視立體地質(zhì)圖制作方法研究

齊澤榮，曾朝銘

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

視立體地質(zhì)圖制作方法研究

齊澤榮，曾朝銘

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

利用數(shù)字高程模型(DEM)模擬具有正立體視覺(jué)效果的人工光源圖像;通過(guò)數(shù)據(jù)融合處理地質(zhì)圖和人工光源圖像，生成視立體地質(zhì)圖。這種新型地質(zhì)圖不僅具有原地質(zhì)圖的完整地質(zhì)信息，還具有直觀的地形地貌特征，立體感強(qiáng);同時(shí)，數(shù)字視立體地質(zhì)圖具有地理編碼信息，在通用圖像處理軟件支持下，可以確定圖上任意位置的地理坐標(biāo)，便于野外地質(zhì)調(diào)查、地理定位及圖面測(cè)量等工作，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

地質(zhì)圖;三維地質(zhì)圖;立體地質(zhì)圖;影像地質(zhì)圖;視立體地質(zhì)圖

0 引言

地質(zhì)圖是按一定比例尺和一定圖式，將一定地域的各種地質(zhì)體(如地層、巖體、礦體等)和地質(zhì)現(xiàn)象(如斷層、褶皺等)的分布及其相互關(guān)系垂直投影到同一水平面上，用來(lái)表示該地域地質(zhì)特征的圖件。它是地質(zhì)科學(xué)研究和區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)資源與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等工作的基礎(chǔ)圖件。

傳統(tǒng)地質(zhì)圖以二維地表地質(zhì)信息為主要圖示內(nèi)容，通常以地形圖為底圖，盡管圖中含有大量地形、水系、道路等空間地理信息，但由于地質(zhì)信息與這些空間地理信息均標(biāo)繪在同一平面上，不能直觀地表達(dá)地質(zhì)信息與地理信息之間的空間關(guān)系，對(duì)于一般非地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，要讀懂地質(zhì)圖就有很大困難。

三維地質(zhì)圖是一種以數(shù)字高程信息表達(dá)地形起伏、以地質(zhì)圖的圖面信息為地表信息、按透視原理從特定觀察點(diǎn)制作的假立體地質(zhì)圖(這種地質(zhì)圖不具備地表以下的地質(zhì)信息，有時(shí)也稱(chēng)為2．5維立體地質(zhì)圖)。三維地質(zhì)圖可比較直觀地顯示地形地貌特征，便于地質(zhì)勘探、工程建設(shè)人員進(jìn)行地質(zhì)體識(shí)別、地質(zhì)構(gòu)造分析等。但由于這種圖件的圖面空間位置已發(fā)生扭曲變化，即圖面上兩點(diǎn)之間的距離隨著空間位置、高程及觀察點(diǎn)位置、投影平面等要素的改變而變化，因而只能用于地質(zhì)信息的定性分析，不能進(jìn)行定量分析、圖面測(cè)量等工作。

真三維立體地質(zhì)圖技術(shù)則是通過(guò)三維地質(zhì)建模(3D Geoscience Modeling)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在三維環(huán)境下將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測(cè)、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來(lái)并用于地質(zhì)分析的技術(shù)。因此真三維立體地質(zhì)圖不僅具有地形信息，還具有地表以下的地質(zhì)信息，有人稱(chēng)之為三維的“千層蛋糕”。制作這種立體地質(zhì)圖需要大量的地表以下的地質(zhì)信息。目前只能在地質(zhì)工作程度高、有深部地質(zhì)資料的小范圍內(nèi)建立三維地質(zhì)模型，制作立體地質(zhì)圖。例如，通過(guò)地質(zhì)、物探及探礦工程等綜合技術(shù)手段編制找礦靶區(qū)的立體地質(zhì)圖件，用以反映區(qū)內(nèi)的三維地質(zhì)構(gòu)造及相關(guān)的地質(zhì)特征，為尋找淺層隱伏礦體或深部礦產(chǎn)預(yù)測(cè)提供一種新的地質(zhì)圖件。立體地質(zhì)圖的比例尺一般以1∶1 000～1∶25 000為主，目前多應(yīng)用于老礦區(qū)深部及外圍的找礦工作。因此還不能大范圍、工程化地制作和推廣應(yīng)用。

影像地質(zhì)圖是一種具有一定立體感的地表地質(zhì)圖件，它是將遙感圖像與地質(zhì)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理而生成的。與傳統(tǒng)地質(zhì)圖相比，影像地質(zhì)圖具有實(shí)際地表景觀感受，立體感較強(qiáng)。但是，這種立體感的形成決定于遙感數(shù)據(jù)獲取時(shí)的特定光照條件，即太陽(yáng)光的入射方位角和高度角。我國(guó)處于地球的北半球，一年中絕大部分國(guó)土的太陽(yáng)光照均來(lái)自南側(cè)，由于人眼獲得立體視覺(jué)的觀察習(xí)慣，大多數(shù)遙感圖像及其制作的影像地質(zhì)圖都具有反立體效果，即讀圖時(shí)會(huì)將山谷看成山脊，將山脊看成山谷。因此，非專(zhuān)業(yè)人員在應(yīng)用影像地質(zhì)圖時(shí)常會(huì)遇到諸多不便。

為了尋求一種既便于專(zhuān)業(yè)人員在圖上作業(yè)，又能讓非專(zhuān)業(yè)人員易于讀圖的影像地質(zhì)圖，本文利用數(shù)字高程模型(DEM)生成正立體視覺(jué)效果的人工光源圖像;通過(guò)光譜保真融合處理，將人工光源圖像與地質(zhì)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，研制成一種新的地質(zhì)圖件——視立體地質(zhì)圖。該圖是一種具有顯著正立體視覺(jué)效果的二維地質(zhì)圖，不僅地形變化直觀、地質(zhì)信息的空間特征清晰易讀，而且與傳統(tǒng)地質(zhì)圖一樣可以在圖上進(jìn)行各類(lèi)作業(yè)。

1 方法原理

衛(wèi)星遙感圖像的反立體效果，實(shí)際上是由于人眼的觀察習(xí)慣，誤將地形陰坡看成陽(yáng)坡，將陽(yáng)坡看成陰坡。通過(guò)改變太陽(yáng)光照條件，例如采取相反的太陽(yáng)方位角，可以人為地改變地形的陰坡與陽(yáng)坡，從而使圖像具有正立體視覺(jué)效果。然而遙感圖像的自然光照條件是特定的，無(wú)法人為地改變;但是通過(guò)設(shè)置人工光源，可以利用數(shù)字高程模型(DEM)生成正立體視覺(jué)效果的人工光源圖像。將人工光源圖像與地質(zhì)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，生成的視立體地質(zhì)圖可顯示正立體效果，地形起伏變化直觀，便于地質(zhì)工作者進(jìn)行地質(zhì)體識(shí)別、地質(zhì)構(gòu)造分析、野外檢查、地理定位等。視立體地質(zhì)圖具有與平面地質(zhì)圖完全相同的地球投影方式和圖示內(nèi)容，與平面地質(zhì)圖唯一不同的是其以直觀的立體影像顯示地形起伏變化。

2 視立體地質(zhì)圖制作

視立體地質(zhì)圖實(shí)際上也是一種影像地質(zhì)圖。首先制作具有正立體視覺(jué)效果的人工光源圖像;然后，通過(guò)恢復(fù)地質(zhì)圖的地理編碼信息，使地質(zhì)圖與人工光源圖像具有相同的地理坐標(biāo)系統(tǒng)，在空間位置上精確配準(zhǔn);最后，采用數(shù)據(jù)保真融合方法對(duì)地質(zhì)圖和人工光源圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，生成視立體地質(zhì)圖。這種地質(zhì)圖，不僅完整地保留了原地質(zhì)圖的地質(zhì)信息，還帶有直觀的地形地貌景觀信息，具有很強(qiáng)的立體效果。

2．1 人工光源圖像生成

人工光源圖像技術(shù)，是人為設(shè)定太陽(yáng)光源的位置——太陽(yáng)方位角φ和太陽(yáng)高度角θ，計(jì)算地形起伏變化引起的地面太陽(yáng)光譜照度變化，從而模擬出雖不具有地面光譜信息但帶有陰影的地表圖像。通過(guò)改變太陽(yáng)方位角，例如反太陽(yáng)方位角，可以生成具有正立體效果的模擬人工光源圖像。

選擇與地質(zhì)圖同比例尺或大一個(gè)級(jí)次比例尺的數(shù)字地形圖，生成數(shù)字高程模型DEM;或者利用美國(guó)宇航局SRTM(航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪)數(shù)據(jù)生成DEM。SRTM數(shù)據(jù)是由美國(guó)宇航局(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量、由美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)在2000年獲取的北緯60°～南緯56°之間的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)圖像處理生成數(shù)字地形高程模型。該數(shù)據(jù)覆蓋我國(guó)全境，其精度有1 arc－second和3 arc－seconds兩種，對(duì)應(yīng)像元大小分別為30 m和90 m。

以DEM為基礎(chǔ)，模擬具有正立體視覺(jué)效果的人工光源圖像。人工光源太陽(yáng)方位選擇在西北方向;為了突出地形地貌特征，可以選擇較小的太陽(yáng)高度角。例如太陽(yáng)方位角選擇315°，太陽(yáng)高度角選擇45°，生成的人工光源圖像具有較強(qiáng)的正立體視覺(jué)效果，地形地貌特征明顯。

2．2 地質(zhì)圖地理編碼信息恢復(fù)

地質(zhì)圖是一種地圖投影方式的地理圖件，本身應(yīng)該具有地理信息。但由于在地質(zhì)圖制作過(guò)程中，將數(shù)字地質(zhì)圖投影到工程圖紙上，經(jīng)過(guò)圖面整飾，許多地理信息被丟失。通過(guò)在地質(zhì)圖上選取地面控制點(diǎn)，對(duì)地質(zhì)圖重新進(jìn)行投影變換，使其與人工光源圖像具有相同的投影方式和投影參數(shù)，在空間位置上精確配準(zhǔn)。

2．3 圖像融合與視立體地質(zhì)圖生成

將人工光源圖像當(dāng)作高分辨率圖像，把地質(zhì)圖當(dāng)作低分辨率圖像，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。數(shù)據(jù)融合可以采用色度空間變換方法，以地質(zhì)圖的色度與飽和度為新的色度與飽和度分量，以人工光源圖像的亮度為新的強(qiáng)度分量，進(jìn)行反色度空間變換，生成不僅有地質(zhì)圖的地質(zhì)信息，還有直觀的地形地貌景觀特征和地質(zhì)單元圖例顏色的新圖像。這種新型地質(zhì)圖稱(chēng)為視立體地質(zhì)圖。使用光譜保真融合方法，可以保證視立體地質(zhì)圖的圖斑顏色與原地質(zhì)圖的地質(zhì)單元圖例顏色完全一致。

3 應(yīng)用

以1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖為例，選擇利用相同比例尺地形圖生成的DEM和采用美國(guó)宇航局SRTM數(shù)據(jù)生成的DEM分別進(jìn)行制圖試驗(yàn)。試驗(yàn)圖幅位于西藏境內(nèi)，圖幅編號(hào)為I44C004002。該圖幅的地質(zhì)圖來(lái)自西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院二分院實(shí)測(cè)。制作的人工光源圖像的太陽(yáng)方位角為315°，太陽(yáng)高度角為45°。

圖1是采用美國(guó)宇航局SRTM數(shù)據(jù)生成的分辨率為30 m的DEM制作的人工光源圖像與地質(zhì)圖融合處理生成的視立體地質(zhì)圖。根據(jù)遙感影像地圖制作技術(shù)要求，30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，能夠滿足制作1∶25萬(wàn)比例尺影像圖的精度要求。如圖1所示，視立體地質(zhì)圖的立體地形效果明顯，地形起伏變化直觀，視覺(jué)上猶如在野外實(shí)地觀察地表。

圖1 視立體地質(zhì)圖Fig．1 An apparent 3D geologicalmap

圖2(a)為圖1中的一個(gè)子區(qū)(如圖1中的方框所示)，能夠更清楚地顯示立體地形地貌特征。圖2(b)是利用1∶25萬(wàn)數(shù)字地形圖生成的DEM制作的人工光源圖像與地質(zhì)圖融合處理生成的視立體地質(zhì)圖，其范圍與圖2(a)相同。

圖2 視立體地質(zhì)圖子區(qū)Fig．2 Subarea of the apparent 3D geologicalmap

這種視立體地質(zhì)圖不僅便于非地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員讀圖，而且可為地質(zhì)工作者進(jìn)行地質(zhì)體識(shí)別、地質(zhì)構(gòu)造分析、野外檢查、地理定位以及圖面測(cè)量等工作提供極大的方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。顯然，視立體地質(zhì)圖具有豐富的立體地形地貌信息，有效地將平面地質(zhì)圖內(nèi)容和地形地貌特征結(jié)合在一起，是地質(zhì)圖的一種新的表現(xiàn)形式，可以作為傳統(tǒng)地質(zhì)圖件的一種補(bǔ)充。

與圖2(a)比較，圖2(b)雖然也具有較明顯的立體地形特征，但視覺(jué)立體效果不如圖2(a);而且圖像顯示比較模糊，其精度很難達(dá)到1∶25萬(wàn)制圖精度要求。因此，在制作視立體地質(zhì)圖工作中，需要選擇大一個(gè)以上級(jí)次比例尺的數(shù)字地形圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

(1)以數(shù)字高程模型生成的人工光源正立體圖像為基礎(chǔ)，制作視立體地質(zhì)圖，在傳統(tǒng)平面地質(zhì)圖之上，增加了直觀的、具有立體感的地形地貌影像特征，是一種新圖示形式的地質(zhì)圖，具有直觀性強(qiáng)、地形地貌信息豐富等特點(diǎn)。

(2)不同于三維透視地質(zhì)圖或真三維立體地質(zhì)圖，視立體地質(zhì)圖沒(méi)有空間位置扭曲變化，地理位置與傳統(tǒng)平面地質(zhì)圖精確對(duì)應(yīng)。數(shù)字視立體地質(zhì)圖還具有地理編碼信息，在通用圖像處理軟件支持下，可以確定視立體地質(zhì)圖上任意位置的地理坐標(biāo)，便于野外定位、地質(zhì)調(diào)查等工作，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

(3)制作視立體地質(zhì)圖方法簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為數(shù)字地形模型DEM，全國(guó)已經(jīng)有1∶25萬(wàn)數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)，部分地區(qū)有1∶5萬(wàn)地形圖數(shù)據(jù)，這些地形圖數(shù)據(jù)均可以生成DEM;同時(shí)，美國(guó)宇航局SRTM數(shù)據(jù)生成的DEM覆蓋中國(guó)全境，數(shù)據(jù)來(lái)源穩(wěn)定，可供在全國(guó)范圍內(nèi)制作視立體地質(zhì)圖。

［1］李汝昌，王祖英．地圖投影［M］．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1992:5－20．

［2］齊澤榮，陳顯堯，夏友中，等．衛(wèi)星遙感信息提取新方法與遙感圖像處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成果報(bào)告［R］．北京:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，2002:37－41．

［3］齊澤榮，郗海莉．提高中巴衛(wèi)星IRMSS圖像空間分辨能力的光譜保真融合方法［J］．國(guó)土資源遙感，2004(2):21－25．

［4］Qi Z R．A New Data Fusion Method for Improving CBERS－1 IRMSS Images Based on CCD Image Multi－ source Imagery［J］．International Archives of Photographic Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2004，35:910 －914．

［5］齊澤榮，張幼瑩．遙感影像地圖制作技術(shù)要求(1∶50 000/1∶250 000)［R］．北京:中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，2009:2．

(責(zé)任編輯:劉心季)

A Study of the Preparation of Apparent 3D Geological M ap

QIZe－rong，ZENG Zhao－ming
(China Aero Geophysical Survey＆ Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing 100083，China)

Firstly，an artificial light source image was simulated by digital elevation model DEM;then，an apparent 3D geological map was prepared by the data fusion of the geological map and the artificial light source image．This new type of geological map has not only the complete geological information of the geological map but also the intuitive features of the terrain，with some three － dimensional effect．At the same time，the digital apparent 3D geological map with geo－coding information can be used to determine the geographic coordinates of any position on the map．This map is potentially useful in such aspects of the field work as geological investigation，positioning and mapping，thus having a very high practical value．

Geological map;Perspective 3D geological map;Geological stereogram;Image geological map;Apparent3D geological map

齊澤榮(1958－)，教授級(jí)高工，主要從事遙感圖像處理方法、遙感地質(zhì)應(yīng)用及遙感圖像處理軟件開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)集成等方面研究。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0131－04

2010－01－25;

2010－03－04

“十一五”科技支撐課題(編號(hào):2006BAB01A05)資助。