MapGis与ArcGis在多源影像图处理中的应用

刘继梅 张文佳

（山东省地质科学研究院，山东 济南 250013）

0 引言

我国高精度测绘卫星高分七号于2019年11月3日在太原成功发射，在为国土、资源、地质、矿产等提供全面详细信息的同时，也标志着我国GIS 时代的到来。地理信息系统（Geographic Information System，GIS）作为一个重要的空间信息系统，于20世纪60 年代迅速发展起来，是地理学研究技术［1］，也是传统技术与现代技术结合的产物。GIS不仅有空间定位的特点和空间数据的多样性，还包含多种数据源（主要是各种类型的地图）。地图数据源可分为一手资料（原始数据源）和二手资料（经过处理后的数据），根据记录形式的不同，又可分为电子数据和非电子数据［2］。常见的地图数据源有地面测量数据、遥感影像数据、野外实测GPS数据、文本资料数据等［3］。

根据数据源的成图方法，地形图可分为线划地图和影像地图［2］。按照内容进行分类，影像地图可分为普通影像地图和专题影像地图。普通影像地图综合遥感和地形内容；专题影像地图以影像地图为基础底图，绘制专题要素和注记，丰富影像图件的细节。

多源影像图是通过光学设备获得的，可产生不同类型图件数据，包括摄影影像图、扫描影像图、数字影像图。摄影影像图包括由航空和卫星设备获得的全色、红外和多光谱影像图，属静态遥感成像，采用地物电磁波能量瞬间成像技术。扫描影像图是动态扫描成像，为逐点逐行成像类型。数字影像图又称数字图像，以物体电磁波辐射能量的二维数字阵列形式存储于计算机中。

本研究以影像地图为例，使用MapGis 和Arc-Gis 软件对地质图件进行数据转换和方法操作处理，在突出图件直观性的同时，可使图像更加清晰，从而突出工作的重点范围，完成对相关信息的提取，为今后地质调查研究工作的开展奠定基础。

1 相关软件

1.1 MapGis软件

MapGis 软件是我国自主研发的大型基础地理信息软件，是集图形、图像、地质、地理、遥感等于一体的大型智能软件系统，包括数字制图、数据库管理和空间分析信息系统，可编辑制作出具有出版精度的图件和地图。该软件能将多源地学信息集成在一起，并用统一数据库进行管理，不仅能处理图形数据，还能处理分析遥感影像数据和航片影像数据。

1.2 ArcGis软件

ArcGis 软件是ESRI 公司开发和推广的地理信息系统软件，具有数据可视化和分析、空间分析和可视化、遥感影像处理、工具分析等功能，能分析地形地貌，也可进行3D地图制作等，应用领域较为广泛。

1.3 MapGis软件与ArcGis软件的区别

MapGis 软件与ArcGis 软件均为地理信息系统软件，在多源地质影像图中发挥着不同作用，二者对比见表1。

表1 MapGis软件与ArcGis软件对比

2 MapGis软件对影像图的处理

2.1 影像图格式多样性

由于多源图像处理系统采用的文件格式（msi）为专用文件格式，在影像处理前，要对其进行转换，支持转换的类型有tiff、Geotiff、jpg、bmp 等。tiff 以指针方式来存储数据，支持不同平台。Geotiff 图像是tiff 的扩展，因其加上地理信息标识，使地图信息展示的更充分，且支持其他遥感影像图转换。jpg的压缩技术十分先进，在极高的压缩率下，影像图件仍能呈现高清晰画面。bmp 为操作系统中的标准图像文件格式，图像信息丰富。

2.2 文件格式转换

在地质项目工作中，有大批收集和扫描到的数据文件，MapGis 具有的独特功能优势，可满足地质勘查中制作各类地质图件的实际要求，可利用MapGis 中的多源图像处理分析功能，将其他格式的影像数据转换为msi，将转换后的影像数据图件添加到地质底图中［4］，能充分展示项目报告中的内容。需要先选取单个影像数据1.tiff 文件，该文件为1：1 000 的扫描地质图件，打开msiProc60，选择1.tiff 文件—“数据输入”—“选取转换数据类型”—添加文件（转换文件列表中添加之前扫描的1.tiff 文件），点击“转换”按钮后会自动保存为1.MSI。单个tiff数据转换msi数据如图1所示。

图1 单个tiff数据转换msi数据

MapGis 软件［5］能对单一影像进行转换或同时对多个影像进行批量转换。在地质工作中对多个tiff 数据文件批量转换时，文件转换期间或转换完毕后，系统会等待整理数据，当“转换完毕”的对话框弹出时，数据转换为1.msi。

msi 文件可转换其他影像数据，如jpg 文件，点击“主界面菜单”—“文件”—“数据输入”—“数据转换”，而输出压缩质量需要设置，在输出jpg文件时，需要设置jpg 压缩质量为75，其中，0 值对应的压缩比最大，压缩质量最好选择100。

2.3 影像镶嵌配准

2.3.1 生成标准图框1：5 000。通过MapGis软件的镶嵌配准功能对坐标进行配准，镶嵌配准前要输入坐标生成国家大地坐标系（CGCS2000）标准图框。

①生成标准图框。打开MapGis 软件，点击“实用服务子系统”，选择“投影变换”和“系列标准图框”，在下拉菜单中选择“用键盘生成矩形图框”，以原图内图廓左下角x、y值为起始公里值，以内图廓右上角x、y坐标值为结束公里值（单位为km），并进行添加。矩形图框参数输入如图2所示。

图2 矩形图框参数输入

②图廓参数以原图内框左下方的x、y值为起始公里值，以内框右上方的x、y坐标值为终点公里值，单位为km。图2 中原图左下角x、y的坐标值为x=543.5 km、y=3 410.5 km，原图右上角x、y坐标值为x=545.5 km、y=3 412.5 km。

③坐标系选择国家坐标系，矩形分幅方法选择任意公里矩形分幅。

④原图x坐标值前两位37 为3 度带的带号，比例尺为1：5 000，网格间距dx、dy均为0.5，网格线类型选择绘制实线坐标线。各参数输入如图3 所示，生成结果如图4所示。

图3 各参数输入

图4 生成的标准图框

2.3.2 添加转换文件及标准图框。选择文件“打开影像”选定转换生成的1.msi 影像文件，打开后点击“镶嵌融合”，选择“参照文件”选定生成的CGCS2000标准图框文件目录，分别添加参照点、参照线、参照区文件。添加完成后的栅格影像图片及CGCS2000标准图框如图5所示。

图5 影像图与标准图框

2.3.3 影像精校正。影像精校正是对影像控制点信息进行几何校正，与以往主要采用三角网校正的影像校正方式不同的是，这种方式更适用于多控制点情况下的影像校正。全图控制点布置的越多，影像图件的精度也会随之提高。全图要选取10～14个控制点才能保证配准精度，分别添加图幅四个角点和十个分布均匀的方格网交点，主要选取图面方格网交点。依次按左下、左上、右下、右上的顺序完成对所有控制点的采集工作，添加所有控制点进行配准。每增加一个控制点，控制点ID 与控制点的x、y坐标均可出现在影像图下方。控制点坐标添加示意如图6所示。

图6 控制点坐标添加示意

完成添加后，要查看两幅图的校正预览，检查右边校正后的影像1.msi。点击“影像校正”和“镶嵌融合”，打开“影像精校正”，指定校正后的影像文件名及保存路径，点击“保存”。

2.4 影像合成

MapGis 影像图融合是指将获取的同一区域不同类型影像数据按空间进行配准，采用算法将各种影像优点结合，从而产生新影像。融合后的影像与融合前的单一影像有很大区别，首先在光谱特征上增强很多，其次在分辨率等方面也有所增强，最后地质影像判读在实际应用中有很大价值。

选取主界面菜单“镶嵌配准”，点击“影像融合”，在多源影像融合对话框中选取加权融合法，如图7 所示。加权融合权值的设置是按照加权融合时R、G、B 各分量所占比例进行的。设置完成后，点击确定，即可进行融合处理。融合处理的影像要求分辨率一致，对不同分辨率的影像，在进行融合处理时，采用影像重采样可将其重采样变成所需要的同一分辨率影像。

图7 多源影像融合对话框示意

3 ArcGis软件对遥感影像图片处理

3.1 遥感影像图预处理

20 世纪60 年代以来，遥感技术发展迅速，卫星遥感覆盖全球每个角落，卫星资料能及时提供地区的同时相、同波段、同比例尺、同精度的空间信息。目前，遥感有三大前沿技术。一是高光谱遥感。其呈现立方体高光谱影像图，对光谱、空间和分辨率进行结合，可观测区域内的精细地物，包括海洋温度、水质参数、土壤信息、地表温度等信息。二是激光雷达遥感。其穿透性强，能分析出大面积物体的生物量，即某一时刻单面积内有机物质的总量。三是将雷达遥感装载在卫星上，对地球进行观测，在获取地形图像的同时，对地物进行分析。遥感影像图件是通过颜色和灰度来展示工作区的地理空间分布和工作环境状况的地图。因区域内地貌特征和地物结构、反射和发射光谱各不相同，导致传感器记录其中一波段的电磁辐射反射量也会有所不同。

使用MapGis6.7 与ArcGis10.1 平台可对遥感地质图件进行解译，同时需要配合使用图像处理软件（photoshop8.0 等）。以地质项目中一幅比例尺1：5 000 的影像图为例，投影参数采用高斯—克吕格6°分带投影，2000国家大地坐标系。图面内容由影像构成，包含丰富的地面信息、地表各类型要素属性、位置及相关信息数据。

首先，利用ArcGis10.1 软件［6］从图中提取周期性的信息数据，对图像对比度不强、亮度较低的影像区区段，采用线性拉伸、直方图调整等方法，通过图像增强处理来强化其中所需的地形特征，拓宽各波段灰阶的分布范围，从而提升画面对比度。合成的彩色图像中地物反差较大，为了更好地突出图像中的有用信息，对图像进行处理，处理后的图像变得更清晰，解译能力大大提高。

其次，对于遥感数据的周期性噪声和尖峰噪声，可在制图区域内消除、减弱云朵，用比值法来消除山体所产生的阴影，除去坏线。相邻图像不小于4%的重叠，用于增强影像内容的清晰度及地层多样性。

最后，通过全色图像的高分辨率纹理特征来改善多光谱图像的分辨率，利用数据融合来去除无用信息和冗余，从而实现各种数据信息的特点互补。数据融合便于获取有用信息，降低其中模糊和不确定的目标，让融合后的图像更加清晰，影像图层次和信息量更丰富。例如，将多光谱数据与全色数据进行融合，融合后图像的地层与构造等地形界线变得很清晰，解译效果得到提高。

此外，通过对卫星图像进行几何校正处理，可保证遥感解译成果资料的几何精度。例如，选取项目中1：5 000 图件的28 个控制点进行几何校正，图像精度误差控制在一个像元内，便可满足本次编图精度的基本要求。

3.2 提取栅格影像

ArcGis10.1通常用“掩模”或“裁剪”来提取栅格影像［3］，但这两种方法有区别，根据影像的不同而采用不同方法。

“掩模”提取（mask）技术的优点是操作简单。在ArcMap 中显示“影像分析”窗口，单击影像分析，窗口显示某一图层。根据工作需要，选择要素类图层中某个面的要素或选图形，点击“掩膜”按钮内容列表，会加入输出作为临时栅格图层。在默认情况下，掩膜区域由显示视图范围来定义。此外，掩膜区域将被裁剪所选要素或图形，这种操作会将裁剪函数添加到栅格图层中。该方法处理的栅格数据只适用单波段，这是因为单波段不会变色，单波段本质上是黑白影像，如.tif 图像只显示黑白，只要输入栅格和提取掩模定义区域范围即可。

“裁剪”技术用于提取RGB 多波段彩色影像，主要对矢量数据进行处理。彩色影像不能用按“掩模”来提取，这是因为提取后的区域会变色，通常采取“栅格裁剪”工具。裁剪前，可修改“地理处理”—“环境”设置的最下方“并行处理”—“并行处理因素”为0，避免出现裁剪报错信息。鼠标点击arcmap栅格工具，按照“数据管理工具箱”—“栅格”—“栅格处理”—“裁剪”顺序添加输入影像，添加影像输出范围，选中“使用输入要素裁剪几何”，可裁剪出所需工作范围的栅格，在导出栅格数据集命名时，将NODATA 值设置为0，可去除影像产生的黑边，并根据实际要求进行设置，栅格保存于数据库中，保存时可不加后缀。

3.3 制作3D遥感影像图

3D 遥感影像图内容层次清晰，图面清晰易读，可使用ArcGis10.1软件［3］来制作。具体操作步骤如下。①将遥感影像图数据1.shp 加载到ArcScene中，影像图分辨率越高越好。选择列表，右击point，点击“属性”—“图层属性”对话框。②选取“图层属性”对话框，点击“基本高度”打开选项卡，选取“没有从表面获取的高程值”—“使用常量值或表达式”单选按钮，选取“表达式构建器”对话框，双击字段“heightl”输入表达式的值，点击“确定”。③点击“图层属性”对话框，选择“渲染”—“效果”，勾选前两项，点击“确定”后即3D影像效果图呈现。

4 结语

GIS的发展及应用大大提高了测绘信息水平的利用程度，有利于多源数据信息的输入、管理与可视化表达。通过使用MapGis 软件和ArcGis 软件进行操作，分别对各种类型图件进行转换处理，精准三维可视化，实现了多源数据的清晰呈现，为工作所需提供帮助，同时也为自然资源的发展提供有利基础，是数字化时代必不可少的信息工具。