基于GIS管理、加工扫描地质图的方法及关键问题分析

李源亮 王金鹏

摘要：交通、电力等工程行业通常将CAD作为扫描地质图的使用平台，但存在地质图配准过程繁琐、配准误差较大、坐标管理不便等缺陷，而GIS技术则可有效解决这些问题，并且实现CAD难以做到的高级制图、数据挖掘及空间分析等功能。文章介绍了基于GIS技术对扫描地质图进行管理、加工的方法和基本流程，并结合桂北地区某高速公路项目区域地质图的制作，对地理配准过程中的坐标系参数分析、矢量化过程中的图件色调预处理等关键问题进行了分析，以推进GIS技术在公路、铁路等相关行业地质工作中的运用。

关键词：GIS;地质图;地理配准;矢量化

中图分类号：U491 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.040

文章编号：1673-4874（2019）10-0143-05

0 引言

1949年以来，国内相继开展了不同图幅及精度的地质调查工作，形成覆盖全国的1：100万、1：50万、1：20万等比例尺基础地质图，成果至今在工程建设、地质找矿等领域仍然发挥重要作用。这些地质图件早期以纸质的形式出版、发行，图纸易损、保存与管理要求高。此外，随着信息技术的发展，纸质图件不能在计算机平台交互使用的缺陷逐渐暴露。为解决这些问题，人们利用扫描仪将纸质图件扫描成电子光栅图像，实现了地质信息从纸质媒介向数字媒介的迁移，方便在计算机设备上查看地质图、获取地质信息。

交通、电力等工程行业习惯基于CAD平台将扫描图件与工程线位、点位进行叠加，制作工程区域地质图。实际工作中常遇到如下问题：

（1）地理配准过程繁琐、误差较大、坐标管理不便：CAD环境下的地理配准需要根据参照点进行平移、旋转、缩放、拼接，过程繁琐;当地质图、工程项目之间的坐标系差异太大（如Lambert坐标的圖配准到Beijing 54的项目），则图件难以完整配准到正确的地理位置，容易出现空间“错位”;新项目涉及到同样地质图幅时，如果坐标系不一样则需要重新配准地质图，难以重复使用。（2）扫描图件上非本行业关心的地质要素过多、图面复杂：由于早期的地质图是服务于全行业的，矿产、构造、工程等行业都能使用，因此具体运用时特定行业关注的焦点难免成为其他行业的视觉干扰因素。（3）原始图纸由于污渍、老化、破损等原因造成扫描图件模糊、部分信息缺失：这是由于中、小比例尺地质图出版已经很久了，如广西常用的1：20万区域地质图出版于1977年以前，距今已40多年，图纸出现不同程度的污染、老化、破损在所难免。

如何更方便地使用和管理扫描图件？如何让地质图更加美观、清晰？GIS技术可有效解决这些难题，并且能实现更深层次的运用。

GIS全称“地理信息系统”，是在计算机软、硬件支持下，对有关地理分布数据进行采集、管理、分析、显示的技术系统。本文结合桂北山区某高速公路项目区域地质图制作的过程，全面介绍了基于GIS技术对扫描地质图进行管理、加工及综合运用的方法及流程，就其中若干关键问题的解决进行了阐述。成果可有效指导GIS环境下地图配准、矢量化、制图等相关工作。

1基本流程、关键问题及运用概述

利用GIS系统对扫描地质图进行管理及加工一般可分为3个基本流程，需注意2个关键问题，可实现至少4方面的运用（如图]所示）。

3个基本流程即地理配准、矢量化和信息化;2个关键问题是分析图件坐标系的关键参数和对复杂图件进行色调预处理以有利于矢量化;根据需要可实现至少4个宏观方面的运用，即与传统CAD一样效果的初级制图、对扫描图件坐标系进行灵活管理、更加美观的高级制图、地质数据挖掘及空间分析等。

2 地理配准

地理配准是将扫描地图配准到真实地理位置的过程。CAD环境下的配准过程繁琐，且由于同一个物体绘制在不同的坐标系时，其长度、角度、形状、面积畸变程度都有差异（如图2所示）。这种差异随着坐标系类型差异的增大而增大，单纯采用CAD的平移、旋转、缩放无法消除，因此当原图坐标系与工程坐标系差异较大时配准容易出现空间“错位”现象。

GIS环境下的配准过程极为简单，且后期可对图件坐标进行灵活管理，实现图件在不同坐标系间的投影转换，避免“错位”现象。

地理配准的关键是坐标系识别——即分析图件采用何种坐标系，分幅大小是三度还是六度，中央经线是多少，平面坐标前是否加代号。在获取关键参数的基础上，配准的操作过程并不复杂。

2.1坐标系分析

2.1.1 国家标准分幅的地质图

早期出版的1：100万地质图多采用Lambert投影（正轴等角割圆锥投影），1：50万到1：5000各级比例尺地质图采用Gauss-Kruger系列投影坐标系，Xian80、Beijing54是其中最常见的两种坐标系。标准地质图附注信息中一般能查到采用何种坐标系。

为控制变形，保证地图精度，Gauss-Kruger采用经差3°或6°分带的方式将全球划分为若干今投影坐标带。6°带从0°经线开始，自西向东按6°经差将全球分为60个投影带，用序数n（n=1、2…60）表示相应带号，各投影带中央经线L=（n x 6-3）°，投影带所辖范围为N x 3°-3°-N x 3°+3°。3°分带则从东经1°30′开始，自西向东每隔3°进行分带，全球共划分为120个投影带。

标准分幅的1：2.5万到1：50万各级地质图均采用6度带投影坐标，1：1万等大比例尺地质图采用3度带投影坐标。

投影坐标系以投影带的中央经线为x轴（纵轴）、以赤道纬线为丫軸（横轴）、以其交点作为坐标原点（x=0，Y=0）。我国地处北半球，X坐标均为正值，但投影带中央经线西侧丫坐标为负值、东侧丫坐标为正值。负值的出现不便于使用，因此将坐标系纵轴西移500km，相当于Y坐标加上500km的基数，从而避免了负坐标的出现。为了区分不同投影带内具有相同坐标值的点位，可在其Y坐标前加上投影带的带号，例如第18带内A点的横坐标可表示为Y=18600000m。

扫描地质图以m为单位时：纵坐标X有7位整数，横坐标Y不加投影带号时有6位整数，加带号时则有8位整数;以km为单位时：X有4位整数，Y不加投影带号时有3位整数，加带号时则有5位整数。

按上述原则，一般可正确分析出标准分幅坐标系的关键参数。

以广西1：20万融安幅地质图为例。通过图幅左下角附属信息，可初步知道采用的是Beijing54坐标;比例尺为1：20万，因此采用6度分带投影;图幅经度范围在E109°-E110°之间，因此处于标准六度分幅的第19个投影带（范围E108°-E114°），中央子午线L=（n×6-3）°=（19×6-3）°=110°;地图以km为单位，横坐标（Y）有5位整数，因此坐标值前加了带号19。

2.1.2 采用地方坐标系的地质图

上述参数分析原理针对采用国家标准分幅的Gauss-Kruger坐标系列地质图。其特点是每个投影带的范围及中央子午线受到严格限定，比如6°分幅的第19带，其适用范围在E108°-E114°、中央经线为111°，第18带范围E102°-E108°、中央经线为106°。因此以行政区域（例如省、市）、流域作为制图单元时极易出现地图跨越多个投影带的问题。此外，Gauss-Kruger坐标系具有离中央经线越远，长度、形状及面积变形越大的特点。

为避免标准分幅跨区投影带来的不便，减弱因远离中央子午造成的制图误差，很多行政区域、流域或是对测绘精度要求极高的项目的地质图多采用地方坐标，其特点是采用自定义的中央经线、投影面甚至参考椭球。自定义中央经线坐标系的地质图是最常见的，参数分析的关键是推算出其中央经线，其余参数分析方法与标准分幅的一致。

如前所述：各投影带内中央经线与赤道交点为坐标原点（0，0）;为避免横轴出现负值，将丫值加了500km的基數，因此中央经线处横坐标值必定为500km（或500000m）。一般图件外部经纬框会同时标出控制点的投影坐标（Y，X）和地理坐标（a，b），因此利用地理经纬度与地面投影长度的换算关系（式1）可粗略推算中央子午线L。

L≈α+（Y-500）/（111×cosb） （1）

式中：L为中央子午线;α为图面控制点的地理经度;Y为控制点的投影横坐标值，单位为km;b为控制点的地理纬度。

2.2 地理配准

在获取坐标系关键参数后，即可在GIS平台（如ArcGIS、MapGIS）对扫描图件进行地理配准。

GIS系统内置丰富的常用坐标系，因此首先根据关键参数为GIS工作平台指定相应的坐标系。例如配准1：20万融安幅地质图时选用内置的“Beijing_1954-GK-Zone_19”坐标系。对采用地方坐标系的图件，简单修改内置的同类坐标系中央经线等参数后即可创建地方坐标。需要强调的是GIS工作平台与待配准图件的坐标系必须一致，例如不能在坐标系为WGS84的工作平台下对Beijing54坐标系的图件进行配准，否则会出现“错位”现象。

为待配准图件设定相应坐标系，载入GIS平台，通过“地理配准”模块对图件进行配准。

地理配准的实质是在特定坐标环境下，通过选取图面控制点及其真实位置（坐标），利用多项式、样条函数变换等方式等将地质图还原到真实地理位置的过程。为保证配准精度，对控制点类型、数量及分布一般有如下要求：（1）宜选取图纸上带坐标值的网格交点、显著的地物点（如河湾、山顶等）作为控制点;（2）理论上而言控制点越多越精确，实际运用中至少应选取4-8个控制点，尽量均匀分布于图幅四周或对折线附近。

控制点采用鼠标单击选取，其对应的真实地理位置通过鼠标单击或直接输入坐标值确定。控制点布置好以后，通过系统内置的变换方法，一键式完成地理配准。

3 初级制图及坐标系管理

完成地理配准后，可将公路路线、工程场地CAD文件加载进GIS系统，制作以扫描图件为底图的区域地质图。当以后遇到采用不同坐标系的新项目时，利用GIS系统坐标投影功能可将图件变换到对应的坐标系，避免“错位”现象的发生。

图3是某高速公路项目涉及的1：20万三江幅和融安幅经GIS配准后制作的区域地质图（因保密需要未叠加线位）。可见，由于年代久远（图纸出版于1967年），两幅图出现了不同程度的局部变形、破损，部分信息模糊、缺失，图纸发黄，图幅拼接处由于变形差异存在微小间隙，同一地层在两幅图中的颜色也存在一定差异，图面总体视觉效果较差。

4 矢量化

矢量化是将栅格数据处理为矢量数据的过程，即将扫描图件中由栅格像元构成的重要点、线（如地层界线）描绘成矢量点、矢量线的过程。

在CAD中矢量化是全手动的，需要沿轮廓线逐一单击添加折点，为保证线型圆滑需要增加折点数量，任务繁重、效率较低。在GIS中对图件进行矢量化则相对简单高效，其原理是将栅格图件处理成只有黑、白两色的“二值图”，利用程序自动识别或半自动识别的方式进行矢量化。复杂地质图适用于半自动（交互式）矢量化，其通过追踪地图中的栅格像元来创建矢量要素，即在扫描图件上分别单击某条线上的两个点，系统会自动跟踪并矢量化这两点之间的线段，对图面复杂、系统难以识别的局部区域则采用人工矢量化的方法来过渡，综合了计算机矢量化的高效性与复杂区域人工矢量化的精准性。

GIS中矢量化地质图一般需经过以下步骤：

（1）单波段数据加载。一般扫描的JPG、TIF等格式的栅格图像由3个波段（band1、band2、band3）组成，在GIS系统中进行矢量化时只需加载其中一个任意一个波段，否则不能进行全自动或半自动矢量化。

（2）通过GIS程序对单波段图像进行二值化，将图像处理咸只有黑、白两色的二值图。

（3）交互式矢量化，工作顺序遵循“先线后点、由线造面”以及“先水系、再断层、后地层”的原则。即先依次矢量化水系、断层、地层界线等线要素，再矢量化城镇、岩层产状等点要素，地层、水域等面要素由其边界线造区而成。

实践发现：二值化前对复杂地质图进行色调预处理是提高矢量化效率的关键点，也是最不为人所知的技巧。由于很多复杂地质图色彩纷繁，且地层填充的不是纯色，而是由色相相近的两种颜色组成的微小斜纹或网格填充，如图4（a）所示。这类图件直接二值化效果极差，二值图看起来密密麻麻，如图4（b）所示，系统难以识别，矢量化效率低。

解决方法是对图件色调预处理后再进行二值化，Lightroom、Photoshop等图片处理软件均可胜任。原则是调节灰度、曝光、对比度等参数，突显待矢量化的界线（如黑色地层界线），淡化甚至清除干扰的杂色（如地层填充的黄色系、绿色系）。

图4（c）为先用Iightroom进行色调处理，再二值化的效果图，线条清晰、易于识别，极大提高了GIS矢量化的效率。

5 信息化

研究表明，80%以上的信息和地理位置有关。物体的形态及空间位置等信息可用点、线、面等几何元素标示，但尚有众多属性信息难以用图形表示。例如地层的名字、代号、主要岩性、所属的工程地质岩组等，只能以文字标注或图例的形式加以说明，CAD即是这样，属性信息较多时标注及管理极为麻烦。

GIS中几何要素的属性信息通过与之关联的属性表（如表1所示）进行存储，一个字段（即一个纵列）存储一类属性信息。为几何要素（如地层面、断层线）录入属性的过程即信息化。

矢量图形信息化的优势在于：可通过点苗的方式實时查询图形的属性信息（如图5所示），不用按传统那样反复看图例;录入属性后有利于高级制图，可根据一种或多种属性的差异利用不同颜色、透明度、线型、线宽等对几何要素加以区分、显示;可直接利用属性对图件进行批量标注管理;为后续深层次的地学数据挖掘和空间分析奠定基础。

信息化的过程中采用批量录入、属性传递等方式能有效提高录入效率。

6 高级制图及数据挖掘

GIS系统是强大的地理数据管理、加工及综合运用平台，在综合运用这一环节，制图是常用的基本功能。基于GIS制作地质图具有高效、美观的特点，例如将DEM（数字高程模型）与矢量地图叠加，可对地质图进行三维立体显示;根据地质属性的差异，可从填充颜色、透明度、对比度、线型、线宽、点大小等方面对地质及环境要素加以区分;利用属性信息对相应要素进行批量标注与管理;自动生成经纬框、图例、比例尺、指北针等。

图6是基于GIS制作的桂北地区某高速公路项目区域地质图（受篇幅限制，图例仅显示部分地层）。项目涉及1：20万融安幅、三江幅区域地质图，先后经过地理配准、矢量化、信息化、制图四个阶段，相较利用扫描图件直接拼接的区域地质图（图3）具有更加美观、清晰的特点。

GIS环境下，地质图件扫描、配准、矢量化、信息化的作用绝非只能制图，制图只是最基本的功能。

在区域地质、地质灾害、工程地质等研究领域，GIS是基本工具，信息化的矢量地质图则是最重要的基础数据之一。例如通过数据挖掘分析地层岩性、地质构造对区域地质灾害发育规律的影响，可有效指导防灾减灾工作;将地层、构造、DEM地形、水系、地质灾害等指标作为空间分析的输入参数，可评价区域工程地质环境质量的优劣程度，有效指导输电线路、公路、铁路等工程的规划选线及选址。

7结语

（1）在CAD环境下使用扫描地质图存在地理配准过程繁琐、误差较大、坐标系管理不灵活等缺陷。相较而言，利用GIS对扫描图件进行管理、加工及综合应用具有众多优势，可有效解决以上缺陷，还可实现CAD中难以做到的高级制图、数据挖掘及空间分析等功能。

（2）基于GIS系统管理、加工扫描地质图分为地理配准、矢量化和信息化3个基本流程，坐标系参数分析、复杂图件色调预处理是其中的两个关键点。

（3）对国家标准分幅的地质图，其坐标系关键参数分析原则为：根据图件附注信息确定使用的坐标系，根据制图比例尺判定坐标系分带大小，根据图幅范围判定其所处投影带的带号及中央经线，根据平面坐标系整数的位数判断坐标值前是否加了带号。对常见的改变了中央子午线的地方坐标系，可采用地理经纬度与地面投影长度换算关系粗略推算中央经度。

（4）对复杂地质图先进行色调预处理再二值化，可有效清除干扰的杂色、杂斑，使地层、断裂、水系等界线清晰，有利于GIS自动或半自动矢量化的进行。色调处理原则是调节灰度、曝光、对比度等参数，突显待矢量化的界线，淡化甚至清除干扰杂色。

学科交叉是科研院所、高校创新的重要途径，也是工程企业提高生产效率和工程质量的法宝。GIS技术若能在公路、铁路等相关行业地质工作中全面引进并推广，必将创造不小的经济效益。本文就GIS运用于地质图管理、加王等过程的相关问题进行探讨，以期拋砖引玉。