基于经纬度坐标的ArcGIS配准问题分析与解决1.docx

1、基于经纬度坐标的ArcGIS配准问题分析与解决1基于经纬度坐标的ArcGIS配准问题分析与解决赵杰,韩雪培,朱春节(华东师范大学地理系,上海 200062摘要:栅格图像的配准是进行地图矢量化的重要步骤,本文作者针对在ArcGIS环境中对不具备地图直角坐标的栅格图像配准时遇到的问题进行了研究分析,并根据配准的原理及其它GIS软件中的配准过程的启示,提出了合理的解决方案。实验结果表明该方案是切实可行的。关键词:屏幕矢量化、ArcGIS、配准一、引言空间数据是地理信息系统的血液1,纸质地图矢量化是空间数据采集的重要方式之一,其中又以屏幕矢量化形式为主。屏幕矢量化又称栅格图像矢量化,即先用扫描仪将地图

2、扫描成栅格图像,然后以栅格图像为背景,手工或利用自动跟踪软件进行屏幕数字化。其数字化精度在很大程度上取决于图像配准是否精确。配准的实质是将依赖于仪器设备的物理坐标转换为用户坐标,使GIS数据库中的空间信息具有现实意义。配准是GIS软件的基本功能之一,软件提供一定的坐标转换模块,用户在配准实施时只需要指定一定数量的控制点,并给出它们的用户坐标地理经纬度或地图直角坐标。ArcGIS软件是由美国ESRI公司推出的新一代GIS软件,该软件因其强大的空间分析功能,得到了广大GIS用户的青睐,因而成为世界上应用最广泛的GIS软件之一2。ArcGIS的配准功能是通过Georeferencing工具来实现的。

3、作者发现利用ArcGIS配准时,系统不能识别用户坐标的性质,当用户坐标为经纬度时,系统将默认为直角坐标,从而给配准结果带来不可接受的误差。然而在实际应用中,用户并不总是能够得到配准控制点的地图直角坐标,有时只能通过1数字化原图上的经纬网信息获得控制点的经纬度坐标,如政区图、各种专题图等。作者通过互联网搜索发现,同样的问题也困扰着许多其它ArcGIS用户。因此,如何解决ArcGIS环境下基于经纬度坐标的配准问题成为本文研究的目标。通过深层次的理论探索和全面的应用实验,作者提出了一套切实可行的解决方案。二、ArcGIS环境下的配准试验针对ArcGIS环境下基于经纬度坐标的配准问题,作者进行了若干试

4、验性研究。配准试验中,作者所使用的栅格图像是由矢量地图(包括世界大陆轮廓和经纬网栅格化而来,并且使用了摩尔威特投影,以便更清楚地展示配准结果。参见图1。作者1简介:赵杰(1984-,男,汉族,山东临沂人,现为华东师范大学地理系2007级在读研究生,研究方向为地理信息可视化。作者2简介:韩雪培(1962-,女,汉族,江苏镇江人,华东师范大学地理系副教授,主要研究领域为地理信息可视化。 图1 转出后的栅格图像2.1 配准的一般过程配准的实质是建立物理坐标与用户坐标的转换关系。物理坐标基于仪器设备的坐标,如数字化仪坐标、屏幕坐标、扫描仪坐标等;用户坐标指用户进行空间分析时所需要的,能够正确说明地理对

5、象空间位置、空间距离等性质的坐标,如地理经纬度、地图直角坐标。配准时,由用户指定若干控制点,并输入它们的用户坐标(物理坐标通常由系统自动读取,系统配准模块便根据这些点的坐标值进行运算,形成适用于全图的坐标转换公式。显然,配准的关键是控制点及其用户坐标,而对于图1这样的地图来说,最佳的控制点应该是经纬网交叉点,用户坐标为经纬度。ArcGIS 的栅格图像配准是在ArcMap 环境下通过Georeferencing 工具来完成的。它提供5中坐标转换方式,分别是一次多项式拟合、二次多项式拟合、三次多项式拟合、Adjust 和Spline 。不同的拟合方式需要的控制点数目不同,一次多项式拟合至少要3个非

6、线性相关的控制点,二次多项式至少需要6个,而三次多项式至少需要10个。高于三次的转换方式很少被用到3,因为多项式次数越高,图像的变形就越复杂,所需的控制点数量越多,进而所消耗的系统处理时间也会显著增加。 2.2 实验一栅格图像未设置投影ArcGIS 配准在ArcMap 的地图显示窗口进行,用户只需“加载栅格图像确定控制点输入控制点用户坐标”即可完成配准,在整个过程中系统并没有指定或提示用户对欲数字化地图进行投影或坐标系设置。如此,作者选取了若干经纬网交叉点作为控制点并输入其经纬度值,对图1进行了配准,无论是一次变换、三次变换,还是其它变换,结果都不理想,它们与原矢量图相去甚远。图2显示了作者实

7、验过程中的部分情况,其中图2a 是选择一次变换模式并采集了4个控制点,但尚未进行图像纠正前的状况;图2b是采用三次变换模式变换后的结果。 a 一次变换纠正前 b三次变换纠正后图2 不设投影后的配准结果在ArcGIS配准过程中,系统并没有指定控制点坐标性质或者使用户进行坐标单位选择,而从图2可以看出,ArcGIS是将用户输入的经纬度作为直角坐标来处理的,图2b中正方形的经纬网很好地说明了这一点。2.3 实验二栅格图像设置投影分析栅格图像直接加载配准失败的原因,作者首先想到的纠正方法是应该对栅格图像进行投影及坐标系的设置。因此,作者配准前为图1设置了与原矢量图同样的投影、同样的坐标系。然而,再配准

8、的结果却同样令人失望,甚至结果也与实验一相同。所不同的只是坐标单位从实验一的“Unknown Units”变成了“m”,经纬线的单位“度”被直接替换成“m”。显然,对栅格图像预设坐标系并不能解决问题。上述两种实验也说明ArcGIS并不支持直接输入经纬度的方式进行配准。如何另辟途径成为作者的下一步目标。三、MapInfo的启示与ArcGIS之问题分析3.1 MapInfo中的配准图4为MapInfo配准以及与之相关的对话框。配准对话框中,“投影”按钮使用户可以选择欲配准地图的坐标系及其投影方式,“单位”按钮使用户可以根据输入的控制点坐标的类型(地理经纬度或直角坐标选择用户坐标单位。MapInfo

9、默认的地图投影是Longitude / Latitude,其经纬网投影为等间距的方格网,以度为直角坐标单位。投影选择正确与否(包括其中的各项参数设置,将直接在配准结果中得到反映。如图4示,a、b两图配准所采用的控制点完全相同,均为4个控制点,其结果却大不相同。图4a用的是默认投影,配准结果与原矢量图偏离严重(图中虚线为原矢量图,由于MapInfo没有栅格图像重采样功能,因而只能扭曲矢量图以适应栅格图像的坐标系;图4b则选择了正确的摩尔威特投影,与矢量原图几乎完全重合。显然,数字化原图的投影确认对配准精度的影响是至关重要的。MapInfo给作者的启示是:通过系统投影模块使控制点经纬度坐标转换为地

10、图直角坐标解决ArcGIS配准不支持经纬度坐标的问题。 图3 MapInfo配准对话框 3.2 解析ArcGIS 及MapInfo 的配准原理地图配准的实质是坐标系的转换。设P 点的物理坐标为(x ,y ,转换为用户坐标为(x , y ,公式(1作为坐标系转换的一般数学模型得到广泛使用。对于一次变换来说,它的数学实质是两个平面坐标系之间的变换,复杂的变换则要求更高幂次的多项式。当然求解多项式所需要的已知点(配准中的控制点数量也就越多。那么,地图配准是否一定需要通过高次变换来实现呢?作者的答案是否定的。.2542321025423210+=+=y b y x b x b y b x b b y

11、y a y x a x a y a x a a x 图5是作者通过ArcGIS 和MapInfo 配准原理的分析绘制的两软件配准模型示意图。根据ArcGIS 配准的情况,由于投影设置的缺失,配准是直接在平面物理坐标系和地球球面坐标系之间建立转换关系。因此,简单的低次多项式拟合不能实现它们之间的精确变换,其误差也将随着地图区域范围的增大而加剧。而MapInfo 则能够根据投影设置将用户输入的控制点经纬度转换为地图平面直角坐标,使配准成为物理坐标系和地图坐标系这两个平面直角坐标系之间的变换,因此即使是采用简单的一次变换模式(4个控制点只能满足一次变换的条件也能够得到较高的配准精度。四、解决方案从以

12、上的分析可以看出,ArcGIS 配准时对原图投影确认的缺失是导致经纬度配准失败的主要原因。MapInfo 给我们的启示是必须将控制点的用户坐标从经纬度转换为地图直角坐标,如何在ArcGIS 中获得控制点的投影坐标是解决问题的关键。作者分析认为用户坐标为经纬度的控制点,其主要来源无非是数字化原图上经纬网的交叉点,或者是其它途径(如GPS 获得了某些特征点的经纬度坐标,并以此作为控制点。针对具有经纬网的数字化原图,作者提出的配准方案是创建等密度的经纬网,并使之与原图坐标系相同,从而获得控制点的投影坐标,其基本步骤如下:创建与原图密度相同的经纬网。方法是利用ArcToolbox中的Create Fi

13、shnet 工具创建,(1a b 图4 原图的投影确认对配准结果的影响亦可以利用MapInfo 的格网制作工具,来创建经纬网。需要注意的是利用Create Fishnet 工具创建的格网不具备空间参考,需为其指定一个地理坐标系。改变经纬网视图的投影设置,使之与原图坐标系相同。当然,为保证这一步骤正确实施,需要正确判断和确定原图所采用的地图投影及其坐标定义所涉及的各项参数。以投影后的经纬网作为参考,配准原图。此时系统自动读取的控制点坐标将是地图投影(平面坐标,而非经纬度(球面坐标。如果原图不具备经纬网,控制点坐标是通过其它途径获得的经纬度,则可以创建这些控制点,并按原图坐标系显示,这样就可以以此

14、作为参考坐标进行配准。 Fig.5 Registration principle of MapInfo and ArcGIS五、结语利用上述方法,作者对试验图(见图1的配准只选用了4个经纬网交叉点作为控制点,结果配准误差均小于一个像素,与原矢量图叠置时能够完全吻合。作者也用同样的方法对其它的图进行了多方验证,证明该方法是切实可行的。另外,作者认为用此法生成的经纬网具有普适意义,用户不妨预先生成一个全球范围的经纬网,需要时改变一下投影系统便可重复使用。参考文献:1 吴建华,付仲良. 基于R2V 与Desktop ArcInfo 的地图数字化方法J. 地理空间信息,2005,(4:49-51.2

15、魏义长,白由路. 运用ArcGIS Desktop 9.0进行栅格数据的加载和地理参考变换J. 测绘与空间地理信息,2006,(4:17-21.3 赵广信,常跃广. 地形图数字化坐标变换数学模型分析J. 测绘通报,1998,(11:24-25.12(,(,x y F =投影坐标系MapInfo 配准投影转换物理坐标系地理坐标系图5 MapInfo 与ArcGIS 配准原理,(,(43x f y x f =21基于经纬度坐标的ArcGIS配准问题分析与解决 作者： 作者单位： 赵杰， 韩雪培， 朱春节 华东师范大学地理系,上海 200062 相似文献(10条 1.学位论文 刘蕊 基于ArcGIS

16、 Engine的城镇土地定级估价地理信息系统 2007 城镇土地级别与基准地价是政府制定土地管理措旌、投资决策和征收土地使用税的重要依据。随着社会经济的发展和土地使用制度改革的深入，科学、准确地评定并动态更新土 地级别与基准地价，有效利用土地资源，实现土地资源的科学化、信息化管理，已成为亟待解决的问题。 城镇土地定级估价涉及大量的空间数据计算与分析，工作量大、计算复杂、数据更新快。传统的土地定级估价信息系统因存在运算速度慢、估价方法不完善、缺乏完善的数据导 入导出功能、系统稳定性、扩展性差、难以完成大面积土地定级估价空间分析与计算等问题，已不能满足目前土地资源高效、科学管理的要求。 本文针对目

17、前城镇土地定级估价信息系统存在的问题，结合城镇土地定级估价的业务流程与特点，在对城镇土地定级估价分析模型、空间数据模型、以及GIS开发技术进行深入 分析和研究的基础上，研究、开发基于ArcGIS Engine的城镇土地定级估价地理信息系统。论文主要探讨基于ArcGIS Engine的GIS开发技术在土地定级估价中的应用。提出一种新的 空间数据模型选取方法，并将其应用于系统开发中。结合土地定级估价流程，提出一种基于空间问题建模概念过程的空间分析建模方法，实现城镇土地定级估价空间分析与建模。论 文详细介绍系统的分析、建模与设计，并给出部分实现结果。 实践表明，基于ArcGIS Engine的城镇土

18、地定级估价地理信息系统具有运算速度快、数据导入导出方便、软件稳定性、可扩展性好等特点，可在较短时间内完成大面积土地的定 级估价计算与分析，实现了城镇土地级别及基准地价的快速评定、分析、查询与更新，为土地管理及相关部门提供决策支持。 2.期刊论文 张卫东.Zhang Weidong 基于ArcGIs server的水环境功能区划地理信息系统 -江淮水利科技2009,(4 ArcGIS server是将GIS功能集成到企业信息系统中而设计的全功能GIS服务器软件.基于ArcGIS server开发的水环境功能区划地理信息系统,实现了通过WEB管理图形数据和属性 数据的任务,为后期的饮用水源地划分等

19、水环境管理提供完善可靠的数据基础. 3.学位论文 刘金龙 基于ArcGIS Engine开发的大连市路灯地理信息系统 2006 将地理信息系统(GIS引入到路灯管理中，利用GIS技术实现图形与数据的结合，以数据可视化的方式，为城市路灯管理提供了一种崭新的决策支持方法。 论文结合大连市路灯地理信息系统的开发实践，对GIS技术在城市路灯管理中的应用进行了研究。首先，结合大连市的实际情况和路灯管理特点进行了系统的总体设计，确定采 用ArcGISEngine组件作为系统的GIS开发平台，利用VB对ArcGISEngine进行集成二次开发；然后，较为详细地介绍了系统中使用的基本理论与主要技术，包括COM

20、及ComGIS、空间数据 管理、空间数据引擎ArcSDE、ArcGISEngine二次开发技术；在进行系统开发时，首先确定了GIS的空间数据与属性数据的组织结构，应用空间数据引擎ArcSDE和SQLSever对海量数据 进行分类存储，对地图进行合理的分层管理，建立了比较完善的空间数据和属性数据关联的GIS数据库。在些基础上，基于ArcGISEngine组件提供的完备的空间数据处理、分析功能 ，利用VB可视化开发工具，进行了大连市路灯地理信息系统程序开发，实现了图形操作、图层管理、双向查询、数据编辑、分析统计、输出和打印等功能。 目前，系统已在大连市路灯管理处正式运行。使用结果表明，系统具有良好

21、的通用性、可移植性、安全性、可扩充性，具有良好的用户界面，操作简单方便。可以提高工作效率 和管理效率、降低管理成本、提供可靠的决策支持，实现信息资源的共享。 本系统的创新之处是紧跟软件工业的发展趋势，作了GIS实际应用的有益开发探索，建立了一套符合大连市区道路照明情况的信息管理系统，为GIS在数字城市建设中的应用打下 了坚实的基础。 4.期刊论文 段蕾.戴伟.DUAN Lei.DAI Wei 利用ArcGIS开发雷达地理信息系统 -现代雷达2006,28(11 介绍了利用ArcGIS开发雷达地理信息系统的一种方法.该方法利用地图数据预处理和数据变换等手段生成脱离ArcGIS的数字地图文件,可以

22、满足雷达显示控制系统背景地图显示的 需要.最后介绍了雷达地理信息系统的时间空间性能、系统应用以及系统的模块化设计思路. 5.学位论文 孙燕刚 基于ArcGIS Server的分布式网络地理信息系统研究与应用 2008 随着计算机网络技术和地理信息系统技术的飞速发展和应用，基于网c络的分布式地理信息系统已经成为当前研究的热点问题。分布式网络地理信息系统(Distributed WebGIS简 称D-WebGIS是分布式计算和网络地理信息系统结合的产物。 ArcGIS Server是一个分布式系统，是基于Web Services(Web服务技术之上的GIS应用平台，GIS的功能在服务器端集中实现和

23、管理，支持多用户负载均衡，提供高级的GIS功能 。 本文从分布式网络地理信息系统构建技术的角度，对分布式网络地理信息系统的原理、框架体系和构建技术进行了研究，针对传统方法构建分布式网络地理信息系统的不足，本 文提出了基于Web服务技术实现分布式网络地理信息系统。本文取得的主要研究成果： (1对传统分布式网络地理信息系统构建技术进行研究用于构建分布式网络地理信息系统的方法有许多，传统的分布式对象技术方法主要有：微软的COM/DCOM、对象管理集团 (OMG的COBRA和Sun的J2EE/EJB。本文对基于传统分布式对象模型的网络地理信息系统构建技术、结构框架进行了探讨和分析，归纳了传统分布式对象

24、技术存在的不足。 (2对基于Web服务的分布式网络地理信息系统进行研究Web服务是基于互联网的新一代分布式计算技术。与传统分布式对象技术相比，它具有通用数据格式、松散耦合性和高度 可集成能力等跨平台互操作的优势。本文在对GIS Web服务的概念模型、结构模型、以及相关核心技术进行研究的基础上，设计了一个基于Web服务的三层结构体系的分布式网络地理 信息系统结构框架。 (3研究了ArcGIS Server 9.2服务平台的体系结构和相关开发技术ArcGIS Server是一个基于Web的企业级GIS解决方案，它提供了创建和配置GIS应用和服务的框架，可以基于它 来构建GIS Web服务。本文对A

25、rcGIS Server 9.2的组成、体系结构，运行机制和相关开发技术进行了研究。完成了ArcGIS Server的分布式安装。 (4完成了基于ArcGIS Server的分布式网络地理信息系统应用开发实例以创建MapService(2维地图服务和GeoCodeService(地理编码服务为例总结了构建ArcGIS Server Web服 务的主要步骤。通过以Microsoft Visual Studio.NET 2005和ArcGISServer为开发平台，自己编写程序实现了两个基于Web服务的高级地理处理服务实例(缓冲区分析服务和地址定位 服务。总结了开发和部署GIS Web服务的关键步

26、骤。最后对开发的GIS Web服务进行集成应用，设计和实现了一个三层结构体系的可扩展的分布式网络地理信息系统-数字上海。该 系统空间数据库采用Oracle 10g对数据进行存储，采用空间数据库引擎ArcSDE结合桌面软件ArcCatalog对空间数据进行存储和管理。 6.期刊论文 朱磊.陈鹏.何兵.童小华.Zhu Lei.Chen Peng.He Bing.Tong Xiaohua 基于ArcGIS Mobile的移动地理信息系统的关键技术 铁道勘察2009,35(6 介绍了当前主流的移动GIS平台软件和开发工具的背景,以及ESRI公司用于开发移动GIS的工具AreGIS Mobile,然后阐

27、述了用ArcGIS Mobile开发移动GIS的关键技术,最后用ArcGIS Mo-bile开发了一个校园移动地理信息系统. 7.会议论文 胡卓玮.朱丽英 基于ArcGIS Desktop和ArcSDE的堤防管理信息系统的设计与开发 2006 江河地理信息系统是GIS在关系国计民生的领域当中的典型应用之一，堤防管理信息系统又是江河地理信息系统的重要组成部分，由于对国家、社会的影响较大，因此对提防管 理信息系统有许多特殊的要求。基于ArcGIS Desktop和ArcSDE来设计与开发堤防管理信息系统的方案可以保证系统的安全性、可扩展性、可移植性和实用性，并且能够完成所需要的 空间分析功能，该方

28、案在第二松花江流域堤防管理信息系统中得到了实际应用并取得了较好效果。 8.期刊论文 孙燕刚.韦波.黄俊华.SUN Yan-gang.WEI Bo.HUANG Jun-hua 基于ArcGIS Engine的宗教事务管理地理信息系统的设计与开发 -测绘通报2007,(11 为实现信息化和科学化管理民族宗教事务,以GIS为平台,基于ArcGIS Engine设计与开发了宗教事务管理地理信息系统.介绍系统的结构和主要功能.实践证明,基于这种技术建立 的民族宗教管理地理信息系统,能够实现对民族宗教事务合理和有序的管理,并且为辅助决策提供可靠的依据. 9.期刊论文 贾建华.陈动.JIA Jian-hua

29、.CHEN Dong ArcGIS Server在构建企业级地理信息系统中的应用 -测绘科学2009,34(3 文中主要讨论了ArcGlS Server的体系构架与部署、内部利用ArcGIS Server核心ArcObjects实现软件功能的运行机制,以及利用ArcGIS Server提供ADF(应用程序开发框架开发 Web应用的方法,从而通过Internet/In-tranet实现GIS的各种高级功能如制图、空间分析和地理编码、多用户编辑等.最后通过简单的程序示例,演示了如何在 VisualStudio2005.NET下利用ADF实现GIS应用开发. 10.期刊论文 吴沛东.WU Pei-dong 基于ArcGIS平台的大屯矿区配电地理信息系统 -南京工程学院学报（自然科学版）2006,4(3 论述了一个基于ArcGIS平台的地理信息系统的实现方案,阐明如何实现GIS系统与SCADA系统的数据集成以及WEBGIS功能.结果表明:采用ArcGIS平台构建的配电GIS系统,扩展性好 ,功能强大,对改进配电管理工作有明显效果. 本文链接： 授权使用：兰州交通大学(lzjd，授权号：d8d7712b-eb9b-4e87-9911-9dff01750149 下载时间：2010年9月28日