基于数据统计特性的色标生成成图技术

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摘要：目的：通过实际制图经验总结，结合数据统计学原理，开发出适合表征地球物理信息的快速成图技术，并介绍其原理和实现。方法：文中提出了一种为了提高地球物理图件的质量，基于数据统计特征的色标生成成图技术。结果：应用表明，能有效提高地球微弱信息图件质量，改变传统成图的不足，方便、快捷的制作美观、高分辨率的地球物理图件。结论：基于数据统计学原理，实现了色标快速生成成图技术，该方法能克服传统方法（线性）的局限性，应用该方法生成的色标文件使图像具有色彩层次感强、分辨率高的特点。

关键词：直方图；直方图平滑化；影像图；色谱文件；SURFER軟件

Based On Statistical Characteristics of Color Data Generating Mapping Technology

Xia lingyan， Xiao Mengchu

China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，Beijing100083

Abstract： Concluding the actual experience of drawing and combining with the principle of data statistics is to develop a rapid mapping technique， which is suitable for characterizing geophysical information. This paper introduces the principle and implementation. The color mapping technique is proposed in this paper， that is based on the statistical characteristics of data and improve the quality of geophysical maps. Applications show that it can effectively improve the quality of the weak earth information maps， change the lack of traditional mapping and produce beautiful and high-resolution geophysical maps conveniently and efficiently. Based on the principle of data statistics， the rapid color mapping technique is realized. The method can overcome the limitation of traditional method（linear）. The color file generated by this method makes the image have strong color gradation and high resolution.

Key words： histogram； equalization； image； color spectrum file； SURFER software

引言

地球物理图件作为基础地质资料，是用来识别断裂、盆地边界等区域地质构造特征、寻找矿产资源的重要手段之一[1]。而在重力、磁力等多源地学信息的研究领域中，常需要用等值线图或数字影像图来实现数据的可视化，以方便对多源地学数据的分析和解释。等值线图的优点是能够直观地反映区域地球物理场的变化趋势，缺点是反映信息不够丰富、生动，在一定程度上影响解释者对地质结果的认识[2]。数字图像技术是随着地球物理信息技术和计算机技术发展而发展的，这是地球物理信息处理与图示的最直接手段[3]。近年来，多源地学信息（遥感、物化探等信息）的图像处理技术在国内外已取得了很大的进步，应用领域不断延伸[4～7]。

地球物理影像图或伪彩色图像是按其值的大小赋予颜色，从而将单调的地球物理场值具有丰富、生动的视觉形象。它的优点在于不仅能比较客观地显示区域地球物理场信息，而且能提高视觉分辨率，从而达到更加方便解释者根据图像色感强、层次丰富的地球物理场信息认识地质体的目的。

如何对地球物理影像图进行图像处理，以提高视觉分辨率、便于分析和解释成为地质解释人员的难题。大家熟知色标文件选择是否合理，直接关系到影像图的效果与分辨率的优劣。一般来说，色标文件是由系统根据数据数值范围线性生成的或由绘图人员以手工编辑的方式确定的。这种方法存在较大局限性，色标的配置是否得、当直接影响到图像色感层次，如果不能充分反映地球物理场有效信息，会增加解释者对地质现象解释的难度。本文结合实际的软件应用，借鉴并总结了一种图像处理技术，即基于数据统计特性的色标自动调节技术，确定数字影像色标的方法。该方法利用地球物理数据的统计特征-直方图信息，应用自从调节的色标，能使数字影像具有层次感强和分辨率高的特点。此方法解释人员容易掌握，容易提升图件质量，也易于推广应用。

1.图像处理及显示技术研究现状

图像处理技术主要应用于分析数字化和图形化信息，最早广泛应用于遥感数据处理和识别[8]，图像处理通常包括图像的变换、增强和复原、分类等，图像显示技术是图像处理技术内容之一。目前地球物理图件的图像处理和显示技术也成为地学界的一种基本手段。物探图像主要反映的是地质体的地球物理场信息，包括地质体的组成、构造特征等，对大范围的物探数据进行处理和信息识别，能有助于提高视觉效果，有效提取重要的地球物理信息[9、10]。图像显示技术通过把黑白图像的各个不同灰度级按照线性或非线性的映射函数变换成不同的彩色，得到一幅彩色图像的技术，使原图像细节更易辨认，目标更易识别，而伪彩色增强主要通过密度分割实现。近年来图像显示技术逐步应用到物探数据成果解释中来，在图像显示方面，物探数据的图像和遥感数据的图像显示存在很大的差异，遥感数据是通过地表地形地貌、地物的反射光谱转换而来的，而物探数据是地球深部地球物理场的反映，图像灰度表达的是地球物理场值的高低。因此，物探数据图像图示技术在提高视觉效果的同时还需要能提取和识别地球物理场源特征信息[11]。

沉积盆地利用重磁异常数据的图像显示技术识别线性构造效果十分明显，在鄂尔多斯盆地和柴达木盆地识别断裂构造特征取得很大进展[12、13]。图像显示技术相比较等值线的最大优势在于，使得很多反映不清的地质信息变得更加直观，构造解释图如高低起伏的地形一样观察和识别。更重要的是，它能识别部分由于区域地质构造条件复杂而被歪曲或掩盖的微弱信号。例如，Vzz理论断层剖面曲线为一对相邻的正负峰值，在图像上为一明暗相间的条带；而gzz理论断层剖面曲线为一正峰值，在图像上为一明亮条带。当断层异常信号较弱时，在图像显示上往往是不连续的，但根据它们的展布特征和走向规律稍加观察便可有效地识别。而在等值线图中，这些弱信号经常因模糊等值线的走向改变而被忽视。提取重磁异常梯度带经数字图像处理，边缘检测和增强、锐化、平滑等方法，线性异常得到了有效地加强[12～14]。熊盛青对图形图像处理方法图示航空物探数据的有效性进行研究[2]，张丽莉研究了利用直方图实现色谱文件的自动生成技术及图像增强技术[14、15]。

2.基于数据统计特性的原理[16]

颜色直方图是最基本的颜色特征表示方法，它反映的是图像中颜色的组成分布，即出现了那些颜色以及各种颜色出现的概率。在成图之前，根据整体（或局部）原始地球物理场值的大小分布进行数据统计。对数据统计分析的目的是建立数据直方图。直方图整体（或局部）地球物理数据值按照值的大小分布显示其出现频率度的统计图。

频率度即某一个地球物理场数据值在图像中出现的频率次数。直方图表示如下：

其中n是圖像像素总数。

由直方图的定义可以看出，直方图对一幅图像出现的所有数值进行了描述，给出了原图像的数值大小分布情况。

一般来说，由原始物探数据作出的直方图通常呈锯齿状起伏，为了使图像质量更优，应该将其直方图平滑。本文采用一种线性规划模型算法计算，具有计算速度快，而且应用也方便快捷。篇幅限制，具体原理不再赘述，请参见文献[17]。

原始直方图平滑化需满足下列三个条件：

（1）平滑化后的直方图应接近原始直方图；（2）平滑化后的直方图应尽可能平滑；（3）平滑化后的直方图具有与原直方图相同的均值m和标准差s（或方差s2）。

直方图平滑化的目的不仅是将原始数据值的分布域尽量扩大，而且尽可能实现每一个数值级上的频度保持一致。数据分布域的频度保持一致会使图像显示色调沉稳、安定，从解释者角度来说，这样的图像质量很大程度上意味着“好”。

3.自动生成基于直方图的色标

伪彩色图像是根据特定的准则对灰度值赋以彩色处理，它虽然能将黑白灰度转化为彩色，但这不是真正表现图像的原始颜色，而是一种使视觉效果明显的图像增强技术，伪彩色处理技术的实现方法有很多种，包括：灰度分层法、灰度级-彩色变换法、频率域滤波法等，衡量伪彩色图像质量好坏采用一般图像质量好坏标准即可。本文借鉴图像直方图平滑化的思想，给出适合于彩色影像的质量评价标准，按此标准在SURFER下编程来实现色谱文件的自动生成[18]。色谱文件的生成包括两个方面，即节点颜色的选取和节点位置的确定。

一般地球物理图件中以蓝—绿—黄—红（即冷系列色到暖系列色）的顺序表示值从小到大的变化，根据色彩学基本原理，一幅图像若采用多种对比色，它们的对比关系会在各自类似色的映衬下显得柔和协调，视觉效果更佳。为了使对比色变得协调，还常使用调整对比色面积的大小比例和调入适量的第三色的方法来达到。长期绘制地球物理图件的经验来看，地球物理图件的彩色图像显示采用深蓝—浅蓝—蓝绿—青绿—黄绿—赤黄—橙色—粉红—红色的色谱视觉效果最佳。

各颜色节点之间的距离及所占百分比是决定色谱文件节点的关键。根据影像的特点，假设采集的原始数据均匀，那么某一数值对应的数据个数越多，其对应的色彩在影像中所占据的面积就越大。由此可见，数据直方图与色彩面积有关。实践证明，在某一给定节点距离的颜色段内，若其间直方图不为0的数值级数过低，那该颜色在图像中的出现频率会低，反之若数值级数过高，会使图像的分辨率降低。这两种情况都会影响图像显示效果，降低图像质量。因此，色谱文件节点位置的确定要充分考虑兼顾色彩面积和段内数值级数，即影像的视觉效果和分辨率的问题。

图像直方图平滑化方法是以忽略图像部分细节（因累积分布）的代价来提高图像质量，显然，这对精确度要求较高的地球物理图件而言很不现实。但我们可以借鉴直方图平滑化使图像各灰度级频度尽量趋于一致，使得图像从视觉上更为协调的原理。引入到影像图中，就成了各个颜色段内平均直方图一致化的问题。采用等面积剖分法确定颜色百分比的节点。

4.实际应用

采用Visual Basic可视化语言编程技术，利用本文方法，编制了色标文件的生成程序（见图2），采用常用的绘图软件绘制等值线图（见图1b）。从图1可以看出，基于统计特性生成的色标图像层次感强，分辨率较高，有利于解释地球物理异常信息。图1a是采用数据范围线性生成的色标，图的可读信息、美观度都有所欠缺，而图1b能表达更多的地球物理异常信息，相对于传统的图件，该技术手段更能反映微弱信息，具有更好的效果。利于自动成图技术的应用，给制图人员带来更多的快捷、方便手段而易于实现。

5.结论

本文在制图过程中总结的实践经验，借鉴了数据统计学原理，采用直方图平滑化方法，依据地球物理信息图像特征，开发出了自动生成色标文件的快速成图的方法。通过实际应用，基于数据统计特性的色标生成成图技术能确保图像的成图质量和分辨率，操作方便快捷，制图美观，易于实现。尤其适用地球物理微弱信息的图件，可以增强异常的固有特征，提高解释的效率。

参考文献：

[1]赵希刚，吴汉宁，柏冠军，等.重磁异常解释断裂构造的处理方法及图示技术[J].地球物理学进展， 2008， 23（2）：414-421.

[1]ZHAO X G， WU H N， BAI G J， ect. Magnetic and gravity data processing method and imaging techniques for faulted structure interpretation[J].Progress In Geophysics，2008，Vol.23（2）：414-421.（In Chinese）.

[2]熊盛青.图形图像处理方法图示航空物探数据的有效性研究[J].铀矿地质， 1996（yk）：295-300.

[2]XIONG S Q. Study on the effectiveness of aerial geophysical data by graphic image processing.[J].Uranium Geology，1996，Vol.12（5）：295-300.（In Chinese）.

[3]杨文久，刘心季.地质勘查中的数字图像处理技术[J].遥感学报， 1992（4）：274-282.

[3]YANG W J， LIU X J. Digital image processing technology in geological prospecting[J].Remote Sensing，1992，Vol.7（4）：274-281.（In Chinese）.

[4]鄒宗濂，王润生.桐柏山—大别山地区物化探资料的图像处理和地质构造分析[J].物探与化探， 2000， 24（6）：438-447.

[4]ZOU Z L， WANG R S. The image processing and geotectonic analysis of geophysical and geochemical data of Tongbaishan-Dabieshan aera[J].Geophysical and Geochemical Exploration，2000，24（6）：438.（In Chinese）.

[5]宋国玺.危机矿山三维信息评价系统—栅格图像矢量化组件研发[D].中国地质科学院， 2008.

[5]ZHANG X H. Three-Dimensional information evaluation system of crisis mine-R&D of raster image vectorization component[D]. Beijing： Chinese Academy of Geologecal Sciences，2008.（In Chinese）.

[6]窦爱霞，王晓青，王栋梁，等.基于多源数据的活动断裂遥感图像处理技术[J].地震， 2010， 30（3）：123-128.

[6]DOU A X， WANG X Q， WANG D L， ect. Remote sensing image processing technique in active faults survey based on multi-source data[J].Earthquake，2010，Vol.30（3）：124-128.（In Chinese）.

[7]孟璐.遥感数字图像处理技术在地热资源预测中的应用研究[D].东北师范大学， 2014.

[7]MENG L. Application of remote sensing digital image processing technology in geothermal resource prediction[D].Changchun： Northeast Normal University，2014.（In Chinese）.

[8]宋江洪.遥感图像处理软件中的关键技术研究[D].中国科学院研究生院（遥感应用研究所）， 2005.

[8]SONG J H. Research on key technology of remote sensing digital image processing software[D]. Beijing： Institute of remote sensing application Chinese academy of sciences，2005.（In Chinese）.

[9]刘浩军.航空物探平剖图自动绘制的可视化处理[J].物探与化探， 2004， 28（2）：147-149.

[9]LIU H J. Visualization processing of aerogeophysical profile map in automatic plotting[J]. Geophysical and Geochemical Exploration，2004，Vol.28（2）：147-149.（In Chinese）.

[10]王林飞，何辉，薛典军.航空物探方法技术与数据处理解释系统报告[R].中国国土资源航空物探遥感中心，2015.

[10]WANG L F， HE H， XUE D J. Aerogeophysical methods technology and data processing interpretation system report[R]. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources，2015.（In Chinese）.

[11]陈超，王晓柳.江汉平原线性构造与重力异常图象[J].华南地质与矿产， 1998（4）：66-70.

[11]CHEN C， WANG X L. Images of gravity anomaly and linear structures in JiangHan basin[J]. Geology and Mineral Resource of South China ，1998 Vol.4： 66-70.

[12]柏冠军，吴汉宁，赵希刚，等.重力资料识别鄂尔多斯盆地线性构造方法研究[J].地球物理学进展， 2007， 22（05）：1386-1392.

[12]BAI G J， WU H N， ZHAO X G， etc. Research on recognition of linear structures using gravity data in ordos basin[J].Progress In Geophysics， 2007 Vol. 22（5）： 1386-1392.（In Chinese）.

[13]夏玲燕，吴汉宁，柏冠军，等.柴达木盆地航磁资料微弱信息增强技术研究及在线性构造识别中的应用[J].地球物理学进展， 2008， 23（04）：1058-1062.

[13]XIA L Y， WU H N， BAI G J. Research on enhancing weak signal technology and recognition of linear structures using aerial-magnetic data in the Qaidam Basin[J].Progress In Geophysics，2008，23（4）1058-1062.（In Chinese）.

[14]Zhang Lili， Hao Tianyao，ect. Application of Image Enhancement Techniques to Potential Field Data[J]. APPLIED GEOPHYSICS， Vol.2，No.3（September 2005）：145-152.

[15]张丽莉，吴健生.利用直方图实现色谱文件的自动生成[J].物探化探计算技术， 2002， 24（2）：169-173.

[15]ZHANG L L， WU J S. The determination of color spectrum files based on histogram analysis[J].

[15]Computing techniques for geophysical and geochemical exploration，2002，Vol.24（2）：169-173.

[16]孙家广，杨长贵.计算机图形学：新版[M].清华大学出版社， 1995.

[16]SUN J G， YANG C G. Computer Graphics[M]. Beijing：Qinghua University Press，1995.

[17]胡小荣.直方图的作法及平滑化处理[J].地质与勘探， 2000， 36（1）：75.

[17]HU X R. The method for plotting diagram and its smoothing treatment[J].Geology and Prospecting，2000，Vol.36（1）：75-77.

[18]李新宁，王家林，吴健生，等.借鉴GIS基本思想在Sufer中实现复杂地质图件的绘制[J].物探化探计算技术， 2001， 23（1）：63-67.

[18]LI X N. The complex geological section drawing using sufer software based on GIS[J]. Computing techniques for geophysical and geochemical exploration，2001，23（1）：62-67.

[19]王龙辉，李成龙，胡立飞.鄂尔多斯盆地纳岭沟铀矿床粒度和古水动力特征[J].西部资源， 2016（05）：59-60.

[19]WANG Long-hui， LI Cheng-long， HU Li-fei.Measurement of grain size and paleo-hydrodynamic characteristics of Nanlinggou uranium deposit in Ordos Basin[J]. West China Resources， 2016（05）： 59-60.

[20]孫永杰.深圳市1：1万彩色影像地形图制作经验浅谈[J].西部资源， 2005（02）：53-56.

[20]SUN Yongjie.Study on the Production Experience of 1： 10000 Color Image Topographic Map in Shenzhen City[J]. West China Resources， 2005（02）： 53-56.