数字正射影像坐标转换及储存管理方法研究

摘要：我国使用的坐标系统主要有1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、CGCS-2000国家大地坐标系以及地方独立坐标系。随着信息共享的扩大化，数据标准的统一化，4D产品客观的需要进行坐标系统的任意转换。数字正射影像（DOM）在坐标换带和坐标相互转换的过程中，受尺度变化和旋转角度的影响，会发生变形。本文探讨了数字正射影像在不同坐标系统间的转换方法，以及转换后产生变形的管理问题的应对方案。

关键词：DOM；数字正射影像；坐标转换；影像储存管理

中图分类号：P631.4+24 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

城市勘测中很多都使用自己定义的地方独立坐标系统，但是数据在面对广泛利用时，往往需要使用到一些公共坐标系统。数字正射影像的坐标转换，不仅涉及坐标值的转换，还涉及了图像的处理。目前，管理数字正射影像的方法大多都是按正规分幅，以文件管理系统的模式进行储存管理。不同于矢量数据，单幅影像进行坐标转换后，受到尺度变化和旋转角度的影响，正规矩形分幅的影像经过重采样之后将不再是正矩形的影像，无效像素值的区域将会使影像接边出现问题。本文以长沙市为例，研究了数字正射影像在长沙独立坐标系与公共坐标系统的之间转换方法和分幅管理的方案。

2 数字正射影像的坐标转换

2.1 几种不同的坐标系统

1954年北京坐标系是将我国大地控制网与前苏联1942年普尔科沃大地坐标系相联结后建立的我国过渡性大地坐标系。属于参心大地坐标系，采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体。其长半轴a=6378245m，扁率f=1/298.3。

1980年西安坐标系，大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇，采用多点定位所建立的大地坐标系，其椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会推荐值，其长半轴a=6378140m，扁率f=1/298.257。

CGCS-2000国家大地坐标系，是我国新一代大地坐标系，现已在全国正式实施。其长半轴a=6378137m；扁率f=1/298.257222101。

长沙独立坐标系，建立在1954年北京坐标系上，定义了自己的投影经线和坐标原点，是适合长沙地区的坐标系统。

2.2 坐标系的转换步骤

（1）收集、整理、分析并选取正射影像覆盖范围的各坐标系统公共控制点成果若干组。数字正射影像所包含的空间信息，只有平面没有高程。为了使高程误差不会传播给平面，将平面坐标与高程值分开进行转换，本文选择了二位四参数作为坐标的转换方法。故控制点的只要求有平面坐标就可以。

（2）坐标换带。长沙独立坐标系的投影经线不是标准的分带，要利用四参数模型进行转换，则需将已知的两个坐标系公共点的坐标转换成同一投影带的高斯平面坐标。坐标换带的实质，是把椭球面上的大地坐标作为过渡坐标，把某投影带内有关点的平面坐标（x，y）利用高斯投影反算公式换算成椭球面上的大地坐标（B，l），然后再由大地坐标利用投影正算公式换算成相邻带的平面坐标（X,Y）。

（3）四参变换。四参变换的模型为。利用最小二乘法，及两个坐标系统统一投影经线后的两组控制点，计算出平移参数（x，y），旋转参数α，尺度比因子m。四参数为已知后，就可以进行坐标点的转换。

2.3 影像的转换

对于一张正规满幅RGB的数字正射影像，它实际所包含的有效坐标点的数量为它的图像大小：长x高，即每个像素的中心点都是一个坐标点。在坐标转换的过程中，要对每一个像素进行坐标计算。影像的各个坐标点在经过坐标变换后，因为旋转、缩放等各种因素的影响，将不再是一组正规排列的坐标点。对于像素，也不再是一组正规排列的像素，所以影像的像素在经过坐标变换后，必须要进行灰度的重采样。兼顾效率和效果，一般情况使用双线性内插法进行灰度的重采样。为了获取影像像素的灰度值，影像的坐标转换实际是双向进行的，就是要由目标坐标系反算求原坐标系，然后根据原坐标系点的位置内插灰度值赋给该目标坐标系点，即间接法数字微分纠正。

3.转换后数字正射影像的管理

正规分幅接边完好的数字正射影像，经坐标转换后，理论上每张影像上所呈现的地物都是能较好的接合的。但是由于变形后，单幅影像的边缘会有无效的灰度值填充，如图2中影像边缘的黑色部分。影像放至在上层的无地理信息黑边，会压盖下层的地物，导致实际生产使用的时候，地物信息不完整，图像整体不美观。而且为了能够按转换后的新坐标系统标准分幅来管理正射影像，必须要将黑边去掉。本文借助Erdas imagine使用了影像带重叠度转换拼接分幅的方法。Erdas imagine的Mosaic images模块提供了批量分幅和自动走拼接线的功能，能够在转换过程中实现自动化处理。

其流程大致如图1：

图1 DOM坐标转换流程

最后的数字正射影像的成果，需要按新的坐标系统进行命名以及存储。一般影像的分幅和命名要参考该影像的角点坐标值，这样方便进行检索和查找。面对海量的影像数据，有时不能在一个物理区域内进行完整储存，需要根据行政区划或者特征地物（如江河、山脉）等因素，进行分区设计并分别储存。根据每个地方的情况不同，数据的种类不同等，分区还可以实现多级化。

5.结论

对数字正射影像的坐标转换，以每个像素为单位进行的计算，极大限度的提高了转化的精确度。本文使用的实验控制点，计算的残差值都在毫米级。由于对每个像素都进行了计算，所以较于格网型的转换方式，转换的效率有所下降。转换后的正规分幅影像，接边完整，信息损失度小，与对应的矢量进行叠加显示，转换精度和效果满足质量要求。

长沙市使用的是长沙独立坐标系，本文通过对数字正射影像进行坐标的转换研究后，使得长沙影像数据能够在多种公共坐标系下面进行转换、储存并使用，为国土、公安等不同领域的数据要求，提供了不同的数据服务，实现了资源的共享。

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