一种DOM和DEM融合技术的山脉水系地图编_省略_究_以_滇池流域入湖河道分布全

1、第36卷第1期2011年01月测绘科学Sc i ence o f Survey ing and M app i ngV o l 136N o 11Jan 1 作者简介:解智强(1973-,男,云南罗平人,硕士,测绘高级工程师,主要从事地图学与地理信息系统的开发应用研究。E-m a i:l xzq20032000yahoo 1co m 1cn 收稿日期:2009-09-08基金项目:昆明市滇池流域水环境治理资金;昆明市2009年年度规划编制资金资助一种DOM 和DE M 融合技术的山脉水系地图编制研究以5滇池流域入湖河道分布全图6编制为例解智强¹,王贵武¹,陈 实º

2、,陈厚元¹,高 忠¹,何江龙¹(¹昆明市城市地下管线探测办公室,昆明 650011;º昆明市排水设施有限责任公司,昆明 650031=摘 要>传统的卫星影像地图的编制大多采用影像加文字的方法,因而图面繁杂且识图困难。本文利用滇池治理工程对入滇河道的普查探测数据及滇池流域的基础测绘数据,结合先进的正射影像处理技术和DEM 数据晕渲分层设色技巧,特别给出一种使用地貌晕渲和卫星影像数据融合来表示山脉地形方法,编制出视觉上更具美感及视觉冲击力的三维专题影象地图,成果为滇池的治理与城市规划提供了直观的决策依据,在实际应用中取得较好效果。=关键词&g

3、t;数字高程模型,数字正射影像,三维影像地图=中图分类号>TP79;P282 =文献标识码>A =文章编号>1009-2307(201101-0207-031 引言三维影像专题地图是目前专题地图编制的一个重要产品,三维影像地图能够给予读者比较直观和强烈的视觉映像,使读者在较强震撼力的感官条件下对地图进行判读。历史上,一般通过手绘方式完成河道水系三维景观地图的绘制,如清代绘制的5黄河图6(见图1,利用中国传统山水画的表达形式绘制地图。在现代,随着计算机技术和地理信息技术特别是RS 和G IS 技术的快速进步,促使计算机制图技术在地图可视化方面得到发展。目前,实现三维影像专题地图

4、编制的地图产品主要是将正射影像数据(DOM 和数字高程模型(DE M 进行套合后,简单添加注记后输出。这种方法存在以下问题:¹由纯背景影像贴面的地形背景庞杂,影响地图要素的判读,减弱地图的美观性;º地图要素(如河流由影像数据直接反映,不是实际测绘得到的矢量数据,改变要素特征(如颜色、粗细等比较困难,精度在影像处理过程中损失,影响使用。图1 清代黄河图2 地图设计211 成图需求分析5滇池流域入湖河道分布全图6编制的目的是为全面掌握滇池流域的水环境情况分布,利用滇池流域3000k m 2的基础测绘数据,编制本专题地图。由于涉及数据量巨大(包括滇池流域的昆明城区内的数字线划、数

5、字正射影像、数字高程模型数据,实现难度较大,特别是需要对3000k m 2的影像和高程数据进行科学处理,才能达到制图目的。本图编制过程要求:¹山脉、河道要素表达清晰,地名注记清楚、图面要素之间的逻辑性强;º地图要素(特别是河道准确无误,专题突出,全面、客观地反映流域内的水环境分布的真实情况;»地图美观、耐看、对地图读者的视觉冲击力度大、观赏性强,要成为优秀的地图产品。212 数据组织与使用1栅格数据数据(影像数据使用:¹昆明市215m 分辨率SPOT5卫星影像地图(2005年;º昆明市016m /快鸟0卫星影像地图(2008年。为了突出城市地理

6、的现状性质,本专题地图设计在主城区使用高分辨率的影像数据,在周边变化不大的区域内使用低分辨率的影像数据;»采集流域内1B 10000的DE M 数据1,作为山脉底图编制的依据。2矢量数据建立昆明市滇池流域河道数据库。矢量数据主要是河道数据,来源于昆明市滇池盆地区1B 10000数字地形图、2007年昆明市城市地下管线探测过程中获取的地下暗河(城市主要排水管线河道数据及昆明市1B 500数字地形图采集的地面河道现状数据,三者相结合,为至今为止最全的、最准确的昆明市区域河道数据。213 地图设计流程基于以上需求及数据使用特点,5滇池盆地入湖河道分布全图6采用基础地理数据建设为基础设计,在

7、设计过程中重点解决地图的效果实现为目的,通过数据采集、建库、融合等多个流程、最终实现地图编制(地图设计见图22。3 DE M 和DO M 数据融合的创新性研究对于三维影像地图编制而言,如何才能够提高地图的使用效率是地图编制成功与否的关键所在,而衬于DE M 数据表面的影像数据在地图编制中称为影像/贴面0数据,本图编制的关键在于影像/贴面0的处理,其好坏直接关系到图面的美观程度,针对/贴面0数据,在以下几个地方进行尝试性研究:¹解决纯影像/贴面0数据导致的背景杂色问题;º实现DE M 数据在表示山脉形象中的关键作用。311 多分辨率卫星影像数据融合分辨率融合是对不同空间分辨率

8、遥感图像进行融合处理,使处理后的图像既具有较好的空间分辨率,又具备多光谱特性,从而达到图像增强的目的。测绘科学第36 卷图25滇池流域入湖河道分布图6技术设计流程目前,主流软件所提供的图像融合方法主要有2种:主成分变换(P r i nciple Component和乘积变换融合(M utipl-i ca tive。主成分变换融合是建立在图像统计特征基础上的多维线性变换,具有方差信息浓缩、数据量压缩的作用,可以更准确地揭示多波段数据结构内部的遥感信息,常常是以高分辨率数据替代多波段数据变换以后的第一主成分来达到融合的目的。具体过程是:首先对输入多波段遥感影像数据进行主成分变换,然后以高空间分辨率

9、遥感数据替代变换以后的第一个主成分,最后进行主成分逆变换,生成具有高空间分辨率的多波段融合图像。乘积变换融合是应用最基本的乘积组合算法直接对两种空间分辨率的遥感数据进行合成,即B i_ne w=B i_m*B _h,其中B i_ne w代表融合以后的波段数值,B_h代表高分辨率遥感数据。乘积变换是由C ri ppen的4种分析技术演变而来的,Cr i ppen研究表明:将一定亮度的图像进行变换处理时,只有乘法变换可以使其色彩保持不变3。312影像数据与DE M的晕渲数据实现融合一般而言,三维影像地图中山脉的色彩表示一般有DEM数据和影像数据两种表示方法:¹如果只用DE M分层色彩晕渲

10、数据表示山脉,图面是美观了,山脉也是独立的,能够很好地区分,但图面显得比较单调;º如果用影像贴面方式表示山脉,则显得比较杂乱。为解决这个问题,我们利用DE M数据制作晕渲时的色彩分级与DOM影像数据相互结合,目的是既解决山脉背景的影像复杂问题,又能够突出DE M在表现过程中的美观性。实现的方法是:将DE M数据经过渲染之后,实现山体的自然色彩显示,然后将其叠于影像数据的下方,在上层影像数据实施局部透明处理之后(主要是山区影像,突出DEM的晕渲层效果,最终输出图像,这样能够实现DE M 反映山脉数据的突出与独立情况,突出了山脉的独立性又不失影像的指导性4。4应用实例本图编制过程紧密结合

11、DE M和DOM融合为关键点,围绕DOM影像纠正、DOM和DE M数据融合过程、DOM效果实现、栅格矢量数据的模型构建和印刷技术,逐步实现本地图的编制。411DOM影像纠正本图编制的控制点选取采用昆明市已有的控制成果资料 ,包括高等级的测量控制成果点。已有研究表明,地形图控制点是正射纠正最主要的误差来源,利用1B10000地形图以及1B50000DE M对215m SPOT影像进行正射纠正,其精度基本可以满足1B10000精度要求。为了提高正射纠正精度并考虑到制图区域比较大,本地图探讨了采用1B10000地形图与差分G PS实地测量相结合采集控制点的方法。根据影像纠正处理软件ERDA S的要求

12、,采集了7个野外G PS控制点和25个1B10000地形图控制点,野外控制点使用昆明市连续运行参考站进行采集,GPS水平定位精度为亚米级,实测数据后差分控制点误差在015c m以内。1B10000地形图特征控制点一般在地形图上寻找(如立交桥交叉处、道路交叉、重要地物的边缘特征点等,见图3,但这些控制点的选取一般在地图或影像上能够进行有效识别,并且尽量分布均匀,山区略多,并保证控制点在DE M 数据覆盖的区域,这样能够提高影像成果纠正后的精度。数字高程模型为1B10000DE M数据,等高距为5m。DEM采样间隔为5m,纠正过程中将DE M影像数据进行重新投影,使其投影体系与正射纠正目标的投影体

13、系一致。为了确保纠正精度,本次正射纠正保证具备了DOM数据的可识别分辨率、适当精度的控制点和适当精度的DE M 数据等三个最基本的条件2。图3对比矢量数据和卫星影像数据选取控制点412DEM和DOM融合技术的应用41211中心城区016m分辨率卫星影像数据和滇池流域215m分辨率卫星影像数据的融合本图为满足地图的现状性,使用2005年、2009年的215m和016m的卫星影像融合编制,使得整个影像数据需要进行两种分辨率的影像数据融合,在影像数据接边处,本图选择在昆明盆地的山脉之间,这样保证了主城区地形地貌的现状性,又便于进行影像接边处的数据融合,在融合统一过程中,采用本文311介绍的方法,利用

14、影像处理软件ERDA S交替实现均衡计算,实现不同分辨率影像数据在数据接边处的自然过渡,完成不同时期影像数据的融合。41212滇池流域016m分辨率卫星影像数据和215m分辨率卫星影像数据的融合具体实现的办法是:1需要进行DE M突出表示的地方(一般是山脉,在影像数据的相同范围处在PHOTO S HOP软件中做透明化处理,透明度调节为50%左右,接边处做羽化处理。2调节DE M数据的颜色,在ARCG IS下按照山脉的自然色彩对DE M进行分层设色,一般而言,根据昆明地区的地貌特色,结合高程变化,DE M数据由绿-黄-褐等多个色系实现渐变,为使DE M显示更加细腻,渐变的色阶至少30级以上5。3

15、最后,将DE M数据和卫星影像数据在图像处理软件(PHOTO S HOP软件下进行叠加,然后生成最终的本专题地图的山脉帖面数据。这种影像/贴面0数据在影像不透明的地区以影像为主。例如城市居民地、滇池盆地中的乡村、山谷中的道路、河流等,能够真实地反应自然地理分布。然而,在高山地区,则以透明的影像结合利用地貌色系进行分层设色的山脉地貌表示为主,山脉显示雄伟、挺拔、能够明显分辨且隐约展示其中的影像上的地物。完成以后,将这景影像数据再导入专业软件之中,进行影像校正,完成最终的影像贴面数据。实践证明,这种山脉贴面影像的处理办法提升了图面的质量,更好、更直208第1期 解智强等 一种DOM 和DE M 融

16、合技术的山脉水系地图编制研究观地实现了山脉的显示,图4是传统的三维影像地图的山脉和处理过的影像地 图山脉的对比。图4 传统的三维影像中的山脉和经过处理后的贴面生成的山脉413 DOM 数据实现原则本次DOM 数据色彩调整遵循以下原则:1DOM 数据的色彩平衡处理要反映昆明盆地的色彩:¹红土地的土壤;º绿色的山地植被;»蓝色的河道与水系分布;¼五彩斑斓而色彩明快、欣欣向荣发展的城市建筑物及构筑物。2合理调节影像亮度、对比度,避免由于对比度过低导致影像上有些数据不能显示(如小型点状居民地,或者由于对比度高导致浅色调影像弱化甚至消失(城市广场及宽阔的街道。3数

17、据进行了销密处理。414 三维影像模型构建完成影像融合之后,利用DE M 数据和新生成的影像/贴面0数据,完成三维影像模型的构建。1DE M 、DOM 、专题信息数据集成:地图编制的工作底图在这一步完成,使用的软件为ERDA S 中的V I RTURE -G IS ,将DE M 、贴面影像数据和矢量要素的数据库(河道、道路等管线数据全部集成在一个界面内,将DE M 和影像数据的分辨率调到最大,为输出高分辨率影像底图做最后的准备。2正向地貌适当夸张:考虑到专题地图制作的艺术性,可以选择进行DE M 高度的适当夸张,即突出显示地面数字高程模型的正向地貌,以满足专题地图中突出正向山脉水系的艺术初衷,

18、但注意不能变形严重。上述工作完成,在计算机硬件许可的条件下输出高分辨率影像底图6-8。415 地图整饰与印刷在输出的高分辨率影像底图上进行适当修改,增加图框、要素、图例、列表、指北针等专题影像地图必须添加的要素,在图面配置的时候考虑到在影像和地形图数据缺少的地方配置小比例尺专题平面附图以保证图面的数据平衡,作为流域的核心部分,滇池位置尽量居于图面重心。如图5所示。地名注记时配上相应的色块衬底以突出注记文字的特殊性质,但不能压盖太多,配合图面显示,注记可使用隶书等古字体以突出图面的艺术性,并在注记上选择合适的颜色,作到注记的美观大方,突出而不杂乱9。印刷时实现样张的颜色和计算机调节后满意的颜色一

19、致,并保证后续印刷图纸色彩 和样张的颜色保持一致。图5 最终编制完成的5滇池流域入湖河道分布全图65 结束语本文针对三维卫星影像地图编制过程中存在的问题,结合DOM 和DE M 的技术给出解决方案,并最终完成地图的编制,得出以下结论:1专题制图要素(如河流、水系、道路等要素直接从基础地理数据库中获取已经逐渐替代了过去在专题地图编制过程中采用人工从栅格或影像地图上进行屏幕数字化的方法,这将近一步缩短成图的时间,控制地图编制的成本,提高地图要素的显示精度。2本文详细阐述的在三维影像地图中,采用山脉的表现围绕DE M 、高分辨率卫星影像数据和传统的晕渲技术表示,特别是山脉使用分色晕渲后的DE M 显

20、示于部分透明化处理的卫星影像数据下方,解决了卫星影像地图中的山脉杂乱问题,并解决影象地图中要素独立性(特别是山脉独立性的问题,将极大地提升影像专题地图的可视化。3计算机的软件硬件性能目前依然是实现三维影像地图编制工作达到目的的瓶颈(如一些影像编辑软件不接受超过2G 的影像数据,在本图的编制过程中,影像数据在多个软件中多次输入输出的操作过程中不断地损失分辨率是一个棘手的问题,任何地图的编制,都必须考虑计算机的承受能力,合理的规划计算机的资源,才能研制出更加精美的专题地图。参考文献1樊红,等1ARC I NFO 应用与开发技术M 1武汉:武汉大学出版社,2002:217-25712黄仁涛,等1专题

21、地图编制M 1武汉:武汉测绘科技大学出版社,199213党安荣,等1ERDA S I M AGE 遥感图像处理方法M .北京,清华大学出版社,2005,107-1084吴秀芹,等1ARCG IS9地理信息系统应用与实践(下M 1北京:清华大学出版社,2007:12-5215朱庆,等1数字高程模型M 1武汉大学,200116解智强,王贵武,等1基于G IS 和RS 技术实现海量数据数字高程模型的构建J1城市勘测,2005,(117原立峰,李发源,张海涛1基于栅格DE M 的地形特征提取与分析J1测绘科学,2008,(618汤国安,等1ARCG IS 地理信息系统空间分析实验教程M 1北京:科学技

22、术出版社,2006:28-3019孟祥飞,王卫1ARCG IS 数据与COREDRAW 数据的转换方法研究J1测绘科学,2009,(31A m oun tai n and r i ver m ap co m p ilati on m e thod based on the fusi on techn i qu e of DOM and DE Man exa mp le of /R i vers Flo w ing i n to D ianch i Lak e D istribution M ap 0co m p ilati onA bstrac t:T raditiona l sate lli

23、te i m age ry m aps o ften use t he me t hod o f applying i m ages and text ,w hich is difficult t o read w it h l o ts o f co m plex con tents 1In this paper ,the aut hors used the D i anch iL ake Eng i neer i ng and app lied the cens us data and basic survey data of rivers flow i ng i nto D ianchi Lake ,and co m bi ned advanced i m age pro cessi ng techno logy and o rt ho -DE M da ta laye r colors sk il,l and espe -ciall y g ave a fus i on m e