遥感技术在制图中的应用

长期以来，编制地图是以各种地图、文字资料和数据资料为主要资料来源。以后，随着航空摄影技术的发展和应用，航空像片也成为编制地图的一种重要资料。20世纪60年代以来，由于航天遥感技术的发展和日臻成熟，航天遥感资料在地理制图方面得到了广泛应用，使地图的资料来源、现势性、制图工艺等方面都发生了明显的变化。具体表现在以下几个方面：卫星遥感可以覆盖全球每一个角落，对任何国家和地区都不存在以往由于自然或社会因素所造成的制图资料空白地区；卫星遥感对地球上任何一个区域都可以进行周期性的重复探测，这样对同一个地区就可以获得不同日期、不同月份、不同季节的动态的制图信息，进而为利用地图进行动态分析提供了物质保证；卫星遥感资料可以及时地提供广大地区的同一时相、同一波段、同一比例尺、同一精度的制图信息，这样为缩短成图周期，降低制图成本提供了可能；卫星遥感图象信息，是以二进制的数据形式记录在磁带上的，因此便于实现电子计算机的自动处理与地图制图的自动化；应用卫星遥感图象信息制图，在制图工艺上也发生了根本性的变化，改变了常规制图那种由较大比例尺地图缩编成较小比例尺地图的编图模式，而常常是先编小比例尺地图然后编制中比例尺或大比例尺的地图。
遥感图象信息在制图中的应用，目前主要是用于地形图的修编与更新、影象地图的制作和专题地图的编制。其中以遥感资料的专题制图为当前的主要特点，由于遥感图象本身的信息量极其丰富，可根据制备的统一基础影象进行各种专题内容的解译，进而编制系列专题地图。因此应用遥感图象信息进行综合性的系列制图，实践证明是行之有效的，并已广为利用。
二、卫星遥感图象的基本特性
（一）几何特性
1.投影资源卫星遥感图象除反束光导管摄象仪（RBV）图象被认为是中心投影外，其余多数均为多中心投影，如多光谱扫描仪（MSS）图象。专题制图仪（TM）图象和斯波特（SPOT）高分辨力探测器（HRV）图象。所谓多中心投影，是指每一条扫描线或扫描带都有一个投影中心。因此，图象中心与边缘各部分的精度和变形程度是有差异的。不过由于卫星的航高大，又经过粗制处理，一般可以把它看成是一种近似的正射投影。
为象元点尺寸或为扫描线上两象元点中心连线的尺寸；D为象元点d所对应的地面实际长度。根据各种卫星遥感图象上象元点所对应的地面实际范围大小，可以判定供目视判读用的图象放大倍数。通常MSS图象可以放大到1∶25万—1∶20万，由计算机增强处理的可以放大到1∶10万。TM和HRV（窄波段）图象，因象元尺寸小，可以放大到1∶10万或1∶5万，HRV全色片可放大到1∶2.5万。
3.象元点位移造成象元点位移的原因有以下几方面：因卫星运行中侧滚、仰俯引起的象元点位移；因地面起伏高差或卫星的航高差引起的象元点位移；因地球曲率和自转引起的象元点位移；因航向偏离引起的象元点位移。对于陆地卫星-1、2、3的MSS卫片的象元点位移误差，主要是航向偏离误差和地形起伏误差。航向偏离误差最大可达1130米，地形起伏误差最大可达404米。其次是地球曲率误差、卫星倾斜误差和卫星航高误差。而对于陆地卫星-4、5的MSS、TM和SPOT的HRV图象，象元点位移误差主要是地形起伏误差和地球曲率误差，其他误差均因卫星控制精度的提高而减少。
4.几何量测性卫星遥感图象的几何量测性，具体包括平面量测和立体量测。平面量测精度主要取决于象元点的位移程度。经过精纠正处理的卫星遥感图象，平面量测精度较高，尤其是当地面的相对高差愈小时，其量测精度愈高。卫星遥感图象一般不能作立体量测，其原因是卫片没有航向重叠，同时旁向重叠也不大。陆地卫星-1、2、3的MSS图象的旁向重叠是14％，而陆地卫星-4、5的MSS图象、TM图象的旁向重叠是7.6%，SPOT卫星HRV图象的旁向重叠只有7.35％。唯有SPOT的HRV倾斜卫片和星下卫片才能作全幅的立体观察和量测。
（二）光学特性
1.多波段性对于同一地区可以同时获得4—7个波段的卫星遥感图象，如MSS4，5，6，7，8，HRV的XS1、XS2、XS3和全色方式的波谱段。其中TM的波谱段最全，有可见光、近红外和热红外。利用卫星遥感图象的多波段性特点，可以得到各种增强处理的彩色图象，为进行各种专题内容的提取提供了可能性。
2.综合性卫星遥感图象的象元所对应地面的实际长度，最大的TM可达120米，最小的斯波特HRV全色波段也有10米。由此可见，除大块地物能大于一个以上象元以外，其余小块的、单个的、线状的地物都小于一个象元。因此，在图象上每一个象元的色调，都是由多种地物的反射波谱混合而成的：
式中ρl 混为混合地物的波谱反射率；g S、g V、g g 、g v 为象元点所对应的整个空间面积与土壤、植被、岩石、水在该空间所占面积的比值；ρl
S、ρl V、ρl g 、ρl v
分别为相应纯地物的光谱反射率。卫星遥感图象上这种混合象元占绝大多数，一般在60％以上，多者可达80%。随着卫星遥感图象象元点尺寸的变小，混合象元会逐渐减少，图象上的灰度差能进一步拉开，这样能够进一步反映出地物间的差异。这不仅有利于目视解译，同时也有利于计算机自动识别。
三、遥感资料制图的墓本程序
（一）遥感图象的选择
在遥感资料的专题制图中，正确选择图象信息是非常关键的一环。应根据制图的目的和对象，最大限度地从遥感图象中获取所需要的一切信息。为此，必须对制图对象及具体内容进行深入地分析研究，并且掌握作为专题内容、解释用的各种遥感图象的不同波段不同时相的信息特征。
1.波段的选择地面不同物体在不同光谱段上有不同的吸收、反射特性。同一类型的物体在不同波段的图象上，不仅影象灰度有较大差别，而且影象的形状也有差异。多光谱成象技术就是根据这个原理，使不同地物的反射光谱特性能够明显地表现在不同波段的图象上。因此，根据不同解译对象，选择不同的波谱图象，是区分和识别地物的有效手段。除考虑遥感图象的单波段的分析运用外，在多数情况下是通过合成影象进行判读分析。因此，如何确定不同波段的最佳组合方式，是获得理想判读结果的重要途径。比如，利用MSS图象编制土地利用图，通常采用MSS4、5、7波段的合成图象；若进一步区分林、灌、草，可选MSS5、6、7波段的组合图象。又如，利用TM图象编制辽河三角洲芦苇资源图时，则以TM3、4、5波段的合成图象的信息量最丰富，分辨率最高。
2.时相的选择遥感图象的成象季节直接影响专题内容的解译质量。若进行地质地貌专题内容的制图，应以选择秋末冬初或冬末春初的图象为最佳，因为这个时段的地面覆盖少，利于地质地貌内在规律和分布特征的显示。若进行土地利用和土地覆盖方面的制图，最好选择利于各种植被判读的最佳时相。例如，“三北”防护林的遥感调查与制图，以选择林木已经枝繁叶茂，但农作物及草本植被尚未覆盖地面的五月末的时相为最理想；判读北方的小麦，以五月份的彩红外片表现最明显，因为此时的小麦长势最好；对海滨地区的芦苇判读并计算面积，则以五六月份间的图象较好；编制盐碱土分布就需要掌握盐渍化地区的泛碱的季节规律性，如黄淮海地区以选择三四月卫片进行判读比较适宜。总之，遥感图象的时相选择，既要根据地物本身的属性特点，同时也要考虑同一种地物的不同区域间的差异。因为遥感图象的影象特征有非常明显的地方性，因此在选择时相时必须二者兼顾。
（二）遥感图象的纠正
人造卫星在运行过程中，由于侧滚、仰俯飞行姿态和飞行航道、高度的变化，以及传感器光学系统本身的误差等因素的影响，常常引起卫星遥感图象的几何畸变。通常所使用的卫星遥感图象软片或计算机兼容磁带，事先已经过粗加工或精加工处理。
图象粗加工处理，是为消除传感器本身及外部因素影响所引起的各种系统误差而进行的处理步骤。它是将地面站接收的原始图象数据信息，根据事先存入计算机的相应条件而进行纠正，并通过专用的坐标计算程序加绘了图象的地理坐标，制成表现为正射投影性质的粗制产品——图象软片（1∶336万或1∶100万）和高密度磁带（HDDT）。
图象精加工处理的目的在于进一步提高卫星遥感图象的几何精度。其作法是利用地面控制点精确校正粗加工处理后的图象面积和几何位置误差，将图象拟合或转换成一种正规的地图投影形式，并制成精密软片（1∶100万）和高密度磁带。
对粗加工图象产品或精加工图象产品均可经专门处理，转换成计算机兼容磁带（CCT）。
目前我国用于各种专题制图的卫星遥感图象多是粗加工产品。为了制图的需要，尤其是大比例尺专题制图的需要，在进行专题制图工作之前应对粗制图象产品进行必要的精处理。其大致过程是将70mm的粗制软片，利用地面控制点进行校正，并进行逐点的相关和比较计算，得出误差改正值，然后通过计算机统一按照地形图的高斯-克吕格投影扫描回放成1∶100万软片。有了精制图象资料之后，便可以进行各种合成放大处理，提取各种专题制图信息。
假若在制图前由于技术设备等条件限制不能对粗制产品进行几何纠正，则可对解译后的专题界线以地形图上控制点作为控制，使用调焦转绘仪转绘，亦可以采取先将地形图按粗制影象产品纠正，并转绘专题内容的界线，然后再按地形图重新校正回来。
（三）遥感图象的解译
遥感图象信息的解译方法通常可以归纳为：目视解译与计算机自动识别两大类。
目视解译方法是目前最普遍、最基本的方法。其特点是人用肉眼对卫星象片或胶片图象的灰度和色调进行专题内容的解译工作。为了提高目视解译的效果，通常根据解译专题内容的具体要求，对遥感图象进行必要的光学增强处理工作。
电子计算机自动识别方法是克服肉眼分辨能力局限性的一种快速准确的解译方法。但这种方法受各种条件的限制，目前尚不能普及。
遥感图象的目视解译方法和步骤如下。
1.解译方法通常采用的解译方法有直接判定法、对比分析法和逻辑推理法。
直接判定法：通过色调、形态、组合特征等直接解译标志来判定和识别地物，如水体、居民地等。
对比分析法：采用不同波段、不同时期的卫星图象，各种地物波谱的测试数据及其他有关地面调查材料，进行对比分析，将原来不易区分开的地物区分开。
逻辑推理法：由于卫星图象的比例尺小，地面分辨率较低，许多地面景物不能靠直接判定和对比分析解译出来，而主要靠解译人员的专业知识和实践经验，应用地学规律进行相关分析的逻辑推理方法进行解译。
2.解译步骤包括解译前的准备工作、建立解译标志、室内解译、野外验证等。
解译前准备工作：选定作为解译用的基础影象，并且搜集与图象解译内容有关的各种图件资料和文字资料，熟悉解译地区的基本情况，并制订解译工作计划。
建立解译标志：首先在室内通过对卫星图象的分析研究，确定野外考察的典型路线和典型地段，然后通过卫星图象的野外实地对照、验证，从而建立各种地物目标在图象上的解译标志。卫星图象的目视解译标志，主要有图象的色调、形态、组合特征等。
室内解译：首先对具体解译区域进行宏观分析，建立总的概念，然后再根据解译标志，进行专题内容的识别与分析。
野外验证：在解译工作完成之后，为保证解译结果的准确性，必须通过野外抽样调查，对解译中的疑点作进一步核实，并对解译完成的专题影象草图加以修改和完善。
（四）基础底图的编制
利用遥感影象资料解译编制各种专题地图，其最终成果是将影象图转化为线划图。因此，基础底图的编制工作是关系到专题制图质量的重要前提。用于遥感影象资料制图的底图，必须有合乎要求的数学基础和地理基础，只有这样才能为转绘影象图上专题内容提供明显而足够的定性、定量、定位的控制依据，以便提高各种专题要素描绘的科学性和准确性，并有助于各种要素间的统一协调。
根据上述要求，基础底图的编制必须解决两方面问题：一是底图的数学基础，必须解决由影象图转化为线划图对数学基础的要求；二是底图的地理基础，必须使国家基本地形图的地理基础和影象相吻合。
具体制作工艺，要根据制图的目的、对象、比例尺、影象资料情况而定。下面简要介绍一下应用TM的精加工影象资料编制大比例尺专题图时，基础底图的制作工艺。
1.制作影象基础底图由于TM可以提供同一地区的多幅影象，必须确定其中一幅为基础影象，以免因时相不同造成解译对象的位置和图形差异，给转绘带来困难。因此，首先应选定基础影象，然后进行精纠正、合成、放大，制成供编制基础底图和野外考察及室内解释用的影象基础底图，其比例尺可比成图比例尺大一些。
野外考察用的影象基础底图，可以采取印刷合成，制印成胶版纸的影象基础底图，其优点是成本低，便于携带，适于填图；室内解释用的影象基础底图，可以采取光学合成，制成感光像纸的影象基础底图。
2.制作线划基础底图精纠正的TM影象的数学基础和地形图的数学基础近似，可以满足影象图转化为线划图的精度要求。因此，选择制图区域范围内相应比例尺的地形图并进行展点、镶嵌、照像，制成线划地形基础底图薄膜片，然后将地形基础底图薄膜片蒙在影象基础底图上，根据影象基础底图上解译的地理基础，更新地形基础底图上的地理基础（主要是水系要素），并对地形图上原有的地理要素进行适当的取舍，最后制成供转绘专题影象图上专题内容界线的线划基础底图。通常这种线划基础底图有水系、居民点、道路、境界和地貌结构线等，其比例尺同影象基础底图。与此同时，进一步可编制出成图用的地理基础——出版底图。
（五）专题内容的转绘
1.目估转绘法当制图的比例尺比较小，要求的精度不太高，图斑界线又比较简单的情况下，可采用目估方法转绘。具体作法：将已经解译完并绘在聚脂薄膜片上的铅笔线划的专题图仍然蒙在基础影象上，以底图上的地理基础作控制，用目估方法将专题要素的图斑界线转绘到绘有等高线的基础底图上。
2.蒙片转绘法当解译完的铅笔线划图和转绘用的基础底图比例尺完全一致的情况下，才适宜采用这种转绘方法。具体作法：将供转绘用的基础底图蒙在解译后的绘有专题要素图斑界线的聚脂薄膜线划图上，以水系、居民点等基础要素作控制，按先中央后边缘的顺序，分块叠合蒙绘。如果解译用的基础影象是经过精纠正的，那么叠合蒙绘的精度会更高。
3.仪器转绘法当用于解译的基础影象与用于转绘的基础底图之间的数学基础不一致时，则必须采用仪器转绘。从图象到地图的转绘工作，最好通过卫星图象转绘仪进行。运用图象转绘仪转绘的基本原理是，通过目镜将图象放大到和地图的比例尺一致，并且通过地图上事先选好的控制点进一步纠正图象，使图象和地图严密吻合。这样就可以通过目镜把判读的内容直接转绘到地图上。目前国内常用的仪器是美国波士伦（Bausch＆Lamb）公司的ZT-4型转绘仪（Zoom
Transfer Scope）。大型航测纠正仪亦可用于较精确的纠正转绘工作。
（六）整饰复制
对转绘完的地图图稿校核无误后，即可进行清绘、着色等一系列整饰工作，制成专题图。如果需印刷复制，则要绘成出版原图，再交付印刷。
四、遥感影象地图及其编制
（一）影象地图的特点
影象地图是以航空或卫星遥感影象直接反映制图物体的地图。影象是经过纠正的正射象片；符号和注记按一定原则选用。从影象上容易识别的地物（居民地、河流）不另加符号，直接由影象显示；影象不能显示或识别有困难的内容（如等高线、高程点等），则以符号或注记表示。
影象地图和线划地图相比具有以下特点：
1.由于它是以丰富的影象细节去表现区域的地理外貌，比单纯使用线划、符号的线划地图信息量丰富，而且生动形象，富于表现力。
2.由于它是以简单的线划符号和注记表示影象无法显示或需要计量的地物，弥补了单纯用影象表现地物的不足。因而减少了制图的工作量，缩短了地图的成图周期。
（二）影象地图的种类
影象地图按其内容可分为普通影象地图和专题影象地图。
普通影象地图是在影象的基础上增添了一些最基本的线划、符号，如等高线、居民地、交通网、境界线等。普通影象地图根据需要不同，可以制成黑白普通影象地图、彩色影象地图、单波段的影象地图、多波段合成的影象地图等。
专题影象地图是以普通影象地图为背景，通过解译，增加了简明扼要的表明专题要素位置和轮廓界线的线划、符号和少量注记的一种影象地图。
（三）普通卫星影象地图的制作途径
影象地图的制作分为常规制作方法和计算机制作方法两种。
常规方法利用常规方法制作影象地图的步骤是：搜集资料并制定具体工作方案；象片处理，包括几何纠正、控制放大与晒象；制作影象版，主要是象片镶嵌，关键要掌握好图象间的色彩或色调的平衡；影象判读与表示，将影象判读的结果表示在影象版上；常规制图处理，分别制作地物版、地貌版、线划版、注记版；特殊处理，主要是解决加绘坐标网线问题；最后是印刷。
计算机方法编制简单的卫星影象地图，只要把图象和地图资料、编图的基本数据、以及一些专用程序输入计算机，计算机便可以输出已编好的影象地图或分版图。编制内容复杂的卫星影象地图，计算机难以独立完成，需要人去帮助解决一些复杂的制图问题。