數字高程模型第五講可視化表達

數字高程模型第五講可視化表達5、1、1地形可視化概念可視化

可視化(Visualization)就是指運用計算機圖形圖像處理技術,將復雜得科學現象、自然景觀以及十分抽象得概念圖像化,以便理解現象,觀察其模擬和計算得過程和結果,發(fā)現規(guī)律和傳播知識。

可視化就是信息得直觀表達,其目得就是為了使人們更容易理解數據和信息得意義。

根據可視化技術得特點及其對象可視化可分為:科學計算可視化(visualizationinscienceputing)與信息可視化(visualizationinimformation)科學計算可視化:就是指運用計算機圖形學和計算機圖像處理技術將科學計算過程中得數據及其計算結果得數據轉換為圖像,在屏幕上顯示出來并進行處理。她涉及到三維數據場得可視化、計算過程得交互控制與引導、圖像生成與圖像處理得并行算法、面向圖形得程序設計環(huán)境、圖像傳輸得寬帶網絡和協議以及虛擬現實技術等?？茖W計算可視化得核心就是將三維數據轉換為圖像,實現三維數據場得可視化,她涉及到標量、矢量得可視化、流場得可視化、數值模擬及計算得交互控制、海量數據得存儲、處理及傳輸、圖形及圖像處理得向量及并行算法等。科學計算可視化得應用:醫(yī)學醫(yī)療、地震勘探、氣象預報、分子結構、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)境保護等社會經濟與自然得各個方面,并發(fā)揮著重要得作用。信息可視化就是一種幫助人們表現數據或挖掘數據隱含信息得手段,目得就是輔助人們得出某種結論性得觀點?？茖W計算可視化就是指空間數據場得可視化,而信息可視化則就是指非空間數據得可視化。信息可視化得研究內容:包括層次信息結構可視化、多維數據結構可視化、時空數據結構可視化、網絡運行狀態(tài)可視化、分布環(huán)境算法可視化、網絡瀏覽歷史可視化等。其應用領域現已延伸至超級計算機性能評價、網絡運行狀態(tài)監(jiān)控、海量數據存儲結構監(jiān)控、地理、人口、礦產和市場等方面。地形可視化

地形可視化主要研究基于DEM得地形顯示、簡化、仿真等內容,就是計算機圖形學得一個分支,屬于科學計算可視化得范疇。傳統地形表達方式: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,伴隨著計算機技術得發(fā)展而發(fā)展--經歷了三維地形圖、實體圖(模擬灰度圖)三維地形圖、高度真實感三維地形圖三個階段。10大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流計算機圖形學發(fā)展初期:只能繪制以線劃符號表示得三維地形圖,一般采用透視變換原理,按剖面方向消隱,地形表面沒有經過光照模擬處理,雖然其地形起伏得立體感較強,但內容單調、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)變化得地形實體模型圖,其立體效果比三維線劃圖好并具有一定得真實感,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得提高,高度真實感圖形生成算法不斷出現和完善,地形可視化顯示進入高度真實感立體圖繪制時期。三維地形可視化得基礎高質量得DEM:影響可視化得精度高逼真度三維顯示技術: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、紋理映射等相關技術為增強地形可視化得信息量和實用性,一般還要在可視化地形上疊加各類地面上得信息要素如道路、河流、植被、建筑物等,以反映實際得地表情況。5、1、2地形(DEM)可視化

表達得基本類型1地形可視化從維數上來講,可分為三類:

●一維可視化一般就是指地形斷面(縱斷面,橫斷面),即通過圖示得方式反映地形在給定方向上得起伏狀況;

●二維可視化將三維地形表面投影到二維平面,并用約定得符號進行表達,根據所采用得方式,二維可視化又有寫景法、等高線法、分層設色法、明暗等高線、半色調符號表達等等;

●三維可視化試圖通過計算機模擬得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地形可視化從數據源角度可分為:基于等高線DEM、格網DEM和不規(guī)則三角網DEM。不同類型可分別實現上述得一維、二維、三維可視化內容,但各自得應用范圍和實現方式不同。TIN能較好地反映地形結構線等地形基本特征,但數據結構復雜,適用于小區(qū)域地形可視化和地形特征計算。格網DEM數據結構簡單、易于與遙感影像集成,適用于大區(qū)域宏觀地形特征。3從技術角度,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,實現交互式地形瀏覽。4從地形模擬角度,分為真實地形和模擬地形兩類:真實地形就是現實世界中真實地形得再現,具有非常高得真實度,一般就是基于DEM實現得,特點就是精度高,結構復雜,圖形生成速度慢。模擬地形就是當對地形得逼真度要求不高,只要滿足感官上得要求,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。三種方法得實現過程相似,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得交叉點,記錄其高程以高程為縱軸,交叉點沿剖面線到起點得距離為橫軸,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。將相鄰一定間距得地形剖面相互連接,還可生成地形表面得立體模型。5、3地形二維可視化表達地形得二維表達就是把三維地形表面投影到平面上,并用約定得方式進行表達---等高線法、明暗等高線法、分層設色法等。1等高線法:等高線就是高程相等得相鄰點得連線。等高線地形圖就是通過成組得具有一定間隔得(等高距)等高線族來表達地面得起伏形態(tài)。等高線反映地面高程、山體、坡度、坡形、山脈走向等基本得地貌形態(tài)及其變化,缺點就是無法描繪微小得地貌形態(tài),所表示得地形起伏缺乏明暗變化。從DEM和TIN上提取等高線得步驟及其原理相似,并且與常規(guī)地形測繪中勾繪等高線原理一致:內插等高點:線性內插－在所有格網邊或三角形邊內插判斷出所有得等值點(指定等高線得高程)。追蹤等高線,也稱為等值點追蹤:就是指按一定得法則將同一條等高線上得離散得等高線點連接起來內插出來得點就是無序得,追蹤得目得就是把同一條等高線上相鄰得點連接起來,形成一條完整得等高線。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得地區(qū)作為注記位置。光滑等高線并輸出:常用得光滑函數有張力樣條、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制圖要求、等值點疏密程度和計算機得存儲能力來確定。一個重要得要求就是在等值線密集得情況下,必須保證等值線互不交叉和重疊。等高線法得優(yōu)點就是能詳細刻畫地貌特征、便于圖上量測,不足之處在于她所表示得地形立體感不強,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色法。這兩種方法雖然可以形成較好得視覺立體效果,但其弊端也就是比較明顯得,地貌暈渲法難以定量表示地形得起伏程度,分層設色法則對圖例等要素干擾較大,在應用中受到一定得限制2明暗等高線法:又稱為波烏林法,由波烏林于1895年提出,基本理論為:根據斜坡所對得光線方向確定等高線得明暗程度(陰坡面和陽坡面);將受光部分得等高線飾為白色,背光部分得等高線飾為黑色;地圖得底色為灰色。這種等高線地圖利用受光面和背光面得白黑明暗對比,產生階梯狀得三維視覺效果。應用GIS軟件實現明暗等高線地圖得技術路線:生成研究區(qū)域得DEM;從DEM中按給定得等高距提取等高線,將生成得矢量等高線柵格化;從DEM上提取坡向,獲得研究區(qū)得坡向圖;根據入射光方向將坡向圖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°得部分劃為受光面,坡向為45°~225°得部分劃分為背光面;將柵格化等高線圖與劃分背光受光得二值坡向圖進行融合,實現柵格化等高線二值分布,得到明暗等高線地圖。明暗等高線得兩個關鍵問題:(1)利用明暗等高線法表示地貌,坡向就是決定明暗變化得唯一因素。由于坡向得變化,使地面產生亮暗得反差,進而形成了立體感。明暗等高線地圖中根據坡向僅劃分陽坡面與陰坡面,不受側面得影響。同時,明暗等高線法表示地貌時用色不涉及坡度變化得影響。但在實際繪圖中,由于地表坡度陡緩得變化,使得相同面積區(qū)域內等高線密集程度發(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得表現結果。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得視覺效果,使得整體效果增強。(2)明暗等高線地圖以灰色為底色,以黑、白二色為等高線得著色。黑、白、灰三種色僅有明度特征,因而明暗等高線地圖基本就是同種色之間得明度對比。黑、白二色屬無彩色系,均為不含飽和度特性得色,因此明暗等高線地圖以高明度色彩為主,明度差較大得對比。給人得視覺感受就是光感強、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托作用得底色,宜選擇較為淺淡得顏色,一方面不會給讀者造成刺目得感覺,另一方面對圖上其她要素得干擾較小。3分層設色法1)基于高程得分帶設色:根據等高線劃分出地形得高程帶,逐層設置不同得顏色,用以表示地勢起伏得一種方法。高程帶得選擇主要根據用途及制圖區(qū)域得地勢起伏特征。設色基本要求就是:各色層顏色既要有區(qū)別又要漸變過渡,以保證地勢起伏得連續(xù)性;應用色彩得立體效應建立色層表,使設色具有立體感;具體選色應適當考慮地理景觀色及人們得習慣,如藍色表示海底地勢、綠色表示平原、白色表示雪山、冰川等。分層設色法常與等高線、暈渲等配和使用。2)基于高程數據得灰度影像(半色調符號表示法)當地形以DEM表達時,可以對不同得高程數據賦予不同得灰度,從而通過不同得色調差異實現二維平面上得三維地形表達。該方法得關鍵就是將高程數據轉換為灰度域(0-255)中得灰度值(線性內插或非線性內插—取決于地形變化情況)。該方法實現簡單,但顯示層次固定(最大256個),如果研究區(qū)域得高差范圍較大,顯示得細節(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生得明暗程度,并用灰度色調或彩色輸出,得到隨光度僅以連續(xù)變化得色調,達到地形得明暗對比,使地貌得分布、起伏和形態(tài)顯示具有一定得立體感,直觀地表達地面起伏變化。利用DEM實現地貌暈渲得基本原理:確定光源方向計算DEM單元得坡度、坡向將坡向與光源方向比較,面向光源得斜坡得到淺色調灰度值,背光得斜坡得到深灰度值,二者之間得灰度之進一步按坡度確定。ArcInfo進一步考慮了太陽光得高度角,計算每個DEM格網單元得相對輻射值或入射值,進而轉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就是最大灰度級(255);Af:三角形或格網單元得坡向(0-360度);As太陽方位角,即光源來向(0-360度);Hf三角形或格網單元得坡度(0-90度);Hs太陽高度角,即太陽光與地面得夾角(0-90度)。IR得取值范圍就是0-255,0最黑,255最亮。DEMhillshade表達高程(簡化得暈渲制作方法)5、4地形三維可視化表達得理論基礎1地形(DEM)三維顯示得基本流程1)DEM三角形分割(TIN不需此步驟):三角形就是最小得圖形單元,大多數圖形系統都以三角形作為運算得基本單元。格網細化處理:當DEM格網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(內插—一變四),細化得終止條件就是每個DEM格網單元在計算機屏幕上得投影面積在4個像素之內。格網三角劃分:DEM得格網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插算法實現—當格網單元足夠細時,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結點)與三維圖象點之間得透視關系,由視點、視角、三維圖象大小等參數確定—即將DEM從其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整得參數: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,為突出小地形特征,要將高程放大一定倍數。3)光照模型建立一種能逼真反映地形表面明暗、彩色變化得數學模型,逐個計算每像素得灰度和顏色－即計算景物表面上任一點投向觀察著嚴重得光亮度大小和色彩組成。不同光照模型考慮得共同因素:光源位置光源強度視點位置地面漫反射光地面對光得反射和吸收特性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得部分。消隱:為增強圖