Географическая привязка

Географическая привязка или георегистрация — это тип преобразования координат , который связывает цифровое растровое изображение или векторную базу данных, представляющую географическое пространство (обычно отсканированную карту или аэрофотоснимок ), с системой пространственной привязки , таким образом определяя местоположение цифровых данных в реальном мире. ^[1]^[2] Таким образом, это географическая форма регистрации изображений . Этот термин может относиться к математическим формулам, используемым для выполнения преобразования, метаданным, хранящимся рядом или внутри файла изображения для определения преобразования, или к процессу ручного или автоматического выравнивания изображения с реальным миром для создания таких метаданных. Наиболее распространенным результатом является то, что изображение можно визуально и аналитически интегрировать 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 опорных точек образца с известными местоположениями на изображении и земле, а затем использование методов подбора кривой для создания параметрической (или кусочно-параметрической) формулы для преобразования остальной части изображение. ^[3] После сохранения параметров формулы изображение можно динамически преобразовать во время рисования или выполнить повторную выборку для создания растрового ГИС-файла с географической привязкой или ортофото .

Термин «географическая привязка» также использовался для обозначения других типов преобразования: от общих выражений географического положения ( геокодов ) до координатных измерений. ^[4] но большинство из этих других методов чаще называют геокодированием . Из-за этой двусмысленности георегистрация относилась к преобразованию изображения. некоторые предпочитают, чтобы ^[5]^{: 141–143} Иногда этот процесс называют «резиновым покрытием» , но этот термин чаще применяется к очень похожему процессу, применяемому к векторным данным ГИС . ^[5]^: 240

Мотивация

Географическая привязка имеет решающее значение для создания аэрофотоснимков и спутниковых изображений , обычно растровых, полезных для картографии, поскольку она объясняет, как другие данные, такие как вышеупомянутые точки GPS , связаны со изображениями.
Очень важная информация может содержаться в данных или изображениях, созданных в другой момент времени. Может оказаться желательным объединить или сравнить эти данные с имеющимися в настоящее время данными. Последнее можно использовать для анализа изменения исследуемых признаков за определенный период времени.
На разных картах могут использоваться разные системы проекций. Инструменты геопривязки содержат методы объединения и наложения этих карт с минимальными искажениями.

Математика

Графическое представление аффинного преобразования.

Регистрация изображения в географическом пространстве — это, по сути, преобразование входной системы координат (собственных координат пикселей изображения на основе номера строки и столбца) в выходную систему координат, пространственную систему координат по выбору пользователя, например как географическая система координат или конкретная зона Всемирного поперечного Меркатора . Таким образом, это расширение типичной задачи построения кривой зависимости между двумя переменными до четырех измерений. Цель состоит в том, чтобы иметь пару функций вида:

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

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

Такого, что для каждого пикселя изображения ( $x_{in},y_{in}$ это номер столбца и строки соответственно), можно вычислить соответствующую реальную координату.

В большинстве программ ГИС и дистанционного зондирования доступны несколько типов функций для географической привязки. ^[6] Поскольку простейшим типом двумерной кривой является прямая линия, простейшей формой преобразования координат является линейное преобразование, наиболее распространенным типом которого является аффинное преобразование : ^[7]^: 171

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

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

Где AF — постоянные коэффициенты, заданные для всего изображения. изображение Эти формулы позволяют перемещать (коэффициенты C и F указывают желаемое расположение верхнего левого угла изображения), масштабировать (без вращения коэффициенты A и E определяют размер каждой ячейки или пространственное разрешение ) и повернут . ^[8]^: 115 В последнем случае, если размер ячейки равен r как в направлении x, так и в направлении y, а изображение необходимо повернуть на α градусов против часовой стрелки, то $A=E=r\cos(\alpha ),B=D=r\sin(\alpha )$ . Файл привязки , разработанный Esri, представляет собой широко используемый дополнительный файл , в котором указаны эти шесть коэффициентов для пространственной привязки изображения.

Также широко используются полиномиальные преобразования более высокого порядка. Например, полиномиальное преобразование второго порядка будет выглядеть так:

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

Члены второго порядка (и члены третьего порядка в полиноме третьего порядка) допускают переменное искажение изображения, что особенно полезно для устранения присущих искажений на аэрофотоснимках.

Помимо глобальных параметрических формул можно использовать и кусочные формулы, которые по-разному преобразуют разные части изображения. Типичным примером является преобразование «Тонкая пластина-сплайн» . ^[9]

Метод GCP

Очень редко пользователь напрямую указывает параметры преобразования. Вместо этого большая часть программного обеспечения ГИС и дистанционного зондирования предоставляет интерактивную среду для визуального выравнивания изображения по системе координат назначения. Самый распространенный метод сделать это — создать серию наземных контрольных точек (GCP). ^[7]^: 170 Наземная контрольная точка — это место, которое можно идентифицировать как на изображении, так и на земле, поэтому оно имеет точные координаты как в системе координат изображения ( $x_{in}$ = столбец пикселей, $y_{in}$ = строка пикселей) и наземная система координат ( $x_{out},y_{out}$ ). В качестве опорных точек предпочтительнее использовать легко видимые и точно расположенные места, например перекресток дорог или угол здания. Когда требуется регистрация с очень высокой точностью, перед фотографированием обычно размещают или рисуют высококонтрастные маркеры на земле у контрольных памятников и используют для вывода координаты, измеренные с помощью GNSS. В большинстве программ для их ввода необходимо указать местоположение на изображении, а затем указать то же место на базовой векторной карте или ортофото , которое уже находится в нужной системе координат. Затем его можно перемещать и регулировать для повышения точности.

При минимальном наборе опорных точек известные координаты можно ввести в математические уравнения для желаемого типа преобразования, которые затем можно решить с помощью линейной алгебры для определения коэффициентов и вывода формул, которые будут использоваться для всей сетки. ^[8]^: 116 Например, приведенное выше линейное аффинное преобразование имеет шесть неизвестных коэффициентов, поэтому шесть уравнений с известными < $x_{in},y_{in},x_{out},y_{out}$ > Необходимы для их вывода, для чего потребуются три наземные опорные точки. ^[7]^: 171 Полином второго порядка требует минимум шести наземных опорных точек и так далее.

Введенные опорные точки редко расположены идеально и еще реже идеально отражают искажения в остальной части изображения, но алгебраическое решение, которое кажется идеальным совпадением, маскирует любую ошибку. Чтобы избежать этого, обычно создают намного больше, чем минимально необходимый набор (создавая переопределенную систему ), и используют регрессию наименьших квадратов для получения набора параметров функции, который наиболее точно соответствует точкам. ^[8]^: 116 Это почти никогда не бывает идеальным совпадением, поэтому отклонение между местоположением каждой опорной точки и местоположением, предсказанным функциями, можно измерить и суммировать как среднеквадратическую ошибку (RMSE). Таким образом, более низкое RMSE означает, что формулы преобразования точно соответствуют GCP.

После определения параметров функции функции преобразования можно использовать для преобразования каждого пикселя изображения в его реальное местоположение. Обычно доступны два варианта, чтобы сделать это преобразование постоянным. Один из вариантов — сохранить сами параметры в виде метаданных либо в заголовке самого файла изображения (например, GeoTIFF ), либо в дополнительном файле, хранящемся вместе с файлом изображения (например, файл World ). Используя эти метаданные, программное обеспечение может динамически выполнять преобразование при отображении изображения, чтобы оно выглядело согласованным с другими данными в желаемой системе координат. Альтернативный метод — ректификация , при которой изображение подвергается повторной выборке для создания новой растровой сетки, которая изначально привязана к системе координат. Ректификация традиционно была единственным вариантом, пока вычислительные мощности не стали доступны для интенсивных вычислений динамических преобразований координат; даже сейчас производительность рисования и анализа выше при использовании исправленного изображения.

Реализации программного обеспечения

Программное обеспечение Esri GIS уже много лет обладает такой возможностью, включая инструмент пространственной привязки в ArcGIS Pro. ^[6]
В QGIS есть инструмент Georeferencer, первоначально разработанный как надстройка, но теперь интегрированный в программное обеспечение. ^[9]
Географическая привязка и исправление изображений в ERDAS Imagine
Регистрация изображения на карте в ENVI
Allmaps поддерживает различные алгоритмы преобразования (включая преобразование Thin Plate Spline) и вычисление искажений с помощью пакета @allmaps/transform .

См. также

Ссылки

^ «Что означает «географическая привязка»?» . www.usgs.gov . Геологическая служба США . Проверено 4 января 2022 г.
^ Яо, Сяобай А. (01 января 2020 г.), «Геопривязка и геокодирование» , в Кобаяши, Одри (редактор), Международная энциклопедия человеческой географии (второе издание) , Оксфорд: Elsevier, стр. 111–117, doi : 10.1016/b978-0-08-102295-5.10548-7 , ISBN 978-0-08-102296-2 , S2CID 241797395 , получено 4 января 2022 г.
^ Хакелоер, А.; Класинг, К.; Крисп, Дж. М.; Мэн, Л. (2014). «Геопривязка: обзор методов и приложений» . Анналы ГИС . 20 (1): 61–69. дои : 10.1080/19475683.2013.868826 . S2CID 38306705 .
^ Лейднер, Дж. Л. (2017). «Геопривязка: от текстов к картам». Международная географическая энциклопедия: Люди, Земля, окружающая среда и технологии . VI : 2897–2907. дои : 10.1002/9781118786352.wbieg0160 . ISBN 9780470659632 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Лонгли, Пол А.; Гудчайлд, Майкл Ф.; Магуайр, Дэвид Дж.; Ринд, Дэвид В. (2011). Географические информационные системы и наука (3-е изд.). Уайли.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Обзор географической привязки» . Документация ArcGIS Pro . Эсри . Проверено 8 января 2023 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Болстад, Пол (2019). Основы ГИС: первый учебник по географическим информационным системам . Анн-Арбор, Мичиган: XanEdu. ISBN 978-1-59399-552-2 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Чанг, Кан Цунг (2014). Введение в географические информационные системы (7-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 50–57. ISBN 978-0-07-352290-6 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «16.3 Географическая привязка» . Документация QGIS 3.22 . ОСГЕО . Проверено 8 января 2023 г.

Дальнейшее чтение

Хилл, Линда Л. (2006). Географическая привязка . Массачусетский технологический институт Пресс . ISBN 978-0262083546 .

Внешние ссылки

Обнаружение индикаторов местоположения топонимов из новостей для улучшения географической привязки на основе географических справочников - документ, представленный на Geoinfo 2008
Ресурсы с географическими ссылками для онлайн-учебных материалов социологов из Университета Саутгемптона, Великобритания.

[1] «Что означает «географическая привязка»?» . www.usgs.gov . Геологическая служба США . Проверено 4 января 2022 г.

[2] Яо, Сяобай А. (01 января 2020 г.), «Геопривязка и геокодирование» , в Кобаяши, Одри (редактор), Международная энциклопедия человеческой географии (второе издание) , Оксфорд: Elsevier, стр. 111–117, doi : 10.1016/b978-0-08-102295-5.10548-7 , ISBN 978-0-08-102296-2 , S2CID 241797395 , получено 4 января 2022 г.

[3] Хакелоер, А.; Класинг, К.; Крисп, Дж. М.; Мэн, Л. (2014). «Геопривязка: обзор методов и приложений» . Анналы ГИС . 20 (1): 61–69. дои : 10.1080/19475683.2013.868826 . S2CID 38306705 .

[4] Лейднер, Дж. Л. (2017). «Геопривязка: от текстов к картам». Международная географическая энциклопедия: Люди, Земля, окружающая среда и технологии . VI : 2897–2907. дои : 10.1002/9781118786352.wbieg0160 . ISBN 9780470659632 .

[longley2011-5] Перейти обратно: ^а ^б Лонгли, Пол А.; Гудчайлд, Майкл Ф.; Магуайр, Дэвид Дж.; Ринд, Дэвид В. (2011). Географические информационные системы и наука (3-е изд.). Уайли.

[esri-6] Перейти обратно: ^а ^б «Обзор географической привязки» . Документация ArcGIS Pro . Эсри . Проверено 8 января 2023 г.

[bolstad-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с Болстад, Пол (2019). Основы ГИС: первый учебник по географическим информационным системам . Анн-Арбор, Мичиган: XanEdu. ISBN 978-1-59399-552-2 .

[chang2014-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Чанг, Кан Цунг (2014). Введение в географические информационные системы (7-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 50–57. ISBN 978-0-07-352290-6 .

[qgis-9] Перейти обратно: ^а ^б «16.3 Географическая привязка» . Документация QGIS 3.22 . ОСГЕО . Проверено 8 января 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]