數(shù)字高程模型第五講：DEM可視化表達課件

1、數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型第五章第五章 DEM可視化表達可視化表達5.1 DEM可視化表達概述可視化表達概述DEM實現(xiàn)了地形表面的數(shù)字化表達，但信息實現(xiàn)了地形表面的數(shù)字化表達，但信息隱含，地形可讀性差隱含，地形可讀性差-需要一種技術(shù)以增強需要一種技術(shù)以增強DEM的地形表達效果，即的地形表達效果，即DEM地形可視化地形可視化技術(shù)技術(shù)-以以DEM為基礎(chǔ)實現(xiàn)對地形的直觀表為基礎(chǔ)實現(xiàn)對地形的直觀表達。達。5.1.1 地形可視化概念地形可視化概念可視化可視化可視化（Visualization）是指運用計算機圖形圖像處理技術(shù)，將復雜的科學現(xiàn)象、自然景觀以及十分抽象的概念圖像化，以便理解現(xiàn)象，觀察其模擬和計算

2、的過程和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和傳播知識?？梢暬切畔⒌闹庇^表達，其目的是為了使人們更容易理解數(shù)據(jù)和信息的意義。根據(jù)可視化技術(shù)的特點及其對象可視化可分為：科學計算可視化（visualization in science computing）與信息可視化（visualization in imformation）科學計算可視化： 是指運用計算機圖形學和計算機圖像處理技術(shù)將科學計算過程中的數(shù)據(jù)及其計算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出來并進行處理。 它涉及到三維數(shù)據(jù)場的可視化、計算過程的交互控制與引導、圖像生成與圖像處理的并行算法、面向圖形的程序設(shè)計環(huán)境、圖像傳輸?shù)膶拵ЬW(wǎng)絡(luò)和協(xié)議以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。 科

3、學計算可視化的核心是將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)場的可視化，它涉及到標量、矢量的可視化、流場的可視化、數(shù)值模擬及計算的交互控制、海量數(shù)據(jù)的存儲、處理及傳輸、圖形及圖像處理的向量及并行算法等。 科學計算可視化的應用：醫(yī)學醫(yī)療、地震勘探、氣象預報、分子結(jié)構(gòu)、流體力學、有限元分析、天體物理、海洋觀察、地理信息、洪水預報、環(huán)境保護等社會經(jīng)濟與自然的各個方面，并發(fā)揮著重要的作用。 信息可視化是一種幫助人們表現(xiàn)數(shù)據(jù)或挖掘數(shù)據(jù)隱含信息的手段，目的是輔助人們得出某種結(jié)論性的觀點。 科學計算可視化是指空間數(shù)據(jù)場的可視化，而信息可視化則是指非空間數(shù)據(jù)的可視化。信息可視化的研究內(nèi)容： 包括層次信息結(jié)構(gòu)可視化、

4、多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化、時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化、網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)可視化、分布環(huán)境算法可視化、網(wǎng)絡(luò)瀏覽歷史可視化等。 其應用領(lǐng)域現(xiàn)已延伸至超級計算機性能評價、網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)監(jiān)控、海量數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)監(jiān)控、地理、人口、礦產(chǎn)和市場等方面。地形可視化地形可視化地形可視化主要研究基于DEM的地形顯示、簡化、仿真等內(nèi)容，是計算機圖形學的一個分支，屬于科學計算可視化的范疇。 傳統(tǒng)地形表達方式：等高線地形圖、剖面?zhèn)鹘y(tǒng)地形表達方式：等高線地形圖、剖面線、沙盤等線、沙盤等-直觀性差、制作費時直觀性差、制作費時近代地形表達：以三維地形模擬和表達為近代地形表達：以三維地形模擬和表達為基本特征，伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)基本特征，伴隨著

5、計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展展-經(jīng)歷了三維地形圖、實體圖（模擬灰經(jīng)歷了三維地形圖、實體圖（模擬灰度圖）三維地形圖、高度真實感三維地形度圖）三維地形圖、高度真實感三維地形圖三個階段。圖三個階段。計算機圖形學發(fā)展初期：只能繪制以線劃符號表示的三維地形圖，一般采用透視變換原理，按剖面方向消隱，地形表面沒有經(jīng)過光照模擬處理，雖然其地形起伏的立體感較強，但內(nèi)容單調(diào)、信息貧乏、真實感差。20世紀60年代末以來：引用光照模型，繪制具有表面明暗灰度連續(xù)變化的地形實體模型圖，其立體效果比三維線劃圖好并具有一定的真實感，但其信息量和實用性不夠。20世紀90年代：隨著計算機圖形顯示性能的提高，高度真實感圖形生成算法不斷出

6、現(xiàn)和完善，地形可視化顯示進入高度真實感立體圖繪制時期。三維地形可視化的基礎(chǔ)高質(zhì)量的DEM：影響可視化的精度高逼真度三維顯示技術(shù)：影響地形可視化效果和速度，如：即投影變換、消隱與裁剪處理、光照模擬、圖形描繪、紋理映射等相關(guān)技術(shù)為增強地形可視化的信息量和實用性，一般還要在可視化地形上疊加各類地面上的信息要素如道路、河流、植被、建筑物等，以反映實際的地表情況。5.1.2 地形（地形（DEM）可視化）可視化表達的基本類型表達的基本類型1 地形可視化從維數(shù)上來講，可分為三類： 一維可視化一般是指地形斷面（縱斷面，橫斷面），即通過圖示的方式反映地形在給定方向上的起伏狀況； 二維可視化將三維地形表面投影到二

7、維平面，并用約定的符號進行表達，根據(jù)所采用的方式，二維可視化又有寫景法、等高線法、分層設(shè)色法、明暗等高線、半色調(diào)符號表達等等； 三維可視化試圖通過計算機模擬的手段來恢復真實地形，包括線框透視、地貌暈渲、地形逼真顯示、多分辨率地形模型等等。 地形可視化方法2 地形可視化從數(shù)據(jù)源角度可分為: 基于等高線DEM、格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)DEM。不同類型可分別實現(xiàn)上述的一維、二維、三維可視化內(nèi)容，但各自的應用范圍和實現(xiàn)方式不同。TIN能較好地反映地形結(jié)構(gòu)線等地形基本特征，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，適用于小區(qū)域地形可視化和地形特征計算。格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、易于與遙感影像集成，適用于大區(qū)域宏觀地形特征。3 從技

8、術(shù)角度，地形可視化有靜態(tài)可視化和交互式動態(tài)可視化兩種。靜態(tài)可視化將整個地形區(qū)域范圍以二維或三維圖形圖像形式顯示成一幅圖像。動態(tài)可視化利用計算機動畫技術(shù)，實現(xiàn)交互式地形瀏覽。4 從地形模擬角度，分為真實地形和模擬地形兩類：真實地形是現(xiàn)實世界中真實地形的再現(xiàn)，具有非常高的真實度，一般是基于DEM實現(xiàn)的，特點是精度高，結(jié)構(gòu)復雜，圖形生成速度慢。模擬地形是當對地形的逼真度要求不高，只要滿足感官上的要求，速度快，但不能和客觀地形相對應。5 從紋理角度，地形可視化分為基于分形、基于遙感影像和基于紋理影像地形可視化三類。三種方法的實現(xiàn)過程相似，由于紋理來源不同，其紋理匹配和幾何變換過程不同。5.2 地形一維

9、可視化表達地形一維可視化表達基本形式：地形剖面（地形斷面）剖面線制作過程：在等高線圖（格網(wǎng)DEM或TIN）上畫一條線，指定一個端點為起點剖面線標記等高線與剖面線的交叉點，記錄其高程以高程為縱軸，交叉點沿剖面線到起點的距離為橫軸，作剖面圖。一般情況下，距離變化比高程變化大得多，為反映地形起伏，常常要放大高程比例。將相鄰一定間距的地形剖面相互連接，還可生成地形表面的立體模型。5.3 地形二維可視化表達地形的二維表達是把三維地形表面投影到平面上，并用約定的方式進行表達-等高線法、明暗等高線法、分層設(shè)色法等。1 等高線法：等高線是高程相等的相鄰點的連線。等高線地形圖是通過成組的具有一定間隔的（等高距）

10、等高線族來表達地面的起伏形態(tài)。 等高線反映地面高程、山體、坡度、坡形、山脈走向等基本的地貌形態(tài)及其變化， 缺點是無法描繪微小的地貌形態(tài)，所表示的地形起伏缺乏明暗變化。從DEM和TIN上提取等高線的步驟及其原理相似，并且與常規(guī)地形測繪中勾繪等高線原理一致：內(nèi)插等高點：線性內(nèi)插在所有格網(wǎng)邊或三角形邊內(nèi)插判斷出所有的等值點（指定等高線的高程）。追蹤等高線，也稱為等值點追蹤：是指按一定的法則將同一條等高線上的離散的等高線點連接起來 內(nèi)插出來的點是無序的，追蹤的目的是把同一條等高線上相鄰的點連接起來，形成一條完整的等高線。注記等高線：一般在計曲線上進行，在該條等值線上尋找一個比較平緩的地區(qū)作為注記位置。

11、光滑等高線并輸出：常用的光滑函數(shù)有張力樣條、分段三次多項式、斜軸拋物線、分段圓弧等，具體選擇那種光滑方法要根據(jù)制圖要求、等值點疏密程度和計算機的存儲能力來確定。 一個重要的要求是在等值線密集的情況下，必須保證等值線互不交叉和重疊。 等高線法的優(yōu)點是能詳細刻畫地貌特征、便于圖上量測，不足之處在于它所表示的地形立體感不強,不便于初學者使用。因此,對等高線法進行了改進，相繼提出了地貌暈渲制圖法和等高線分層設(shè)色法。 這兩種方法雖然可以形成較好的視覺立體效果，但其弊端也是比較明顯的，地貌暈渲法難以定量表示地形的起伏程度，分層設(shè)色法則對圖例等要素干擾較大，在應用中受到一定的限制2 明暗等高線法：又稱為波烏

12、林法，由波烏林于1895年提出，基本理論為：根據(jù)斜坡所對的光線方向確定等高線的明暗程度（陰坡面和陽坡面）；將受光部分的等高線飾為白色，背光部分的等高線飾為黑色；地圖的底色為灰色。這種等高線地圖利用受光面和背光面的白黑明暗對比，產(chǎn)生階梯狀的三維視覺效果。應用GIS軟件實現(xiàn)明暗等高線地圖的技術(shù)路線：生成研究區(qū)域的DEM；從DEM中按給定的等高距提取等高線，將生成的矢量等高線柵格化；從DEM上提取坡向，獲得研究區(qū)的坡向圖；根據(jù)入射光方向?qū)⑵孪驁D劃分為背光面和受光面兩個部分；，例如，假定光源位于地面西北方向，則可將坡向為0 45 、225 360 的部分劃為受光面，坡向為45 225 的部分劃分為背光

13、面；將柵格化等高線圖與劃分背光受光的二值坡向圖進行融合，實現(xiàn)柵格化等高線二值分布，得到明暗等高線地圖。明暗等高線的兩個關(guān)鍵問題：（1）利用明暗等高線法表示地貌，坡向是決定明暗變化的唯一因素。由于坡向的變化，使地面產(chǎn)生亮暗的反差，進而形成了立體感。明暗等高線地圖中根據(jù)坡向僅劃分陽坡面與陰坡面，不受側(cè)面的影響。同時，明暗等高線法表示地貌時用色不涉及坡度變化的影響。但在實際繪圖中，由于地表坡度陡緩的變化，使得相同面積區(qū)域內(nèi)等高線密集程度發(fā)生變化，從而形成了在陽坡面地面越陡白色等高線越集中，在陰坡面地面越陡黑色等高線越集中的表現(xiàn)結(jié)果。由此造成陽坡面上隨坡度變陡而漸趨明亮，陰坡面上隨坡度變陡而漸趨陰暗的

14、視覺效果，使得整體效果增強。（2）明暗等高線地圖以灰色為底色,以黑、白二色為等高線的著色。黑、白、灰三種色僅有明度特征，因而明暗等高線地圖基本是同種色之間的明度對比。黑、白二色屬無彩色系，均為不含飽和度特性的色，因此明暗等高線地圖以高明度色彩為主，明度差較大的對比。給人的視覺感受是光感強、體積感強，形象清晰、明朗、銳利。因此實際應用中等高線設(shè)色明度差不宜過大，以免造成生硬、空洞、簡單化之感?；疑鳛槠鹨r托作用的底色，宜選擇較為淺淡的顏色，一方面不會給讀者造成刺目的感覺，另一方面對圖上其他要素的干擾較小。3 分層設(shè)色法1）基于高程的分帶設(shè)色：根據(jù)等高線劃分出地形的高程帶，逐層設(shè)置不同的顏色，用以

15、表示地勢起伏的一種方法。高程帶的選擇主要根據(jù)用途及制圖區(qū)域的地勢起伏特征。設(shè)色基本要求是：各色層顏色既要有區(qū)別又要漸變過渡，以保證地勢起伏的連續(xù)性；應用色彩的立體效應建立色層表，使設(shè)色具有立體感；具體選色應適當考慮地理景觀色及人們的習慣，如藍色表示海底地勢、綠色表示平原、白色表示雪山、冰川等。分層設(shè)色法常與等高線、暈渲等配和使用。2）基于高程數(shù)據(jù)的灰度影像（半色調(diào)符號表示法）當?shù)匦我訢EM表達時，可以對不同的高程數(shù)據(jù)賦予不同的灰度，從而通過不同的色調(diào)差異實現(xiàn)二維平面上的三維地形表達。該方法的關(guān)鍵是將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為灰度域（0-255）中的灰度值（線性內(nèi)插或非線性內(nèi)插取決于地形變化情況）。該方法實

16、現(xiàn)簡單，但顯示層次固定（最大256個），如果研究區(qū)域的高差范圍較大，顯示的細節(jié)層次就越少。DEM灰度表達高程4 地形暈渲法又稱為地貌暈渲法或陰影法，通過模擬太陽光對地面照射所產(chǎn)生的明暗程度，并用灰度色調(diào)或彩色輸出，得到隨光度僅以連續(xù)變化的色調(diào)，達到地形的明暗對比，使地貌的分布、起伏和形態(tài)顯示具有一定的立體感，直觀地表達地面起伏變化。利用DEM實現(xiàn)地貌暈渲的基本原理：確定光源方向計算DEM單元的坡度、坡向?qū)⑵孪蚺c光源方向比較，面向光源的斜坡得到淺色調(diào)灰度值，背光的斜坡得到深灰度值，二者之間的灰度之進一步按坡度確定。ArcInfo進一步考慮了太陽光的高度角，計算每個DEM格網(wǎng)單元的相對輻射值或入射

17、值，進而轉(zhuǎn)換成照明值或灰度值：相對輻射模型：IR=Gmax*(cos(Af-As)sinHfcosHs+cosHfsinHs)入射輻射模型：IR=Gmax*(cosHf+cos(Af-As)sinHfcosHs)其中Gmax是最大灰度級（255）；Af:三角形或格網(wǎng)單元的坡向（0-360度）；As太陽方位角，即光源來向（0-360度）；Hf三角形或格網(wǎng)單元的坡度（0-90度）；Hs太陽高度角，即太陽光與地面的夾角（0-90度）。IR的取值范圍是0-255，0最黑，255最亮。 DEM hillshade表達高程(簡化的暈渲制作方法)5.4 地形三維可視化表達的理論基礎(chǔ)1 地形（DEM）三維顯示

18、的基本流程1）DEM三角形分割（TIN不需此步驟）：三角形是最小的圖形單元，大多數(shù)圖形系統(tǒng)都以三角形作為運算的基本單元。格網(wǎng)細化處理：當DEM格網(wǎng)較大時地形模擬容易失真，進行逐層細化，每次進行二分處理（內(nèi)插一變四），細化的終止條件是每個DEM格網(wǎng)單元在計算機屏幕上的投影面積在4個像素之內(nèi)。格網(wǎng)三角劃分：DEM的格網(wǎng)三角劃分一般采用單對角線或雙對角線剖分法，前者分為兩個三角形，后者為4個三角形，對角線交點高程通過內(nèi)插算法實現(xiàn)當格網(wǎng)單元足夠細時，不同剖分方案對可視化效果影響不大。2）透視投影變換：建立地面點（DEM結(jié)點）與三維圖象點之間的透視關(guān)系，由視點、視角、三維圖象大小等參數(shù)確定即將DEM從其

19、坐標系變換到屏幕坐標系。在三維環(huán)境下對三維模型進行全方位觀察時需要調(diào)整的參數(shù)： 觀察方位角 觀察高度角 觀察距離 垂直放大因子：當垂直比例尺與水平比例尺一致時，微觀地貌很難顯現(xiàn)，為突出小地形特征，要將高程放大一定倍數(shù)。3）光照模型建立一種能逼真反映地形表面明暗、彩色變化的數(shù)學模型，逐個計算每像素的灰度和顏色即計算景物表面上任一點投向觀察著嚴重的光亮度大小和色彩組成。不同光照模型考慮的共同因素： 光源位置 光源強度 視點位置 地面漫反射光 地面對光的反射和吸收特性4）消隱和裁剪：消去三維圖形不可見部分裁減掉三維圖形范圍之外的部分。消隱：為增強圖形的真實感、消除多義性，在顯示過程中一般要消除三維實

20、體中被遮擋的部分，包括隱藏線和隱藏面的消除。 線消隱采用二分法，通過對線段的逐步二分實現(xiàn)； 面消隱算法主要有畫家算法（深度優(yōu)先算法）、緩沖算法、光線跟蹤法、掃描線緩沖算法、區(qū)間掃描算法、區(qū)域子分割算法等。裁剪：在使用計算機處理圖形信息時，計算機內(nèi)部存儲的圖形比較大，而屏幕顯示只是圖的一部分。必須確定圖象中那些落在屏幕之內(nèi)和之外的部分，這個選擇處理過程即為裁剪。 裁剪處理的基礎(chǔ)：點在區(qū)域內(nèi)外的判斷以及圖形元素與區(qū)域邊界求交。 裁剪算法主要有Sutherland-Hodgeman算法和Weiler-Atherton算法等。5）圖形繪制和存儲 依據(jù)各種相應的算法繪制并顯示各種類型的三維地形圖，并按相應的文件存儲。6）地物疊加 三維地圖上疊加各種地物符號、注記，并進行顏色、亮度、對比度的處理。5.5 地形三維可視化表達1 立體等高線模型借助于計算機技術(shù)，實現(xiàn)平面等高線構(gòu)成的空間圖象在平面上的立體體現(xiàn)。首先在DEM上計算等高線，然后進行屏幕坐標變換，最后進行消隱和裁剪。由于等高線圖沒有構(gòu)成面元，不能進行明暗模擬。2 三維線框透視模型線框模型時三維對象的輪廓描述，