视立体地质图制作方法研究

齐泽荣，曾朝铭

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

视立体地质图制作方法研究

齐泽荣，曾朝铭

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

利用数字高程模型(DEM)模拟具有正立体视觉效果的人工光源图像;通过数据融合处理地质图和人工光源图像，生成视立体地质图。这种新型地质图不仅具有原地质图的完整地质信息，还具有直观的地形地貌特征，立体感强;同时，数字视立体地质图具有地理编码信息，在通用图像处理软件支持下，可以确定图上任意位置的地理坐标，便于野外地质调查、地理定位及图面测量等工作，具有很高的实用价值。

地质图;三维地质图;立体地质图;影像地质图;视立体地质图

0 引言

地质图是按一定比例尺和一定图式，将一定地域的各种地质体(如地层、岩体、矿体等)和地质现象(如断层、褶皱等)的分布及其相互关系垂直投影到同一水平面上，用来表示该地域地质特征的图件。它是地质科学研究和区域地质、矿产资源与环境地质调查等工作的基础图件。

传统地质图以二维地表地质信息为主要图示内容，通常以地形图为底图，尽管图中含有大量地形、水系、道路等空间地理信息，但由于地质信息与这些空间地理信息均标绘在同一平面上，不能直观地表达地质信息与地理信息之间的空间关系，对于一般非地质专业人员来说，要读懂地质图就有很大困难。

三维地质图是一种以数字高程信息表达地形起伏、以地质图的图面信息为地表信息、按透视原理从特定观察点制作的假立体地质图(这种地质图不具备地表以下的地质信息，有时也称为2．5维立体地质图)。三维地质图可比较直观地显示地形地貌特征，便于地质勘探、工程建设人员进行地质体识别、地质构造分析等。但由于这种图件的图面空间位置已发生扭曲变化，即图面上两点之间的距离随着空间位置、高程及观察点位置、投影平面等要素的改变而变化，因而只能用于地质信息的定性分析，不能进行定量分析、图面测量等工作。

真三维立体地质图技术则是通过三维地质建模(3D Geoscience Modeling)，运用计算机技术在三维环境下将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来并用于地质分析的技术。因此真三维立体地质图不仅具有地形信息，还具有地表以下的地质信息，有人称之为三维的“千层蛋糕”。制作这种立体地质图需要大量的地表以下的地质信息。目前只能在地质工作程度高、有深部地质资料的小范围内建立三维地质模型，制作立体地质图。例如，通过地质、物探及探矿工程等综合技术手段编制找矿靶区的立体地质图件，用以反映区内的三维地质构造及相关的地质特征，为寻找浅层隐伏矿体或深部矿产预测提供一种新的地质图件。立体地质图的比例尺一般以1∶1 000～1∶25 000为主，目前多应用于老矿区深部及外围的找矿工作。因此还不能大范围、工程化地制作和推广应用。

影像地质图是一种具有一定立体感的地表地质图件，它是将遥感图像与地质图进行数据融合处理而生成的。与传统地质图相比，影像地质图具有实际地表景观感受，立体感较强。但是，这种立体感的形成决定于遥感数据获取时的特定光照条件，即太阳光的入射方位角和高度角。我国处于地球的北半球，一年中绝大部分国土的太阳光照均来自南侧，由于人眼获得立体视觉的观察习惯，大多数遥感图像及其制作的影像地质图都具有反立体效果，即读图时会将山谷看成山脊，将山脊看成山谷。因此，非专业人员在应用影像地质图时常会遇到诸多不便。

为了寻求一种既便于专业人员在图上作业，又能让非专业人员易于读图的影像地质图，本文利用数字高程模型(DEM)生成正立体视觉效果的人工光源图像;通过光谱保真融合处理，将人工光源图像与地质图进行数据融合，研制成一种新的地质图件——视立体地质图。该图是一种具有显著正立体视觉效果的二维地质图，不仅地形变化直观、地质信息的空间特征清晰易读，而且与传统地质图一样可以在图上进行各类作业。

1 方法原理

卫星遥感图像的反立体效果，实际上是由于人眼的观察习惯，误将地形阴坡看成阳坡，将阳坡看成阴坡。通过改变太阳光照条件，例如采取相反的太阳方位角，可以人为地改变地形的阴坡与阳坡，从而使图像具有正立体视觉效果。然而遥感图像的自然光照条件是特定的，无法人为地改变;但是通过设置人工光源，可以利用数字高程模型(DEM)生成正立体视觉效果的人工光源图像。将人工光源图像与地质图进行数据融合处理，生成的视立体地质图可显示正立体效果，地形起伏变化直观，便于地质工作者进行地质体识别、地质构造分析、野外检查、地理定位等。视立体地质图具有与平面地质图完全相同的地球投影方式和图示内容，与平面地质图唯一不同的是其以直观的立体影像显示地形起伏变化。

2 视立体地质图制作

视立体地质图实际上也是一种影像地质图。首先制作具有正立体视觉效果的人工光源图像;然后，通过恢复地质图的地理编码信息，使地质图与人工光源图像具有相同的地理坐标系统，在空间位置上精确配准;最后，采用数据保真融合方法对地质图和人工光源图像进行数据融合处理，生成视立体地质图。这种地质图，不仅完整地保留了原地质图的地质信息，还带有直观的地形地貌景观信息，具有很强的立体效果。

2．1 人工光源图像生成

人工光源图像技术，是人为设定太阳光源的位置——太阳方位角φ和太阳高度角θ，计算地形起伏变化引起的地面太阳光谱照度变化，从而模拟出虽不具有地面光谱信息但带有阴影的地表图像。通过改变太阳方位角，例如反太阳方位角，可以生成具有正立体效果的模拟人工光源图像。

选择与地质图同比例尺或大一个级次比例尺的数字地形图，生成数字高程模型DEM;或者利用美国宇航局SRTM(航天飞机雷达地形测绘)数据生成DEM。SRTM数据是由美国宇航局(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量、由美国“奋进”号航天飞机在2000年获取的北纬60°～南纬56°之间的雷达图像数据，经过图像处理生成数字地形高程模型。该数据覆盖我国全境，其精度有1 arc－second和3 arc－seconds两种，对应像元大小分别为30 m和90 m。

以DEM为基础，模拟具有正立体视觉效果的人工光源图像。人工光源太阳方位选择在西北方向;为了突出地形地貌特征，可以选择较小的太阳高度角。例如太阳方位角选择315°，太阳高度角选择45°，生成的人工光源图像具有较强的正立体视觉效果，地形地貌特征明显。

2．2 地质图地理编码信息恢复

地质图是一种地图投影方式的地理图件，本身应该具有地理信息。但由于在地质图制作过程中，将数字地质图投影到工程图纸上，经过图面整饰，许多地理信息被丢失。通过在地质图上选取地面控制点，对地质图重新进行投影变换，使其与人工光源图像具有相同的投影方式和投影参数，在空间位置上精确配准。

2．3 图像融合与视立体地质图生成

将人工光源图像当作高分辨率图像，把地质图当作低分辨率图像，对其进行数据融合处理。数据融合可以采用色度空间变换方法，以地质图的色度与饱和度为新的色度与饱和度分量，以人工光源图像的亮度为新的强度分量，进行反色度空间变换，生成不仅有地质图的地质信息，还有直观的地形地貌景观特征和地质单元图例颜色的新图像。这种新型地质图称为视立体地质图。使用光谱保真融合方法，可以保证视立体地质图的图斑颜色与原地质图的地质单元图例颜色完全一致。

3 应用

以1∶25万地质图为例，选择利用相同比例尺地形图生成的DEM和采用美国宇航局SRTM数据生成的DEM分别进行制图试验。试验图幅位于西藏境内，图幅编号为I44C004002。该图幅的地质图来自西藏自治区地质调查院二分院实测。制作的人工光源图像的太阳方位角为315°，太阳高度角为45°。

图1是采用美国宇航局SRTM数据生成的分辨率为30 m的DEM制作的人工光源图像与地质图融合处理生成的视立体地质图。根据遥感影像地图制作技术要求，30 m分辨率的DEM数据，能够满足制作1∶25万比例尺影像图的精度要求。如图1所示，视立体地质图的立体地形效果明显，地形起伏变化直观，视觉上犹如在野外实地观察地表。

图1 视立体地质图Fig．1 An apparent 3D geologicalmap

图2(a)为图1中的一个子区(如图1中的方框所示)，能够更清楚地显示立体地形地貌特征。图2(b)是利用1∶25万数字地形图生成的DEM制作的人工光源图像与地质图融合处理生成的视立体地质图，其范围与图2(a)相同。

图2 视立体地质图子区Fig．2 Subarea of the apparent 3D geologicalmap

这种视立体地质图不仅便于非地质专业人员读图，而且可为地质工作者进行地质体识别、地质构造分析、野外检查、地理定位以及图面测量等工作提供极大的方便，具有很强的实用价值。显然，视立体地质图具有丰富的立体地形地貌信息，有效地将平面地质图内容和地形地貌特征结合在一起，是地质图的一种新的表现形式，可以作为传统地质图件的一种补充。

与图2(a)比较，图2(b)虽然也具有较明显的立体地形特征，但视觉立体效果不如图2(a);而且图像显示比较模糊，其精度很难达到1∶25万制图精度要求。因此，在制作视立体地质图工作中，需要选择大一个以上级次比例尺的数字地形图作为基础数据。

4 结论

(1)以数字高程模型生成的人工光源正立体图像为基础，制作视立体地质图，在传统平面地质图之上，增加了直观的、具有立体感的地形地貌影像特征，是一种新图示形式的地质图，具有直观性强、地形地貌信息丰富等特点。

(2)不同于三维透视地质图或真三维立体地质图，视立体地质图没有空间位置扭曲变化，地理位置与传统平面地质图精确对应。数字视立体地质图还具有地理编码信息，在通用图像处理软件支持下，可以确定视立体地质图上任意位置的地理坐标，便于野外定位、地质调查等工作，具有很强的实用价值。

(3)制作视立体地质图方法简单，基础数据为数字地形模型DEM，全国已经有1∶25万数字地形图数据，部分地区有1∶5万地形图数据，这些地形图数据均可以生成DEM;同时，美国宇航局SRTM数据生成的DEM覆盖中国全境，数据来源稳定，可供在全国范围内制作视立体地质图。

［1］李汝昌，王祖英．地图投影［M］．北京:中国地质大学出版社，1992:5－20．

［2］齐泽荣，陈显尧，夏友中，等．卫星遥感信息提取新方法与遥感图像处理系统开发成果报告［R］．北京:中国地质调查局，2002:37－41．

［3］齐泽荣，郗海莉．提高中巴卫星IRMSS图像空间分辨能力的光谱保真融合方法［J］．国土资源遥感，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］齐泽荣，张幼莹．遥感影像地图制作技术要求(1∶50 000/1∶250 000)［R］．北京:中国地质调查局，2009:2．

(责任编辑:刘心季)

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

齐泽荣(1958－)，教授级高工，主要从事遥感图像处理方法、遥感地质应用及遥感图像处理软件开发与系统集成等方面研究。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0131－04

2010－01－25;

2010－03－04

“十一五”科技支撑课题(编号:2006BAB01A05)资助。