影像地图的发展及作用

孙驰 王小平
（广西壮族自治区测绘产品质量监督检验站）

【摘　要】　结合影像地图的历史演化，技术发展过程，对其作回顾与展望。
【关键词】　影像地图 数字正射影像图 技术发展 4D产品

　　0 概述
　　地图是测绘学科最重要的总结性产品，影像地图是主产品之一，它以影像特有方式表示，因其表征直观真实易懂，蕴含丰富的影像信息，在历史变革中越来越受到人们的重视与欢迎。我国早在公元500多年就有以素描影像《西山径昆仑图》、《北山径汾水图》，宋代石刻城市地图《半江图》，在我国地图学史上具有重要地位，列为国家重要保护文物；2000年3月在哈尔滨人民大广场展示《哈尔滨全家福——全市正射影像地图》，这份由黑龙江省基础地理信息中心制作的厚礼是用三千多幅真彩色航空像片，通过计算机正射影像纠正镶嵌而成，高达25m，宽30m，可称高科技杰作载入吉尼斯记录。
　　影像地图的发展与航空摄影、航空测量技术、航天技术发展息息相关。航空摄影测量经历了从30年代模拟测量到70年代的解析摄影测量；80年代末数字摄影测量，发展到当今的全数字化摄影测量阶段。核心技术得益于计算机技术、通讯技术、航空（天）遥感技术和数字图像理论技术的发展，由于“3S”（GPS、RS、GIS技术）高科技术的渗入，使得影像地图充满传奇般绚丽色彩。现代影像地图的概念较初期有了明显不同。由平面走向立体，由立体走向可视动画（漫游）配以多媒体，前景广阔。在我国，随着数字摄影测量技术的不断发展，可以预计今后，正射影像地图将很快得到普及应用，可广泛应用于现代国防军事、农业可持续发展、精细农业、防灾减灾、城乡建设与环境保护、重大基本建设工程、林业防护、交通指挥、土地规划利用、国土资源勘查等等领域。
　　1 影像地图发展特点
　　影像地图制作技术，早期可以追溯我国古代素描画《西山径昆仑图》、《北山径汾水图》、《平江图》等代表作，还有遗留至今的《黄山旅游图》、《庐山旅游图》等，均是以手工素描刻画影像地图，其实仅可称作“画像地图”。到30—80年代崛起的航空摄影测量技术，由航空摄影光学几何影像胶片，通过航片角度斜正仪（HJG一7）、航片正射投影仪（ZS系统），并对纠正后的航空像片进行镶嵌成平面图，加注文字注记、地理经纬网，即构成手工制作影像地图。现代影像地图巳由光学几何图像转向物理信息图像（如：卫星遥感、雷达扫描），现已发展到具有全数字化多数据源特点，其特征表现为：
　　1.1 描述空间变化
　　由二维影像（X、Y、D）一三维影像（X、Y、H、D）一四维影像（X、Y、H、T、D），其中X、Y为平面坐标，H为高程面，D为影像色彩纹理，T为时间坐标。二维影像平面展布；三维影像可以描述城市立体景观、山地电子沙盘、立体漫游、模拟城市、虚拟地理环境的效应；四维影像除具三维影像效果，更有体现地理环境在时空上延时变化，即称为“时态变化”，可获取动态信息。
　　1.2 色彩变换及应用
　　色彩是影像地图给人以第一直观的感受。影像地图制作应用色彩变换理论，遥感图像复合技术，可制作摸拟灰度景观图（DTM，透视图经过隐藏线、面的消隐处理之后，再用明暗公式计算和显示可见面亮度，颜色模拟表示，颇具真实感），真实景观图（Landscape，其灰度值或彩色取自对实地所摄影像的真实值）。80年代初开始研究利用色度变换原理，即RQB（红、绿、蓝）和IHS（强度、色度、饱和度）变换系统，对分辨率较低的TM多光谱图像、高分辨率的SPOT全色波段图像、大像幅像片、侧视雷达图像等进行数据复合，把各种图像的信息和特点综合起来，对扩大卫星遥感的应用无疑是有益的，例如：把高分辨率航空摄影黑白图像与低分辨率多波段图像进行复合，便可得到具有原多波段图像的彩色和黑白高分辨率的新图像，即假彩色影像地图；另一研究方向，利用影像中纹理特点，提取有用信息并以色彩加以表示，使得人们可由原始影像中提取更多丰富的有用信息，如可以通过判读提取某波段假彩色进行林业监测防护、农牧业估产、精细农业指导、土地利用规划、矿产资源预测等；红外光谱影像可以推测地面温差变化，进而指导军事决策、地质灾害预测、温泉资源的检测等。SPOT全色多波段图像与TM多光谱图像的迭加、复合，为制作专题影像地图提供有效途径。假彩色合成技术，帮助人们分析提取、挖掘隐含有价值信息，可达到“为我所摄，为我所用”的效果。
　　1.3 影像分辨率提高
　　随着航空摄影光学仪器、航天传感器技术发展和摄影材料乳剂分辨率的提高，获取高分辨率航摄像片与遥感图像已成为可能。现在航空摄影胶片银粒细度可高达200线对/毫米，卫星传送遥感图像由初始TM卫片50～30m/像素一法国SPOT片30～10m/像素一俄罗斯SPIN一2卫片2～lm/像素的高分辨率。卫星遥感影像分辨率的提高，由原来作为资源调查，气象预报粗精度利用转向高精度的军事应用、航天遥感测量等。由于卫星遥感影像全球覆盖、全天候运行、周期短、实时性强、具有全色多波段高清晰图像优势，尤其动态GPS与RS技术结合，如虎添翼，在今后信息时代统领空间测绘领域，航天测绘技术取代航空测绘技术。另一崛起的航天雷达干涉图像应用于测绘技术更为惊人，今年2月11—21日美国国防部影像制图局“奋进号”航天飞机携带6名科学家，执行雷达三维地形测绘任务（代号SRTM），环球飞行11天完成从北纬60‘到南纬540地带高分辨地貌影像扫描（占全球75%面积），获取300多盒数字干涉图像资料，经处理后可制成高分辨率三维可视地貌全景图和高精度的数字高程模型（DEM），其精度是最详尽清晰地图的30倍，立体影像，十分逼真尤如身历其境。这项太空立体影像测绘，就是为了绘制军事价值极高的立体地图，花费超过3．6亿美元。应用雷达干涉图像测绘全球性立体地图，又是一次测绘高新技术创举。
　　1.4 数字图像处理的研究进步
　　包括遥感卫星图像的信息量分析，优化波段组合的研究，不同时相的SPOT与TM的复合处理技术，专题信息特征提取技术（缨帽变换TasseledCap、主成分变换）遥感图像的光学增强（反差调整、假彩色合成、相关掩膜技术）、遥感图像的数字增强（反差增强、对比度增强、边缘增强、比值和差值增强）。另外在影像分类识别方面的研究，有监督分类法（最大或然分类法，线性判别分析法）、非督监分类法（据波谱自身相似性比较）。影像分类方法发展有纹理分析、邻景的利用判读、辅助信息研究等。还有影像地图制作中镶嵌接边的新技术（最小灰度差、最短路径法等）。
　　1.5 载体介质的变迁
　　影像地图载体可分：
　　①非数字化产品——纸质印刷、打样覆簿膜、印刷丝绸、相片、胶片、石雕、金属蚀雕等；
　　②数字化产品——磁盘、磁带、硬盘（VCD、DVD）、网络等。
　　影像地图载体介质的变迁，受以计算机技术、空间技术、通讯技术、网络技术等信息学科飞速发展冲击。目前，国家测绘总局已正式颁布将影像地图（或称DOM正射影像图）列为现代4D（DOM、DLG、DEM、DRG）数字测绘产品之一。
　　1.6 影像地图延伸产品
　　传统影像地图以二维（X、Y、D）平面投影来表征。若将其发展为三维（X、Y、H、D）、四维（X、Y、H、T、D）空间投影，其处理技术已实现。其延伸产品有：立体影像地图，电子沙盘，城市立体景观图，公（铁）路规划立体景观图，空中漫游图（动画效应），电子旅游图等。这些产品借助计算机与图像处理技术，以计算机网络作为主要操作展示平台，在军事指挥、设计规划、城市管理、资源勘查等方面均有广泛用途。影像地图的数字化产品的另一个优势，它的无级缩放功能突破了纸质影像地图固定比例尺的限制，使读者可以从宏观到微观、从全局到局部随意游览。影像地图立体化，动态化模拟显示，使读者如同身临其境，高空俯视、景观漫游。
　　2 影像地图制作工艺
　　正射影像的生产根据不同的数据源和不同的设备常有几种不同的生产工艺。
　　2.1 纠正仪、正射投影仪的传统方法
　　70—80年代应用HJG一7纠正仪、ZS系统正射投影仪，现已放弃。但有时仍使用纠正仪，用最初始的方法（倾角纠正）制作属于影像地图雏型的平地像片景观图，工艺流程如图1所示。精度虽不高，但由于不作量算的依据，用以满足市场方面的需求。

图1 传统生产DOM方法

　　2.2 正射影像图扫描
　　利用HJG一7纠正仪、ZS系统正射投影仪等制作出模拟的正射影像图。使用工程扫描仪获得数字影像地图，经过适当的处理和纠正也可用来作为数字正射影像图使用，工艺流程如图2所示。这种方法将随着纠正仪和正射投影仪的退役而逐步被淘汰。

图2 扫描模拟影像图得到DOM方法

　　2.3 单片数字微分纠正
　　在没有数字摄影测量设备的情况下，可以采用传统设备和微机生产数字正射影像，如GeoWayDom等系统通过单片量测、任意图像微分纠正与镶嵌拼接。工艺流程如图3所示。

图3 单片微分纠正生产DOM方法

　　2.4 全数字摄影测量方法
　　采用全数字自动摄影测量和交互式数字摄影测量二种方法，由数字摄影测量工作站直接生成数字正射影像。工艺流程如图4所示。

图4 全数字摄影测量生产DOM方法

　　2.5 卫星遥感影像处理
　　随着航天遥感技术的发展，高分辨的卫星遥感影像已作为数字正射影像的数据源。采用遥感图像处理的方法，获取数字正射影像。工艺流程如图5。

图5 用遥感图像处理生产DOM方法

　　综上所述，影像地图加工工艺技术大体经历三个阶段发展，见下表：

　　3 采用影像地图（DOM）和核心要素（DLG）的合成
　　通过采用影像地图（DOM）和核心要素（DLG）的合成形成更有特色影像图，工艺流程如图6。

图6 影像地图（DOM）和核心要素（DLG）合成图

　　影像地图演化由早期素描（影像）地图30—70年代灰度影像地图80—90年代假彩色影像地图（红外、多波段假彩等）90年代后真彩色影像地图2000年虚拟影像地图（景观城市模拟图）；特别是通过采用影像地图（DOM）和核心要素（DLG）的叠加形成的影像图各要素明显突出，更能反映影像地图的自然景及体现区域自然地貌和地理特征。
　　4 结论
　　影像地图（DOM）作为4D重要产品之一，具有信息丰富、影像直观、真实景观与测绘精度兼有，以及成图快、成本低、用途广、使用方便等特点，它改变了传统单一线划地图（DLG）独揽测绘产品局面。随着计算机技术和“3S”技术的不断发展，正射影像地图将作为GIS基础地理框架数据的必备数据源应用于各行各业。
　　计算机技术与航空（天）遥感图像处理技术理论的进步，及航空（天）雷达干涉图像技术等，推进影像地图迅猛发展，由单模拟、角度投影纠正的灰阶图转向全数字化、多维空间正射影像投影，多图种真彩色制作；由静态方式转向多媒体动态漫游方式；应用VR虚拟现实技术，制作具有“临境感”三维视觉影像地图来虚拟城市、山川、森林，虚拟未来地球环境等。在“数字地球”新经济信息时代，它将成为一颗明珠永放光芒。
　　回顾与展望影像地图的技术变革，归功于“3S”（GPS、RS、GIS）高科技术与计算机技术、传感与测量技术、仿真技术和微电子技术等相关领域技术相互渗透，推进影像地图技术发展推陈出新，这颗明珠必将放射出更为美丽的光彩。

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