基于GIS管理、加工掃描地質圖的方法及關鍵問題分析

李源亮 王金鵬

摘要：交通、電力等工程行業(yè)通常將CAD作為掃描地質圖的使用平臺，但存在地質圖配準過程繁瑣、配準誤差較大、坐標管理不便等缺陷，而GIS技術則可有效解決這些問題，并且實現CAD難以做到的高級制圖、數據挖掘及空間分析等功能。文章介紹了基于GIS技術對掃描地質圖進行管理、加工的方法和基本流程，并結合桂北地區(qū)某高速公路項目區(qū)域地質圖的制作，對地理配準過程中的坐標系參數分析、矢量化過程中的圖件色調預處理等關鍵問題進行了分析，以推進GIS技術在公路、鐵路等相關行業(yè)地質工作中的運用。

關鍵詞：GIS;地質圖;地理配準;矢量化

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.040

文章編號：1673-4874（2019）10-0143-05

0 引言

1949年以來，國內相繼開展了不同圖幅及精度的地質調查工作，形成覆蓋全國的1：100萬、1：50萬、1：20萬等比例尺基礎地質圖，成果至今在工程建設、地質找礦等領域仍然發(fā)揮重要作用。這些地質圖件早期以紙質的形式出版、發(fā)行，圖紙易損、保存與管理要求高。此外，隨著信息技術的發(fā)展，紙質圖件不能在計算機平臺交互使用的缺陷逐漸暴露。為解決這些問題，人們利用掃描儀將紙質圖件掃描成電子光柵圖像，實現了地質信息從紙質媒介向數字媒介的遷移，方便在計算機設備上查看地質圖、獲取地質信息。

交通、電力等工程行業(yè)習慣基于CAD平臺將掃描圖件與工程線位、點位進行疊加，制作工程區(qū)域地質圖。實際工作中常遇到如下問題：

（1）地理配準過程繁瑣、誤差較大、坐標管理不便：CAD環(huán)境下的地理配準需要根據參照點進行平移、旋轉、縮放、拼接，過程繁瑣;當地質圖、工程項目之間的坐標系差異太大（如Lambert坐標的圖配準到Beijing 54的項目），則圖件難以完整配準到正確的地理位置，容易出現空間“錯位”;新項目涉及到同樣地質圖幅時，如果坐標系不一樣則需要重新配準地質圖，難以重復使用。（2）掃描圖件上非本行業(yè)關心的地質要素過多、圖面復雜：由于早期的地質圖是服務于全行業(yè)的，礦產、構造、工程等行業(yè)都能使用，因此具體運用時特定行業(yè)關注的焦點難免成為其他行業(yè)的視覺干擾因素。（3）原始圖紙由于污漬、老化、破損等原因造成掃描圖件模糊、部分信息缺失：這是由于中、小比例尺地質圖出版已經很久了，如廣西常用的1：20萬區(qū)域地質圖出版于1977年以前，距今已40多年，圖紙出現不同程度的污染、老化、破損在所難免。

如何更方便地使用和管理掃描圖件？如何讓地質圖更加美觀、清晰？GIS技術可有效解決這些難題，并且能實現更深層次的運用。

GIS全稱“地理信息系統(tǒng)”，是在計算機軟、硬件支持下，對有關地理分布數據進行采集、管理、分析、顯示的技術系統(tǒng)。本文結合桂北山區(qū)某高速公路項目區(qū)域地質圖制作的過程，全面介紹了基于GIS技術對掃描地質圖進行管理、加工及綜合運用的方法及流程，就其中若干關鍵問題的解決進行了闡述。成果可有效指導GIS環(huán)境下地圖配準、矢量化、制圖等相關工作。

1基本流程、關鍵問題及運用概述

利用GIS系統(tǒng)對掃描地質圖進行管理及加工一般可分為3個基本流程，需注意2個關鍵問題，可實現至少4方面的運用（如圖]所示）。

3個基本流程即地理配準、矢量化和信息化;2個關鍵問題是分析圖件坐標系的關鍵參數和對復雜圖件進行色調預處理以有利于矢量化;根據需要可實現至少4個宏觀方面的運用，即與傳統(tǒng)CAD一樣效果的初級制圖、對掃描圖件坐標系進行靈活管理、更加美觀的高級制圖、地質數據挖掘及空間分析等。

2 地理配準

地理配準是將掃描地圖配準到真實地理位置的過程。CAD環(huán)境下的配準過程繁瑣，且由于同一個物體繪制在不同的坐標系時，其長度、角度、形狀、面積畸變程度都有差異（如圖2所示）。這種差異隨著坐標系類型差異的增大而增大，單純采用CAD的平移、旋轉、縮放無法消除，因此當原圖坐標系與工程坐標系差異較大時配準容易出現空間“錯位”現象。

GIS環(huán)境下的配準過程極為簡單，且后期可對圖件坐標進行靈活管理，實現圖件在不同坐標系間的投影轉換，避免“錯位”現象。

地理配準的關鍵是坐標系識別——即分析圖件采用何種坐標系，分幅大小是三度還是六度，中央經線是多少，平面坐標前是否加代號。在獲取關鍵參數的基礎上，配準的操作過程并不復雜。

2.1坐標系分析

2.1.1 國家標準分幅的地質圖

早期出版的1：100萬地質圖多采用Lambert投影（正軸等角割圓錐投影），1：50萬到1：5000各級比例尺地質圖采用Gauss-Kruger系列投影坐標系，Xian80、Beijing54是其中最常見的兩種坐標系。標準地質圖附注信息中一般能查到采用何種坐標系。

為控制變形，保證地圖精度，Gauss-Kruger采用經差3°或6°分帶的方式將全球劃分為若干今投影坐標帶。6°帶從0°經線開始，自西向東按6°經差將全球分為60個投影帶，用序數n（n=1、2…60）表示相應帶號，各投影帶中央經線L=（n x 6-3）°，投影帶所轄范圍為N x 3°-3°-N x 3°+3°。3°分帶則從東經1°30′開始，自西向東每隔3°進行分帶，全球共劃分為120個投影帶。

標準分幅的1：2.5萬到1：50萬各級地質圖均采用6度帶投影坐標，1：1萬等大比例尺地質圖采用3度帶投影坐標。

投影坐標系以投影帶的中央經線為x軸（縱軸）、以赤道緯線為丫軸（橫軸）、以其交點作為坐標原點（x=0，Y=0）。我國地處北半球，X坐標均為正值，但投影帶中央經線西側丫坐標為負值、東側丫坐標為正值。負值的出現不便于使用，因此將坐標系縱軸西移500km，相當于Y坐標加上500km的基數，從而避免了負坐標的出現。為了區(qū)分不同投影帶內具有相同坐標值的點位，可在其Y坐標前加上投影帶的帶號，例如第18帶內A點的橫坐標可表示為Y=18600000m。

掃描地質圖以m為單位時：縱坐標X有7位整數，橫坐標Y不加投影帶號時有6位整數，加帶號時則有8位整數;以km為單位時：X有4位整數，Y不加投影帶號時有3位整數，加帶號時則有5位整數。

按上述原則，一般可正確分析出標準分幅坐標系的關鍵參數。

以廣西1：20萬融安幅地質圖為例。通過圖幅左下角附屬信息，可初步知道采用的是Beijing54坐標;比例尺為1：20萬，因此采用6度分帶投影;圖幅經度范圍在E109°-E110°之間，因此處于標準六度分幅的第19個投影帶（范圍E108°-E114°），中央子午線L=（n×6-3）°=（19×6-3）°=110°;地圖以km為單位，橫坐標（Y）有5位整數，因此坐標值前加了帶號19。

2.1.2 采用地方坐標系的地質圖

上述參數分析原理針對采用國家標準分幅的Gauss-Kruger坐標系列地質圖。其特點是每個投影帶的范圍及中央子午線受到嚴格限定，比如6°分幅的第19帶，其適用范圍在E108°-E114°、中央經線為111°，第18帶范圍E102°-E108°、中央經線為106°。因此以行政區(qū)域（例如省、市）、流域作為制圖單元時極易出現地圖跨越多個投影帶的問題。此外，Gauss-Kruger坐標系具有離中央經線越遠，長度、形狀及面積變形越大的特點。

為避免標準分幅跨區(qū)投影帶來的不便，減弱因遠離中央子午造成的制圖誤差，很多行政區(qū)域、流域或是對測繪精度要求極高的項目的地質圖多采用地方坐標，其特點是采用自定義的中央經線、投影面甚至參考橢球。自定義中央經線坐標系的地質圖是最常見的，參數分析的關鍵是推算出其中央經線，其余參數分析方法與標準分幅的一致。

如前所述：各投影帶內中央經線與赤道交點為坐標原點（0，0）;為避免橫軸出現負值，將丫值加了500km的基數，因此中央經線處橫坐標值必定為500km（或500000m）。一般圖件外部經緯框會同時標出控制點的投影坐標（Y，X）和地理坐標（a，b），因此利用地理經緯度與地面投影長度的換算關系（式1）可粗略推算中央子午線L。

L≈α+（Y-500）/（111×cosb） （1）

式中：L為中央子午線;α為圖面控制點的地理經度;Y為控制點的投影橫坐標值，單位為km;b為控制點的地理緯度。

2.2 地理配準

在獲取坐標系關鍵參數后，即可在GIS平臺（如ArcGIS、MapGIS）對掃描圖件進行地理配準。

GIS系統(tǒng)內置豐富的常用坐標系，因此首先根據關鍵參數為GIS工作平臺指定相應的坐標系。例如配準1：20萬融安幅地質圖時選用內置的“Beijing_1954-GK-Zone_19”坐標系。對采用地方坐標系的圖件，簡單修改內置的同類坐標系中央經線等參數后即可創(chuàng)建地方坐標。需要強調的是GIS工作平臺與待配準圖件的坐標系必須一致，例如不能在坐標系為WGS84的工作平臺下對Beijing54坐標系的圖件進行配準，否則會出現“錯位”現象。

為待配準圖件設定相應坐標系，載入GIS平臺，通過“地理配準”模塊對圖件進行配準。

地理配準的實質是在特定坐標環(huán)境下，通過選取圖面控制點及其真實位置（坐標），利用多項式、樣條函數變換等方式等將地質圖還原到真實地理位置的過程。為保證配準精度，對控制點類型、數量及分布一般有如下要求：（1）宜選取圖紙上帶坐標值的網格交點、顯著的地物點（如河灣、山頂等）作為控制點;（2）理論上而言控制點越多越精確，實際運用中至少應選取4-8個控制點，盡量均勻分布于圖幅四周或對折線附近。

控制點采用鼠標單擊選取，其對應的真實地理位置通過鼠標單擊或直接輸入坐標值確定?？刂泣c布置好以后，通過系統(tǒng)內置的變換方法，一鍵式完成地理配準。

3 初級制圖及坐標系管理

完成地理配準后，可將公路路線、工程場地CAD文件加載進GIS系統(tǒng)，制作以掃描圖件為底圖的區(qū)域地質圖。當以后遇到采用不同坐標系的新項目時，利用GIS系統(tǒng)坐標投影功能可將圖件變換到對應的坐標系，避免“錯位”現象的發(fā)生。

圖3是某高速公路項目涉及的1：20萬三江幅和融安幅經GIS配準后制作的區(qū)域地質圖（因保密需要未疊加線位）?？梢姡捎谀甏眠h（圖紙出版于1967年），兩幅圖出現了不同程度的局部變形、破損，部分信息模糊、缺失，圖紙發(fā)黃，圖幅拼接處由于變形差異存在微小間隙，同一地層在兩幅圖中的顏色也存在一定差異，圖面總體視覺效果較差。

4 矢量化

矢量化是將柵格數據處理為矢量數據的過程，即將掃描圖件中由柵格像元構成的重要點、線（如地層界線）描繪成矢量點、矢量線的過程。

在CAD中矢量化是全手動的，需要沿輪廓線逐一單擊添加折點，為保證線型圓滑需要增加折點數量，任務繁重、效率較低。在GIS中對圖件進行矢量化則相對簡單高效，其原理是將柵格圖件處理成只有黑、白兩色的“二值圖”，利用程序自動識別或半自動識別的方式進行矢量化。復雜地質圖適用于半自動（交互式）矢量化，其通過追蹤地圖中的柵格像元來創(chuàng)建矢量要素，即在掃描圖件上分別單擊某條線上的兩個點，系統(tǒng)會自動跟蹤并矢量化這兩點之間的線段，對圖面復雜、系統(tǒng)難以識別的局部區(qū)域則采用人工矢量化的方法來過渡，綜合了計算機矢量化的高效性與復雜區(qū)域人工矢量化的精準性。

GIS中矢量化地質圖一般需經過以下步驟：

（1）單波段數據加載。一般掃描的JPG、TIF等格式的柵格圖像由3個波段（band1、band2、band3）組成，在GIS系統(tǒng)中進行矢量化時只需加載其中一個任意一個波段，否則不能進行全自動或半自動矢量化。

（2）通過GIS程序對單波段圖像進行二值化，將圖像處理咸只有黑、白兩色的二值圖。

（3）交互式矢量化，工作順序遵循“先線后點、由線造面”以及“先水系、再斷層、后地層”的原則。即先依次矢量化水系、斷層、地層界線等線要素，再矢量化城鎮(zhèn)、巖層產狀等點要素，地層、水域等面要素由其邊界線造區(qū)而成。

實踐發(fā)現：二值化前對復雜地質圖進行色調預處理是提高矢量化效率的關鍵點，也是最不為人所知的技巧。由于很多復雜地質圖色彩紛繁，且地層填充的不是純色，而是由色相相近的兩種顏色組成的微小斜紋或網格填充，如圖4（a）所示。這類圖件直接二值化效果極差，二值圖看起來密密麻麻，如圖4（b）所示，系統(tǒng)難以識別，矢量化效率低。

解決方法是對圖件色調預處理后再進行二值化，Lightroom、Photoshop等圖片處理軟件均可勝任。原則是調節(jié)灰度、曝光、對比度等參數，突顯待矢量化的界線（如黑色地層界線），淡化甚至清除干擾的雜色（如地層填充的黃色系、綠色系）。

圖4（c）為先用Iightroom進行色調處理，再二值化的效果圖，線條清晰、易于識別，極大提高了GIS矢量化的效率。

5 信息化

研究表明，80%以上的信息和地理位置有關。物體的形態(tài)及空間位置等信息可用點、線、面等幾何元素標示，但尚有眾多屬性信息難以用圖形表示。例如地層的名字、代號、主要巖性、所屬的工程地質巖組等，只能以文字標注或圖例的形式加以說明，CAD即是這樣，屬性信息較多時標注及管理極為麻煩。

GIS中幾何要素的屬性信息通過與之關聯的屬性表（如表1所示）進行存儲，一個字段（即一個縱列）存儲一類屬性信息。為幾何要素（如地層面、斷層線）錄入屬性的過程即信息化。

矢量圖形信息化的優(yōu)勢在于：可通過點苗的方式實時查詢圖形的屬性信息（如圖5所示），不用按傳統(tǒng)那樣反復看圖例;錄入屬性后有利于高級制圖，可根據一種或多種屬性的差異利用不同顏色、透明度、線型、線寬等對幾何要素加以區(qū)分、顯示;可直接利用屬性對圖件進行批量標注管理;為后續(xù)深層次的地學數據挖掘和空間分析奠定基礎。

信息化的過程中采用批量錄入、屬性傳遞等方式能有效提高錄入效率。

6 高級制圖及數據挖掘

GIS系統(tǒng)是強大的地理數據管理、加工及綜合運用平臺，在綜合運用這一環(huán)節(jié)，制圖是常用的基本功能?；贕IS制作地質圖具有高效、美觀的特點，例如將DEM（數字高程模型）與矢量地圖疊加，可對地質圖進行三維立體顯示;根據地質屬性的差異，可從填充顏色、透明度、對比度、線型、線寬、點大小等方面對地質及環(huán)境要素加以區(qū)分;利用屬性信息對相應要素進行批量標注與管理;自動生成經緯框、圖例、比例尺、指北針等。

圖6是基于GIS制作的桂北地區(qū)某高速公路項目區(qū)域地質圖（受篇幅限制，圖例僅顯示部分地層）。項目涉及1：20萬融安幅、三江幅區(qū)域地質圖，先后經過地理配準、矢量化、信息化、制圖四個階段，相較利用掃描圖件直接拼接的區(qū)域地質圖（圖3）具有更加美觀、清晰的特點。

GIS環(huán)境下，地質圖件掃描、配準、矢量化、信息化的作用絕非只能制圖，制圖只是最基本的功能。

在區(qū)域地質、地質災害、工程地質等研究領域，GIS是基本工具，信息化的矢量地質圖則是最重要的基礎數據之一。例如通過數據挖掘分析地層巖性、地質構造對區(qū)域地質災害發(fā)育規(guī)律的影響，可有效指導防災減災工作;將地層、構造、DEM地形、水系、地質災害等指標作為空間分析的輸入參數，可評價區(qū)域工程地質環(huán)境質量的優(yōu)劣程度，有效指導輸電線路、公路、鐵路等工程的規(guī)劃選線及選址。

7結語

（1）在CAD環(huán)境下使用掃描地質圖存在地理配準過程繁瑣、誤差較大、坐標系管理不靈活等缺陷。相較而言，利用GIS對掃描圖件進行管理、加工及綜合應用具有眾多優(yōu)勢，可有效解決以上缺陷，還可實現CAD中難以做到的高級制圖、數據挖掘及空間分析等功能。

（2）基于GIS系統(tǒng)管理、加工掃描地質圖分為地理配準、矢量化和信息化3個基本流程，坐標系參數分析、復雜圖件色調預處理是其中的兩個關鍵點。

（3）對國家標準分幅的地質圖，其坐標系關鍵參數分析原則為：根據圖件附注信息確定使用的坐標系，根據制圖比例尺判定坐標系分帶大小，根據圖幅范圍判定其所處投影帶的帶號及中央經線，根據平面坐標系整數的位數判斷坐標值前是否加了帶號。對常見的改變了中央子午線的地方坐標系，可采用地理經緯度與地面投影長度換算關系粗略推算中央經度。

（4）對復雜地質圖先進行色調預處理再二值化，可有效清除干擾的雜色、雜斑，使地層、斷裂、水系等界線清晰，有利于GIS自動或半自動矢量化的進行。色調處理原則是調節(jié)灰度、曝光、對比度等參數，突顯待矢量化的界線，淡化甚至清除干擾雜色。

學科交叉是科研院所、高校創(chuàng)新的重要途徑，也是工程企業(yè)提高生產效率和工程質量的法寶。GIS技術若能在公路、鐵路等相關行業(yè)地質工作中全面引進并推廣，必將創(chuàng)造不小的經濟效益。本文就GIS運用于地質圖管理、加王等過程的相關問題進行探討，以期拋磚引玉。