GDAL影像投影轉換

又有一段時間沒有寫博客了，今天就把影像（DEM/遙感影像等）投影轉換的經驗和大家分享下。那麼關於GDAL影像投影轉換的文章在網上可以說是有很多，如果你還不清楚地圖投影那麼我建議你去看一看地圖投影和座標系統的基礎知識，在這裏就不詳細講解了。

一、影像投影轉換的概念

影像投影轉換就是將一個地理座標系統轉換到另一個座標系統，如果在同一個橢球基準面下的轉換就是嚴密的轉換，如果在同一個橢球體不同基準面的轉換是不嚴密的，不同橢球體之間的轉換是不嚴密的，這就需要用到七參數、三參數等方法。需要兩個不同座標系統下公共點座標求得係數。例如北京54和WG4-84座標下的同一點的經緯度或者是經過投影后的平面座標也是不同的。那麼影像投影主要分爲哪些步驟呢？說白了，就三個步驟，第一，座標轉換；第二，影像的重採樣，最後就是寫入到新文件中。

首先來說第一步，座標轉換需要轉換四個座標，也就是四個角點。也許有人說兩個點就夠了，左下點和右上點。在此，我告訴你，這是錯誤的。投影轉換後這個四個角點組成的矩形那麼很有可能就不是矩形了，如果你取兩個點做轉換那麼後面的影像投影轉換後的範圍就不正確了。

或者再有人問，我怎麼知道影像的四個角點的座標啊？這個很簡單，通過仿射變換系數，它就是影像的像素座標（行列號）和地理座標之間進行關聯的係數。一般是六個參數。在GDAL中可以通過以下這個函數來獲得，如果影像有仿射變換系數的話。如果沒有仿射變換系數但是有控制點的話也能解算出係數；如果都沒有，說明這幅影像是沒有地理參考的，那麼狠遺憾的告訴你，這個影像就不能做投影轉換。還有就是，如果你這幅影像沒有投影的話也就不能做投影轉換了，因爲你根本不知道這幅影像的投影是啥。

CPLErr GDALDataset::GetGeoTransform

(

double *

padfTransform

)

其中padfTransform就存儲了這六個參數。這是個六個double型的數的數組。

在向北向的圖像中，padfTransform[1]代表像素寬度，padfTransform[5]代表像素高度。圖像左上角的座標是（padfTransform[0],padfTransform[3]），adfGeoTransform[1] X方向也就是橫向的分辨率大小，padfTransform [2] 旋轉系數，如果爲0，就是標準的正北向圖像，padfTransform [4] 旋轉系數，如果爲0，就是標準的正北向圖像，知道了這兩個參數的意義，那麼我們就可以得到四個角點的地理座標了。

在正北向的圖像中，四個角點的座標計算如下：

//計算源圖像的MBR

double dbX[4];

double dbY[4];

double dbZ[4] = {0,0,0,0};

dbX[0] = adfDstGeoTransform[0]; //左上角點座標

dbY[0] = adfDstGeoTransform[3];

//右上角座標

dbX[1] = adfDstGeoTransform[0] + nXsize*adfDstGeoTransform[1];

dbY[1] = adfDstGeoTransform[3];

//右下角點座標

dbX[2] = adfDstGeoTransform[0] + nXsize*adfDstGeoTransform[1] + nYsize*adfDstGeoTransform[2];

dbY[2] = adfDstGeoTransform[3] + nXsize*adfDstGeoTransform[4] + nYsize*adfDstGeoTransform[5];

//左下角座標

dbX[3] = adfDstGeoTransform[0];

dbY[3] = adfDstGeoTransform[3] + nYsize*adfDstGeoTransform[5];

這樣我們就找到了需要參與投影轉換的座標點了，下一步就是座標轉換，座標轉換的過程通過GDAL的接口實現，其底層依賴了PROJ4地圖投影開源類庫。對於不同的橢球體之間變換需要用到三參數布爾莎或者七參數布爾莎模型，具體過程就是首先將經緯度大地座標轉換爲地心座標系下的空間直角座標，然後用布爾莎模型計算，最後將計算後的結果重新轉換到目標地理座標系統下的經緯度大地座標。有了需要轉換的座標後，我們將對上述四個點的座標進行變換，其函數如下：

bool TranformCoordsOGR(char* pszSrcWkt,char* pszDestWkt, int nCount,double* x,double* y,double* z
										  ,double *dfParaSrc,double* dfParaDst,int nParaCount)
{
	//創建OGR的空間參考系
	OGRSpatialReference oSrcSrs;			//源座標系統
	OGRSpatialReference oDestSrs;			//目的座標系統
	oSrcSrs.importFromWkt(&pszSrcWkt);
	oDestSrs.importFromWkt(&pszDestWkt);

	
	int nSameGeoCS = oSrcSrs.IsSameGeogCS(&oDestSrs);

	//相同的橢球基準面，則進行轉換
	if (nSameGeoCS)
	{
		OGRCoordinateTransformation *poCT = NULL;
		poCT = OGRCreateCoordinateTransformation( &oSrcSrs,&oDestSrs );
		if (NULL == poCT)
		{
			return false;
		}
		int nFlag = poCT->Transform(nCount,x,y,z);
		if (nFlag)
		{
			OGRCoordinateTransformation::DestroyCT(poCT);
			return true;
		}

		return false;
	}

	else		//不同的橢球體基準面,要設置七參數或者三參數
	{
		int nFlag = 0;

		//如果是地理座標系，直接轉換爲空間直角座標
		OGRErr err = 0;
		double dbAsrc = 0;
		double dbBsrc = 0;
		double dbEsrc = 0;
		dbAsrc = oSrcSrs.GetSemiMajor(&err);
		dbBsrc = oSrcSrs.GetSemiMinor(&err);
		dbEsrc = 1-pow((dbBsrc/dbAsrc),2.0);

		if (oSrcSrs.IsProjected())
		{
			OGRSpatialReference* poTmpSRS = oSrcSrs.CloneGeogCS();
			OGRCoordinateTransformation *poCTTmp = NULL;
			poCTTmp = OGRCreateCoordinateTransformation( &oSrcSrs,poTmpSRS );
			nFlag = poCTTmp->Transform(nCount,x,y,z);
			if (!nFlag)
			{
				OGRCoordinateTransformation::DestroyCT(poCTTmp);
				return false;
			}
			OGRCoordinateTransformation::DestroyCT(poCTTmp);
			//pj_geodetic_to_geocentric(dbAsrc,dbEsrc,nCount,0,x,y,z);
		}

		//將經緯度座標轉換爲空間直角座標
		CGeoEllipse geoEllipse(dbAsrc,dbBsrc);
		double dbX = 0;
		double dbY = 0;
		double dbZ = 0;
		for (int i = 0; i < nCount; i ++)
		{
			geoEllipse.BLH_XYZ(x[i],y[i],z[i],dbX,dbY,dbZ);
			x[i] = dbX;
			y[i] = dbY;
			z[i] = dbZ;
		}

		//七參數模型
		vector<double> vecX;
		vector<double> vecY;
		vector<double> vecZ;
		for (int i = 0; i < nCount; i ++)
		{
			double dbX = dfParaSrc[0] + (1+dfParaSrc[6])*(x[i]+dfParaSrc[5]*y[i]-dfParaSrc[4]*z[i]);
			vecX.push_back(dbX);
			double dbY = dfParaSrc[1] + (1+dfParaSrc[6])*(-dfParaSrc[5]*x[i]+y[i]+dfParaSrc[3]*z[i]);
			vecY.push_back(dbY);
			double dbZ = dfParaSrc[2] + (1+dfParaSrc[6])*(dfParaSrc[4]*x[i]-dfParaSrc[3]*y[i]+z[i]);
			vecZ.push_back(dbZ);
		}

		memcpy(x,&vecX[0],sizeof(double)*nCount);
		memcpy(y,&vecY[0],sizeof(double)*nCount);
		memcpy(z,&vecZ[0],sizeof(double)*nCount);

		double dbAdst = 0;
		double dbBdst = 0;
		double dbEdst = 0;
		dbAdst = oDestSrs.GetSemiMajor(&err);
		dbBdst = oDestSrs.GetSemiMinor(&err);

		//再將空間直角座標轉換爲地理座標，即經緯度座標
		CGeoEllipse geoEllipse1(dbAdst,dbBdst);
		for (int i = 0; i < nCount; i ++)
		{
			geoEllipse1.XYZ_BLH(x[i],y[i],z[i],dbX,dbY,dbZ);
			x[i] = dbX;
			y[i] = dbY;
			z[i] = dbZ;
		}

		if (oDestSrs.IsProjected())
		{
			const char* pszProjName = oDestSrs.GetAttrValue("PROJECTION");
			
			OGRSpatialReference* poTmpSRS = oDestSrs.CloneGeogCS();
			int nZone = oDestSrs.GetUTMZone();
			char* pszTmp;
			poTmpSRS->exportToWkt(&pszTmp);
			OGRCoordinateTransformation *poCTTmp = NULL;
			poCTTmp = OGRCreateCoordinateTransformation( poTmpSRS,&oDestSrs );
			if (NULL == poCTTmp)
			{
				//MessageBox(NULL,_T("失敗"),_T("提示"),MB_OK);
				return false;
			}
			nFlag = poCTTmp->Transform(nCount,x,y,z);
			if (!nFlag)
			{
				OGRCoordinateTransformation::DestroyCT(poCTTmp);
				return false;
			}
			OGRCoordinateTransformation::DestroyCT(poCTTmp);

			return true;
		}

		return true;
	}

	return false;
}

上述代碼中有空間直角座標和大地座標之間的變換，這個是我自己寫的，讀者也可以使用PROJ中的接口進行變換。

第二步就是影像重採樣了，重採樣就是通過原始影像的像素值內插得到新到採樣點上的像素值。這個可以直接用GDAL中重採樣接口來完成。

第三步就不用詳細說了，一般投影轉換後需要將投影后的影像寫入的新文件中，直接用GDAL的讀寫接口來完成。

二、GDAL影像投影轉換的過程中分辨率和仿射變換系數的估算

上一節已經完成了點的投影轉換，那麼我們現在就要估算投影后的像素分辨率大小和仿射變換系數了。

如果投影變換前是投影座標系統，投影轉換後也是投影座標系統，或者說另外一種情況：投影變換前是地理座標系統，投影變換後也是地理座標系統，並且座標的單位都一致的，那麼分辨率大小基本上沒變換，可以用變換前的分辨率大小。如果變換前是地理座標系統，投影變換後是投影座標系統，假設地理座標系統以度爲單位，投影座標系統以米爲單位，那麼投影后的像素大小可以這樣估計，因爲經線上一個緯度的距離大約是111km，那麼變換後的分辨率可以由原始分辨率乘以111000；相反的話，如果變換前是投影座標系統，投影變換後是地理座標系統，假設地理座標系統以度爲單位，投影座標系統以米爲單位，同理投影后的像素大小可以這樣估計，變換後的分辨率可以由原始分辨率除以111000。

仿射變換系數這樣也就可以確定了，左上角的座標就是最小x值，最大y值，在變換後的四個角點座標中比較獲得，分辨率上一段也講了如何獲得。對於正北向的圖像這就夠了。然後行列數就用變換後的四個角點組成的區域的MBR的寬度除以橫向分辨率得到列數，高度除以縱向分辨率得到行數。

具體的代碼片段如下：

//轉換爲PROJ4結構
	projPJ pj_SourceProjection = NULL, pj_DestinationProjection = NULL;
	pj_SourceProjection = pj_init_plus(pszSrcProj);
	pj_DestinationProjection = pj_init_plus(pszDestProj);

	if (pj_is_latlong( pj_SourceProjection ) && !pj_is_latlong(pj_DestinationProjection))
	{
		dbRes = dbRes * 111000;
	}

	else if (!pj_is_latlong( pj_SourceProjection ) && pj_is_latlong(pj_DestinationProjection))
	{
		dbRes = dbRes / 111000;
	}

	double dbMinx = 0;
	double dbMaxx = 0;
	double dbMiny = 0;
	double dbMaxy = 0;
	dbMinx = min(min(min(dbX[0],dbX[1]),dbX[2]),dbX[3]);
	dbMaxx = max(max(max(dbX[0],dbX[1]),dbX[2]),dbX[3]);
	dbMiny = min(min(min(dbY[0],dbY[1]),dbY[2]),dbY[3]);
	dbMaxy = max(max(max(dbY[0],dbY[1]),dbY[2]),dbY[3]);

	//估算行列號
	adfDstGeoTransform[0] = dbMinx;		//左上角點座標
	adfDstGeoTransform[3] = dbMaxy;

	//padfTransform[1] 像素寬度, padfTransform[5]像素高度
	adfDstGeoTransform[1] = dbRes;
	adfDstGeoTransform[5] = -dbRes;

	//估算行列數
	nPixels = ceil(fabs(dbMaxx-dbMinx)/dbRes);
	nLines = ceil(fabs(dbMaxy-dbMiny)/dbRes);

三、投影后處理

投影后處理主要就是重採樣和寫入數據到新文件中了。

重採樣不多說，主要有最鄰近、雙線性插值、立方卷積法等。可以直接調用GDAL接口，寫入也就不多說了。

這個在網上有很多這樣的代碼，包括李民錄大哥的博客等。不過還是將代碼共享出來

// 創建輸出文件  
	hDstDS = GDALCreate(hDriver,info.m_strOutputFile.c_str(), nPixels, nLines,GDALGetRasterCount(hSrcDS),eDT,NULL);  
	CPLAssert( hDstDS != NULL );  
	// 寫入投影  
	GDALSetProjection( hDstDS,info.m_strOutWkt.c_str());  
	GDALSetGeoTransform( hDstDS,adfDstGeoTransform );  
	// 複製顏色表，如果有的話  
	GDALColorTableH hCT;  
	hCT = GDALGetRasterColorTable( GDALGetRasterBand(hSrcDS,1));  
	if( hCT != NULL )  
		GDALSetRasterColorTable( GDALGetRasterBand(hDstDS,1),hCT ); 

	ProgressCreateEx( &hPolygonizeProgress,_T(""),TRUE,FALSE );
	ProgressBeginEx( hPolygonizeProgress,PROGRESS_MODE_PERCENT, 100);
	ProgressSetStepTitleEx( hPolygonizeProgress, _T("圖像重投影"));

	// 建立變換選項  
	GDALWarpOptions* psWarpOptions = GDALCreateWarpOptions();  
	psWarpOptions->hSrcDS =hSrcDS;  
	psWarpOptions->hDstDS =hDstDS;  

	int nBandCount = GDALGetRasterCount(hSrcDS);
	psWarpOptions->nBandCount = nBandCount; 
	psWarpOptions->panSrcBands =  
		(int *) CPLMalloc(sizeof(int) * psWarpOptions->nBandCount );  
	for (int i = 0; i < nBandCount; i ++)
	{
		psWarpOptions->panSrcBands[i] = i+1;
	}
	psWarpOptions->panDstBands =  
		(int *) CPLMalloc(sizeof(int) * psWarpOptions->nBandCount );  
	for (int i = 0; i < nBandCount; i ++)
	{
		psWarpOptions->panDstBands[i] = i+1;
	} 

	psWarpOptions->pfnProgress = ImageReProjectProgress; 
	psWarpOptions->eResampleAlg = info.m_enResampleAlg;

	// 創建重投影變換函數  
	psWarpOptions->pTransformerArg =  
		GDALCreateGenImgProjTransformer( hSrcDS,  
		GDALGetProjectionRef(hSrcDS),  
		hDstDS,  
		GDALGetProjectionRef(hDstDS),  
		FALSE,0.0, 1 );  
	psWarpOptions->pfnTransformer = GDALGenImgProjTransform;  

	// 初始化並且執行變換操作  
	GDALWarpOperation oOperation;  
	oOperation.Initialize(psWarpOptions );  
	oOperation.ChunkAndWarpImage(0,0,GDALGetRasterXSize(hDstDS),GDALGetRasterYSize(hDstDS));  

	ProgressEndEx( hPolygonizeProgress );
	ProgressCloseEx( &hPolygonizeProgress );
	hPolygonizeProgress=NULL;

	GDALDestroyGenImgProjTransformer(psWarpOptions->pTransformerArg );  
	GDALDestroyWarpOptions( psWarpOptions );  
	GDALClose( hDstDS );  
	GDALClose( hSrcDS );

上述過程就是一個比較完整的對影像進行投影轉換的過程，如果說的有錯誤頁請指出來，大家一起討論。

周旭光

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