历史图件图像配准的常用方法研究

黄锦斌

（1.广州市房地产测绘院，广东 广州 510000；2.广州市测绘产品质量检验中心，广东 广州 510000）

1 引言

户地图是新中国成立后广州市最早利用的地籍成果，自1930年测制后一直修编至1986年。户地图不仅关联着土地和房屋的权属信息，也记录着道路、水系、地名等基础地理要素。随着城市的发展变迁，有许多物权已灭失于历史长河中，而现实中实体灭失的物权由于缺乏空间位置、门牌地址、四邻关系等必要线索，需要根据户地图所关联的历史物权信息进一步确认其产权现状，把户地图与其年代相近的历史地形图进行图像配准，将户地图数据成果与已有的空间数据关联起来。户地图目前可用于土地确权、地籍调查成果核查、权属纠纷调处、直管房管理等诸多国土房管业务。

2 图像配准的基本原理

图像配准是图像处理和分析的一个重要环节，将不同年代、不同变形程度的图像与参考底图变换,使同名像点在位置和方位上完全叠合。

图像配准主要包括两方面内容：（1）确定足够数量的配准匹配点；（2）根据这些配准匹配点确定图像与参考底图之间的对应关系。

目前常用的图像配准方法主要有 ：零阶平移变换、一阶多项式变换、校正变换、投影变换、二阶多项式变换、三阶多项式变换、样条函数变换。因为栅格数据集需要拉伸、缩放和旋转，所以一阶多项式（仿射）变换常用于对栅格数据集进行图像配准。

使用一阶（或仿射）变换来平移、缩放和旋转栅格数据集，通常会在栅格数据集上得到直线，这些直线在扭曲的栅格数据集中映射为直线。因此，栅格数据集上的正方形和矩形通常会变为具有任意比例和角度方向的平行四边形。

通过使用最少三个链接，采用一阶变换的数学方程可将每个栅格点准确映射至目标位置。任意三个以上的链接都会产生误差或残差，它们会均匀分布在所有链接上，从而达到最理想的配准效果。

3 户地图与历史数据配准

3.1 户地图数据分析

上世纪50年代测制的1∶2000历史地形图上标注了两种图号，一是与目前广州坐标的1∶2000图号一致，二是与户地图上铅笔标注的十字丝图号一致，根据户地图上后期添加的十字丝，通过实验确认，与1∶500标准地形图分幅一致。通过以上规律，依据户地图上十字丝及其图幅命名方式，找出命名规律，制作出1∶500和1∶2000户地图结合表。

经多次配准测试，拟定利用户地图上的十字丝（方格网）作为参考同名点进行配准，先找到大致位置，再利用历史地形图中的历史地物、现状电子地图数据中的水系、道路走向等资料，作为配准参考进行精确配准。鉴于以上原因，只能参照明显地物，通过几何配准的方法将户地图配准到有统一坐标系的现状地形图或历史地形图。

3.2 户地图配准方法

图像配准有多种方式可以选择，实际作业时可根据数据情况按如下顺序依次选择方法：

（1）户地图上的标的物目前仍存在的，则根据标的物进行图像配准；（2）户地图上的标的物已不存在但历史资料（影像或历史地形图）能找到记录的，则根据历史资料进行图像配准；（3）户地图上的标的物目前已不存在且历史资料（影像或地图）未有记录的，则根据图幅结合表进行图像配准。

3.2.1 根据分幅框粗略配准

由于扫描件可进行缩放和旋转，可先根据户地图上人工标注的分幅编码找到对应的分幅框，用图上的分幅角点对户地图进行定位，叠加已配准好的历史地形图，根据图中还存在的标的物，如水系网、道路（铁路）网、房屋房角点等进行粗略配准（如图1所示），确保图幅位置大致正确，尽量不产生图像变形。

图1 户地图粗略定位

3.2.2 根据历史地形图进行精确配准

在粗略配准基础上，以历史地形图、现状电子地图上的地物等为参考资料，逐次选择整个范围内均匀分布的4个或以上关键地物点作为匹配点进行调整，使图幅精度符合要求。根据精确配准后的位置定位，可以看出户地图中的小桥、道路及水系与历史地形图中的小桥、道路、水系走向及田埂基本吻合（如图2所示），以这幅户地图为基准图，用上述方法对其周边的户地图进行配准。在配准过程中会出现图框变形、超出允许值范围的现象，因此在图内地物配准时，要保证图框尺寸在允许值范围内。

图2 户地图精确配准

3.2.3 以多幅图为配准基准，提高整体配准精度

一区段的户地图数据少则10张，多则可达50张，实验证明，如果以配准好的一张户地图作为基准图，越往外辐射图幅变形越大，与现状地物偏离越大，因此，在配准前期需要找到户地图上地物较多、在整区段分布均匀的多幅图作为配准整个段的基准图（如图3所示），以提高配准精度。

图3 选用多基准图进行配准

3.2.4 部分图件上的地物与现状地物匹配度

最早的户地图测制于1930年，当时测绘仪器十分简陋，如果出现跨江河、山体等跨度较大的地物，边长精度就难以保证。

在配准过程中发现，同一幅户地图，以河流为界，河流右侧房屋与现状基本吻合，但河流左侧的房屋、道路与现状地物不匹配。经多方面考虑，图上河流宽度约30米，可能因河流宽度不准确而导致图形配准时变形错位，达不到配准要求。因此，为提高局部要素精度，对于能沿河流、道路、空地块分布的要素，用Photoshop对图幅进行裁切，将一幅图分为多幅图再进行配准，虽然增加了配准工作量，但实践证明该方法可行，有效解决了在配准后同一幅户地图左右区域配准偏差的现象。底图裁切后配准效果如图4所示。

图4 底图裁切后配准效果

3.2.5 户地图接边

以精确配准后的户地图为中心，对周边的户地图进行接边处理。经过精确配准的户地图在与相邻图幅接边时，图斑基本能重叠对上，地物与现状电子地图房屋、道路走向基本吻合，再经过手工添加控制点进行纠正，得到很好的接边效果，如图5所示。

图5 与相邻图幅接边效果

4 图像配准精度评定

本次矢量化的户地图基本都是新中国成立前测制的户地图，下述几个方面对几何配准精度造成影响：

（1）由于测量年代久远，测量方法和条件限制，无法得知户地图和用以配准的历史地形图的测量精度，与现代测量相比相差较大；（2）由于纸质保存和使用频繁，户地图存在不同程度的破损、折痕、伸缩、变形等情况，影响户地图的原有测量精度；（3）选取用于配准的关键地物点数量是否足够多、有无变化变形、测量精度高低等。

由于户地图的地物点坐标值和测量精度均无法估算，配准精度无法采用对应点坐标点位较差的方法进行检测，需要计算对应关键地物点和邻近对应关键地物点的点位间距中误差，进行几何配准精度检核，即分别计算户地图和历史地形图对应地物点的间距，再求中误差。参考相关精度要求，计算本次户地图矢量化的相邻地物点中误差是不现实的。因此，尽量寻找更多的对应地物点，对各区域的精度进行统计，进而得知各区段的精度差异。针对户地图上的标的物目前仍存在，或者标的物目前已不存在但历史资料（影像或地图）仍能找到的，根据统计把标的物当作关键地物点进行精度统计。对于户地图上的标的物目前已不存在且历史资料没有记录的，则无法进行精度统计。

图像配准的精度评定，通过内、外业评定两种方式确定。内业评定是通过十字丝及均匀分布的配准匹配点，通过查看连接表中各检查匹配点的残差，删除残差特别大的匹配点并重新选取，各匹配点残差均匀分布，可以认定这幅图配准成功，要做好户地图配准工作记录。

户地图数据在图像配准后，对现存地物进行实地测量，利用全站仪测量房角点坐标、量取房屋边长，对实测的房角点坐标数据与户地图上同名点坐标进行比较。由比较结果可知，点位中误差和边长中误差均满足1∶2000数字地形图中的地物点平面位置精度要求。地物点平面位置精度如表1所示，检验结果如表2、表3所示。

表1 地物点平面位置精度（m）

表2 平面测量精度（m）

表3 量边检验记录表（m）

5 结论分析

本文在特征点匹配的基础上，采用一阶多项式（仿射）的模型进行图像配准，重点介绍配准过程中出现的问题和解决方法，以及匹配特征点数目及多幅图作为配准基准对图像配准精度的影响，最后进行精度评价。结果表明：

（1）影像特征点匹配结果正确、匹配点分布均匀时，匹配点数目越多，利用一阶多项式（仿射）进行图像配准的精度越高。

（2）户地图图像配准中，要多方面、多角度分析每一张户地图与历史地形图、现状地物数据之间的联系，找到户地图上地物较多的图形，以多幅图作为配准整个段的基准，提高整体配准精度，出现偏差较大的，要具体问题具体分析。