地理對位

[QGIS教學系列]如何對影像進行地理對位(Georeference)

[QGIS教學系列]如何對影像進行地理對位(Georeference)

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[QGIS新手教學系列-坐標地理對位系統操作]

大家好,今天要分享的是如何裡用QGIS進行地理對位操作,以下會提供文字版的教學,主要內容來自QGSI官方手冊3.22版,上方有Yotube的教學影片,喜歡我的教學的話請幫我按個讚、訂閱,支持我繼續產出有用的教學內容!

1.地理對位功能基本介紹

在QGIS中進行地理對位時,可以選擇使用已知控制點的方法,進行精確的地理對位。具體步驟如下:

  1. 收集控制點:首先需要在原始圖層和參考圖層中選擇至少三個已知位置相同的控制點,這些控制點的位置可以從現場測量、GPS定位或其他可靠資料來源中獲得。
  2. 添加控制點:在QGIS中,可以通過點狀圖層來表示控制點的位置。在原始圖層和參考圖層中分別創建一個點狀圖層,並將控制點分別添加到這兩個圖層中。
  3. 設置控制點:在QGIS中,可以通過”地理對位”工具來進行地理對位。在進行地理對位前,需要在”地理對位”工具中設置控制點。在”地理對位”工具中選擇”已知控制點”的方法,然後選擇原始圖層和參考圖層中的控制點,並將它們進行匹配。
  4. 進行地理對位:完成控制點的匹配後,可以通過”地理對位”工具進行地理對位。在”地理對位”工具中,選擇”對齊”,然後設置輸出圖層的位置和名稱,最後點擊”執行”按鈕,開始進行地理對位。地理對位完成後,可以將輸出圖層添加到QGIS中進行查看和分析。

2.QGIS地理對位功能的使用方法

講解QGIS中的地理對位功能,包括如何設定基準座標系統、加載參考資料、進行圖層對位和圖像對位等。

這邊範例練習採用「中央研究院人文社會科學研究中心-台灣百年地圖」,其中利用日治臺灣假製二十萬分一圖進行截圖作為練習檔案,由於是截圖因此放大後畫質會較差。

台灣百年地圖地理對位
中央研究院人文社會科學研究中心-台灣百年地圖圖台

首先我們將截圖好的資料直接拖拉到QGIS當中,可以發現由於我們目前的地圖檔案屬於沒有坐標系統的「照片」,因此在QGIS當中是以直接將「影像左上角視為原點」,並且將影像的長寬直接定義成了坐標,由於目前CRS設定為WGS84:4326,因此相當於左上角為經緯度被設置成(0,0),這點從它與Google衛星底圖(從QuickMapService可以加入:相關教學)的相對位置也可以清楚看到。

地理對位
尚未進行地理對位的圖資

接著我們點選上方頁面的 Raster—>Georeferencer,將地理對位功能頁面打開,並對擊Open Raster 將我們的歷史地圖加載進來,點選上方的工具列的Add Point準備手動添加控制點

地理對位
打開Georeferencer並加載圖資

一般我要進行地理對位的話,會至少選取三個控制點(每個控制點可以提供2組觀測方程式),來解算轉換函數所需要的,旋轉、平移參數必要時還需要進行伸縮。控制點的選擇原點需要盡量平均分散。

確定開啟Add Point功能後,我們開始尋找適合的控制點,其中控制點的坐標可以藉由事先整理好,或是QGIS Georeference提供了直接點擊獲取坐標的功能(From Map Canvas)的功能。

第一個控制點我們選取三貂角燈塔

地理對位
三貂角作為第一個控制點

隨後我們依序選擇適合的控制點,以下我根據台灣外圍對應明顯處再額外選擇四個控制點。

,但由於畫質較差且西半部海岸無明顯地物因此較難進行選取。

地理對位參考點
總計選取五處控制點。

接者我們點擊齒輪(Settings),進入設定頁面,這邊可以選取要採用的轉換方式,同時針對影像進行坐標轉換時,影像會出現空值,這邊也可以選擇要採用的內插補植方式,不同的轉換選擇需要的控制點數量不一,詳細說明可以參考QGIS文檔,以下簡單做介紹:

不同的地理對位演算法的主要特點和用途:

  • 1. Linear:線性演算法: 不會實際轉換光柵像素,僅允許定位和統一縮放,並且至少需要2個GCP,適合僅是缺少投影檔案的資料使用。
  • 2. Helmert轉換: 允許旋轉,特別適用於高品質地圖或正射影像,但與CRS的網格方位不一致。至少需要2個GCP。
  • 3. 一階多項式演算法: 允許更一般的仿射變換,特別是均一剪切。直線保持直線並且平行線保持平行。特別適用於地理參考數據繪製,至少需要3個GCP。
  • 二(以上)階多項式演算法: 使用更一般的二次或三次多項式,而不僅僅是仿射變換。這使它們能夠考慮圖像的彎曲或其他系統變形。至少需要6或10個GCP。這種轉換可能會使直線變成彎曲,而在邊緣或遠離任何GCPs的地方可能會引入顯著的扭曲。
  • 投影演算法: 以不同的方式推廣一階多項式演算法,允許表示圖像和地圖畫布之間的中心投影轉換。直線保持直線,但是不會保留平行性,圖像上的比例會隨著透視變換而變化。至少需要4個GCP。
  • Thin Plate Spline(TPS)演算法: 使用多個局部多項式“橡皮板”將光柵拉伸以匹配指定的GCP,從而使總體曲面曲率最小。在遠離GCP的區域,輸出將被移動以容納GCP匹配,但在其他情況下最小局部變形。特別適用於經損壞,變形或其他略有不準確的地圖進行地理參考。通常需要10個以上的GCP才能成功,但技術上最少需要10個GCP。此外,它還適用於大致進行地理參考和隱式投影類型或參數未知的地圖。
georeference settings

這邊我們採用常見的Polynomial-1作為演算法,按下主畫面的執行按鈕:

地理對位參考點
執行對位命令

執行完成後可以發現圖象已經成功進行對位了,

至於要如何評估對位成果的精準度,可以參考地理對位頁面下方的計算結果,其中展現了各點轉換後的殘差距離,以及下方有一個Mean error,基本上兩者都越小越好,當控制點足夠多時還可以計算RMSE作為精度指標。

GCP計算結果

今天的教學分享就到這了,有任何疑問歡迎Email或留言給我,喜歡我的內容的話也可以訂閱我的Youtube或是追蹤Facebook。

延伸說明

航空攝影測量的本質就是利用不同影像間的交疊後,利用光線法以及控制點取得像空間與物空間的坐標,因此地理對位的概念也被包含在裡面,如我在路上看到地上的航測控制點大家不妨留意一下。

控制點
航測恐製點佈標

練習檔下載

https://drive.google.com/file/d/1PME_-o_P1dZU4a7TJUPFpfgK0IivF-S7/view?usp=share_link

相關參考資料

QGIS官方文檔:

https://docs.qgis.org/3.22/en/docs/user_manual/working_with_raster/georeferencer.html

中央研究院人文社會科學研究中心-台灣百年地圖

https://gissrv4.sinica.edu.tw/gis/twhgis.aspx

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