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。

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。

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。

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

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 视立体地质图Fig.1 An apparent 3D geological map

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

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 视立体地质图子区Fig.2 Subarea of the apparent 3D geological map

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。

(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。