劉繼梅 張文佳

（山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟南 250013）

0 引言

我國高精度測繪衛(wèi)星高分七號于2019年11月3日在太原成功發(fā)射，在為國土、資源、地質(zhì)、礦產(chǎn)等提供全面詳細信息的同時，也標(biāo)志著我國GIS 時代的到來。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）作為一個重要的空間信息系統(tǒng)，于20世紀(jì)60 年代迅速發(fā)展起來，是地理學(xué)研究技術(shù)［1］，也是傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。GIS不僅有空間定位的特點和空間數(shù)據(jù)的多樣性，還包含多種數(shù)據(jù)源（主要是各種類型的地圖）。地圖數(shù)據(jù)源可分為一手資料（原始數(shù)據(jù)源）和二手資料（經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)），根據(jù)記錄形式的不同，又可分為電子數(shù)據(jù)和非電子數(shù)據(jù)［2］。常見的地圖數(shù)據(jù)源有地面測量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、野外實測GPS數(shù)據(jù)、文本資料數(shù)據(jù)等［3］。

根據(jù)數(shù)據(jù)源的成圖方法，地形圖可分為線劃地圖和影像地圖［2］。按照內(nèi)容進行分類，影像地圖可分為普通影像地圖和專題影像地圖。普通影像地圖綜合遙感和地形內(nèi)容；專題影像地圖以影像地圖為基礎(chǔ)底圖，繪制專題要素和注記，豐富影像圖件的細節(jié)。

多源影像圖是通過光學(xué)設(shè)備獲得的，可產(chǎn)生不同類型圖件數(shù)據(jù)，包括攝影影像圖、掃描影像圖、數(shù)字影像圖。攝影影像圖包括由航空和衛(wèi)星設(shè)備獲得的全色、紅外和多光譜影像圖，屬靜態(tài)遙感成像，采用地物電磁波能量瞬間成像技術(shù)。掃描影像圖是動態(tài)掃描成像，為逐點逐行成像類型。數(shù)字影像圖又稱數(shù)字圖像，以物體電磁波輻射能量的二維數(shù)字陣列形式存儲于計算機中。

本研究以影像地圖為例，使用MapGis 和Arc-Gis 軟件對地質(zhì)圖件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和方法操作處理，在突出圖件直觀性的同時，可使圖像更加清晰，從而突出工作的重點范圍，完成對相關(guān)信息的提取，為今后地質(zhì)調(diào)查研究工作的開展奠定基礎(chǔ)。

1 相關(guān)軟件

1.1 MapGis軟件

MapGis 軟件是我國自主研發(fā)的大型基礎(chǔ)地理信息軟件，是集圖形、圖像、地質(zhì)、地理、遙感等于一體的大型智能軟件系統(tǒng)，包括數(shù)字制圖、數(shù)據(jù)庫管理和空間分析信息系統(tǒng)，可編輯制作出具有出版精度的圖件和地圖。該軟件能將多源地學(xué)信息集成在一起，并用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫進行管理，不僅能處理圖形數(shù)據(jù)，還能處理分析遙感影像數(shù)據(jù)和航片影像數(shù)據(jù)。

1.2 ArcGis軟件

ArcGis 軟件是ESRI 公司開發(fā)和推廣的地理信息系統(tǒng)軟件，具有數(shù)據(jù)可視化和分析、空間分析和可視化、遙感影像處理、工具分析等功能，能分析地形地貌，也可進行3D地圖制作等，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。

1.3 MapGis軟件與ArcGis軟件的區(qū)別

MapGis 軟件與ArcGis 軟件均為地理信息系統(tǒng)軟件，在多源地質(zhì)影像圖中發(fā)揮著不同作用，二者對比見表1。

表1 MapGis軟件與ArcGis軟件對比

2 MapGis軟件對影像圖的處理

2.1 影像圖格式多樣性

由于多源圖像處理系統(tǒng)采用的文件格式（msi）為專用文件格式，在影像處理前，要對其進行轉(zhuǎn)換，支持轉(zhuǎn)換的類型有tiff、Geotiff、jpg、bmp 等。tiff 以指針方式來存儲數(shù)據(jù)，支持不同平臺。Geotiff 圖像是tiff 的擴展，因其加上地理信息標(biāo)識，使地圖信息展示的更充分，且支持其他遙感影像圖轉(zhuǎn)換。jpg的壓縮技術(shù)十分先進，在極高的壓縮率下，影像圖件仍能呈現(xiàn)高清晰畫面。bmp 為操作系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式，圖像信息豐富。

2.2 文件格式轉(zhuǎn)換

在地質(zhì)項目工作中，有大批收集和掃描到的數(shù)據(jù)文件，MapGis 具有的獨特功能優(yōu)勢，可滿足地質(zhì)勘查中制作各類地質(zhì)圖件的實際要求，可利用MapGis 中的多源圖像處理分析功能，將其他格式的影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為msi，將轉(zhuǎn)換后的影像數(shù)據(jù)圖件添加到地質(zhì)底圖中［4］，能充分展示項目報告中的內(nèi)容。需要先選取單個影像數(shù)據(jù)1.tiff 文件，該文件為1：1 000 的掃描地質(zhì)圖件，打開msiProc60，選擇1.tiff 文件—“數(shù)據(jù)輸入”—“選取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型”—添加文件（轉(zhuǎn)換文件列表中添加之前掃描的1.tiff 文件），點擊“轉(zhuǎn)換”按鈕后會自動保存為1.MSI。單個tiff數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換msi數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 單個tiff數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換msi數(shù)據(jù)

MapGis 軟件［5］能對單一影像進行轉(zhuǎn)換或同時對多個影像進行批量轉(zhuǎn)換。在地質(zhì)工作中對多個tiff 數(shù)據(jù)文件批量轉(zhuǎn)換時，文件轉(zhuǎn)換期間或轉(zhuǎn)換完畢后，系統(tǒng)會等待整理數(shù)據(jù)，當(dāng)“轉(zhuǎn)換完畢”的對話框彈出時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1.msi。

msi 文件可轉(zhuǎn)換其他影像數(shù)據(jù)，如jpg 文件，點擊“主界面菜單”—“文件”—“數(shù)據(jù)輸入”—“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”，而輸出壓縮質(zhì)量需要設(shè)置，在輸出jpg文件時，需要設(shè)置jpg 壓縮質(zhì)量為75，其中，0 值對應(yīng)的壓縮比最大，壓縮質(zhì)量最好選擇100。

2.3 影像鑲嵌配準(zhǔn)

2.3.1 生成標(biāo)準(zhǔn)圖框1：5 000。通過MapGis軟件的鑲嵌配準(zhǔn)功能對坐標(biāo)進行配準(zhǔn)，鑲嵌配準(zhǔn)前要輸入坐標(biāo)生成國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）標(biāo)準(zhǔn)圖框。

①生成標(biāo)準(zhǔn)圖框。打開MapGis 軟件，點擊“實用服務(wù)子系統(tǒng)”，選擇“投影變換”和“系列標(biāo)準(zhǔn)圖框”，在下拉菜單中選擇“用鍵盤生成矩形圖框”，以原圖內(nèi)圖廓左下角x、y值為起始公里值，以內(nèi)圖廓右上角x、y坐標(biāo)值為結(jié)束公里值（單位為km），并進行添加。矩形圖框參數(shù)輸入如圖2所示。

圖2 矩形圖框參數(shù)輸入

②圖廓參數(shù)以原圖內(nèi)框左下方的x、y值為起始公里值，以內(nèi)框右上方的x、y坐標(biāo)值為終點公里值，單位為km。圖2 中原圖左下角x、y的坐標(biāo)值為x=543.5 km、y=3 410.5 km，原圖右上角x、y坐標(biāo)值為x=545.5 km、y=3 412.5 km。

③坐標(biāo)系選擇國家坐標(biāo)系，矩形分幅方法選擇任意公里矩形分幅。

④原圖x坐標(biāo)值前兩位37 為3 度帶的帶號，比例尺為1：5 000，網(wǎng)格間距dx、dy均為0.5，網(wǎng)格線類型選擇繪制實線坐標(biāo)線。各參數(shù)輸入如圖3 所示，生成結(jié)果如圖4所示。

圖3 各參數(shù)輸入

圖4 生成的標(biāo)準(zhǔn)圖框

2.3.2 添加轉(zhuǎn)換文件及標(biāo)準(zhǔn)圖框。選擇文件“打開影像”選定轉(zhuǎn)換生成的1.msi 影像文件，打開后點擊“鑲嵌融合”，選擇“參照文件”選定生成的CGCS2000標(biāo)準(zhǔn)圖框文件目錄，分別添加參照點、參照線、參照區(qū)文件。添加完成后的柵格影像圖片及CGCS2000標(biāo)準(zhǔn)圖框如圖5所示。

圖5 影像圖與標(biāo)準(zhǔn)圖框

2.3.3 影像精校正。影像精校正是對影像控制點信息進行幾何校正，與以往主要采用三角網(wǎng)校正的影像校正方式不同的是，這種方式更適用于多控制點情況下的影像校正。全圖控制點布置的越多，影像圖件的精度也會隨之提高。全圖要選取10～14個控制點才能保證配準(zhǔn)精度，分別添加圖幅四個角點和十個分布均勻的方格網(wǎng)交點，主要選取圖面方格網(wǎng)交點。依次按左下、左上、右下、右上的順序完成對所有控制點的采集工作，添加所有控制點進行配準(zhǔn)。每增加一個控制點，控制點ID 與控制點的x、y坐標(biāo)均可出現(xiàn)在影像圖下方?？刂泣c坐標(biāo)添加示意如圖6所示。

圖6 控制點坐標(biāo)添加示意

完成添加后，要查看兩幅圖的校正預(yù)覽，檢查右邊校正后的影像1.msi。點擊“影像校正”和“鑲嵌融合”，打開“影像精校正”，指定校正后的影像文件名及保存路徑，點擊“保存”。

2.4 影像合成

MapGis 影像圖融合是指將獲取的同一區(qū)域不同類型影像數(shù)據(jù)按空間進行配準(zhǔn)，采用算法將各種影像優(yōu)點結(jié)合，從而產(chǎn)生新影像。融合后的影像與融合前的單一影像有很大區(qū)別，首先在光譜特征上增強很多，其次在分辨率等方面也有所增強，最后地質(zhì)影像判讀在實際應(yīng)用中有很大價值。

選取主界面菜單“鑲嵌配準(zhǔn)”，點擊“影像融合”，在多源影像融合對話框中選取加權(quán)融合法，如圖7 所示。加權(quán)融合權(quán)值的設(shè)置是按照加權(quán)融合時R、G、B 各分量所占比例進行的。設(shè)置完成后，點擊確定，即可進行融合處理。融合處理的影像要求分辨率一致，對不同分辨率的影像，在進行融合處理時，采用影像重采樣可將其重采樣變成所需要的同一分辨率影像。

圖7 多源影像融合對話框示意

3 ArcGis軟件對遙感影像圖片處理

3.1 遙感影像圖預(yù)處理

20 世紀(jì)60 年代以來，遙感技術(shù)發(fā)展迅速，衛(wèi)星遙感覆蓋全球每個角落，衛(wèi)星資料能及時提供地區(qū)的同時相、同波段、同比例尺、同精度的空間信息。目前，遙感有三大前沿技術(shù)。一是高光譜遙感。其呈現(xiàn)立方體高光譜影像圖，對光譜、空間和分辨率進行結(jié)合，可觀測區(qū)域內(nèi)的精細地物，包括海洋溫度、水質(zhì)參數(shù)、土壤信息、地表溫度等信息。二是激光雷達遙感。其穿透性強，能分析出大面積物體的生物量，即某一時刻單面積內(nèi)有機物質(zhì)的總量。三是將雷達遙感裝載在衛(wèi)星上，對地球進行觀測，在獲取地形圖像的同時，對地物進行分析。遙感影像圖件是通過顏色和灰度來展示工作區(qū)的地理空間分布和工作環(huán)境狀況的地圖。因區(qū)域內(nèi)地貌特征和地物結(jié)構(gòu)、反射和發(fā)射光譜各不相同，導(dǎo)致傳感器記錄其中一波段的電磁輻射反射量也會有所不同。

使用MapGis6.7 與ArcGis10.1 平臺可對遙感地質(zhì)圖件進行解譯，同時需要配合使用圖像處理軟件（photoshop8.0 等）。以地質(zhì)項目中一幅比例尺1：5 000 的影像圖為例，投影參數(shù)采用高斯—克呂格6°分帶投影，2000國家大地坐標(biāo)系。圖面內(nèi)容由影像構(gòu)成，包含豐富的地面信息、地表各類型要素屬性、位置及相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

首先，利用ArcGis10.1 軟件［6］從圖中提取周期性的信息數(shù)據(jù)，對圖像對比度不強、亮度較低的影像區(qū)區(qū)段，采用線性拉伸、直方圖調(diào)整等方法，通過圖像增強處理來強化其中所需的地形特征，拓寬各波段灰階的分布范圍，從而提升畫面對比度。合成的彩色圖像中地物反差較大，為了更好地突出圖像中的有用信息，對圖像進行處理，處理后的圖像變得更清晰，解譯能力大大提高。

其次，對于遙感數(shù)據(jù)的周期性噪聲和尖峰噪聲，可在制圖區(qū)域內(nèi)消除、減弱云朵，用比值法來消除山體所產(chǎn)生的陰影，除去壞線。相鄰圖像不小于4%的重疊，用于增強影像內(nèi)容的清晰度及地層多樣性。

最后，通過全色圖像的高分辨率紋理特征來改善多光譜圖像的分辨率，利用數(shù)據(jù)融合來去除無用信息和冗余，從而實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)信息的特點互補。數(shù)據(jù)融合便于獲取有用信息，降低其中模糊和不確定的目標(biāo)，讓融合后的圖像更加清晰，影像圖層次和信息量更豐富。例如，將多光譜數(shù)據(jù)與全色數(shù)據(jù)進行融合，融合后圖像的地層與構(gòu)造等地形界線變得很清晰，解譯效果得到提高。

此外，通過對衛(wèi)星圖像進行幾何校正處理，可保證遙感解譯成果資料的幾何精度。例如，選取項目中1：5 000 圖件的28 個控制點進行幾何校正，圖像精度誤差控制在一個像元內(nèi)，便可滿足本次編圖精度的基本要求。

3.2 提取柵格影像

ArcGis10.1通常用“掩?！被颉安眉簟眮硖崛鸥裼跋瘢?］，但這兩種方法有區(qū)別，根據(jù)影像的不同而采用不同方法。

“掩模”提?。╩ask）技術(shù)的優(yōu)點是操作簡單。在ArcMap 中顯示“影像分析”窗口，單擊影像分析，窗口顯示某一圖層。根據(jù)工作需要，選擇要素類圖層中某個面的要素或選圖形，點擊“掩膜”按鈕內(nèi)容列表，會加入輸出作為臨時柵格圖層。在默認情況下，掩膜區(qū)域由顯示視圖范圍來定義。此外，掩膜區(qū)域?qū)⒈徊眉羲x要素或圖形，這種操作會將裁剪函數(shù)添加到柵格圖層中。該方法處理的柵格數(shù)據(jù)只適用單波段，這是因為單波段不會變色，單波段本質(zhì)上是黑白影像，如.tif 圖像只顯示黑白，只要輸入柵格和提取掩模定義區(qū)域范圍即可。

“裁剪”技術(shù)用于提取RGB 多波段彩色影像，主要對矢量數(shù)據(jù)進行處理。彩色影像不能用按“掩?！眮硖崛?，這是因為提取后的區(qū)域會變色，通常采取“柵格裁剪”工具。裁剪前，可修改“地理處理”—“環(huán)境”設(shè)置的最下方“并行處理”—“并行處理因素”為0，避免出現(xiàn)裁剪報錯信息。鼠標(biāo)點擊arcmap柵格工具，按照“數(shù)據(jù)管理工具箱”—“柵格”—“柵格處理”—“裁剪”順序添加輸入影像，添加影像輸出范圍，選中“使用輸入要素裁剪幾何”，可裁剪出所需工作范圍的柵格，在導(dǎo)出柵格數(shù)據(jù)集命名時，將NODATA 值設(shè)置為0，可去除影像產(chǎn)生的黑邊，并根據(jù)實際要求進行設(shè)置，柵格保存于數(shù)據(jù)庫中，保存時可不加后綴。

3.3 制作3D遙感影像圖

3D 遙感影像圖內(nèi)容層次清晰，圖面清晰易讀，可使用ArcGis10.1軟件［3］來制作。具體操作步驟如下。①將遙感影像圖數(shù)據(jù)1.shp 加載到ArcScene中，影像圖分辨率越高越好。選擇列表，右擊point，點擊“屬性”—“圖層屬性”對話框。②選取“圖層屬性”對話框，點擊“基本高度”打開選項卡，選取“沒有從表面獲取的高程值”—“使用常量值或表達式”單選按鈕，選取“表達式構(gòu)建器”對話框，雙擊字段“heightl”輸入表達式的值，點擊“確定”。③點擊“圖層屬性”對話框，選擇“渲染”—“效果”，勾選前兩項，點擊“確定”后即3D影像效果圖呈現(xiàn)。

4 結(jié)語

GIS的發(fā)展及應(yīng)用大大提高了測繪信息水平的利用程度，有利于多源數(shù)據(jù)信息的輸入、管理與可視化表達。通過使用MapGis 軟件和ArcGis 軟件進行操作，分別對各種類型圖件進行轉(zhuǎn)換處理，精準(zhǔn)三維可視化，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的清晰呈現(xiàn)，為工作所需提供幫助，同時也為自然資源的發(fā)展提供有利基礎(chǔ)，是數(shù)字化時代必不可少的信息工具。