空间配准

ArcGIS中的影像配准   模型简介 本练习所采用的高质量数据是由AirPhotoUSA和Tele Atlas North America提供的，它们是ESRI的两个商业合作伙伴。练习数据包含两张经过重采样的航空相片，以JPG格式存储（Slc_9910.jpg和Slc_0107.jpg），一幅影像的world文件（Slc_0107.jgw），一个街道中心线的shapefile（teleatll），以及影像配准控制点（controlpt）。矢量数据是以Utah State Plane NAD83 Central Zone配准的，单位是英尺。 街道的矢量数据是从Tele Atlas North America的犹他州盐湖城数据集中裁切出来的。矢量数据集被合成为单个的shapefile，还在一个ArcMap的图层文件中含有简单的图例。其中一个Shapefile文件包含七个控制点，位于城市干道交叉点上，用于影像配准。 由AirPhotoUSA提供的影像包括两张航空相片，描述了在I-80立交枢纽周围的I-15的重建范围。这两个影像是分别在1999年10月和2001年7月获取的。为了缩减文件大小以使数据能更容易从网上下载，这些图像经过重采样，由原来的两英尺地面分辨率降到了大约八英尺并以JPG文件存储。1999年10月的影像是未配准的。2001年7月的影像是以Utah State Plane NAD83 Central Zone配准的。在对1999年的影像配准后，可以比较两幅影像，会观察到新的建筑物和一些季节差异。 获取练习数据 启动ArcGIS之前，在资源管理器或其它文件管理程序中创建一个目录存放练习中使用的数据。创建一个SLC_115文件夹。再创建Images和SHPFiles两个子文件夹。在Images下，创建Unknown和UTSPN83C文件夹。在SHPFiles下，创建一个UTSPN83C文件夹。完整的目录结构显示在图1中。下载SHPFiles.exe和JPGFiles.exe两个自解压文件（www.casw.com.cn）。双击JPGFiles.exe，将Slc_9910.jpg解压到\Images\Unknown目录下，将Slc_0107.jpg解压到\Images\UTSPN83C目录下。双击SHPFiles.exe，将其 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 解压到\SHPFiles\UTSPN83C目录。 图片 1 在ArcMap中配准影像 栅格数据可以通过扫描地图、航片及卫片来获取。扫描的地图通常不包含表明影像的地表位置信息。从航空相片和卫星相片上获得的位置信息往往不适合执行分析，或者与其它数据对齐显示。与其它空间数据一起使用栅格数据，需要把栅格数据对齐或配准到地图的坐标系统。 配准栅格数据定义了它的地图坐标位置，并指定了联系数据与其地表位置的坐标系统。配准栅格数据使它能与其它地理数据一起被查看、查询和分析。本练习将描述激活ArcMap配准工具、配准一幅航空相片以及将其保存为配准好的影像的过程。关于配准的更多内容，可以查看ArcMap在线帮助中的“About Georeferencing”。 加载数据 开始这个练习，要激活Georeferencing工具条以及添加矢量数据和1999年的航片。 1.         打开ArcMap，加载Georeferencing工具条，通过选择View > Toolbars > Georeferencing。把工具条放在完全可见的位置。 2.         点击Add Data按钮，漫游到\SHPFiles\UTSPN83C目录，选择teleatl.lyr和controlpt.lyr。每个图层上的红色惊叹号表示这些图层文件需要与它们对应的shapefile连接起来。右键点击每一图层，选择Properties，点击Sources标签上的Set Data Source按钮，漫游到\SHPFiles\UTSPN83C目录，点击相应的shapefile。 3.         右键点击controlpt.lyr，从环境菜单中选择Open Attribute Table。查看每一层的数据。EASTING值是从1,151,600到1,153,300，NORTHING值是在7,440,300和7,542,200之间。teleatl1和controlpt都是在犹他 State Plane NAD83 Central Zone。为了让数据正确显示，改变地图单位和显示单位。右键点击目录表中的Layers数据框，选择Properties，点击General标签，从地图单位和显示单位的下拉框中选择feet。 4.         向模型中添加1999年10月的影像，点击Add Data按钮，从\Images\Unknown目录选择Slc_9910.jpg。在Create Pyramids for Slc_9910.jpg?对话框中选择Build Pyramids。忽略指明影像丢失空间参考信息的提示，点击OK。 5.         在目录表中右键点击Slc_9910.jpg，从环境菜单中选择Zoom to Layer。注意显示在地图区右下方的地图单位。影像的坐标很小，大概在-1,000到+1,500之间，表明这一层没有用Utah State Plane来投影。 测量者经常有意识地摆放地面控制板，用易于辨认的点来辅助影像纠正和立体建模。注意在Slc_9910.jpg的角上和中心线上的七个白色的小×号。这些是代表真实控制点的假想点，它们创建在影像上，辅助显示在controlpt.lyr上的测量控制点的配准。你可以放大到这些点看一看。将当前地图文档存为SLC_01。 配准1999年的影像 下一步是用影像和街道图层上的控制点将1999年10月的影像配准到犹他 State Plane坐标空间。在ArcGIS中配准影像与使用ArcView Image Analysis扩展模块配准影像的过程很相似。影像被拉伸和扭曲到矢量数据的投影控制点。 1.         右键点击街道图层，即teleatl1，选择Zoom to Layer。 2.         在Georeferencing工具条上，Layer设置为Slc_9910.jpg，点击下拉菜单，选择Fit to Display。这会使Slc_9910.jpg的进行全局显示。 3.         放大到影像的西北角，使数字1边上的绿色×（第一个控制点）与影像上的白色×都可见。点击Georeferencing工具条上的Add Control Points按钮。鼠标鼠标指针变成了一个十字丝。将十字丝定位在白色的×上点击。鼠标鼠标指针变成了一个有要素的十字丝。将鼠标指针移动到绿色的×控制点，点击。影像会移动，两个×排在了一起。这个影像平移是个单点的转换，它是基于栅格数据上的一个控制点和目标数据（controlpt.lyr）上相应控制点之间的连接实现的。在目录表中右键点击Slc_9910.jpg，选择Zoom to Layer查看影像的全图。 图片 2 4.         放大到影像的东南角，按照上一步描述的方法，用Add Control Points按钮将白色×移动到控制点3。缩小影像会看到其它控制点看起来都已经对齐了。用前面的方法，配准影像东北和西南角的控制点2和4。 5.         结束时，点击Georeferencing工具条上的View Link Table按钮。在这个过程中，ArcGIS通过计算控制点1、2、3、4做一个多项式转换，应用最小二乘法使输入位置近似到输出位置。最佳多项式转换生成两个公式——一个是为输入位置（x,y）计算其输出的x坐标、一个是计算输出的y坐标。最小二乘法是从一个应用到所有点的一般公式得到的。 图片 3 图3 当这个公式应用到一个控制点，会返回一个误差。误差是从点位置与到点位置之间的差异。使用更多质量等同的控制点，就能更精确地用多项式把输入数据转换到输出的坐标。因为目前我们只用了四个控制点，ArcGIS只能执行一个1st Order Polynomial（或仿射）变换。 转换栅格数据需要的连接数目依赖于使用的方法。但是，更多的连接不等同于更好的配准。理想情况下，连接应该分散在影像上，至少每个角上有一个点。转换的精确程度是通过比较真实的地图坐标位置与栅格中转换的位置来测量的。这个对每个连接的测量称为残留误差。点击Georeferencing工具条上的Link Table按钮来显示Slc_9910.jpg的误差。粗略地看，配准完成的很好。总体误差的计算是对所有连接的残留误差求均方差（RMS）。RMS误差是对转换精度的估计值，但不一定意味着地图被精确配准。 1.         配准控制点5、6、7后再查看Link Table。每个添加的点都增大RMS误差，但是增加穿过影像中心的点会加强配准的整体精度。 2.         点击Link Table按钮。在Link Table对话框中，选择2nd Order Polynomial。ArcMap能应用一个更复杂的数学运算来调整数据和校正RMS误差。有着不能接受的高误差点将会被选中、删除、替换。执行2nd Order变换需要6个或更多的点。 图片 4 3.         保存地图文档。这样也保存了配准信息，存储在一个单独的文件里，与影像文件同名，扩展名是.aux。为1999年的影像创建一幅新的犹他 State Plane影像，从Georeferencing工具条的下拉菜单中选择Rectify。选择使用Nearest Neighbor的重采样方式，把图像以TIFF格式保存在Images\UTSPN83C目录，名称为SLC_9910。TIFF格式的影像比原来的JPG文件大。添加TIFF影像到地图中。它保持了位置精度，但色彩有些变动。由于图像中保存了配准信息，所以就可以把它的world文件传送给其它需要使用该图象的用户。 末期建设：I-15重新投入使用 1999年10月的影像配准之后，显示完成后的I-15工程的2001年7月的图像可以添加到地图做比较。点击Add Data按钮，从Images\UTSPN83C目录选择Slc_0107.jpg。允许ArcGIS为它创建金字塔。在目录表中将它拖到Slc_9910.jpg的上面。Slc_0107.jpg已经配准到犹他 State Plane坐标，因此它能直接加载到模型中。 在Salt Lake Valley的西部放大和移动时，打开和关闭2001年7月的影像。打开街道图层（teleatl1）并放在影像的上面。或者，选择目录表中最上面的图层，用Effects工具条来设置它的透明度。 仔细观察高速公路，注意它的变化，特别是被修改的盐湖城市区的入口和I-25/I-80立交枢纽周围的区域。在控制点7的西北方出现了一个新的建筑物。注意影像之间的色彩差异。1999年10月的影像，树木将要落叶了，草坪也在消退。而2001年，树叶茂盛、草地碧绿。  总结 这个练习演示了如何在ArcGIS中配准影像，在坐标空间中用矢量数据来为航空相片定向，以及保存纠正后的影像。利用ArcGIS对要素的一些制图显示，这幅影像就可以拿来研究，与该区域不同时间的影像做比较，从而研究空间关系在时间上的变化。