如何在 QGIS 中对地图或影像进行地理配准
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要在 QGIS 中对地图或影像进行地理配准，请打开 Layer > Georeferencer，用 Open Raster 加载扫描图，点击至少四个你能辨认的点并输入它们的真实坐标，在 Transformation Settings 中选择 Polynomial 1 和一个投影目标 CRS，然后按 Start Georeferencing。QGIS 会写出一个 GeoTIFF 并将其添加到你的项目中。
中对地图或影像进行地理配准，请打开 放置点是最简单的部分。大多数教程略过的部分是如何判断结果，因为 QGIS 显示给你的数字可能为零，而地图却偏了几百米。我对一张 1947 年的 USGS 旧金山地图做了地理配准，并用拟合从未见过的点来测量每一个结果。下面的数字来自那次测试。
简短回答
| 你的输入 | 方法 | 时间或成本 |
|---|---|---|
| 印有坐标的扫描图（经纬网、网格刻度、角点数值） | 方法 1，输入印出的数值 | 免费。8 个点，然后在 6,888 x 8,933 px 的扫描图上进行 34 秒的变形 |
| 没有坐标的扫描图，或地图的照片 | 方法 1，在底图上使用 From Map Canvas | 免费。预计需要 10 个或更多点 |
| 来自 USGS 或其他机构的 GeoPDF | 直接打开，它已经配准好了 | 免费，零个点 |
| 已经读取了点，并且希望有人帮你检查拟合 | 方法 2，AI Agent | 1 条消息，在我的测试中为 99 秒 |
| 快速的可视化叠加，不需要精度 | 方法 3，Freehand raster georeferencer plugin | 免费 plugin |
开始之前
你需要 QGIS 3.26 或更高版本，其中 Georeferencer 位于 Layer 菜单下。我使用的是 QGIS 3.44.7。较旧的教程会让你去 Raster > Georeferencer，那是它以前所在的位置，作为 GDAL Georeferencer plugin。
在你点击任何东西之前，先阅读地图的图廓外注记。它会告诉你三个稍后要输入的信息：所印数值的坐标系统、基准面和比例尺。我的样本是 1947 年的 USGS 旧金山北（San Francisco North, CA）图幅，比例尺 1:24,000，任何人都可以从 topoView 下载。它的图廓注记写着 "Polyconic projection. 1927 North American datum"，四个角带有每隔 7'30" 的经纬度。USGS 的历史地图属于公有领域。
为了让测试诚实，我取来 USGS 自己对该图幅的 GeoTIFF，并剥离了它的地理配准信息，所以我加载进 QGIS 的是一张普通的 9.2 MB JPEG，尺寸为 6,888 x 8,933 像素。这大约是 300 dpi，即每像素对应 2.03 米地面距离。USGS 的地理配准结果被放在一边作为参考答案。
网上的说法错在哪里
"RMSE 越低，结果越好。" 对薄板样条（thin plate spline）来说并非如此。那种变换会弯曲影像，直到它精确穿过每一个点，所以它的残差永远是零。我故意把一个纬度输错，写成 37°47' 而不是 37°47'30"，然后在同样的八个点上运行了两种变换。Polynomial 1 显示 RMSE 为 297 米，其中 762 米落在那个坏点上。薄板样条显示 0.00 米，而地图在那些未被提供给它的点上最多偏了 594 米。
"把坐标按 WGS 84 输入。" 较旧的美国地图上所印的数值通常是 NAD27，图廓注记也是这么写的。在旧金山，同样的经纬度在 NAD27 和 WGS 84 中相差 93 米，其中 92 米是东西方向的。把它们当作 EPSG:4326 输入，整张图幅就会落在一条街之外，而残差看起来完美，因为每个点都一起移动了。在 Enter Map Coordinates 对话框中，把点的 CRS 设置为图廓注记所写的内容：NAD27 对应 EPSG:4267。
"把目标 CRS 留在度（degrees）上。" 你可以这么做，但在经纬度上做平面仿射拟合，与投影地图的绘制方式并不匹配。在同样的八个点上，以 EPSG:4267 为目标时，Polynomial 1 给出的 RMSE 为 2.98 米，而以 NAD27 / UTM zone 10N (EPSG:26710) 为目标时为 0.72 米。选择地图基准面上的投影 CRS，拟合结果也就能以米为单位读取。
方法 1：QGIS Georeferencer
这是内置工具，也是首先要学会的工具。它既适用于印有坐标的扫描图，也适用于没有坐标的扫描图。
打开扫描图
Layer > Georeferencer，然后 File > Open Raster 并选择影像。JPEG、PNG 和 TIFF 都可以。
添加一个控制点
点击 Add GCP Point，放大并点击一个你能精确辨认的位置：图框的一个角、经纬网十字、网格刻度。Enter Map Coordinates 对话框会打开。输入印出的坐标。它接受带空格的度、分、秒（-122 25 0）、十进制度，或投影米。把字段下方的 CRS 设置为图廓注记所指明的那个。
或者从地图画布获取坐标
当扫描图没有坐标时，先在 QGIS 主窗口中加载一个底图（底图指南 中有具体点击步骤），然后按 From Map Canvas 并在底图上点击同一个位置。QGIS 会为你填入坐标和 CRS。
分散布点
在每个角附近放一个点，中间再放几个。挤在一个区域里的点只会拟合那个区域，而让图幅的其余部分漂移。我使用了图框的四个角和其中的四个经纬网十字。
你添加的每一个点都会写入影像旁边的一个 .points 文件。保留它：下次打开同一张扫描图时，Georeferencer 会自行加载它，你可以修正某个点，而不必从头再来。
选择变换
Settings > Transformation Settings 中存放着最重要的选择。QGIS 3.44 手册 列出了七种变换，以及这些最少点数要求：
| 变换 | 最少点数 | 用途 |
|---|---|---|
| Linear | 2 | 只需要平移和缩放的干净扫描图。写出 world file，不做变形 |
| Helmert | 2 | 同上，另加旋转 |
| Polynomial 1 | 3 | 大多数印刷地图的平面扫描图。直线保持笔直 |
| Projective | 4 | 倾斜拍摄的地图照片 |
| Polynomial 2 | 6 | 卷曲或弯曲的图幅。会在你的点之外使边缘变形 |
| Polynomial 3 | 10 | 同上，更强。很少值得使用 |
| Thin plate spline | 手册中为 10 | 有许多点的破损或手绘地图。会掩盖误差，见上文 |
我的原则：从 Polynomial 1 开始。只有当残差显示出某种规律时（例如一侧的每个点都朝同一方向拉扯）才改用更灵活的变换，绝不要因为更高的数字看起来更差就这么做。
该对话框上的两个设置能省去日后的麻烦。Resampling method 会改变变形后像素的外观：最近邻保留原始颜色，cubic 在扫描图上观感更好。而且输出默认没有压缩：我那张 9.2 MB 的 JPEG 变成了 187 MB 的 GeoTIFF。如果文件需要传输，打开 Raster creation options 并选择一个压缩配置。
读取残差
当你的点数超过变换所需时，QGIS 会在 GCP 表中显示每个点的残差，并在状态栏中显示平均误差；对于没有坐标的扫描图，两者都以像素为单位。
要判断一个以像素表示的数值，把它换算成米，并与地图本身所能达到的精度进行比较。
- 每像素米数。 将比例尺分母乘以一个扫描像素的尺寸。在 300 dpi 下，一个像素为 0.0847 毫米，所以在 1:24,000 的地图上它覆盖 2.03 米。我的 0.447 像素就是 0.9 米。
- 地图能承诺什么。 美国国家地图精度标准要求 1:24,000 图幅上 90% 的清晰定义点在 1/50 英寸以内，USGS 给出的数值是 12.2 米。更严格的经验法则是所绘线条的宽度，即图幅上的 0.2 毫米，在 1:24,000 下为 4.8 米。
- 拟合从未见过的点。 残差只能说明这些点彼此一致。我把边缘上的八个经纬网刻度排除在拟合之外，并测量结果把它们放在了哪里：平均偏 1.0 米，最差 1.6 米。
所以地理配准给一张只承诺 12 米精度的地图增加了约一米误差。在旧图幅上，限制几乎总是地图本身，而不是你的点击。
随后 Start Georeferencing 在 34 秒内写出了 GeoTIFF 并把它添加到项目中。在 OpenStreetMap 上，1947 年的街道落在今天的街道上：
适合使用的情况： 你想要一个经得起推敲的结果，带有残差、.points 文件和任何 GIS 都能读取的 GeoTIFF。
不适合使用的情况： 你只需要一个临时的粗略底图。那种情况下方法 3 更快。
方法 2：由 AI Agent 检查控制点
我们开发了 AI Agent，这是一个免费的 QGIS plugin，带有一个聊天面板，可在你打开的项目中执行这些步骤。本节介绍的是我们自己的工具。它有一个地理配准工具，接收以像素和坐标对表示的控制点，通过 GDAL 拟合 Georeferencer 的某一种变换，并返回每个点相对于地图比例尺判断的、以米为单位的残差。
它也可以在完全没有点的情况下放置一张扫描图，方法是读取其地名并与参考地图匹配：AI Agent 指南 中一张爱丁堡的旧地图以 5.9 米的中位误差落位。这需要可读的地名，而非常古老的图幅往往做不到。对于印有经纬网的地图，用点更稳妥，而且读取它们很快：没有坐标的影像在 QGIS 中以像素列作为 x、以负的行号作为 y，所以状态栏会显示光标下的像素。我加载了扫描图，保留了上面测试中第 8 个点的笔误，然后发送了一条消息：
对 layer sf-north-1947-scan 做地理配准。它是 1947 年的 USGS San Francisco North 图幅，比例尺 1:24,000，坐标使用 NAD27。我在扫描图上读取了这些控制点（像素列、行 → 纬度、经度）：1. 1022, 792 → 37°52'30"N, 122°30'W（西北角）[...] 8. 4632, 5344 → 37°47'N, 122°25'W。这个结果对于 1:24,000 的地图来说足够准确吗？
这次运行花了 99 秒，在面板中显示为 14 个操作。AI Agent 读取了 layer，在 Python 中拟合这八个点以检查它们，发现第 8 个点距其行号所应在的位置有 925 米，于是把它排除，并用其余七个点在 NAD27 / UTM zone 10N 中写出了 GeoTIFF。
它在运行自己的 Python 检查之前询问过一次。它的回答给出 RMSE 为 0.73 米，最大值为 0.95 米，对照 4.8 米的容差，并补充说这衡量的是点之间的一致性，而非地图的绝对精度。
我用和我自己的结果相同的方式检查了它的 GeoTIFF，用那八个它从未见过的边缘刻度：平均偏 1.0 米，最差 1.6 米，与 Georeferencer 相同。区别在于那个笔误。在 Georeferencer 中，我得自己从残差列中发现它，而如果用薄板样条，我根本发现不了。
它还把点以 .points 文件的形式留在输出旁边，所以如果你想手动移动某个点，可以在 Georeferencer 中打开同样的拟合。每条消息都会在面板中留下一个检查点，点击一次即可撤销整个运行。免费方案每月有 10 条消息，无需 API key，也无需信用卡。
适合使用的情况： 你已经有了点，并希望一步完成拟合、异常值检查和结论，或者你要批量地理配准图幅。
不适合使用的情况： 地图既没有可读的地名，也没有你能读取的点，例如手绘草图。这时在方法 1 中手动放点是唯一的途径。
方法 3：用 plugin 做手绘叠加
Freehand raster georeferencer plugin（我查阅其文档时版本为 0.8.3）让你把一张影像放到地图上，并用手移动、旋转和缩放它，直到对齐，就像在 Google Earth 中那样。结果会立即显示在你的其他 layer 之上，完成后 plugin 会连同 world file 一起导出该影像。
它的 README 清楚地说明了局限：只支持仿射变换，没有橡皮拉伸（rubber sheeting），没有残差，且只支持 BMP、JPEG、PNG 和 TIFF 文件。你不会得到任何说明偏差有多大的数字。
适合使用的情况： 你需要把一张扫描的平面图大致放到位，以描摹几个要素，或向客户展示某些东西过去的位置。
不适合使用的情况： 会有人基于结果进行测量。请使用方法 1。
需要记住的要点
- 在 QGIS 3.26 及更高版本中，该工具是
Layer > Georeferencer。从四个分布良好的点、Polynomial 1 和地图自身基准面上的投影目标 CRS 开始。 - RMSE 为零不能证明任何事：薄板样条总能达到它，而在我的测试中，它在一张偏了 594 米的地图上也做到了。
- 把残差换算成米（像素 × 一个像素对应的地面尺寸），并与地图承诺的精度比较，1:24,000 的 USGS 图幅为 12.2 米。
- 用你排除在拟合之外的点检查结果。在 1947 年旧金山图幅上，我的结果平均偏 1.0 米。
- 按图廓注记所指明的基准面输入这些点。在旧金山，NAD27 与 WGS 84 相差 93 米，所以 1947 年的 USGS 图幅应使用 EPSG:4267。
常见问题
QGIS 中的 Georeferencer 在哪里？
在 QGIS 3.26 及更高版本中，它位于 Layer > Georeferencer 下。在更早的版本中，它是 Raster > Georeferencer，由 GDAL Georeferencer plugin 提供，必须在 plugin 管理器中启用。如果两个菜单都没有显示它，可能是某个 plugin 或自定义配置改变了你的菜单。
我需要多少个控制点？
最少点数：Linear 和 Helmert 为 2，Polynomial 1 为 3，Projective 为 4，Polynomial 2 为 6，Polynomial 3 为 10，而 QGIS 手册要求薄板样条至少 10 个。实践中使用大约两倍于最少值的点数，分布到各个角，并另外留几个作为检查点。我为 Polynomial 1 使用了 8 个，另用 8 个来检查。
Polynomial、Helmert 还是薄板样条：该选哪个？
对于只需要旋转和缩放的干净、平整扫描图，用 Helmert。对于几乎所有印刷地图，用 Polynomial 1，因为它还能吸收扫描仪带来的一点错切。只有在处理有许多良好点位的破损或手绘地图时才用薄板样条，并且要用你未使用的点来检查它，因为它的残差永远是零。
什么样的 RMSE 算好？
相对于地图所能达到的精度而言很小的那个。把它换算成米，并与 0.2 毫米乘以比例尺分母（1:24,000 下为 4.8 米）或与地图的官方标准（USGS 1:24,000 图幅为 12.2 米）比较。在干净的扫描图上小于一个像素是正常的。某个点的残差远高于其他点，通常是笔误或点错了，而不是地图不好。
如何对 PDF 进行地理配准？
首先检查它是否已经配准。USGS 地形图和许多机构的规划图都是 GeoPDF，QGIS 会就地打开它们：1947 年旧金山的 PDF 加载时自带坐标，无需控制点，由 GDAL 以 150 dpi 渲染，除非你把 GDAL_PDF_DPI 设得更高。普通 PDF 没有坐标：把页面以 300 dpi 导出为 PNG 或 TIFF，然后使用方法 1。
如何对没有坐标的地图进行地理配准？
使用自地图绘制以来未曾移动的要素，例如道路交叉口、桥梁、教堂和海岸线拐角，并在底图或你的国家正射影像上用 From Map Canvas 拾取它们的坐标。在整张图幅上分布 10 个或更多这样的点。预期残差会比使用印刷网格时更大，因为旧地图和今天的世界已不再处处一致。
QGIS AI hub 汇总了 AI 在 QGIS 中能做和不能做的事，AI Agent 指南 则涵盖该 plugin 的其余内容。旧地图就位后，你可以 下载 OpenStreetMap 数据 与今天的街道对比，拉取同一区域的 Sentinel-2 影像，或 把扫描图转成矢量。
