夏玲燕+肖夢(mèng)楚

摘要：目的：通過(guò)實(shí)際制圖經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，開(kāi)發(fā)出適合表征地球物理信息的快速成圖技術(shù)，并介紹其原理和實(shí)現(xiàn)。方法：文中提出了一種為了提高地球物理圖件的質(zhì)量，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征的色標(biāo)生成成圖技術(shù)。結(jié)果：應(yīng)用表明，能有效提高地球微弱信息圖件質(zhì)量，改變傳統(tǒng)成圖的不足，方便、快捷的制作美觀、高分辨率的地球物理圖件。結(jié)論：基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了色標(biāo)快速生成成圖技術(shù)，該方法能克服傳統(tǒng)方法（線性）的局限性，應(yīng)用該方法生成的色標(biāo)文件使圖像具有色彩層次感強(qiáng)、分辨率高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：直方圖；直方圖平滑化；影像圖；色譜文件；SURFER軟件

Based On Statistical Characteristics of Color Data Generating Mapping Technology

Xia lingyan， Xiao Mengchu

China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing100083

Abstract： Concluding the actual experience of drawing and combining with the principle of data statistics is to develop a rapid mapping technique， which is suitable for characterizing geophysical information. This paper introduces the principle and implementation. The color mapping technique is proposed in this paper， that is based on the statistical characteristics of data and improve the quality of geophysical maps. Applications show that it can effectively improve the quality of the weak earth information maps， change the lack of traditional mapping and produce beautiful and high-resolution geophysical maps conveniently and efficiently. Based on the principle of data statistics， the rapid color mapping technique is realized. The method can overcome the limitation of traditional method（linear）. The color file generated by this method makes the image have strong color gradation and high resolution.

Key words： histogram； equalization； image； color spectrum file； SURFER software

引言

地球物理圖件作為基礎(chǔ)地質(zhì)資料，是用來(lái)識(shí)別斷裂、盆地邊界等區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征、尋找礦產(chǎn)資源的重要手段之一[1]。而在重力、磁力等多源地學(xué)信息的研究領(lǐng)域中，常需要用等值線圖或數(shù)字影像圖來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，以方便對(duì)多源地學(xué)數(shù)據(jù)的分析和解釋。等值線圖的優(yōu)點(diǎn)是能夠直觀地反映區(qū)域地球物理場(chǎng)的變化趨勢(shì)，缺點(diǎn)是反映信息不夠豐富、生動(dòng)，在一定程度上影響解釋者對(duì)地質(zhì)結(jié)果的認(rèn)識(shí)[2]。數(shù)字圖像技術(shù)是隨著地球物理信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展的，這是地球物理信息處理與圖示的最直接手段[3]。近年來(lái)，多源地學(xué)信息（遙感、物化探等信息）的圖像處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已取得了很大的進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸[4～7]。

地球物理影像圖或偽彩色圖像是按其值的大小賦予顏色，從而將單調(diào)的地球物理場(chǎng)值具有豐富、生動(dòng)的視覺(jué)形象。它的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能比較客觀地顯示區(qū)域地球物理場(chǎng)信息，而且能提高視覺(jué)分辨率，從而達(dá)到更加方便解釋者根據(jù)圖像色感強(qiáng)、層次豐富的地球物理場(chǎng)信息認(rèn)識(shí)地質(zhì)體的目的。

如何對(duì)地球物理影像圖進(jìn)行圖像處理，以提高視覺(jué)分辨率、便于分析和解釋成為地質(zhì)解釋人員的難題。大家熟知色標(biāo)文件選擇是否合理，直接關(guān)系到影像圖的效果與分辨率的優(yōu)劣。一般來(lái)說(shuō)，色標(biāo)文件是由系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)值范圍線性生成的或由繪圖人員以手工編輯的方式確定的。這種方法存在較大局限性，色標(biāo)的配置是否得、當(dāng)直接影響到圖像色感層次，如果不能充分反映地球物理場(chǎng)有效信息，會(huì)增加解釋者對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象解釋的難度。本文結(jié)合實(shí)際的軟件應(yīng)用，借鑒并總結(jié)了一種圖像處理技術(shù)，即基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的色標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，確定數(shù)字影像色標(biāo)的方法。該方法利用地球物理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征-直方圖信息，應(yīng)用自從調(diào)節(jié)的色標(biāo)，能使數(shù)字影像具有層次感強(qiáng)和分辨率高的特點(diǎn)。此方法解釋人員容易掌握，容易提升圖件質(zhì)量，也易于推廣應(yīng)用。

1.圖像處理及顯示技術(shù)研究現(xiàn)狀

圖像處理技術(shù)主要應(yīng)用于分析數(shù)字化和圖形化信息，最早廣泛應(yīng)用于遙感數(shù)據(jù)處理和識(shí)別[8]，圖像處理通常包括圖像的變換、增強(qiáng)和復(fù)原、分類等，圖像顯示技術(shù)是圖像處理技術(shù)內(nèi)容之一。目前地球物理圖件的圖像處理和顯示技術(shù)也成為地學(xué)界的一種基本手段。物探圖像主要反映的是地質(zhì)體的地球物理場(chǎng)信息，包括地質(zhì)體的組成、構(gòu)造特征等，對(duì)大范圍的物探數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和信息識(shí)別，能有助于提高視覺(jué)效果，有效提取重要的地球物理信息[9、10]。圖像顯示技術(shù)通過(guò)把黑白圖像的各個(gè)不同灰度級(jí)按照線性或非線性的映射函數(shù)變換成不同的彩色，得到一幅彩色圖像的技術(shù)，使原圖像細(xì)節(jié)更易辨認(rèn)，目標(biāo)更易識(shí)別，而偽彩色增強(qiáng)主要通過(guò)密度分割實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)圖像顯示技術(shù)逐步應(yīng)用到物探數(shù)據(jù)成果解釋中來(lái)，在圖像顯示方面，物探數(shù)據(jù)的圖像和遙感數(shù)據(jù)的圖像顯示存在很大的差異，遙感數(shù)據(jù)是通過(guò)地表地形地貌、地物的反射光譜轉(zhuǎn)換而來(lái)的，而物探數(shù)據(jù)是地球深部地球物理場(chǎng)的反映，圖像灰度表達(dá)的是地球物理場(chǎng)值的高低。因此，物探數(shù)據(jù)圖像圖示技術(shù)在提高視覺(jué)效果的同時(shí)還需要能提取和識(shí)別地球物理場(chǎng)源特征信息[11]。

沉積盆地利用重磁異常數(shù)據(jù)的圖像顯示技術(shù)識(shí)別線性構(gòu)造效果十分明顯，在鄂爾多斯盆地和柴達(dá)木盆地識(shí)別斷裂構(gòu)造特征取得很大進(jìn)展[12、13]。圖像顯示技術(shù)相比較等值線的最大優(yōu)勢(shì)在于，使得很多反映不清的地質(zhì)信息變得更加直觀，構(gòu)造解釋圖如高低起伏的地形一樣觀察和識(shí)別。更重要的是，它能識(shí)別部分由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜而被歪曲或掩蓋的微弱信號(hào)。例如，Vzz理論斷層剖面曲線為一對(duì)相鄰的正負(fù)峰值，在圖像上為一明暗相間的條帶；而gzz理論斷層剖面曲線為一正峰值，在圖像上為一明亮條帶。當(dāng)斷層異常信號(hào)較弱時(shí)，在圖像顯示上往往是不連續(xù)的，但根據(jù)它們的展布特征和走向規(guī)律稍加觀察便可有效地識(shí)別。而在等值線圖中，這些弱信號(hào)經(jīng)常因模糊等值線的走向改變而被忽視。提取重磁異常梯度帶經(jīng)數(shù)字圖像處理，邊緣檢測(cè)和增強(qiáng)、銳化、平滑等方法，線性異常得到了有效地加強(qiáng)[12～14]。熊盛青對(duì)圖形圖像處理方法圖示航空物探數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行研究[2]，張麗莉研究了利用直方圖實(shí)現(xiàn)色譜文件的自動(dòng)生成技術(shù)及圖像增強(qiáng)技術(shù)[14、15]。

2.基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的原理[16]

顏色直方圖是最基本的顏色特征表示方法，它反映的是圖像中顏色的組成分布，即出現(xiàn)了那些顏色以及各種顏色出現(xiàn)的概率。在成圖之前，根據(jù)整體（或局部）原始地球物理場(chǎng)值的大小分布進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的目的是建立數(shù)據(jù)直方圖。直方圖整體（或局部）地球物理數(shù)據(jù)值按照值的大小分布顯示其出現(xiàn)頻率度的統(tǒng)計(jì)圖。

頻率度即某一個(gè)地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)值在圖像中出現(xiàn)的頻率次數(shù)。直方圖表示如下：

其中n是圖像像素總數(shù)。

由直方圖的定義可以看出，直方圖對(duì)一幅圖像出現(xiàn)的所有數(shù)值進(jìn)行了描述，給出了原圖像的數(shù)值大小分布情況。

一般來(lái)說(shuō)，由原始物探數(shù)據(jù)作出的直方圖通常呈鋸齒狀起伏，為了使圖像質(zhì)量更優(yōu)，應(yīng)該將其直方圖平滑。本文采用一種線性規(guī)劃模型算法計(jì)算，具有計(jì)算速度快，而且應(yīng)用也方便快捷。篇幅限制，具體原理不再贅述，請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

原始直方圖平滑化需滿足下列三個(gè)條件：

（1）平滑化后的直方圖應(yīng)接近原始直方圖；（2）平滑化后的直方圖應(yīng)盡可能平滑；（3）平滑化后的直方圖具有與原直方圖相同的均值m和標(biāo)準(zhǔn)差s（或方差s2）。

直方圖平滑化的目的不僅是將原始數(shù)據(jù)值的分布域盡量擴(kuò)大，而且盡可能實(shí)現(xiàn)每一個(gè)數(shù)值級(jí)上的頻度保持一致。數(shù)據(jù)分布域的頻度保持一致會(huì)使圖像顯示色調(diào)沉穩(wěn)、安定，從解釋者角度來(lái)說(shuō)，這樣的圖像質(zhì)量很大程度上意味著“好”。

3.自動(dòng)生成基于直方圖的色標(biāo)

偽彩色圖像是根據(jù)特定的準(zhǔn)則對(duì)灰度值賦以彩色處理，它雖然能將黑白灰度轉(zhuǎn)化為彩色，但這不是真正表現(xiàn)圖像的原始顏色，而是一種使視覺(jué)效果明顯的圖像增強(qiáng)技術(shù)，偽彩色處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，包括：灰度分層法、灰度級(jí)-彩色變換法、頻率域?yàn)V波法等，衡量偽彩色圖像質(zhì)量好壞采用一般圖像質(zhì)量好壞標(biāo)準(zhǔn)即可。本文借鑒圖像直方圖平滑化的思想，給出適合于彩色影像的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按此標(biāo)準(zhǔn)在SURFER下編程來(lái)實(shí)現(xiàn)色譜文件的自動(dòng)生成[18]。色譜文件的生成包括兩個(gè)方面，即節(jié)點(diǎn)顏色的選取和節(jié)點(diǎn)位置的確定。

一般地球物理圖件中以藍(lán)—綠—黃—紅（即冷系列色到暖系列色）的順序表示值從小到大的變化，根據(jù)色彩學(xué)基本原理，一幅圖像若采用多種對(duì)比色，它們的對(duì)比關(guān)系會(huì)在各自類似色的映襯下顯得柔和協(xié)調(diào)，視覺(jué)效果更佳。為了使對(duì)比色變得協(xié)調(diào)，還常使用調(diào)整對(duì)比色面積的大小比例和調(diào)入適量的第三色的方法來(lái)達(dá)到。長(zhǎng)期繪制地球物理圖件的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，地球物理圖件的彩色圖像顯示采用深藍(lán)—淺藍(lán)—藍(lán)綠—青綠—黃綠—赤黃—橙色—粉紅—紅色的色譜視覺(jué)效果最佳。

各顏色節(jié)點(diǎn)之間的距離及所占百分比是決定色譜文件節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵。根據(jù)影像的特點(diǎn)，假設(shè)采集的原始數(shù)據(jù)均勻，那么某一數(shù)值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)越多，其對(duì)應(yīng)的色彩在影像中所占據(jù)的面積就越大。由此可見(jiàn)，數(shù)據(jù)直方圖與色彩面積有關(guān)。實(shí)踐證明，在某一給定節(jié)點(diǎn)距離的顏色段內(nèi)，若其間直方圖不為0的數(shù)值級(jí)數(shù)過(guò)低，那該顏色在圖像中的出現(xiàn)頻率會(huì)低，反之若數(shù)值級(jí)數(shù)過(guò)高，會(huì)使圖像的分辨率降低。這兩種情況都會(huì)影響圖像顯示效果，降低圖像質(zhì)量。因此，色譜文件節(jié)點(diǎn)位置的確定要充分考慮兼顧色彩面積和段內(nèi)數(shù)值級(jí)數(shù)，即影像的視覺(jué)效果和分辨率的問(wèn)題。

圖像直方圖平滑化方法是以忽略圖像部分細(xì)節(jié)（因累積分布）的代價(jià)來(lái)提高圖像質(zhì)量，顯然，這對(duì)精確度要求較高的地球物理圖件而言很不現(xiàn)實(shí)。但我們可以借鑒直方圖平滑化使圖像各灰度級(jí)頻度盡量趨于一致，使得圖像從視覺(jué)上更為協(xié)調(diào)的原理。引入到影像圖中，就成了各個(gè)顏色段內(nèi)平均直方圖一致化的問(wèn)題。采用等面積剖分法確定顏色百分比的節(jié)點(diǎn)。

4.實(shí)際應(yīng)用

采用Visual Basic可視化語(yǔ)言編程技術(shù)，利用本文方法，編制了色標(biāo)文件的生成程序（見(jiàn)圖2），采用常用的繪圖軟件繪制等值線圖（見(jiàn)圖1b）。從圖1可以看出，基于統(tǒng)計(jì)特性生成的色標(biāo)圖像層次感強(qiáng)，分辨率較高，有利于解釋地球物理異常信息。圖1a是采用數(shù)據(jù)范圍線性生成的色標(biāo)，圖的可讀信息、美觀度都有所欠缺，而圖1b能表達(dá)更多的地球物理異常信息，相對(duì)于傳統(tǒng)的圖件，該技術(shù)手段更能反映微弱信息，具有更好的效果。利于自動(dòng)成圖技術(shù)的應(yīng)用，給制圖人員帶來(lái)更多的快捷、方便手段而易于實(shí)現(xiàn)。

5.結(jié)論

本文在制圖過(guò)程中總結(jié)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，借鑒了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，采用直方圖平滑化方法，依據(jù)地球物理信息圖像特征，開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)生成色標(biāo)文件的快速成圖的方法。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的色標(biāo)生成成圖技術(shù)能確保圖像的成圖質(zhì)量和分辨率，操作方便快捷，制圖美觀，易于實(shí)現(xiàn)。尤其適用地球物理微弱信息的圖件，可以增強(qiáng)異常的固有特征，提高解釋的效率。

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