數(shù)字高程模型第五講：DEM可視化表達(dá)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(dá)可視化表達(dá)5.1 DEM可視化表達(dá)概述可視化表達(dá)概述DEM實(shí)現(xiàn)了地形表面的數(shù)字化表達(dá)，但信息實(shí)現(xiàn)了地形表面的數(shù)字化表達(dá)，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(qiáng)需要一種技術(shù)以增強(qiáng)DEM的地形表達(dá)效果，即的地形表達(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)地形的直觀表為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形的直觀表達(dá)。達(dá)。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(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)，將復(fù)雜的科學(xué)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(jì)算

2、的過(guò)程和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和傳播知識(shí)?？梢暬切畔⒌闹庇^表達(dá)，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(diǎn)及其對(duì)象可視化可分為：科學(xué)計(jì)算可視化（visualization in science computing）與信息可視化（visualization in imformation）科學(xué)計(jì)算可視化： 是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)及其計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出來(lái)并進(jìn)行處理。 它涉及到三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化、計(jì)算過(guò)程的交互控制與引導(dǎo)、圖像生成與圖像處理的并行算法、面向圖形的程序設(shè)計(jì)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(shí)技術(shù)等。 科

3、學(xué)計(jì)算可視化的核心是將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化，它涉及到標(biāo)量、矢量的可視化、流場(chǎng)的可視化、數(shù)值模擬及計(jì)算的交互控制、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理及傳輸、圖形及圖像處理的向量及并行算法等。 科學(xué)計(jì)算可視化的應(yīng)用：醫(yī)學(xué)醫(yī)療、地震勘探、氣象預(yù)報(bào)、分子結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、有限元分析、天體物理、海洋觀察、地理信息、洪水預(yù)報(bào)、環(huán)境保護(hù)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然的各個(gè)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(diǎn)。 科學(xué)計(jì)算可視化是指空間數(shù)據(jù)場(chǎng)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?jī)?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(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)已延伸至超級(jí)計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)監(jiān)控、地理、人口、礦產(chǎn)和市場(chǎng)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(jiǎn)化、仿真等內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)分支，屬于科學(xué)計(jì)算可視化的范疇。 傳統(tǒng)地形表達(dá)方式：等高線地形圖、剖面?zhèn)鹘y(tǒng)地形表達(dá)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(fèi)時(shí)直觀性差、制作費(fèi)時(shí)近代地形表達(dá)：以三維地形模擬和表達(dá)為近代地形表達(dá)：以三維地形模擬和表達(dá)為基本特征，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)基本特征，伴隨著

5、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展展-經(jīng)歷了三維地形圖、實(shí)體圖（模擬灰經(jīng)歷了三維地形圖、實(shí)體圖（模擬灰度圖）三維地形圖、高度真實(shí)感三維地形度圖）三維地形圖、高度真實(shí)感三維地形圖三個(gè)階段。圖三個(gè)階段。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展初期：只能繪制以線劃符號(hào)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(méi)有經(jīng)過(guò)光照模擬處理，雖然其地形起伏的立體感較強(qiáng)，但內(nèi)容單調(diào)、信息貧乏、真實(shí)感差。20世紀(jì)60年代末以來(lái)：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(shí)體模型圖，其立體效果比三維線劃圖好并具有一定的真實(shí)感，但其信息量和實(shí)用性不夠。20世紀(jì)90年代：隨著計(jì)算機(jī)圖形顯示性能的提高，高度真實(shí)感圖形生成算法不斷出

6、現(xiàn)和完善，地形可視化顯示進(jìn)入高度真實(shí)感立體圖繪制時(shí)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(qiáng)地形可視化的信息量和實(shí)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(shí)際的地表情況。5.1.2 地形（地形（DEM）可視化）可視化表達(dá)的基本類型表達(dá)的基本類型1 地形可視化從維數(shù)上來(lái)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(guò)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(hào)進(jìn)行表達(dá)，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(hào)表達(dá)等等； 三維可視化試圖通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的手段來(lái)恢復(fù)真實(shí)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(shí)現(xiàn)上述的一維、二維、三維可視化內(nèi)容，但各自的應(yīng)用范圍和實(shí)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(fù)雜，適用于小區(qū)域地形可視化和地形特征計(jì)算。格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)可視化兩種。靜態(tài)可視化將整個(gè)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(dòng)態(tài)可視化利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交互式地形瀏覽。4 從地形模擬角度，分為真實(shí)地形和模擬地形兩類：真實(shí)地形是現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地形的再現(xiàn)，具有非常高的真實(shí)度，一般是基于DEM實(shí)現(xiàn)的，特點(diǎn)是精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圖形生成速度慢。模擬地形是當(dāng)對(duì)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(duì)應(yīng)。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(shí)現(xiàn)過(guò)程相似，由于紋理來(lái)源不同，其紋理匹配和幾何變換過(guò)程不同。5.2 地形一維

9、可視化表達(dá)地形一維可視化表達(dá)基本形式：地形剖面（地形斷面）剖面線制作過(guò)程：在等高線圖（格網(wǎng)DEM或TIN）上畫一條線，指定一個(gè)端點(diǎn)為起點(diǎn)剖面線標(biāo)記等高線與剖面線的交叉點(diǎn)，記錄其高程以高程為縱軸，交叉點(diǎn)沿剖面線到起點(diǎn)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(dá)地形的二維表達(dá)是把三維地形表面投影到平面上，并用約定的方式進(jìn)行表達(dá)-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(diǎn)的連線。等高線地形圖是通過(guò)成組的具有一定間隔的（等高距）

10、等高線族來(lái)表達(dá)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(diǎn)是無(wú)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(cè)繪中勾繪等高線原理一致：內(nèi)插等高點(diǎn)：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(diǎn)（指定等高線的高程）。追蹤等高線，也稱為等值點(diǎn)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(diǎn)連接起來(lái) 內(nèi)插出來(lái)的點(diǎn)是無(wú)序的，追蹤的目的是把同一條等高線上相鄰的點(diǎn)連接起來(lái)，形成一條完整的等高線。注記等高線：一般在計(jì)曲線上進(jìn)行，在該條等值線上尋找一個(gè)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(xiàng)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(diǎn)疏密程度和計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力來(lái)確定。 一個(gè)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(diǎn)是能詳細(xì)刻畫地貌特征、便于圖上量測(cè)，不足之處在于它所表示的地形立體感不強(qiáng),不便于初學(xué)者使用。因此,對(duì)等高線法進(jìn)行了改進(jìn)，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(jué)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(duì)圖例等要素干擾較大，在應(yīng)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(duì)的光線方向確定等高線的明暗程度（陰坡面和陽(yáng)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(duì)比，產(chǎn)生階梯狀的三維視覺(jué)效果。應(yīng)用GIS軟件實(shí)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(gè)部分；，例如，假定光源位于地面西北方向，則可將坡向?yàn)? 45 、225 360 的部分劃為受光面，坡向?yàn)?5 225 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(jìn)行融合，實(shí)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(jìn)而形成了立體感。明暗等高線地圖中根據(jù)坡向僅劃分陽(yáng)坡面與陰坡面，不受側(cè)面的影響。同時(shí)，明暗等高線法表示地貌時(shí)用色不涉及坡度變化的影響。但在實(shí)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(yáng)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(yáng)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(jué)效果，使得整體效果增強(qiáng)。（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(duì)比。黑、白二色屬無(wú)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(duì)比。給人的視覺(jué)感受是光感強(qiáng)、體積感強(qiáng)，形象清晰、明朗、銳利。因此實(shí)際應(yīng)用中等高線設(shè)色明度差不宜過(guò)大，以免造成生硬、空洞、簡(jiǎn)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(huì)給讀者造成刺目的感覺(jué)，另一方面對(duì)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(shì)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(shì)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(guò)渡，以保證地勢(shì)起伏的連續(xù)性；應(yīng)用色彩的立體效應(yīng)建立色層表，使設(shè)色具有立體感；具體選色應(yīng)適當(dāng)考慮地理景觀色及人們的習(xí)慣，如藍(lán)色表示海底地勢(shì)、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(hào)表示法）當(dāng)?shù)匦我訢EM表達(dá)時(shí)，可以對(duì)不同的高程數(shù)據(jù)賦予不同的灰度，從而通過(guò)不同的色調(diào)差異實(shí)現(xiàn)二維平面上的三維地形表達(dá)。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(shí)

16、現(xiàn)簡(jiǎn)單，但顯示層次固定（最大256個(gè)），如果研究區(qū)域的高差范圍較大，顯示的細(xì)節(jié)層次就越少。DEM灰度表達(dá)高程4 地形暈渲法又稱為地貌暈渲法或陰影法，通過(guò)模擬太陽(yáng)光對(duì)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(dá)到地形的明暗對(duì)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(dá)地面起伏變化。利用DEM實(shí)現(xiàn)地貌暈渲的基本原理：確定光源方向計(jì)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(jìn)一步按坡度確定。ArcInfo進(jìn)一步考慮了太陽(yáng)光的高度角，計(jì)算每個(gè)DEM格網(wǎng)單元的相對(duì)輻射值或入射

17、值，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成照明值或灰度值：相對(duì)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(jí)（255）；Af:三角形或格網(wǎng)單元的坡向（0-360度）；As太陽(yáng)方位角，即光源來(lái)向（0-360度）；Hf三角形或格網(wǎng)單元的坡度（0-90度）；Hs太陽(yáng)高度角，即太陽(yáng)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(dá)高程(簡(jiǎn)化的暈渲制作方法)5.4 地形三維可視化表達(dá)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(yùn)算的基本單元。格網(wǎng)細(xì)化處理：當(dāng)DEM格網(wǎng)較大時(shí)地形模擬容易失真，進(jìn)行逐層細(xì)化，每次進(jìn)行二分處理（內(nèi)插一變四），細(xì)化的終止條件是每個(gè)DEM格網(wǎng)單元在計(jì)算機(jī)屏幕上的投影面積在4個(gè)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(duì)角線或雙對(duì)角線剖分法，前者分為兩個(gè)三角形，后者為4個(gè)三角形，對(duì)角線交點(diǎn)高程通過(guò)內(nèi)插算法實(shí)現(xiàn)當(dāng)格網(wǎng)單元足夠細(xì)時(shí)，不同剖分方案對(duì)可視化效果影響不大。2）透視投影變換：建立地面點(diǎn)（DEM結(jié)點(diǎn)）與三維圖象點(diǎn)之間的透視關(guān)系，由視點(diǎn)、視角、三維圖象大小等參數(shù)確定即將DEM從其

19、坐標(biāo)系變換到屏幕坐標(biāo)系。在三維環(huán)境下對(duì)三維模型進(jìn)行全方位觀察時(shí)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(dāng)垂直比例尺與水平比例尺一致時(shí)，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(xué)模型，逐個(gè)計(jì)算每像素的灰度和顏色即計(jì)算景物表面上任一點(diǎn)投向觀察著嚴(yán)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(qiáng)度 視點(diǎn)位置 地面漫反射光 地面對(duì)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(qiáng)圖形的真實(shí)感、消除多義性，在顯示過(guò)程中一般要消除三維實(shí)

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(guò)對(duì)線段的逐步二分實(shí)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(jì)算機(jī)處理圖形信息時(shí)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)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(gè)選擇處理過(guò)程即為裁剪。 裁剪處理的基礎(chǔ)：點(diǎn)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(chǔ) 依據(jù)各種相應(yīng)的算法繪制并顯示各種類型的三維地形圖，并按相應(yīng)的文件存儲(chǔ)。6）地物疊加 三維地圖上疊加各種地物符號(hào)、注記，并進(jìn)行顏色、亮度、對(duì)比度的處理。5.5 地形三維可視化表達(dá)1 立體等高線模型借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)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(jì)算等高線，然后進(jìn)行屏幕坐標(biāo)變換，最后進(jìn)行消隱和裁剪。由于等高線圖沒(méi)有構(gòu)成面元，不能進(jìn)行明暗模擬。2 三維線框透視模型線框模型時(shí)三維對(duì)象的輪廓描述，