控制點影像數據庫建庫研究

李桂芬 于愛潔 王天明

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

在測繪測繪地理信息數據大規模生產中，經常會遇到應急響應的需求，為了解決控制點采集速度不高對應急響應造成的影響，經過實踐摸索、調研學習，可以采用建立控制點庫的方式，解決地理信息應急響應的需求?？刂泣c庫的建立讓原有的地理信息數據成果能夠被重復使用，在一定精度范圍內，實現控制點數據影像快速匹配，經過算法解算，可以將控制點信息直接用于糾正后的正射影像，對影像的定向、定位、快速糾正都具有一定的意義。

1.控制點影像數據庫概述

控制點可以分為多個不同的級別，例如，國家控制點、影像控制點、工程控制點、地方控制點等。國家控制點包括三角網點、基本水準點、全球定位系統站點、衛星定位服務參考站等。影像控制點是攝影測量、遙感解譯等應用領域的基本參考數據，是目前應用范圍最廣的控制點。依據不同類型項目的等級和精度需求，國家控制點一般歸屬國家所有，而影像控制點則按照獲取方式、分辨率、比例尺、像控等級等指標的不同，可以提取出屬性、數據結構等有用信息，這些特征信息經過分析和取舍，錄入數據庫，即成為控制點影像數據庫。

2.控制點影像庫建設

2.1 建設流程

建立控制點影像數據庫是完成影像拼接幾何糾正過程的重要環節，也是利用控制點影像數據庫進行數據點采集、數據管理和數據應用的主要步驟。首先，在數據源選擇環節，我們要處理數字柵格地圖、航空正射影像、航天正射影像等類型的數據源，在控制點采集之前，需要對數據源的質量進行控制，精度不符合要求的數據直接影響控制點的精度。在數據采集與質量把控階段，要進行圖形控制點采集、相關的屬性錄入和檢查、像控點采集等環節，生成圖形和圖像控制點數據集。錄入數據庫后，要對控制點庫進行管理，以保證數據的質量。建立控制點庫的最終目的是應用，因此在數據應用階段，還要對控制點進行選點糾正，并進行必要的質量檢查?？刂泣c影像庫建設及應用流程（如圖1 所示）：

圖1 控制點影像庫建設及應用流程

2.2 數據源

控制點影像數據庫一般由控制點影像和元數據等兩部分組成，控制點影像是在選取的控制點所在區域外擴一定寬高比截取的圖片，是主要數據；元數據也稱屬性數據，是對控制點影像的描述，屬性字段是固定不變的，是輔助數據?？刂泣c影像的采集一般建立在已有的數據成果之上，例如，DOM或外業控制點。一般選取色彩鮮艷、清晰度高、對比度高的圖像進行截取，且控制點精度高，這樣可以提高匹配的成功率?？刂泣c影像需要使用進行過幾何校正的正射影像，元數據一般包括分辨率、影像獲取時間、幾何精度、獲取姿態、坐標系信息、影像處理時間等信息。

2.3 相關技術

2.3.1 影像存儲技術

遙感影像數據量很大，相比之下，控制點影像的數據量就小很多，因此在系統存儲和讀取控制點影像時，可以考慮通過二進制流的形式將控制點影像直接存入數據庫，這樣做可以便于后期對控制點影像的管理，因為控制點影像經常需要更新，將控制點影像存入數據庫可以最大限度降低數據冗余度。常用的影像格式有JPG,BMP,PNG 和TIFF，讀取數據流要使用ADO 的BitStream 類的相關方法，讀取出的二級制流需要在本地磁盤建立虛擬目錄，然后從虛擬目錄中調用影像路徑進行顯示。

2.3.2 數據整合技術

數據整合包括多個級別、多個來源的像控點數據整合，像控點元數據與影像信息匹配整合，數據邏輯層級與數據庫管理系統對應關系整合，以及漏洞數據整合。

2.3.3 坐標轉換技術

常見的坐標系有1954 北京坐標系、1980 西安坐標系、WGS-84 經緯度坐標系和CGCS2000 坐標系，本論文設計的控制點影像數據庫應用程序需要在必要時對它們進行轉換。坐標系轉換第一步是需要收集坐標系參數；第二步是計算轉換參數，采用高斯展開式計算；第三步是根據不用精度要求設計小數規則，經緯度一般保留小數點后三位，第四位視情況而定，可以四舍五入或者全部舍去。

2.4 系統結構設計

系統自底向上可以分解為三個層次，分別為數據層、邏輯層和用戶層，其中數據層也稱作數據訪問及數據庫層，邏輯層也稱為業務邏輯層或具體業務實現層，用戶層也稱為用戶交互層或用戶界面層。數據層一般采用官方提供的數據連接方式，封裝了數據訪問方法，部分公共數據進行持久化設計和封裝。邏輯層一般采用模塊化設計，按照不同的功能封裝算法或跳轉方式。用戶層是直接與用戶交互的部分，用戶只和界面打交道，無需關注業務邏輯是如何實現的。系統總體架構（如圖2 所示）：

圖2 系統總體架構圖

2.5 程序界面設計

應用程序采用.net 平臺C#語言開發，數據列表分為用戶基表、選中表結構和瀏覽數據三部分。數據庫采用Oracle數據庫，通過程序界面可以控制點數據的增刪改查，以及數據入庫、數據顯示和圖像數據輸出等功能，同時可以指定路徑上傳影像，數據庫操作界面（如圖3 所示）：

圖3 數據庫操作界面

控制點影像數據庫可以按照不同比例尺分為多個級別，一般1∶10000 比例尺庫保存1 米/像素和2.5米/像素分辨率的控制點影像數據，1∶50000 比例尺庫保存5米/像素分辨率控制點影像數據，具體內容一般包括控制點的影像數據和屬性數據，數據表的設計符合第三范式，便于檢索，避免冗余，在實際管理過程中還加入了權限控制，這樣做有利于在不同的生產項目中管理不同級別的控制點。

2.6 數據庫表結構

按照數據庫設計相關規范，同時參考控制點影像管理的具體業務，本論文設計了控制點信息表、控制點影像信息表、用戶信息表、坐標系統信息表、用戶權限信息表等5 個數據庫表?？刂泣c影像信息表結構（如表1 所示）：

表1 控制點影像信息表結構

2.7 精度指標

不同級別的控制點，精度要求也不同，以1∶10000 和1∶50000 比例尺為例，在不同地形類別中，各種地形類別精度誤差（如表2 所示）：

表2 不同比例尺不同地形類別精度指標

3.控制點影像數據建庫實例

3.1 影像數據

以DOM 為例，按照不同比例尺、數據源、精度要求等屬性對控制點影像數據進行分類，一般1∶10000 比例尺的控制點影像裁切為10241024 像素，1:50000 比例尺的控制點影像裁切為512512 像素，不同比例尺又分為全色和多光譜，控制點影像數據庫影像實例（如圖4—圖7 所示），其中，圖4 為1:10000 比例尺全色影像，圖5 為1:10000 比例尺多光譜影像，圖6 為1:50000 比例尺全色影像，圖7 為1∶50000 比例尺多光譜影像。

圖4 1∶10000 控制點影像數據庫全色

圖5 1∶10000 控制點影像數據庫多光譜

圖6 1∶50000 控制點影像數據庫全色

圖7 1∶50000 控制點影像數據庫多光譜

3.2 控制點入庫

控制點元數據的錄入分為兩種方法，一種方法是逐條錄入，即錄入一個控制點的信息保存后再錄入下一條控制點信息；另一種方法是批量導入，首先按照標準格式整理好Excel表，然后一次性錄入系統。制作Excel 表的方法，可以利用VirtuoZo 的空三加密成果擴展名為“.grd”文件，或者JX4C 的空三加密成果擴展名為“.gd”文件，刪掉冗余信息，保留需要的屬性字段。批量導入時，先將數據讀取至內存，進行數據合法性校驗，如果出現錯誤，則提示給用戶，即刻終止操作，提示用戶修改后重新錄入，直到全部數據合格后才寫入數據庫。

3.3 控制點查詢

查詢分為固定查詢和自定義查詢，固定查詢僅按照坐標范圍進行查詢，用戶可以根據需要框選出查詢范圍，輸入坐標值進行查詢，自定義查詢提供多種條件組合，例如，按平面精度、比例尺、坐標系、分帶號、省市代碼、航攝區域編碼等。查詢結果以列表形式顯示，用戶雙擊每一條記錄可以查看該控制點的詳細信息和影像。

3.4 控制點提取與輸出

控制點的提取應滿足至少4 個條件，（1）是精度，也是最重要的指標；（2）是坐標系，滿足常用的坐標系；（3）是獲取時間，表示控制點的現勢性；（4）是經緯度，通過這4 個條件一般能夠提取到符合條件的控制點影像。獲取到的控制點影像要按照規范進行取舍，過密的控制點應該抽稀，識別度不高的控制點影像應該刪除?？刂泣c影像的輸出要符合下一工序大型軟件的數據讀取格式，例如，PCI,Geoway 等?？刂泣c影像的輸出需要用到像素和坐標轉換方法和計算點到直線的距離，像素坐標轉換方法采用雙線性變換和求點到直線的距離公式如式（1）和式（2）所示：

式（1）為雙線性變換公式，其中，a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3為相關系數；(x,y)為影像四角直角平面坐標。根據影像分辨率和影像的長寬像素，分別計算得到影像四角像素坐標(x',y')利用影像四角直角平面和像素坐標分別列4組方程，即可求得系數a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3，利用這個系數和影像上任意一點所在的平面，進而計算出任何一點的像素點位坐標。

式（2）是點到直線的距離計算公式，A、B、C分別為系數，利用影像任意一邊的兩個角點的平面直角坐標(x,y)建立兩組方程，計算得出系數A、B、C，這樣兩個方向分別有一個方程d。Rx、Ry為影像在水平和豎直方向的分辨率；(dx,dy)是計算得出的像素點坐標。在影像傾斜角度大的時候用式（2）轉換較好，可以得到高精度的像素點坐標。

4.結束語

充分利用控制點影像庫能夠在一定程度上解決重復工作，最大限度利用控制點數據，經過精度檢測的控制點還可以為影像自動匹配提供數據基礎，在影像幾何糾正過程中，控制點數據是被頻繁使用的，因此建立可靠的控制點數據庫對提高影像糾正工作效率具有實際意義。