的IDLDrawWidget組件方法進行VC++和ENVI+IDL之間的聯(lián)系，它是在其他語言中創(chuàng)建使用IDL的Widget_Draw組件，包含調(diào)用IDL功能的方法，支持數(shù)據(jù)傳遞，從而可以實現(xiàn)在程序界面中顯示IDL的圖形和圖像的功能。

IDLDrawWidget組件具備以下三個特點：①能夠直接顯示IDL下的直接法圖形或?qū)ο蠓▓D像；②提供了鼠標和鍵盤事件的響應；③能夠與其他語言進行數(shù)據(jù)或變量傳遞。參數(shù)傳入后利用ENVI自有函數(shù)envi_register_doit進行配準，ENVI_PROJ_CREATE函數(shù)和創(chuàng)建經(jīng)緯度坐標系統(tǒng)，需要時使用ENVI_CONVERT_PROJECTION_CONRDINATES函數(shù)轉(zhuǎn)化為北京54坐標系統(tǒng)。而從ENVi內(nèi)部柵格格式。IMG轉(zhuǎn)換為GEOTIFF格式則需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)ENVI_OUTPUT_TO_EXTERNAL_FORMAT。

2結(jié)果與分析

2.1地形圖圖像模板

現(xiàn)在用一個實例來說明配準過程說明使用以上軟件進行電子地形圖自動幾何校正的效果，從新疆哈巴河縣十二張地形圖：12-45-5-甲、12-45-5-乙、12-45-5-丙、12-45-5-丁、12-45-6-甲、12-45-6-乙、12-45-6-丙、12-45-6-丁、12-45-17-甲、12-45-17-乙、12-45-17-丙、12-45-17-丁中隨機選擇外圖廓四角的模板和一個十字絲模板(圖2)，再從十二張地形圖中選擇了一張地圖12-45-17-乙，新圖幅號為L45E003010，圖像像素為300 ppi。圖2

ab cde

(a：十字絲；b：右上外圖廓角；c：右下外圖廓角；d：左上外圖廓角；e：左下外圖廓角)

圖2地形圖圖像模板
Fig.2The template image

of topographic maps

2.2軟件界面開發(fā)

軟件界面開發(fā)是使用了MFC的對話窗口創(chuàng)建，界面非常簡潔，只要打開圖像，顯示出來后，確定校正，等待一陣后在輸出路徑下可以看到幾何校正過的圖像，這里選擇了輸出北京54坐標系統(tǒng)的GEOTIFF格式文件，在Globalmap中打開看一看校正的效果。圖3，圖4

圖3地形圖自動幾何校正軟件界面
Fig.3Software interface of automatic geometric correction of electronic topographic maps

圖4網(wǎng)格交叉點，理論坐標和真實坐標比較
Fig.4Comparisons between the theoretical coordinates and real coordinates of intersections

2.3理論值與實際值比較

從隨機選擇的公里網(wǎng)格點坐標理論值與實際值的比較中，無論是橫坐標還是縱坐標，校正后的實際值與理論坐標絕對誤差都在10 m以內(nèi)，這對于1∶5萬或1∶10萬的地形圖來說，精度都是可以滿足實際工作的需要的。表1

表1隨機選擇的公里網(wǎng)格點坐標理論值與實際值的比較
Table 1Comparisons between the theoretical coordinates and real coordinates of kilometer grid intersections selected randomly

序號No.公里網(wǎng)格點理論x坐標Theoreticalxcoordinatesofkmgridinters-sections(m)公里網(wǎng)格點理論y坐標Theoreticalycoordinatesofkmgridinters-sections(m)實際顯示的x坐標Realxcoordi-natesofkmgridintersecti-ons(m)實際顯示的y坐標Realycoordi-natesofkmgridintersecti-ons(m)1527400045200052740034520002527300044600052729984460013527000044500052700004450084526400044800052640014480075526400045000552640004500056527800046000052780004600007526900045000052690054500048526600046200052660014620039527000046000052700064600051052800004450005280002445006

3討 論

研究提出了一種新的地形圖自動校正方法，其核心是二次模板匹配算法，即通過這種方法確定四角圖廓點圖面坐標，結(jié)合圖幅號推算的圖廓點理論坐標，形成GCP點對，完成電子地形圖的自動幾何校正，精度足以滿足對于中小比例尺的應用需求，但如果需要更高的精度，要進行精校正，可以繼續(xù)在初次配準后在一些十字交叉點進行十字絲的匹配，完成這一工作。還將這一算法與地理信息技術(shù)結(jié)合，編程實現(xiàn)了這一方法。

研究中實現(xiàn)地形圖的自動幾何校正，并具有很高的精度，對掃描過程產(chǎn)生一定變形的地形圖也有很強的適應性，但二次模板匹配的方法也有一定的局限性，表現(xiàn)在如果不同出版系列地形圖，圖廓發(fā)生變化，則需要重新建一套四角外圖廓角模板，或許深度學習[8-9]等人工智能技術(shù)會提供更健壯的算法。

4結(jié) 論

提出的二次圖像匹配的算法，可以精確確定圖廓點的位置，使用這種方法形成的軟件可以實現(xiàn)的地形圖自動幾何校正，與傳統(tǒng)手工作業(yè)的方法比較，效率高，精度也高。對于中比例尺地形圖來說可滿足用戶的需求，在實際工作中也可以實現(xiàn)業(yè)務化運行軟件和系統(tǒng)。

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A Method of Automatic Geometric Correction of Electronic Topographic Maps and Programming Realization

ZHENG Feng-ling1，2, AN Sha-zhou1, Asiya Manlik2, JIANG Ying3, LI Xue-sen2

(1.CollegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China; 2.GrasslandResearchInstituteofXinjiangAcademyofAnimalSciences,Urumqi830000,China; 3.CollegeofLanguageandCulture,XinjiangMedicalUniversity,Urumqi830000,China)

Abstract：【Objective】 This project aims to propose a topographical map automatic geometric correction method and achieve the method by a software， thus improving the work efficiency and the accuracy of geometric correction.【Method】A method to achieve the Twice Template Match of the automatic correction of electronic topographic maps was proposed combined with opencv 2.4.9, Envi 4.8, under visual studio 2010 development environment and the C ++ programming language was used in the process. The secondary matching method was: the first step was to choose the most obvious characteristics of the entire image, that was the four corners of the outer contour and then determine a region of interest in this area, then use the crosshairs template matching, because in this area there was only one cross intersection, that was known as latitude and longitude map border points, so the match accuracy rate could reach 100%. 【Result】As for the process scanned topographic maps in the software based on Twice template Match algorithms, we only need to open the full topographic map of the image to be corrected, run the automatic calibration procedure, and ultimately get geometric corrected GEOTIFF format which has been geocoded. Through an automatic geometric correction software instance, we found that the processing results obtained by this method had high accuracy.【Conclusion】The topographic map was processed in the software based on the theory of the Twice Template Match algorithms. The result demonstrated this software could make the topographic map to realize the fully automatic geometric correction and replace the traditional manual, which could not only meet the work demands precision but also it was easy to achieve business-oriented programming.

Key words:topographic map; geometric correction; twice template match

中圖分類號：S126

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4330(2016)03-0575-06

作者簡介:鄭逢令(1974-)，男，新疆阿勒泰人，博士研究生,助理研究員，研究方向為草地遙感及空間信息系統(tǒng)，(E-mail)xjzheng@sina.com通訊作者:安沙舟(1956-)，男,陜西富平人，教授，博士，博士生導師，研究方向為草地資源與生態(tài)，(E-mail)xjasz@126.com

基金項目:國家自然科學基金項目(31460625);教育部人文社會科學研究新疆項目(14XJJCZH004)

收稿日期：2015-05-08

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.03.026

Fund project:Supported by the National Natural Science Fund(31460625)and Xinjiang Humanities and Social Scienc Research Program of Ministry of Education, P. R. China (14XJJCZH004)