第5章DEM的可視化

第五章DEM的可視化本章主要內(nèi)容地形可視化概念地形一維可視化表達地形二維可視化表達地形三維可視化表達地形三維景觀模型地形場景漫游與動畫5.1概述5.1.1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(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，觀察其模擬和計算的過程和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和傳播知識。根據(jù)可視化技術(shù)的特點及其對象的不同，可視化可分為科學(xué)計算可視化（VisualizationinScienceComputing）與信息可視化（VisualizationinInformation）兩種類型?？茖W(xué)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?？茖W(xué)計算可視化：是指運用計算機圖形學(xué)和計算機圖像處理技術(shù)將科學(xué)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(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?？茖W(xué)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(biāo)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?？茖W(xué)計算可視化的應(yīng)用：醫(yī)學(xué)醫(yī)療、地震勘探、氣象預(yù)報、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、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?？茖W(xué)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、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(yīng)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。可視化研究的意義：目前大量的數(shù)據(jù)沒有被有效的利用，原因之一就是這些數(shù)據(jù)以其他的形式（如比特）存放，這就需要可視化的手段和知識得到普及。實現(xiàn)人與人和人與機之間的圖象通訊，而不是目前的文字或數(shù)字通訊，從而使人們觀察到傳統(tǒng)方法難以觀察到的現(xiàn)象和規(guī)律?？梢暬夹g(shù)可以使人類不僅被動地得到計算結(jié)果，而且知道在計算過程中發(fā)生了什么現(xiàn)象，并可通過改變參數(shù)，觀察其影響，對計算過程實現(xiàn)引導(dǎo)和控制。5.1.2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(xué)的一個分支，屬于科學(xué)計算可視化的范疇。其發(fā)展過程如下圖。5.1.2地形可視化傳統(tǒng)的表達方式：等高線地形圖、剖面線、沙盤等---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基本特征，伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展—經(jīng)歷了三維地形圖、實體型（模擬灰度圖）三維地形圖、高度真實感三維地形圖三個階段。5.1.2地形可視化計算機圖形學(xué)發(fā)展初期：限于計算機處理速度和顯示器分辨率等，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(jì)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且具有一定的真實感，但其信息量和實用性不夠。20世紀(jì)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。（1）地形可視化表達的維數(shù)劃分地形可視化從維度上來講，可分為三類，即一維可視化、二維可視化和三維可視化。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(fù)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。（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(yīng)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(fù)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）技術(shù)角度分為靜態(tài)可視化和交互式動態(tài)可視化靜態(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）地形角度分為真實地形和模擬地形真實地形是現(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(fù)雜，圖形生成速度慢。模擬地形是當(dāng)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(yīng)。（5）紋理角度分為基于分形（分形幾何學(xué)是一門以非規(guī)則幾何形態(tài)為研究對象的幾何學(xué)。海岸線作為曲線，其特征是極不規(guī)則、極不光滑的，呈現(xiàn)極其蜿蜒復(fù)雜的變化。我們不能從形狀和結(jié)構(gòu)上區(qū)分這部分海岸與那部分海岸有什么本質(zhì)的不同，這種幾乎同樣程度的不規(guī)則性和復(fù)雜性，說明海岸線在形貌上是自相似的，也就是局部形態(tài)和整體態(tài)的相似。）基于遙感影像基于紋理影像三種方法的實現(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地形一維可視化表達地形一維可視化表達的基本形式是地形剖面。地形剖面刻畫沿一條直線或曲線在垂直方向上的地形起伏情況。是工程中常用的一種地形起伏表達形式，特別是現(xiàn)狀工程如公路、鐵路、渠道等。制作過程：（1）在等高線圖上畫一條線；

（2）標(biāo)記等高線與剖面線的交叉點，并記錄其高程；

（3）以高程為縱軸，距離為橫軸，做圖。5.3地形二維可視化表達地形二維可視化表達是把三維地形表面投影到屏幕上，并用約定的方式進行表達。常用的二維表達方式有等高線法、明暗等高線、高程分層設(shè)色等。5.3.1等高線法：等高線是高程相等的相鄰點的連線，是地形表達最為常用的形式，能較為科學(xué)地反映地面高程、山體、坡度、坡形、山脈走向等基本的地貌形態(tài)及其變化。等高線法制作過程：（1）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）。（2）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的相鄰的點連接起來，形成一條完整的等高線。（3）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。（4）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，具體選擇哪種光滑方法要根據(jù)制圖要求、等值點疏密程度和計算機的存儲能力來確定。5.3.2明暗等高線法：根據(jù)斜坡所對的光線方向確定等高線的明暗程度，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，地圖的底色飾為灰色。提出明暗等高線表達的理論基礎(chǔ)（1）等高線法地形立體感不強，不便于初學(xué)者使用；

（2）地貌暈渲法難以定量表達地形的起伏程度；

（3）分層設(shè)色法則對圖例等要素干擾較大。明暗等高線制作方法：（1）傳統(tǒng)手工繪制

（2）計算機繪制明暗等高線制作技術(shù)路線：（1）生成研究區(qū)域DEM；（2）從DEM中按給定等高距提取等高線，并柵格化；（3）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0o-45o、225o-360o的部分劃分為受光面；坡向為45o-225o的部分劃分為背光面；（4）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。明暗等高線制作的兩個關(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視覺效果，使得整體效果增強。明暗等高線制作的兩個關(guān)鍵問題：（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(yīng)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。5.3.3分層設(shè)色法：地形的分層設(shè)色包含兩種類型，即基于常規(guī)的高程分帶設(shè)色和基于高程數(shù)據(jù)的灰度影像（半色調(diào)符號表示法）。（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：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(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，如藍色表示海底地勢、綠色表示平原、白色表示雪山和冰川等。分層設(shè)色法常與等高線、暈渲等配合使用。（2）基于高程數(shù)據(jù)的灰度影像（半色調(diào)符號表示法）：當(dāng)?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）。該方法實現(xiàn)簡單，但顯示層次固定（最大256個），如果研究區(qū)域的高度范圍較大，顯示的細(xì)節(jié)層次就越少。DEM灰度表達高程5.3.4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，得到隨光度近似連續(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，二者之間的灰度值進一步按坡度確定。地形暈渲法DEMHillshade

表達高程（簡化的暈渲制作方法）綜合方法綜合方法5.4地形三維可視化表達的理論基礎(chǔ)5.4.1地形（DEM）三維顯示的基本流程：（1）DEM三角形分割（TIN不需要此步驟）：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(xì)化處理：當(dāng)DEM格網(wǎng)較大時地形模擬容易失真，進行逐層細(xì)化，每次進行二分處理（內(nèi)插——一變四），細(xì)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(dāng)格網(wǎng)單元足夠細(xì)時，不同剖分方案對可視化效果影響不大。

柵格DEM的三角形分割（2）透視投影變換：投影變換（projectiontransformation）是將一種地圖投影點的坐標(biāo)變換為另一種地圖投影點的坐標(biāo)的過程。建立地面點（DEM結(jié)點）與三維圖像點之間的透視關(guān)系，由視點、視角、三維圖像大小等參數(shù)確定——即將DEM從其坐標(biāo)系變換到屏幕坐標(biāo)系。把三維物體變換為二維圖形的過程稱為投影變換。其基本原理包括兩個方面：即投影變換和消隱處理。根據(jù)投影中心與投影平面之間的距離的不同，投影可以分為平行投影和透視投影。平行投影：如果把中心投影法的投射中心移至無窮遠處，則各投射線成為相互平行的直線，這種投影法稱為平行投影法。又可分為斜投影法和正投影法。平行投影法特點：投影大小與物體和投影面之間的距離無關(guān)。度量性較好。

注：工程圖樣大多數(shù)采用正投影法（簡單，角度唯一）。透視投影：是用中心投影法將形體投射到投影面上，從而獲得的一種較為接近視覺效果的單面投影圖。透視投影法特點：它具有距離感、相同大小的形體呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化等一系列的透視特性，能逼真地反映形體的空間形象。也稱為透視圖。在建筑設(shè)計過程中，透視圖常用來表達設(shè)計對象的外貌，幫助設(shè)計構(gòu)思，研究和比較建筑物的空間造型和立面處理，是建筑設(shè)計中重要的輔助圖樣。透視投影符合人們心理習(xí)慣，即離視點近的物體大，離視點遠的物體小。它的視景體類似于一個頂部和底部都被切除掉的棱椎，也就是棱臺。這個投影通常用于動畫、視覺仿真以及其它許多具有真實性反映的方面（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，逐個計算每個像素的灰度和顏色——即計算景物表面上任一點投向觀察者眼中的光亮度大小和色彩組成。由于光照在三維物體表面上時各部分的明暗不同，因此，三維地面顯示的逼真性在很大程度上取決于明暗效應(yīng)的模擬。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對光的反射和吸收特性不同光照下的三維地形（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）、Z緩沖算法、光線跟蹤法、掃描線Z緩沖法、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。必須確定圖像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(yīng)的算法繪制并顯示各種類型的三維地形圖，并按相應(yīng)文件存儲。（6）地物疊加三維地圖上疊加各種地物符號、標(biāo)記，并進行顏色、亮度、對比度的處理。5.5.1三維線框透視模型：線框模型是對三維對象的輪廓描述，用頂點和鄰邊來表示三維對象。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、易于理解，數(shù)據(jù)量小，建模速度快。缺點：沒有面和體的特征，表面輪廓線隨著視線方向的變化而變化，不能消除隱藏線，不能做任意剖切，不能進行兩個面的求交等。5.5地形三維可視化表達5.5.2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)成的空間圖像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(biāo)變換，最后進行消隱和裁剪。平面等高線立體等高線5.5.3地形三維表面模型：在三維線框模型基礎(chǔ)上，通過增加有關(guān)的面、表面特征、邊的連接方向等信息，實現(xiàn)對三維表面的以面為基礎(chǔ)定義和描述。優(yōu)點：可以進行面面求交，線面消除，明暗色彩等應(yīng)用。5.5.4地形三維景觀模型：紋理映射：圖像的消隱、光照模擬、明暗處理等只能生成顏色單一的光滑景物表面，難以達到真實感圖形的要求，真實的景物表面存在著豐富的紋理細(xì)節(jié)，一般將景物表面紋理細(xì)節(jié)的模擬稱為紋理映射。紋理映射技術(shù)是把在一個紋理空間中制作的二維紋理圖像映射到三維物體表面，關(guān)鍵是建立空間坐標(biāo)與紋理空間坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系。紋理映射為了彌補上述灰度圖像只是表示地形起伏情況的不足，就需要表現(xiàn)出地表的各要素特征，即可以通過添加表面細(xì)節(jié)來達成，這種在三維物體上加繪的細(xì)節(jié)稱為紋理。根據(jù)紋理圖像的外觀可將其分為顏色紋理和凸凹紋理。顏色紋理主要用來表現(xiàn)表面較為光滑但有紋理圖案的物體，如刨光的木材、從較高的高空觀察的地景等。凸凹紋理則用來表現(xiàn)外觀凸凹不平如未磨光的石材、從近處觀察的地景或從高空觀察的地景(把地球理解為一個表面光滑的球，面的起伏作為紋理)等。生成顏色紋理的一般方法是在一個平面區(qū)域上預(yù)先定義紋理圖案，然后建立物體表面的點與紋理空間的點之間的對應(yīng)關(guān)系，此即所謂的紋理映射。生成凹凸紋理的方法是