地質(zhì)災(zāi)害三維遙感解譯成果的自動制圖方法

張明洋，馬維峰，唐湘丹，李仙偉

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074;2．武漢地大信息工程有限公司，武漢 430074)

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查具有及時、快速、準(zhǔn)確和經(jīng)濟的特點，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害日常調(diào)查、監(jiān)測以及突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查、動態(tài)監(jiān)測和損失評估中。在2008年“5·12”汶川地震災(zāi)害中，地震誘發(fā)了大量的次生地質(zhì)災(zāi)害，中國地質(zhì)調(diào)查局等單位在獲得的研究區(qū)震后多源遙感影像的基礎(chǔ)上進行了快速的遙感解譯，并繪制了研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害分布圖，為進一步研究汶川地震次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育規(guī)律、發(fā)生機理、預(yù)測理論、災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建與選址等問題提供了重要的基礎(chǔ)信息［1］。在2010年“8·7”甘肅舟曲泥石流災(zāi)害中，中國國土資源航空物探遙感中心利用災(zāi)后航空攝影數(shù)據(jù)，結(jié)合國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，快速進行了舟曲縣的地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯，進而展開對比分析，獲得了倒塌城鎮(zhèn)房屋，受害公路、橋梁、農(nóng)田、林區(qū)以及堰塞湖、泥石流、滑坡等各種災(zāi)情的位置、類型、規(guī)模、分布特征等信息，為救援工作提供了有力依據(jù)，贏得了寶貴的搶險救災(zāi)時間［2］。

地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果的信息產(chǎn)品和表現(xiàn)形式主要是遙感影像專題圖，無論使用什么樣的制圖軟件，都需要將解譯結(jié)果進行繁瑣的編輯、渲染、符號化甚至數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，需要熟悉各類軟件操作，費時費力［3］。相對于二維環(huán)境，三維環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯能夠?qū)⒏呔日溥b感影像與DEM數(shù)據(jù)疊加建立三維地形，從而提供真實、直觀的地理地貌環(huán)境，更有利于地質(zhì)災(zāi)害信息交互解譯和信息提取，已在具體工作中得到了廣泛應(yīng)用［4－6］。而三維環(huán)境圖層多、信息量豐富，更難以通過第三方 GIS或CAD軟件進行制圖輸出。

本文以中國地質(zhì)調(diào)查局遙感解譯專題圖相關(guān)制圖規(guī)范為依據(jù)［7－8］，研究在三維環(huán)境下地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果的專題圖層設(shè)置、符號化、渲染和專題圖版面布局，實現(xiàn)遙感解譯成果的自動制圖和一鍵式輸出的方法。

1 技術(shù)框架

三維環(huán)境下地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果的輸出圖件是以遙感圖像為底圖，附加上各種可選擇的GIS圖層、圖像圖層、標(biāo)注圖層等柵格或矢量圖層，再根據(jù)一定的數(shù)學(xué)法則將解譯成果以符號化的點、線、多邊形等對象繪制于底圖上，從而形成能夠準(zhǔn)確直觀表達(dá)地質(zhì)災(zāi)害信息及地理分布情況的專題地圖，其主要作用是為地質(zhì)災(zāi)害防治和應(yīng)急業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究以中國地質(zhì)調(diào)查局遙感解譯專題圖相關(guān)制圖規(guī)范為依據(jù)，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害三維遙感解譯的技術(shù)框架［9］，采用的地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果自動制圖輸出的技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 制圖技術(shù)框架Fig．1 Framework ofm apping technology

根據(jù)遙感解譯成果制圖規(guī)范，最終生成的成果專題圖的地理底圖所需的遙感圖像圖層以及附加的圖像圖層主要存儲于影像數(shù)據(jù)庫中;矢量圖層(即用戶根據(jù)解譯工作需求加載的專題數(shù)據(jù))通過空間數(shù)據(jù)庫存儲在三維GIS圖層中;地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果數(shù)據(jù)以三維GIS圖層的形式存儲于空間數(shù)據(jù)庫中。同時根據(jù)常規(guī)制圖規(guī)范，專題圖需按照成圖比例尺和圖件類型，分別設(shè)置圖名、圖例、比例尺、指北針、圖幅號、責(zé)任表和圖廓等地圖輔助要素，其樣式和版面布局如圖2所示。

圖2 版面布局Fig．2 Layout of printed sheet

確定了專題圖各要素的存儲方式、符號化方法以及地圖排版、樣式后，可以研制開發(fā)一鍵式制圖輸出功能，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果自動制圖，生成一張滿足地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測和應(yīng)急需求的遙感解譯專題圖。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2．1 三維GIS平臺及系統(tǒng)框架

本文地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果自動制圖選用三維地理信息系統(tǒng)平臺iTelluro(網(wǎng)圖)作為三維環(huán)境進行研究。iTelluro是一款高效、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)三維GIS平臺，它采用面向Internet的分布式計算技術(shù)和三維可視化技術(shù)，支持跨區(qū)域、跨網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜大型三維應(yīng)用系統(tǒng)集成［10］，為地質(zhì)災(zāi)害防治管理、決策和信息發(fā)布提供統(tǒng)一的解決方案和平臺技術(shù)。

iTelluro基于主流技術(shù)平臺．NET開發(fā)，產(chǎn)品開放性好、架構(gòu)靈活、三維功能和GIS功能強大、支持TB級海量數(shù)據(jù)、多源數(shù)據(jù)(包括DEM，DOM，DLG、三維模型數(shù)據(jù)和其他專題數(shù)據(jù))一體化管理和快速三維實時漫游功能，支持三維空間查詢、分析和運算，可與常規(guī)GIS軟件集成，提供全球范圍基礎(chǔ)影像資料，可方便快速地構(gòu)建三維空間信息服務(wù)系統(tǒng)，亦可在二維GIS系統(tǒng)快速地完成向三維的擴展。

2．2 遙感影像底圖的獲取和繪制

系統(tǒng)解譯和制圖輸出所需的遙感圖像存儲于三維GIS平臺iTelluro的圖像數(shù)據(jù)庫中。iTelluro使用了基于哈希格網(wǎng)的改進橢球四叉樹方式來建立全球離散層次格網(wǎng)，即等邊長(度為單位)的切片剖分方式［10］。每一級切片都對應(yīng)一個固定的圖像分辨率，iTelluro為應(yīng)用模塊提供了WMS兼容的影像獲取接口，并可根據(jù)圖像分辨率獲取最佳分辨率的圖像數(shù)據(jù)。自動制圖模塊可根據(jù)制圖輸出的范圍、比例尺按需從遙感圖像數(shù)據(jù)庫獲取所需影像。制圖輸出成果的比例尺和圖像分辨率的關(guān)系為

式中:Res為圖像分辨率，單位是m/像素;scale為比例尺分母;dpi為每英寸的像素數(shù)，為了打印出圖的清晰，本文采用的是300 dpi;Rate為英寸和毫米的換算常數(shù)，為25．4。

根據(jù)式(1)，可由比例尺計算出所需遙感圖像的像素分辨率，從而得到對應(yīng)的遙感圖像切片在iTelluro圖像數(shù)據(jù)庫中的級數(shù)，根據(jù)制圖范圍和級數(shù)可計算出對應(yīng)的切片在iTelluro圖像數(shù)據(jù)庫中的索引，進而檢索出所需遙感圖像資料。如果圖像范圍過大，可從其左下角分塊從圖像數(shù)據(jù)庫返回多個圖像。獲取到遙感圖像之后，根據(jù)坐標(biāo)對其進行拼接、渲染，生成遙感專題圖所需的地理底圖。這一過程是由制圖模塊自動完成的，無需人機交互。

2．3 專題圖層和解譯成果的符號化與繪制

地理和地質(zhì)專題圖、地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果，存儲在空間數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中除了遙感解譯信息表(屬性信息)外，還包括解譯目標(biāo)的點、線和多邊形空間信息。從數(shù)據(jù)庫中讀取其空間對象，用于在地理底圖上繪制解譯目標(biāo);讀取其屬性信息，用于符號化和圖例、標(biāo)注的繪制?；诳臻g分析，讀取制圖范圍內(nèi)的空間對象，然后應(yīng)用GDI+進行符號化、渲染和繪制。由于GDI+的繪制是以像素坐標(biāo)(輸出坐標(biāo))為單位的，因此從數(shù)據(jù)庫中讀取的空間信息要先轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換方法根據(jù)其地理坐標(biāo)和地理底圖的地理范圍的關(guān)系確定，并根據(jù)解譯成果制圖規(guī)范中的符號化規(guī)則，對解譯對象或?qū)ｎ}對象的空間樣式進行符號化和繪制。

3 應(yīng)用實例

基于iTelluro的地質(zhì)災(zāi)害三維遙感解譯系統(tǒng)解決了三維環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害人機交互解譯，實現(xiàn)了基于空間數(shù)據(jù)庫的解譯目標(biāo)空間、屬性數(shù)據(jù)一體化存儲?；谝陨涎芯砍晒疚脑谠撓到y(tǒng)平臺之上設(shè)計開發(fā)了遙感解譯成果一鍵式制圖輸出模塊。模塊主要界面如圖3所示。

圖3 模塊主要界面示意圖Fig．3 Schematic diagram of main interface of module

供選擇的出圖圖層有一般GIS圖層、本地影像圖層、本地矢量圖層和標(biāo)注圖層4種。這些圖層的添加是為了豐富遙感底圖的信息，從而更好地描述專題內(nèi)容。出圖的輔助要素主要有圖廓、圖名、圖件密級、標(biāo)準(zhǔn)圖幅號(非標(biāo)準(zhǔn)圖幅不需要)、指北針、比例尺、圖例和責(zé)任表等，地理底圖上需繪制經(jīng)緯網(wǎng)。

制圖范圍確定有2種方式:自由選擇和標(biāo)準(zhǔn)圖幅。自由選擇即用戶可以直接輸入經(jīng)度和緯度范圍，也可以直接在三維視圖中拉框選擇出圖范圍;標(biāo)準(zhǔn)圖幅則根據(jù)用戶輸入的坐標(biāo)點和選擇的比例尺計算其所在的標(biāo)準(zhǔn)圖幅號，該標(biāo)準(zhǔn)圖幅即出圖范圍。添加的出圖圖層，可設(shè)置其透明度，以避免對基礎(chǔ)遙感影像的遮擋。經(jīng)緯網(wǎng)的間隔可根據(jù)出圖范圍來自動確定，也可手工設(shè)置。

利用已有的地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯數(shù)據(jù)進行制圖輸出，系統(tǒng)出圖過程和所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 遙感解譯專題圖Fig．4 Thematic map of remote sensing interpretation

從生成的地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果圖來看，本系統(tǒng)實現(xiàn)了三維環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果一鍵化自動制圖輸出，省時省力，無需借助于第三方軟件，對地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查、監(jiān)測和應(yīng)急業(yè)務(wù)應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

4 結(jié)論

本研究解決了三維環(huán)境下地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯成果制圖中需借助第三方軟件進行編輯、格式轉(zhuǎn)換等繁瑣操作才能輸出成果產(chǎn)品的難題，實現(xiàn)了解譯成果根據(jù)需求，自動完成符號化、渲染和專題圖輸出，提高了地質(zhì)災(zāi)害遙感應(yīng)用的工作效率，對促進和深化遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測和應(yīng)急救援中的應(yīng)用具有一定現(xiàn)實意義。

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［9］ 唐湘丹，馬維峰．基于Virtual Globes的地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯應(yīng)用框架［C］//Proceedings of 2010 International Conference on Remote Sensing(ICRS 2010)Volume 4．2010．Tang X D，MaW F．Application framework for remote sensing interpretation of geological disaster based on Virtual Globes［C］//Proceedings of 2010 International Conference on Remote Sensing(ICRS 2010)Volume 4．2010．

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