ジオリファレンスの概要
ラスター データは衛星画像、航空カメラ、スキャンされたマップなど多くのソースから取得されます。 最新の衛星画像や航空カメラは比較的正確な位置情報を持つ傾向がありますが、すべての GIS データを準備するには、少しの調整が必要な場合があります。 スキャンされたマップや履歴データには、通常、空間参照情報は含まれていません。 その場合、正確な位置データを使用してラスター データをマップ座標系に合わせること、つまりジオリファレンスすることが必要となります。 マップ座標系は、マップ投影を使用して定義されます。これは、地球の曲面を平面上に描く方法です。
ラスター画像をジオリファレンスすると、マップ座標を使用して位置が定義され、マップ フレームの座標系が割り当てられます。 ジオリファレンスしたラスター データは、他の地理データと一緒に表示、検索、解析することができます。 ジオリファレンス タブのジオリファレンス ツールを使用すると、任意のラスター データセットをジオリファレンスできます。
一般的に、データをジオリファレンスするためのステップは以下の 4 つです。
投影されたデータと位置合わせしたいラスターセットを追加する。
ジオリファレンス タブを使用してコントロール ポイントを作成し、ラスターをマップ上の既知の位置に接続する。
コントロール ポイントとエラーを確認する。
位置合わせに満足したら、ジオリファレンスの結果を保存する。
ラスターとコントロール ポイントの位置合わせ
一般的に、ラスター データは、ジオリファレンスされたラスターや、希望のマップ座標系に存在するベクター フィーチャクラスなどの既存の空間データ (ターゲット データ) を用いてジオリファレンスします。 この過程では、ラスター データセット上の位置と空間参照されるデータ内の位置を関連付ける一連の地上コントロール ポイント (既知の X、Y 座標) が特定されます。 コントロール ポイントは、ラスター データセットと実際の座標上で正確に特定できる位置です。 道路や河川の交差点、河川の河口、露出した岩、張り出した土地の先端、明確に区画された農地の角、街角、または 2 つの生け垣の交差点など、多様なフィーチャを特定可能な位置として使用できます。
コントロール ポイントは、変換と組み合わせて、ラスター データセットを既存の位置から空間的に正しい位置へと移動させ、幾何補正するために使用されます。 ラスター データセット上の 1 つのコントロール ポイント (始点) と位置合わせ済みターゲット データ上の対応するコントロール ポイント (終点) との接続は、コントロール ポイント ペアです。
作成すべきリンク数は、ラスター データをマップ座標に変換するために使用する変換の複雑さに依存します。 ただし、リンクを増やしても必ずしも位置合わせが向上するとは限りません。 可能であれば、リンクを一箇所に集中させるのではなく、ラスター データセット全体に分散させることをおすすめします。 通常、ラスター データセットの各隅に少なくとも 1 つのリンクを配置し、内部全体にいくつかのリンクを配置することで最良の結果が得られます。
一般的に、ラスター データセットとターゲット データのオーバーラップが大きいほど、ラスター データセットをジオリファレンスする際のポイントの間隔が広くなるため、位置合わせの結果が向上します。 たとえば、ターゲット データがラスター データ全体の 4 分の 1 しか占めていない場合、ラスター データセットを位置合わせするために使用できるポイントは、そのオーバーラップ領域に限定されます。 したがって、オーバーラップの外側の領域は、適切に位置合わせされる可能性が高くありません。 ジオリファレンスしたデータは、位置合わせしたデータと同じ程度の精度しか持たないことを認識する必要があります。 エラーを最小限に抑えるには、必要に応じた最高解像度かつ最大規模のデータをジオリファレンスする必要があります。
ラスターの変換
十分なコントロール ポイントを作成したら、ラスター データセットをターゲット データのマップ座標に変換できます。 ラスター内の各セルの正しいマップ座標位置を特定するために、多項式、スプライン、アジャスト、射影、相似多項式などの複数種類の変換から選択できます。
多項式変換は、コントロール ポイントに基づく多項式とLSF (最小二乗フィッティング) アルゴリズムを使用します。 これは、グローバルの精度に合わせて最適化されていますが、ローカルな精度を保証するものではありません。 多項式変換から 2 つの式が得られます。1 つは入力 (X、Y) 位置の出力 X 座標を計算するためのもので、もう 1 つは入力 (X、Y) 位置の Y 座標を計算するためのものです。 最小二乗フィッティング アルゴリズムの目的は、通常、コントロール ポイントの終点位置のわずかな移動の代わりに、すべてのポイントに適用可能な一般的な式を導き出すことです。 この方法に必要な非相関コントロール ポイントの数は、0 次シフトで 1 個、1 次アフィンで 3 個、2 次で 6 個、3 次で 10 個でなければなりません。 低次多項式は乱数タイプのエラーをもたらす傾向があるのに対し、高次多項式は外挿エラーをもたらす傾向があります。
0 次多項式は、データをシフトするために使用されます。 すでにジオリファレンスされているデータをほんの少しだけずらしたい、というときによく使用されます。 0 次多項式シフトを実行するために必要なコントロール ポイントは 1 つだけです。 いくつかのコントロール ポイントを作成した上で、最も正確に見えるものを 1 つ選択することをおすすめします。
1 次多項式変換は、画像をジオリファレンスするためによく使用されます。 1 次 (アフィン) 変換を使用して、ラスター データセットのシフト、サイズ変更、回転を実行します。 これにより、一般的に、ラスター データセット上の直線は、幾何補正されたラスター データセットにおいて直線としてマッピングされます。 そのため、ラスター データセット上の正方形と長方形は、通常、任意の縮尺と角度方向の平行四辺形に変換されます。 以下は、アフィン (1 次) 多項式変換を使用してラスター データセットを変換するための式です。 6 つのパラメーターによってラスターのロウとカラムがどのようにマップ座標へと変換されるかがどう定義されるかを確認できます。
最低 3 点のコントロール ポイントがあれば、1 次変換で使用される数式によって、各ラスター ポイントをターゲット位置に正確にマッピングできます。 コントロール ポイントが 4 つ以上になると、エラー、すなわち残差が生じ、それがすべてのコントロール ポイントに分散されます。 ただし、1 つの基準点が不正確だった場合、それが変換に与える影響が非常に大きくなってしまうことから、実際には 4 つ以上のコントロール ポイントを追加する必要があります。 そのため、より多くのリンクを作成するにつれて数学的変換エラーが増加する可能性がありますが、変換の全体的な精度は向上することになります。
変換の次数が高くなるほど、より複雑な歪みを補正できるようになります。 ただし、4 次以上の変換が必要になることはほとんどありません。 高次の変換ほど多くのリンクを必要とするため、処理時間も段階的に長くなります。 一般的に、ラスター データセットのストレッチ、拡大縮小、および回転が必要な場合は、1 次変換を使用します。 ただし、ラスター データセットを曲げたり湾曲させたりする必要がある場合は、2 次または 3 次の変換を使用します。
アジャスト変換は、グローバルな LSF とローカルな精度の両方を最適化します。 この変換は、多項式変換と TIN (不規則三角形網) 内挿法を組み合わせたアルゴリズムに基づいています。 アジャスト変換は、2 組のコントロール ポイントを使用して多項式変換を実行し、TIN 内挿法を使用して、ターゲット コントロール ポイントにより良く一致するようにコントロール ポイントを局所的に調整します。 アジャスト変換には、最低 3 つのコントロール ポイントが必要です。
相似変換は、元のラスターの形状を維持しようとする 1 次変換です。 ベスト フィットより形状の維持が重要であるため、他の多項式変換と比べて RMS エラーが高くなる傾向があります。 相似変換には、最低 3 つのコントロール ポイントが必要です。
射影変換は、ラインが直線のまま維持されるようにラインを幾何補正できます。 この変換を行うと、変換前に平行であったラインが平行でなくなる場合があります。 射影変換は、傾斜した画像、スキャンされたマップ、および Landsat や DigitalGlobe などの一部の画像プロダクトに特に役立ちます。 射影変換を実行するには、最低 4 つのリンクが必要です。 4 つのリンクのみが使用されている場合、RMS エラーはゼロになります。 それより多くのポイントが使用されている場合、RMS エラーはゼロをわずかに上回ります。 射影変換には、最低 4 つのコントロール ポイントが必要です。
スプライン変換は、真のラバーシート手法であり、グローバルな精度ではなく、ローカルな精度を最適化します。 これは、隣接する多項式の間で連続性と滑らかさを維持する区分多項式である、スプライン関数に基づいています。 スプライン変換は、ソース コントロール ポイントをターゲット コントロール ポイントへと正確に変換します。コントロール ポイントから離れた場所にあるピクセルについては、正確さが保証されません。 この変換は、コントロール ポイントが重要であり、それらを精密に位置合わせする必要がある場合に役立ちます。 コントロール ポイントをさらに追加することで、スプライン変換の全体的な精度を向上させることができます。 スプライン変換には、最低 10 個のコントロール ポイントが必要です。
RMS エラーの解釈
一般式が導き出され、コントロール ポイントに適用されると、残差エラーの尺度が返されます。 このエラーは、始点が最終的に配置された位置と、指定された実際の位置との差です。 総エラーは、RMS エラーを計算するためにすべての残差の RMS (二乗平均平方根) の合計を求めることによって計算されます。 この値は、異なるコントロール ポイント間で変換がどれだけ一貫しているかを示します。 このエラーが特に大きい場合は、コントロール ポイントを削除または追加して、エラーを調整できます。
RMS エラーは変換の精度を評価する優れた指標ですが、低い RMS エラーと正確な位置合わせを混同しないでください。 たとえば、コントロール ポイントが不適切に入力されたことで、変換に依然として重大なエラーが含まれている場合があります。 同等の品質を持つコントロール ポイントを多く使用するほど、多項式は入力データをより正確に出力座標へと変換できるようになります。 通常、アジャスト変換とスプライン変換では RMS エラーがほぼゼロになりますが、これは画像が完全にジオリファレンスされることを意味するわけではありません。
順変換残差は、データ フレームの空間参照と同じ単位でエラーを示します。 逆変換残差は、ピクセル単位でエラーを示します。 順変換-逆変換残差は、精度がどれほど近いかをピクセル単位で示す尺度です。 すべての残差は、ゼロに近いほど正確であるとみなされます。
ジオリファレンス情報の維持
ジオリファレンス後は、ジオリファレンス タブの 新しい名前で保存 コマンドを使用するか、幾何補正 ツールを使用することで、ラスター データセットを永続的に変換できます。 また、ジオリファレンス タブの 保存 コマンドを使用して補助ファイルに変換情報を保存することもできます。
新しい名前で保存 または 幾何補正 ジオプロセシング ツールを使用すると、マップ座標と空間参照を使用してジオリファレンスされる新しいラスター データが生成されます。 ArcGIS では、ラスター データセットを他の空間データとともに表示するために恒久的に変換する必要はありません。ただし、解析を行う予定がある場合や、ワールド ファイルで作成された外部ジオリファレンス情報を認識しない別のソフトウェアと併用したい場合は、前述の永続的な変換を行う必要があります。
ジオリファレンスを保存すると、変換情報が外部ファイルに保存されます。このときには、新しいラスター データセットは作成されません。ラスター データセットを永続的に変換したときに作成されます。 TIFF などのファイル ベースのラスター データセットでは、変換は通常、拡張子 .aux.xml を持つ外部 XML ファイルに保存されます。 ラスター データセットが BMP のような未処理の画像で、変換がアフィンの場合、変換はワールド ファイルに書き込まれます。 ジオデータベース内のラスター データセットでは、保存により、ジオデータ変換がラスター データセットの内部補助ファイルに保存されます。