歷史圖件圖像配準的常用方法研究

黃錦斌

（1.廣州市房地產測繪院，廣東 廣州 510000；2.廣州市測繪產品質量檢驗中心，廣東 廣州 510000）

1 引言

戶地圖是新中國成立后廣州市最早利用的地籍成果，自1930年測制后一直修編至1986年。戶地圖不僅關聯著土地和房屋的權屬信息，也記錄著道路、水系、地名等基礎地理要素。隨著城市的發展變遷，有許多物權已滅失于歷史長河中，而現實中實體滅失的物權由于缺乏空間位置、門牌地址、四鄰關系等必要線索，需要根據戶地圖所關聯的歷史物權信息進一步確認其產權現狀，把戶地圖與其年代相近的歷史地形圖進行圖像配準，將戶地圖數據成果與已有的空間數據關聯起來。戶地圖目前可用于土地確權、地籍調查成果核查、權屬糾紛調處、直管房管理等諸多國土房管業務。

2 圖像配準的基本原理

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

圖像配準主要包括兩方面內容：（1）確定足夠數量的配準匹配點；（2）根據這些配準匹配點確定圖像與參考底圖之間的對應關系。

目前常用的圖像配準方法主要有 ：零階平移變換、一階多項式變換、校正變換、投影變換、二階多項式變換、三階多項式變換、樣條函數變換。因為柵格數據集需要拉伸、縮放和旋轉，所以一階多項式（仿射）變換常用于對柵格數據集進行圖像配準。

使用一階（或仿射）變換來平移、縮放和旋轉柵格數據集，通常會在柵格數據集上得到直線，這些直線在扭曲的柵格數據集中映射為直線。因此，柵格數據集上的正方形和矩形通常會變為具有任意比例和角度方向的平行四邊形。

通過使用最少三個鏈接，采用一階變換的數學方程可將每個柵格點準確映射至目標位置。任意三個以上的鏈接都會產生誤差或殘差，它們會均勻分布在所有鏈接上，從而達到最理想的配準效果。

3 戶地圖與歷史數據配準

3.1 戶地圖數據分析

上世紀50年代測制的1∶2000歷史地形圖上標注了兩種圖號，一是與目前廣州坐標的1∶2000圖號一致，二是與戶地圖上鉛筆標注的十字絲圖號一致，根據戶地圖上后期添加的十字絲，通過實驗確認，與1∶500標準地形圖分幅一致。通過以上規律，依據戶地圖上十字絲及其圖幅命名方式，找出命名規律，制作出1∶500和1∶2000戶地圖結合表。

經多次配準測試，擬定利用戶地圖上的十字絲（方格網）作為參考同名點進行配準，先找到大致位置，再利用歷史地形圖中的歷史地物、現狀電子地圖數據中的水系、道路走向等資料，作為配準參考進行精確配準。鑒于以上原因，只能參照明顯地物，通過幾何配準的方法將戶地圖配準到有統一坐標系的現狀地形圖或歷史地形圖。

3.2 戶地圖配準方法

圖像配準有多種方式可以選擇，實際作業時可根據數據情況按如下順序依次選擇方法：

（1）戶地圖上的標的物目前仍存在的，則根據標的物進行圖像配準；（2）戶地圖上的標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，則根據歷史資料進行圖像配準；（3）戶地圖上的標的物目前已不存在且歷史資料（影像或地圖）未有記錄的，則根據圖幅結合表進行圖像配準。

3.2.1 根據分幅框粗略配準

由于掃描件可進行縮放和旋轉，可先根據戶地圖上人工標注的分幅編碼找到對應的分幅框，用圖上的分幅角點對戶地圖進行定位，疊加已配準好的歷史地形圖，根據圖中還存在的標的物，如水系網、道路（鐵路）網、房屋房角點等進行粗略配準（如圖1所示），確保圖幅位置大致正確，盡量不產生圖像變形。

圖1 戶地圖粗略定位

3.2.2 根據歷史地形圖進行精確配準

在粗略配準基礎上，以歷史地形圖、現狀電子地圖上的地物等為參考資料，逐次選擇整個范圍內均勻分布的4個或以上關鍵地物點作為匹配點進行調整，使圖幅精度符合要求。根據精確配準后的位置定位，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圖，用上述方法對其周邊的戶地圖進行配準。在配準過程中會出現圖框變形、超出允許值范圍的現象，因此在圖內地物配準時，要保證圖框尺寸在允許值范圍內。

圖2 戶地圖精確配準

3.2.3 以多幅圖為配準基準，提高整體配準精度

一區段的戶地圖數據少則10張，多則可達50張，實驗證明，如果以配準好的一張戶地圖作為基準圖，越往外輻射圖幅變形越大，與現狀地物偏離越大，因此，在配準前期需要找到戶地圖上地物較多、在整區段分布均勻的多幅圖作為配準整個段的基準圖（如圖3所示），以提高配準精度。

圖3 選用多基準圖進行配準

3.2.4 部分圖件上的地物與現狀地物匹配度

最早的戶地圖測制于1930年，當時測繪儀器十分簡陋，如果出現跨江河、山體等跨度較大的地物，邊長精度就難以保證。

在配準過程中發現，同一幅戶地圖，以河流為界，河流右側房屋與現狀基本吻合，但河流左側的房屋、道路與現狀地物不匹配。經多方面考慮，圖上河流寬度約30米，可能因河流寬度不準確而導致圖形配準時變形錯位，達不到配準要求。因此，為提高局部要素精度，對于能沿河流、道路、空地塊分布的要素，用Photoshop對圖幅進行裁切，將一幅圖分為多幅圖再進行配準，雖然增加了配準工作量，但實踐證明該方法可行，有效解決了在配準后同一幅戶地圖左右區域配準偏差的現象。底圖裁切后配準效果如圖4所示。

圖4 底圖裁切后配準效果

3.2.5 戶地圖接邊

以精確配準后的戶地圖為中心，對周邊的戶地圖進行接邊處理。經過精確配準的戶地圖在與相鄰圖幅接邊時，圖斑基本能重疊對上，地物與現狀電子地圖房屋、道路走向基本吻合，再經過手工添加控制點進行糾正，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 圖像配準精度評定

本次矢量化的戶地圖基本都是新中國成立前測制的戶地圖，下述幾個方面對幾何配準精度造成影響：

（1）由于測量年代久遠，測量方法和條件限制，無法得知戶地圖和用以配準的歷史地形圖的測量精度，與現代測量相比相差較大；（2）由于紙質保存和使用頻繁，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量精度；（3）選取用于配準的關鍵地物點數量是否足夠多、有無變化變形、測量精度高低等。

由于戶地圖的地物點坐標值和測量精度均無法估算，配準精度無法采用對應點坐標點位較差的方法進行檢測，需要計算對應關鍵地物點和鄰近對應關鍵地物點的點位間距中誤差，進行幾何配準精度檢核，即分別計算戶地圖和歷史地形圖對應地物點的間距，再求中誤差。參考相關精度要求，計算本次戶地圖矢量化的相鄰地物點中誤差是不現實的。因此，盡量尋找更多的對應地物點，對各區域的精度進行統計，進而得知各區段的精度差異。針對戶地圖上的標的物目前仍存在，或者標的物目前已不存在但歷史資料（影像或地圖）仍能找到的，根據統計把標的物當作關鍵地物點進行精度統計。對于戶地圖上的標的物目前已不存在且歷史資料沒有記錄的，則無法進行精度統計。

圖像配準的精度評定，通過內、外業評定兩種方式確定。內業評定是通過十字絲及均勻分布的配準匹配點，通過查看連接表中各檢查匹配點的殘差，刪除殘差特別大的匹配點并重新選取，各匹配點殘差均勻分布，可以認定這幅圖配準成功，要做好戶地圖配準工作記錄。

戶地圖數據在圖像配準后，對現存地物進行實地測量，利用全站儀測量房角點坐標、量取房屋邊長，對實測的房角點坐標數據與戶地圖上同名點坐標進行比較。由比較結果可知，點位中誤差和邊長中誤差均滿足1∶2000數字地形圖中的地物點平面位置精度要求。地物點平面位置精度如表1所示，檢驗結果如表2、表3所示。

表1 地物點平面位置精度（m）

表2 平面測量精度（m）

表3 量邊檢驗記錄表（m）

5 結論分析

本文在特征點匹配的基礎上，采用一階多項式（仿射）的模型進行圖像配準，重點介紹配準過程中出現的問題和解決方法，以及匹配特征點數目及多幅圖作為配準基準對圖像配準精度的影響，最后進行精度評價。結果表明：

（1）影像特征點匹配結果正確、匹配點分布均勻時，匹配點數目越多，利用一階多項式（仿射）進行圖像配準的精度越高。

（2）戶地圖圖像配準中，要多方面、多角度分析每一張戶地圖與歷史地形圖、現狀地物數據之間的聯系，找到戶地圖上地物較多的圖形，以多幅圖作為配準整個段的基準，提高整體配準精度，出現偏差較大的，要具體問題具體分析。