1、数字高程模型数字高程模型第五章第五章 DEM可视化表达可视化表达5.1 DEM可视化表达概述可视化表达概述DEM实现了地形表面的数字化表达，但信息实现了地形表面的数字化表达，但信息隐含，地形可读性差隐含，地形可读性差-需要一种技术以增强需要一种技术以增强DEM的地形表达效果，即的地形表达效果，即DEM地形可视化地形可视化技术技术-以以DEM为基础实现对地形的直观表为基础实现对地形的直观表达。达。5.1.1 地形可视化概念地形可视化概念可视化可视化可视化（Visualization）是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象、自然景观以及十分抽象的概念图像化，以便理解现象，观察其模拟和计算
2、的过程和结果，发现规律和传播知识。可视化是信息的直观表达，其目的是为了使人们更容易理解数据和信息的意义。根据可视化技术的特点及其对象可视化可分为：科学计算可视化（visualization in science computing）与信息可视化（visualization in imformation）科学计算可视化：是指运用计算机图形学和计算机图像处理技术将科学计算过程中的数据及其计算结果的数据转换为图像，在屏幕上显示出来并进行处理。它涉及到三维数据场的可视化、计算过程的交互控制与引导、图像生成与图像处理的并行算法、面向图形的程序设计环境、图像传输的宽带网络和协议以及虚拟现实技术等。科学计算
3、可视化的核心是将三维数据转换为图像，实现三维数据场的可视化，它涉及到标量、矢量的可视化、流场的可视化、数值模拟及计算的交互控制、海量数据的存储、处理及传输、图形及图像处理的向量及并行算法等。科学计算可视化的应用：医学医疗、地震勘探、气象预报、分子结构、流体力学、有限元分析、天体物理、海洋观察、地理信息、洪水预报、环境保护等社会经济与自然的各个方面，并发挥着重要的作用。信息可视化是一种帮助人们表现数据或挖掘数据隐含信息的手段，目的是辅助人们得出某种结论性的观点。科学计算可视化是指空间数据场的可视化，而信息可视化则是指非空间数据的可视化。信息可视化的研究内容：包括层次信息结构可视化、多维数据结构可
4、视化、时空数据结构可视化、网络运行状态可视化、分布环境算法可视化、网络浏览历史可视化等。其应用领域现已延伸至超级计算机性能评价、网络运行状态监控、海量数据存储结构监控、地理、人口、矿产和市场等方面。地形可视化地形可视化地形可视化主要研究基于DEM的地形显示、简化、仿真等内容，是计算机图形学的一个分支，属于科学计算可视化的范畴。传统地形表达方式：等高线地形图、剖面传统地形表达方式：等高线地形图、剖面线、沙盘等线、沙盘等-直观性差、制作费时直观性差、制作费时近代地形表达：以三维地形模拟和表达为近代地形表达：以三维地形模拟和表达为基本特征，伴随着计算机技术的发展而发基本特征，伴随着计算机技术的发展而
5、发展展-经历了三维地形图、实体图（模拟灰经历了三维地形图、实体图（模拟灰度图）三维地形图、高度真实感三维地形度图）三维地形图、高度真实感三维地形图三个阶段。图三个阶段。计算机图形学发展初期：只能绘制以线划符号表示的三维地形图，一般采用透视变换原理，按剖面方向消隐，地形表面没有经过光照模拟处理，虽然其地形起伏的立体感较强，但内容单调、信息贫乏、真实感差。20世纪60年代末以来：引用光照模型，绘制具有表面明暗灰度连续变化的地形实体模型图，其立体效果比三维线划图好并具有一定的真实感，但其信息量和实用性不够。20世纪90年代：随着计算机图形显示性能的提高，高度真实感图形生成算法不断出现和完善，地形可视
6、化显示进入高度真实感立体图绘制时期。三维地形可视化的基础高质量的DEM：影响可视化的精度高逼真度三维显示技术：影响地形可视化效果和速度，如：即投影变换、消隐与裁剪处理、光照模拟、图形描绘、纹理映射等相关技术为增强地形可视化的信息量和实用性，一般还要在可视化地形上叠加各类地面上的信息要素如道路、河流、植被、建筑物等，以反映实际的地表情况。5.1.2 地形（地形（DEM）可视化）可视化表达的基本类型表达的基本类型1 地形可视化从维数上来讲，可分为三类：一维可视化一般是指地形断面（纵断面，横断面），即通过图示的方式反映地形在给定方向上的起伏状况；二维可视化将三维地形表面投影到二维平面，并用约定的符号
7、进行表达，根据所采用的方式，二维可视化又有写景法、等高线法、分层设色法、明暗等高线、半色调符号表达等等；三维可视化试图通过计算机模拟的手段来恢复真实地形，包括线框透视、地貌晕渲、地形逼真显示、多分辨率地形模型等等。地形可视化方法2 地形可视化从数据源角度可分为:基于等高线DEM、格网DEM和不规则三角网DEM。不同类型可分别实现上述的一维、二维、三维可视化内容，但各自的应用范围和实现方式不同。TIN能较好地反映地形结构线等地形基本特征，但数据结构复杂，适用于小区域地形可视化和地形特征计算。格网DEM数据结构简单、易于与遥感影像集成，适用于大区域宏观地形特征。3 从技术角度，地形可视化有静态可视
8、化和交互式动态可视化两种。静态可视化将整个地形区域范围以二维或三维图形图像形式显示成一幅图像。动态可视化利用计算机动画技术，实现交互式地形浏览。4 从地形模拟角度，分为真实地形和模拟地形两类：真实地形是现实世界中真实地形的再现，具有非常高的真实度，一般是基于DEM实现的，特点是精度高，结构复杂，图形生成速度慢。模拟地形是当对地形的逼真度要求不高，只要满足感官上的要求，速度快，但不能和客观地形相对应。5 从纹理角度，地形可视化分为基于分形、基于遥感影像和基于纹理影像地形可视化三类。三种方法的实现过程相似，由于纹理来源不同，其纹理匹配和几何变换过程不同。5.2 地形一维可视化表达地形一维可视化表达
9、基本形式：地形剖面（地形断面）剖面线制作过程：在等高线图（格网DEM或TIN）上画一条线，指定一个端点为起点剖面线标记等高线与剖面线的交叉点，记录其高程以高程为纵轴，交叉点沿剖面线到起点的距离为横轴，作剖面图。一般情况下，距离变化比高程变化大得多，为反映地形起伏，常常要放大高程比例。将相邻一定间距的地形剖面相互连接，还可生成地形表面的立体模型。5.3 地形二维可视化表达地形的二维表达是把三维地形表面投影到平面上，并用约定的方式进行表达-等高线法、明暗等高线法、分层设色法等。1 等高线法：等高线是高程相等的相邻点的连线。等高线地形图是通过成组的具有一定间隔的（等高距）等高线族来表达地面的起伏形态
10、。等高线反映地面高程、山体、坡度、坡形、山脉走向等基本的地貌形态及其变化，缺点是无法描绘微小的地貌形态，所表示的地形起伏缺乏明暗变化。从DEM和TIN上提取等高线的步骤及其原理相似，并且与常规地形测绘中勾绘等高线原理一致：内插等高点：线性内插在所有格网边或三角形边内插判断出所有的等值点（指定等高线的高程）。追踪等高线，也称为等值点追踪：是指按一定的法则将同一条等高线上的离散的等高线点连接起来 内插出来的点是无序的，追踪的目的是把同一条等高线上相邻的点连接起来，形成一条完整的等高线。注记等高线：一般在计曲线上进行，在该条等值线上寻找一个比较平缓的地区作为注记位置。光滑等高线并输出：常用的光滑函数
11、有张力样条、分段三次多项式、斜轴抛物线、分段圆弧等，具体选择那种光滑方法要根据制图要求、等值点疏密程度和计算机的存储能力来确定。一个重要的要求是在等值线密集的情况下，必须保证等值线互不交叉和重叠。等高线法的优点是能详细刻画地貌特征、便于图上量测，不足之处在于它所表示的地形立体感不强,不便于初学者使用。因此,对等高线法进行了改进，相继提出了地貌晕渲制图法和等高线分层设色法。这两种方法虽然可以形成较好的视觉立体效果，但其弊端也是比较明显的，地貌晕渲法难以定量表示地形的起伏程度，分层设色法则对图例等要素干扰较大，在应用中受到一定的限制2 明暗等高线法：又称为波乌林法，由波乌林于1895年提出，基本理
12、论为：根据斜坡所对的光线方向确定等高线的明暗程度（阴坡面和阳坡面）；将受光部分的等高线饰为白色，背光部分的等高线饰为黑色；地图的底色为灰色。这种等高线地图利用受光面和背光面的白黑明暗对比，产生阶梯状的三维视觉效果。应用GIS软件实现明暗等高线地图的技术路线：生成研究区域的DEM；从DEM中按给定的等高距提取等高线，将生成的矢量等高线栅格化；从DEM上提取坡向，获得研究区的坡向图；根据入射光方向将坡向图划分为背光面和受光面两个部分；，例如，假定光源位于地面西北方向，则可将坡向为0 45、225 360 的部分划为受光面，坡向为45 225 的部分划分为背光面；将栅格化等高线图与划分背光受光的二值
13、坡向图进行融合，实现栅格化等高线二值分布，得到明暗等高线地图。明暗等高线的两个关键问题：（1）利用明暗等高线法表示地貌，坡向是决定明暗变化的唯一因素。由于坡向的变化，使地面产生亮暗的反差，进而形成了立体感。明暗等高线地图中根据坡向仅划分阳坡面与阴坡面，不受侧面的影响。同时，明暗等高线法表示地貌时用色不涉及坡度变化的影响。但在实际绘图中，由于地表坡度陡缓的变化，使得相同面积区域内等高线密集程度发生变化，从而形成了在阳坡面地面越陡白色等高线越集中，在阴坡面地面越陡黑色等高线越集中的表现结果。由此造成阳坡面上随坡度变陡而渐趋明亮，阴坡面上随坡度变陡而渐趋阴暗的视觉效果，使得整体效果增强。（2）明暗等
14、高线地图以灰色为底色,以黑、白二色为等高线的着色。黑、白、灰三种色仅有明度特征，因而明暗等高线地图基本是同种色之间的明度对比。黑、白二色属无彩色系，均为不含饱和度特性的色，因此明暗等高线地图以高明度色彩为主，明度差较大的对比。给人的视觉感受是光感强、体积感强，形象清晰、明朗、锐利。因此实际应用中等高线设色明度差不宜过大，以免造成生硬、空洞、简单化之感。灰色作为起衬托作用的底色，宜选择较为浅淡的颜色，一方面不会给读者造成刺目的感觉，另一方面对图上其他要素的干扰较小。3 分层设色法1）基于高程的分带设色：根据等高线划分出地形的高程带，逐层设置不同的颜色，用以表示地势起伏的一种方法。高程带的选择主要
15、根据用途及制图区域的地势起伏特征。设色基本要求是：各色层颜色既要有区别又要渐变过渡，以保证地势起伏的连续性；应用色彩的立体效应建立色层表，使设色具有立体感；具体选色应适当考虑地理景观色及人们的习惯，如蓝色表示海底地势、绿色表示平原、白色表示雪山、冰川等。分层设色法常与等高线、晕渲等配和使用。2）基于高程数据的灰度影像（半色调符号表示法）当地形以DEM表达时，可以对不同的高程数据赋予不同的灰度，从而通过不同的色调差异实现二维平面上的三维地形表达。该方法的关键是将高程数据转换为灰度域（0-255）中的灰度值（线性内插或非线性内插取决于地形变化情况）。该方法实现简单，但显示层次固定（最大256个），
16、如果研究区域的高差范围较大，显示的细节层次就越少。DEM灰度表达高程4 地形晕渲法又称为地貌晕渲法或阴影法，通过模拟太阳光对地面照射所产生的明暗程度，并用灰度色调或彩色输出，得到随光度仅以连续变化的色调，达到地形的明暗对比，使地貌的分布、起伏和形态显示具有一定的立体感，直观地表达地面起伏变化。利用DEM实现地貌晕渲的基本原理：确定光源方向计算DEM单元的坡度、坡向将坡向与光源方向比较，面向光源的斜坡得到浅色调灰度值，背光的斜坡得到深灰度值，二者之间的灰度之进一步按坡度确定。ArcInfo进一步考虑了太阳光的高度角，计算每个DEM格网单元的相对辐射值或入射值，进而转换成照明值或灰度值：相对辐射模
17、型：IR=Gmax*(cos(Af-As)sinHfcosHs+cosHfsinHs)入射辐射模型：IR=Gmax*(cosHf+cos(Af-As)sinHfcosHs)其中Gmax是最大灰度级（255）；Af:三角形或格网单元的坡向（0-360度）；As太阳方位角，即光源来向（0-360度）；Hf三角形或格网单元的坡度（0-90度）；Hs太阳高度角，即太阳光与地面的夹角（0-90度）。IR的取值范围是0-255，0最黑，255最亮。DEM hillshade表达高程(简化的晕渲制作方法)5.4 地形三维可视化表达的理论基础1 地形（DEM）三维显示的基本流程1）DEM三角形分割（TIN不需
18、此步骤）：三角形是最小的图形单元，大多数图形系统都以三角形作为运算的基本单元。格网细化处理：当DEM格网较大时地形模拟容易失真，进行逐层细化，每次进行二分处理（内插一变四），细化的终止条件是每个DEM格网单元在计算机屏幕上的投影面积在4个像素之内。格网三角划分：DEM的格网三角划分一般采用单对角线或双对角线剖分法，前者分为两个三角形，后者为4个三角形，对角线交点高程通过内插算法实现当格网单元足够细时，不同剖分方案对可视化效果影响不大。2）透视投影变换：建立地面点（DEM结点）与三维图象点之间的透视关系，由视点、视角、三维图象大小等参数确定即将DEM从其坐标系变换到屏幕坐标系。在三维环境下对三维
19、模型进行全方位观察时需要调整的参数：观察方位角 观察高度角 观察距离 垂直放大因子：当垂直比例尺与水平比例尺一致时，微观地貌很难显现，为突出小地形特征，要将高程放大一定倍数。3）光照模型建立一种能逼真反映地形表面明暗、彩色变化的数学模型，逐个计算每像素的灰度和颜色即计算景物表面上任一点投向观察着严重的光亮度大小和色彩组成。不同光照模型考虑的共同因素：光源位置 光源强度 视点位置 地面漫反射光 地面对光的反射和吸收特性4）消隐和裁剪：消去三维图形不可见部分裁减掉三维图形范围之外的部分。消隐：为增强图形的真实感、消除多义性，在显示过程中一般要消除三维实体中被遮挡的部分，包括隐藏线和隐藏面的消除。线
20、消隐采用二分法，通过对线段的逐步二分实现；面消隐算法主要有画家算法（深度优先算法）、缓冲算法、光线跟踪法、扫描线缓冲算法、区间扫描算法、区域子分割算法等。裁剪：在使用计算机处理图形信息时，计算机内部存储的图形比较大，而屏幕显示只是图的一部分。必须确定图象中那些落在屏幕之内和之外的部分，这个选择处理过程即为裁剪。裁剪处理的基础：点在区域内外的判断以及图形元素与区域边界求交。裁剪算法主要有Sutherland-Hodgeman算法和Weiler-Atherton算法等。5）图形绘制和存储 依据各种相应的算法绘制并显示各种类型的三维地形图，并按相应的文件存储。6）地物叠加 三维地图上叠加各种地物符号
21、、注记，并进行颜色、亮度、对比度的处理。5.5 地形三维可视化表达1 立体等高线模型借助于计算机技术，实现平面等高线构成的空间图象在平面上的立体体现。首先在DEM上计算等高线，然后进行屏幕坐标变换，最后进行消隐和裁剪。由于等高线图没有构成面元，不能进行明暗模拟。2 三维线框透视模型线框模型时三维对象的轮廓描述，用顶点和邻边来表示三维对象。其优点是结构简单、易于理解，数据量少，建模速度快缺点是没有面和体的特征，表面轮廓线随着视线方向的变化而变化，不能消除隐藏线，不能做任意剖切，不能进行两个面的求交等。3 地形三维表面模型在三维线框模型基础上，通过增加有关的面、表面特征、边的连接方向等信息，实现对
22、三维表面的以面为基础定义和描述。优点是可以进行面面求交，线面消除，明暗色彩等应用。4 地形三维景观模型纹理映射：图像的消隐、光照模拟、明暗处理等只能生成颜色单一的光滑景物表面，难以达到真实感图形的要求。真实的景物表面存在着丰富的纹理细节，一般将景物表面纹理细节的模拟称为纹理映射。纹理映射技术是把在一个纹理空间中制作的二维纹理图像映射到三维物体表面，关键是建立物体空间坐标与纹理空间坐标之间的对应关系。DEM地形三维场景中的纹理资源从专业摄影图片中获取实地摄影获取纹理图像从航天航空遥感图像中获取纹理直接以该地区的地形图或其他专题图景扫面得到的数字图像将该地区的矢量数据与地貌纹理图像复合，生成纹理图像通过分形产生纹理纹理匹配过程中要注意的问题：纹理图像的大小应与所绘制三维图象的大小相适应（分辨率太高产生庞大的纹理数据量，太小不适合，经验原则是纹理尺寸不应小于三维图形尺寸的1/2）纹理图像中的景物视角、视距应尽量与所要生成的三维地形图的视角、视距保持一致。纹理图像应选择亮度均匀的区域，避免阴影和强光部分的影像，这样在光照处理后可获得较理想的影影和起伏感。可以在一幅纹理图像中按一定格式构成多种纹理（山体植被、平原田野、居民低等），使三维地形图有选择和有控制地进行多种纹理的复合。
