MapGis與ArcGis在多源影像圖處理中的應用

劉繼梅 張文佳

（山東省地質科學研究院，山東 濟南 250013）

0 引言

我國高精度測繪衛星高分七號于2019年11月3日在太原成功發射，在為國土、資源、地質、礦產等提供全面詳細信息的同時，也標志著我國GIS 時代的到來。地理信息系統（Geographic Information System，GIS）作為一個重要的空間信息系統，于20世紀60 年代迅速發展起來，是地理學研究技術［1］，也是傳統技術與現代技術結合的產物。GIS不僅有空間定位的特點和空間數據的多樣性，還包含多種數據源（主要是各種類型的地圖）。地圖數據源可分為一手資料（原始數據源）和二手資料（經過處理后的數據），根據記錄形式的不同，又可分為電子數據和非電子數據［2］。常見的地圖數據源有地面測量數據、遙感影像數據、野外實測GPS數據、文本資料數據等［3］。

根據數據源的成圖方法，地形圖可分為線劃地圖和影像地圖［2］。按照內容進行分類，影像地圖可分為普通影像地圖和專題影像地圖。普通影像地圖綜合遙感和地形內容；專題影像地圖以影像地圖為基礎底圖，繪制專題要素和注記，豐富影像圖件的細節。

多源影像圖是通過光學設備獲得的，可產生不同類型圖件數據，包括攝影影像圖、掃描影像圖、數字影像圖。攝影影像圖包括由航空和衛星設備獲得的全色、紅外和多光譜影像圖，屬靜態遙感成像，采用地物電磁波能量瞬間成像技術。掃描影像圖是動態掃描成像，為逐點逐行成像類型。數字影像圖又稱數字圖像，以物體電磁波輻射能量的二維數字陣列形式存儲于計算機中。

本研究以影像地圖為例，使用MapGis 和Arc-Gis 軟件對地質圖件進行數據轉換和方法操作處理，在突出圖件直觀性的同時，可使圖像更加清晰，從而突出工作的重點范圍，完成對相關信息的提取，為今后地質調查研究工作的開展奠定基礎。

1 相關軟件

1.1 MapGis軟件

MapGis 軟件是我國自主研發的大型基礎地理信息軟件，是集圖形、圖像、地質、地理、遙感等于一體的大型智能軟件系統，包括數字制圖、數據庫管理和空間分析信息系統，可編輯制作出具有出版精度的圖件和地圖。該軟件能將多源地學信息集成在一起，并用統一數據庫進行管理，不僅能處理圖形數據，還能處理分析遙感影像數據和航片影像數據。

1.2 ArcGis軟件

ArcGis 軟件是ESRI 公司開發和推廣的地理信息系統軟件，具有數據可視化和分析、空間分析和可視化、遙感影像處理、工具分析等功能，能分析地形地貌，也可進行3D地圖制作等，應用領域較為廣泛。

1.3 MapGis軟件與ArcGis軟件的區別

MapGis 軟件與ArcGis 軟件均為地理信息系統軟件，在多源地質影像圖中發揮著不同作用，二者對比見表1。

表1 MapGis軟件與ArcGis軟件對比

2 MapGis軟件對影像圖的處理

2.1 影像圖格式多樣性

由于多源圖像處理系統采用的文件格式（msi）為專用文件格式，在影像處理前，要對其進行轉換，支持轉換的類型有tiff、Geotiff、jpg、bmp 等。tiff 以指針方式來存儲數據，支持不同平臺。Geotiff 圖像是tiff 的擴展，因其加上地理信息標識，使地圖信息展示的更充分，且支持其他遙感影像圖轉換。jpg的壓縮技術十分先進，在極高的壓縮率下，影像圖件仍能呈現高清晰畫面。bmp 為操作系統中的標準圖像文件格式，圖像信息豐富。

2.2 文件格式轉換

在地質項目工作中，有大批收集和掃描到的數據文件，MapGis 具有的獨特功能優勢，可滿足地質勘查中制作各類地質圖件的實際要求，可利用MapGis 中的多源圖像處理分析功能，將其他格式的影像數據轉換為msi，將轉換后的影像數據圖件添加到地質底圖中［4］，能充分展示項目報告中的內容。需要先選取單個影像數據1.tiff 文件，該文件為1：1 000 的掃描地質圖件，打開msiProc60，選擇1.tiff 文件—“數據輸入”—“選取轉換數據類型”—添加文件（轉換文件列表中添加之前掃描的1.tiff 文件），點擊“轉換”按鈕后會自動保存為1.MSI。單個tiff數據轉換msi數據如圖1所示。

圖1 單個tiff數據轉換msi數據

MapGis 軟件［5］能對單一影像進行轉換或同時對多個影像進行批量轉換。在地質工作中對多個tiff 數據文件批量轉換時，文件轉換期間或轉換完畢后，系統會等待整理數據，當“轉換完畢”的對話框彈出時，數據轉換為1.msi。

msi 文件可轉換其他影像數據，如jpg 文件，點擊“主界面菜單”—“文件”—“數據輸入”—“數據轉換”，而輸出壓縮質量需要設置，在輸出jpg文件時，需要設置jpg 壓縮質量為75，其中，0 值對應的壓縮比最大，壓縮質量最好選擇100。

2.3 影像鑲嵌配準

2.3.1 生成標準圖框1：5 000。通過MapGis軟件的鑲嵌配準功能對坐標進行配準，鑲嵌配準前要輸入坐標生成國家大地坐標系（CGCS2000）標準圖框。

①生成標準圖框。打開MapGis 軟件，點擊“實用服務子系統”，選擇“投影變換”和“系列標準圖框”，在下拉菜單中選擇“用鍵盤生成矩形圖框”，以原圖內圖廓左下角x、y值為起始公里值，以內圖廓右上角x、y坐標值為結束公里值（單位為km），并進行添加。矩形圖框參數輸入如圖2所示。

圖2 矩形圖框參數輸入

②圖廓參數以原圖內框左下方的x、y值為起始公里值，以內框右上方的x、y坐標值為終點公里值，單位為km。圖2 中原圖左下角x、y的坐標值為x=543.5 km、y=3 410.5 km，原圖右上角x、y坐標值為x=545.5 km、y=3 412.5 km。

③坐標系選擇國家坐標系，矩形分幅方法選擇任意公里矩形分幅。

④原圖x坐標值前兩位37 為3 度帶的帶號，比例尺為1：5 000，網格間距dx、dy均為0.5，網格線類型選擇繪制實線坐標線。各參數輸入如圖3 所示，生成結果如圖4所示。

圖3 各參數輸入

圖4 生成的標準圖框

2.3.2 添加轉換文件及標準圖框。選擇文件“打開影像”選定轉換生成的1.msi 影像文件，打開后點擊“鑲嵌融合”，選擇“參照文件”選定生成的CGCS2000標準圖框文件目錄，分別添加參照點、參照線、參照區文件。添加完成后的柵格影像圖片及CGCS2000標準圖框如圖5所示。

圖5 影像圖與標準圖框

2.3.3 影像精校正。影像精校正是對影像控制點信息進行幾何校正，與以往主要采用三角網校正的影像校正方式不同的是，這種方式更適用于多控制點情況下的影像校正。全圖控制點布置的越多，影像圖件的精度也會隨之提高。全圖要選取10～14個控制點才能保證配準精度，分別添加圖幅四個角點和十個分布均勻的方格網交點，主要選取圖面方格網交點。依次按左下、左上、右下、右上的順序完成對所有控制點的采集工作，添加所有控制點進行配準。每增加一個控制點，控制點ID 與控制點的x、y坐標均可出現在影像圖下方。控制點坐標添加示意如圖6所示。

圖6 控制點坐標添加示意

完成添加后，要查看兩幅圖的校正預覽，檢查右邊校正后的影像1.msi。點擊“影像校正”和“鑲嵌融合”，打開“影像精校正”，指定校正后的影像文件名及保存路徑，點擊“保存”。

2.4 影像合成

MapGis 影像圖融合是指將獲取的同一區域不同類型影像數據按空間進行配準，采用算法將各種影像優點結合，從而產生新影像。融合后的影像與融合前的單一影像有很大區別，首先在光譜特征上增強很多，其次在分辨率等方面也有所增強，最后地質影像判讀在實際應用中有很大價值。

選取主界面菜單“鑲嵌配準”，點擊“影像融合”，在多源影像融合對話框中選取加權融合法，如圖7 所示。加權融合權值的設置是按照加權融合時R、G、B 各分量所占比例進行的。設置完成后，點擊確定，即可進行融合處理。融合處理的影像要求分辨率一致，對不同分辨率的影像，在進行融合處理時，采用影像重采樣可將其重采樣變成所需要的同一分辨率影像。

圖7 多源影像融合對話框示意

3 ArcGis軟件對遙感影像圖片處理

3.1 遙感影像圖預處理

20 世紀60 年代以來，遙感技術發展迅速，衛星遙感覆蓋全球每個角落，衛星資料能及時提供地區的同時相、同波段、同比例尺、同精度的空間信息。目前，遙感有三大前沿技術。一是高光譜遙感。其呈現立方體高光譜影像圖，對光譜、空間和分辨率進行結合，可觀測區域內的精細地物，包括海洋溫度、水質參數、土壤信息、地表溫度等信息。二是激光雷達遙感。其穿透性強，能分析出大面積物體的生物量，即某一時刻單面積內有機物質的總量。三是將雷達遙感裝載在衛星上，對地球進行觀測，在獲取地形圖像的同時，對地物進行分析。遙感影像圖件是通過顏色和灰度來展示工作區的地理空間分布和工作環境狀況的地圖。因區域內地貌特征和地物結構、反射和發射光譜各不相同，導致傳感器記錄其中一波段的電磁輻射反射量也會有所不同。

使用MapGis6.7 與ArcGis10.1 平臺可對遙感地質圖件進行解譯，同時需要配合使用圖像處理軟件（photoshop8.0 等）。以地質項目中一幅比例尺1：5 000 的影像圖為例，投影參數采用高斯—克呂格6°分帶投影，2000國家大地坐標系。圖面內容由影像構成，包含豐富的地面信息、地表各類型要素屬性、位置及相關信息數據。

首先，利用ArcGis10.1 軟件［6］從圖中提取周期性的信息數據，對圖像對比度不強、亮度較低的影像區區段，采用線性拉伸、直方圖調整等方法，通過圖像增強處理來強化其中所需的地形特征，拓寬各波段灰階的分布范圍，從而提升畫面對比度。合成的彩色圖像中地物反差較大，為了更好地突出圖像中的有用信息，對圖像進行處理，處理后的圖像變得更清晰，解譯能力大大提高。

其次，對于遙感數據的周期性噪聲和尖峰噪聲，可在制圖區域內消除、減弱云朵，用比值法來消除山體所產生的陰影，除去壞線。相鄰圖像不小于4%的重疊，用于增強影像內容的清晰度及地層多樣性。

最后，通過全色圖像的高分辨率紋理特征來改善多光譜圖像的分辨率，利用數據融合來去除無用信息和冗余，從而實現各種數據信息的特點互補。數據融合便于獲取有用信息，降低其中模糊和不確定的目標，讓融合后的圖像更加清晰，影像圖層次和信息量更豐富。例如，將多光譜數據與全色數據進行融合，融合后圖像的地層與構造等地形界線變得很清晰，解譯效果得到提高。

此外，通過對衛星圖像進行幾何校正處理，可保證遙感解譯成果資料的幾何精度。例如，選取項目中1：5 000 圖件的28 個控制點進行幾何校正，圖像精度誤差控制在一個像元內，便可滿足本次編圖精度的基本要求。

3.2 提取柵格影像

ArcGis10.1通常用“掩模”或“裁剪”來提取柵格影像［3］，但這兩種方法有區別，根據影像的不同而采用不同方法。

“掩模”提取（mask）技術的優點是操作簡單。在ArcMap 中顯示“影像分析”窗口，單擊影像分析，窗口顯示某一圖層。根據工作需要，選擇要素類圖層中某個面的要素或選圖形，點擊“掩膜”按鈕內容列表，會加入輸出作為臨時柵格圖層。在默認情況下，掩膜區域由顯示視圖范圍來定義。此外，掩膜區域將被裁剪所選要素或圖形，這種操作會將裁剪函數添加到柵格圖層中。該方法處理的柵格數據只適用單波段，這是因為單波段不會變色，單波段本質上是黑白影像，如.tif 圖像只顯示黑白，只要輸入柵格和提取掩模定義區域范圍即可。

“裁剪”技術用于提取RGB 多波段彩色影像，主要對矢量數據進行處理。彩色影像不能用按“掩模”來提取，這是因為提取后的區域會變色，通常采取“柵格裁剪”工具。裁剪前，可修改“地理處理”—“環境”設置的最下方“并行處理”—“并行處理因素”為0，避免出現裁剪報錯信息。鼠標點擊arcmap柵格工具，按照“數據管理工具箱”—“柵格”—“柵格處理”—“裁剪”順序添加輸入影像，添加影像輸出范圍，選中“使用輸入要素裁剪幾何”，可裁剪出所需工作范圍的柵格，在導出柵格數據集命名時，將NODATA 值設置為0，可去除影像產生的黑邊，并根據實際要求進行設置，柵格保存于數據庫中，保存時可不加后綴。

3.3 制作3D遙感影像圖

3D 遙感影像圖內容層次清晰，圖面清晰易讀，可使用ArcGis10.1軟件［3］來制作。具體操作步驟如下。①將遙感影像圖數據1.shp 加載到ArcScene中，影像圖分辨率越高越好。選擇列表，右擊point，點擊“屬性”—“圖層屬性”對話框。②選取“圖層屬性”對話框，點擊“基本高度”打開選項卡，選取“沒有從表面獲取的高程值”—“使用常量值或表達式”單選按鈕，選取“表達式構建器”對話框，雙擊字段“heightl”輸入表達式的值，點擊“確定”。③點擊“圖層屬性”對話框，選擇“渲染”—“效果”，勾選前兩項，點擊“確定”后即3D影像效果圖呈現。

4 結語

GIS的發展及應用大大提高了測繪信息水平的利用程度，有利于多源數據信息的輸入、管理與可視化表達。通過使用MapGis 軟件和ArcGis 軟件進行操作，分別對各種類型圖件進行轉換處理，精準三維可視化，實現了多源數據的清晰呈現，為工作所需提供幫助，同時也為自然資源的發展提供有利基礎，是數字化時代必不可少的信息工具。