Геореагирование

Геореференция или геоградация - это тип преобразования координат , который связывает цифровое растровое изображение или векторную базу данных, которая представляет географическое пространство (обычно отсканированная карта или аэрофотоснимка ) с пространственной справочной системой , тем самым определяя цифровые данные в реальном мире. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Таким образом, это географическая форма регистрации изображения . Термин может относиться к математическим формулам, используемым для выполнения преобразования, метаданных, хранящихся рядом с файлом или в файле изображения для указания преобразования, или процесса вручную или автоматически выравнивания изображения в реальное мир для создания таких метаданных. Наиболее распространенным результатом является то, что изображение может быть визуально и аналитически интегрировано с другими географическими данными в географических информационных системах и программном обеспечении дистанционного зондирования .

Доступен ряд математических методов, но процесс обычно включает в себя идентификацию нескольких контрольных точек грунта с известными местоположениями на изображении и земле, а затем с использованием методов подгонки кривой для создания параметрической (или кусочно -параметрической) формулы для преобразования остальной изображение. ^{[ 3 ]} Как только параметры формулы хранятся, изображение может быть динамически преобразовано во время рисования или пересмотрено, чтобы генерировать файл GIS с геоферентом или ортофото .

Термин Georefercrencing также использовался для обозначения других типов преобразования из общих выражений географического местоположения ( геокодов ) для координации измерений, ^{[ 4 ]} Но большинство из этих других методов чаще называют геокодированием . Из -за этой двусмысленности география предпочтительнее некоторых для обозначения преобразования изображения. ^{[ 5 ]}^{: 141–143} Время от времени этот процесс назывался тастовой таблицы , но этот термин чаще применяется к очень похожему процессу, применяемому к данным Vector GIS . ^{[ 5 ]}^: 240

Мотивация

Georefercing имеет решающее значение для создания воздушных и спутниковых изображений , обычно растровых изображений, полезных для отображения, поскольку оно объясняет, как другие данные, такие как вышеуказанные точки GPS , относятся к изображениям.
Очень важная информация может быть содержалась в данных или изображениях, которые были получены в другой момент времени. Это может быть желательным либо для объединения, либо сравнения этих данных с доступными в настоящее время. Последнее может быть использовано для анализа изменений в изучаемых функциях в течение определенного периода времени.
Различные карты могут использовать различные проекционные системы. Инструменты для геореферы содержат методы для объединения и наложения этих карт с минимальным искажением.

Математика

Графический вид аффинного преобразования.

Регистрация изображения в географическое пространство - это, по сути, преобразование из системы координат ввода (присущие координаты пикселей на изображениях на основе строки и номера столбца) в систему выходной координаты, пространственная справочная система выбора пользователя, такая в качестве системы географической координат или конкретная универсальная зона поперечного меркатора . Таким образом, это расширение типичной задачи кривой, подходящего для взаимосвязи между двумя переменными до четырех измерений. Цель состоит в том, чтобы иметь пару функций формы:

x_{out}=F(x_{in},y_{in})

y_{out}=G(x_{in},y_{in})

Так что для каждого пикселя на изображении ( $x_{in},y_{in}$ Будучи его столбцом и номером строки, соответственно), можно рассчитать соответствующую реальную координату.

Несколько типов функций доступны в большинстве ГИС и программного обеспечения с дистанционным зондированием для геореферентинга. ^{[ 6 ]} Поскольку самый простой тип двумерной кривой является прямой линией, так что простая форма преобразования координат является линейное преобразование, наиболее распространенным типом является аффинное преобразование : ^{[ 7 ]}^: 171

x_{out}=Ax_{in}+By_{in}+C

y_{out}=Dx_{in}+Ey_{in}+F

Где AF - это постоянные коэффициенты, установленные для всего изображения. изображение Эти формулы позволяют перемещать (коэффициенты C и F указывают желаемое местоположение верхнего левого угла изображения), масштабированные (без вращения коэффициенты A и E указывают размер каждой ячейки или пространственного разрешения ) и и и и вращается . ^{[ 8 ]}^: 115 В последнем случае, если размер ячейки равен r как в направлениях x, так и в Y, и изображение должно быть повернуто α градусов против часовой стрелки, тогда $A=E=r\cos(\alpha ),B=D=r\sin(\alpha )$ Полем Мировой файл, разработанный ESRI, представляет собой обычно используемый файл боковой автоматы , который определяет эти шесть коэффициентов для геореферентинга изображений.

Полиномиальные преобразования более высокого порядка также обычно используются. Например, полиномиальная трансформация второго порядка будет:

x_{out}=Ax_{in}+By_{in}+Cx_{in}^{2}+Dy_{in}^{2}+Ex_{in}y_{in}+F

y_{out}=Gx_{in}+Hy_{in}+Ix_{in}^{2}+Jy_{in}^{2}+Kx_{in}y_{in}+L

Условия второго порядка (и термины третьего порядка в полиноме третьего порядка) позволяют переменную деформацию изображения, что особенно полезно для удаления неотъемлемых искажений на аэрофотоснимках.

В дополнение к глобальным параметрическим формулам, можно также использовать кусочные формулы, которые различными частями изображения по -разному. Общим примером является тонкая пластинчатая сплайновая преобразование. ^{[ 9 ]}

Метод GCP

Очень редко, что пользователь напрямую указал параметры для преобразования. Вместо этого большинство GIS и программного обеспечения для дистанционного зондирования предоставляют интерактивную среду для визуального выравнивания изображения с системой координат назначения. Наиболее распространенным методом для этого является создание серии наземных контрольных точек (GCP). ^{[ 7 ]}^: 170 Наземная точка управления - это место, которое можно определить как на изображении, так и на земле, так что оно имеет точные координаты в обеих системах координат изображения ( $x_{in}$ = Pixel Column, $y_{in}$ = Pixel Row) и система координат земли ( $x_{out},y_{out}$ ) Легко видимые места, которые будут точно расположены, предпочтительны как GCP, такие как дорожный перекресток или угол здания. Когда требуется очень высокая регистрация точности, это обычно размещает или рисовать высокие маркеры на земле на памятниках управления обследованием до того, как фотография будет сделана, и использовать измеренные GNSS координаты для вывода. В большинстве программ, они вводятся путем указания на местоположение на изображении, а затем указывая на то же место на векторной базовой карте или ортофото , который уже находится в желаемой системе координат. Затем это может быть перемещено и скорректировано, чтобы повысить точность.

При минимальном наборе GCP известные координаты могут быть введены в математические уравнения для желаемого типа преобразования, которые затем можно решить с помощью линейной алгебры для определения коэффициентов и вывести формулы для использования для всей сетки. ^{[ 8 ]}^: 116 Например, линейное аффинное преобразование выше имеет шесть неизвестных коэффициентов, поэтому шесть уравнений с известными < $x_{in},y_{in},x_{out},y_{out}$ > необходимы для их получения, что потребует трех направленных контрольных точек. ^{[ 7 ]}^: 171 Полином второго порядка требует как минимум шесть наземных контрольных точек и так далее.

Введенные GCP редко идеально расположены и еще более редко являются совершенно репрезентативными для искажений в остальной части изображения, но алгебраическое решение, которое, по -видимому, идеально подходит, маскирует любую ошибку. Чтобы избежать этого, часто создает гораздо больше, чем минимальный требуемый набор (создание чрезмерной установки системы ) и использовать регрессию наименьших квадратов , чтобы получить набор параметров функций, которые наиболее близко соответствуют точкам. ^{[ 8 ]}^: 116 Это почти никогда не является идеальным совпадением, поэтому дисперсия между каждым местоположением GCP и местоположением, предсказанным функциями, может быть измерена и обобщена как ошибка квадратной квадратной среды (RMSE). Таким образом, более низкий RMSE означает, что формулы преобразования тесно соответствуют GCP.

Как только параметры функции определяются, функции преобразования могут использоваться для преобразования каждого пикселя изображения в его реальное местоположение. Два варианта обычно доступны для того, чтобы сделать это преобразование постоянным. Одним из вариантов является сохранение самих параметров в качестве формы метаданных , либо в заголовке самого файла изображения (например, Geotiff ), либо в файле коляска, хранящегося рядом с файлом изображения (например, мировой файл ). С помощью этих метаданных программное обеспечение может динамически выполнять преобразование при отображении изображения, так что оно, по -видимому, соответствует другим данным в нужной системе координат. Альтернативным методом является исправление , в котором изображение повторно дискретируется для создания новой растровой сетки, которая изначально связана с системой координат. Устранение было традиционно единственным вариантом, пока вычислительная мощность не стала доступна для интенсивных расчетов динамических преобразований координат; Даже сейчас производительность рисования и анализа лучше с исправленным изображением.

Реализации программного обеспечения

Программное обеспечение ESRI GIS обладает этой возможностью в течение многих лет, в том числе инструмент GeoreFerving в ArcGIS Pro. ^{[ 6 ]}
QGIS имеет инструмент Georeferencer, изначально разработанный в качестве дополнения, но теперь интегрированный в программное обеспечение. ^{[ 9 ]}
Изображение геореферы и исправление в эрдасе представьте себе
Изображение для карты регистрации в Envi
AllMaps поддерживает различные алгоритмы преобразования (включая преобразование сплайна тонкой пластины) и расчет искажений, через пакет @allmaps/transform .

Смотрите также

Ссылки

^ "Что означает" Georefered "?" Полем www.usgs.gov . Геологическая служба США . Получено 2022-01-04 .
^ Yao, Xiaobai A. (2020-01-01), «Геореференция и геокодирование» , в Кобаяши, Одри (ред.), Международная энциклопедия географии человека (второе издание) , Оксфорд: Elsevier, pp. 111–117, doi : doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi : doi. 10.1016/b978-0-08-102295-5.10548-7 , ISBN 978-0-08-102296-2 , S2CID 241797395 , получен 2022-01-04
^ Hackeloeer, A.; Klasing, K.; Крисп, JM; Мэн, Л. (2014). «Georefercing: обзор методов и приложений» . Анналы ГИС . 20 (1): 61–69. Bibcode : 2014angis..20 ... 61h . doi : 10.1080/19475683.2013.868826 . S2CID 38306705 .
^ Лейднер, JL (2017). «Georefercing: от текстов до карт». Международная энциклопедия географии: люди, земля, окружающая среда и технология . VI : 2897–2907. doi : 10.1002/9781118786352.wbieg0160 . ISBN 9780470659632 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Лонгли, Пол А.; Goodchild, Michael F.; Магуайр, Дэвид Дж.; Rhind, David W. (2011). Географические информационные системы и наука (3 -е изд.). Уайли.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} «Обзор геореферы» . ArcGIS PRO документация . Эсри . Получено 8 января 2023 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Болстад, Пол (2019). Основы ГИС: первый текст географических информационных систем . Энн Арбор, Мичиган: Ксанеду. ISBN 978-1-59399-552-2 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Чанг, Кан-Зунг (2014). Введение в географические информационные системы (7 -е изд.). МакГроу-Хилл. С. 50–57. ISBN 978-0-07-352290-6 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} "16.3 Georeferencer" . QGIS 3.22 Документация . Осгео . Получено 8 января 2023 года .

Дальнейшее чтение

Хилл, Линда Л. (2006). Georefercing . MIT Press . ISBN 978-0262083546 .

Внешние ссылки

Обнаружение индикаторов местоположения топонимов от новостей для улучшения гео-референции на основе газетов- бумага, представленная на GeoInfo 2008
Географические ресурсы ссылки для социологов онлайн -учебные пособия из Университета Саутгемптона, Великобритания

[1] "Что означает" Georefered "?" Полем www.usgs.gov . Геологическая служба США . Получено 2022-01-04 .

[2] Yao, Xiaobai A. (2020-01-01), «Геореференция и геокодирование» , в Кобаяши, Одри (ред.), Международная энциклопедия географии человека (второе издание) , Оксфорд: Elsevier, pp. 111–117, doi : doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi: doi : doi. 10.1016/b978-0-08-102295-5.10548-7 , ISBN 978-0-08-102296-2 , S2CID 241797395 , получен 2022-01-04

[3] Hackeloeer, A.; Klasing, K.; Крисп, JM; Мэн, Л. (2014). «Georefercing: обзор методов и приложений» . Анналы ГИС . 20 (1): 61–69. Bibcode : 2014angis..20 ... 61h . doi : 10.1080/19475683.2013.868826 . S2CID 38306705 .

[4] Лейднер, JL (2017). «Georefercing: от текстов до карт». Международная энциклопедия географии: люди, земля, окружающая среда и технология . VI : 2897–2907. doi : 10.1002/9781118786352.wbieg0160 . ISBN 9780470659632 .

[longley2011-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Лонгли, Пол А.; Goodchild, Michael F.; Магуайр, Дэвид Дж.; Rhind, David W. (2011). Географические информационные системы и наука (3 -е изд.). Уайли.

[esri-6] Jump up to: ^а ^{беременный} «Обзор геореферы» . ArcGIS PRO документация . Эсри . Получено 8 января 2023 года .

[bolstad-7] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Болстад, Пол (2019). Основы ГИС: первый текст географических информационных систем . Энн Арбор, Мичиган: Ксанеду. ISBN 978-1-59399-552-2 .

[chang2014-8] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Чанг, Кан-Зунг (2014). Введение в географические информационные системы (7 -е изд.). МакГроу-Хилл. С. 50–57. ISBN 978-0-07-352290-6 .

[qgis-9] Jump up to: ^а ^{беременный} "16.3 Georeferencer" . QGIS 3.22 Документация . Осгео . Получено 8 января 2023 года .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]