计算机自动地貌晕渲法的研究

中国地质大学研究生课程论文封面课程名称现代地图学教师姓名王琪研究生姓名许庆艳研究生学号120090218研究生专业地图制图学与地理信息工程所在院系地球科学学院类别:硕士日期:2009年11月25日评语对课程论文的评语：平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。计算机自动地貌晕渲法的研究摘要本文首先对地貌晕渲的基本理论进行研究，通过对地貌晕渲基本知识、生成原理、相关技术的了解，进而对其中的两个方法进行实践操作。关键字地貌晕渲；数字地貌晕渲数字地貌晕渲制作方法引言由于晕渲地图具有形象美观、立体感强的特点，一直是表现地貌地势的一种常见手段。随着计算机、测绘等先进技术的不断发展，计算机自动生成晕渲技术得到了较为广泛的应用。本文主要研究地貌晕渲的基本理论、数字晕渲生成技术及制作方法，通过对这些基本知识的了解，能够在实践中进行操作运用。一、数字地貌晕渲的相关理论1.1地貌晕渲的基本理论地貌晕渲法经过了近两百年的发展，已经由最初的手工绘制发展为现在利用计算机技术以及海量的地理数据来进行快速的数字地貌晕渲图的制作。地貌晕渲法是根据假定光源对地面照射所产生的阴暗程度，用浓淡的墨色沿斜坡渲绘其阴影，造成明暗对比，显示地貌的分布、起伏和形态特征的一种方法[1]。这种方法和高线法、分层设色法等其它几种地貌表示法相比,具有立体感强,直观易读,对地貌形态的表达能力好等特点,此外该种表示手法还具有一定的艺术性和美感。①晕渲法依其光源位置不同，分为直照晕渲、斜照晕渲和综合照晕渲三种：直照晕渲：光线由天顶垂直照射地面，坡度大的地方渲染较浓，坡度小的地方渲染较淡。斜照晕渲：一般假设光线自西北方斜照，照射到不同高度和坡形的地面上，便形成明暗对比现象；据此，用不同浓淡的墨色来建立地貌的立体感。一般采取：向光部分着色，同时地势低的地方色调要略重于地势高的地方；而在背光的部分着色浓，坡度大的地方色调要重于坡度小的地方。综合照晕渲：直接晕渲与斜照晕渲相结合的一种方法。以斜照晕渲为主，显示地貌的立体效果；以直照晕渲为辅，补充斜照晕渲的不易表达之处，如深切河谷、陡坡等。②而根据着色的不同，可分为单色和彩色晕渲，而彩色晕渲又可以按地势、地貌类型、地里景观分别制定设色原则，通过色彩的浓淡、明暗和冷暖对比，使晕渲图形能更强烈、更逼真地建立立体感。晕渲法主要用于以下两个方面：（1）作为一种立体的地貌表示法，主要用于小比例尺地图，以及地区地势图、旅游图等专题地图上，以显示全图的地貌总体概念，效果较好。（2）作为辅助方法，配合其他地貌表示法，可以进一步增强地貌的立体效果，适用于大比例尺地形图、小比例尺地势图、典型地貌图等多种类型的地图；有等深线的海图上配以晕渲，可以明显的增强海底地貌的立体形态。1.2数字地貌晕渲随着计算机软硬件技术和显示技术的进步，可视化技术有了高速的发展。特别是多媒体技术、网络技术和虚拟现实技术的发展，为地貌的可视化也提供了更加广阔的发展空间。在此基础上，使用海量的空间地理数据并利用计算机技术来制作数字地貌晕渲图也得到了极大的研究与发展。数字地貌晕渲就是在计算机环境下进行地貌的自动晕渲,其技术的实现与应用将加快地图的生产过程,并对地图产品的质量起到重要的保证作用。地貌晕渲法由于其优点被广泛使用在多种地图上，并且由于数字地貌晕渲技术的发展，地貌晕渲图的使用范围也得到了极大的扩展。由于计算方便，计算机环境下的地貌晕渲方法不仅可以替代手工的晕渲方式来生成地貌晕渲图，还可以实现地貌从离散的模拟数据到连续图形的可视化再现。因为抽象的数据必须经过处理使之图形化、可视化才能符合人的认知需求。因此，随着GIS技术的应用，地貌晕渲法作为一种在计算机中使地貌快速可视化的方法也有着广泛的应用。在GIS软件中，常使用晕渲法来可视化一个DEM或TIN数据，以达到对抽象的地理数据的形象可视化，或者使用晕渲的方法，来进行地形分析等功能的可视化。例如，用同一个色相来显示所有的TIN的三角面，根据它们的方向和倾斜度来决定每个三角面的亮度变化，然后通过选择倾斜度、方位角或者高程范围来察看三角面的倾斜度、方位角或者高程范围。[2]如在2001年ICA会议上展示的深圳市1∶5万地势图，是由1∶1万地形图缩编、拼接而成的,在生成1∶5万地理图基础上，叠加3维地貌晕渲而制作的地势图，其地理图内容包括主要道路、河流、居民地、境界等。叠加的晕渲，形象表达了深圳的地貌起伏，地势走向。这幅新版地图在表现方式上与传统的地图编辑制作有比较大的改变。它运用高科技手段，采用计算机地貌自动晕渲，使图面极富表现力和立体感。二、地貌晕渲生成技术[3]2.1生成方法(1)传统制作方法：在传统手工制图里，绘制者根据假定光源对地面照射所产生的明暗程度，用相应浓淡的墨色或彩色沿斜坡渲绘其阴影，造成明暗对比，以显示地貌的分布、起伏和形态特征。此法对绘制者手工技术水平要求很高，工作量大，难度也较高，生产效率较低。(2)计算机辅助人工晕渲。在计算机制图的初期阶段，晕渲图的绘制方法主要是用软件如Photoshop进行色彩渲染，绘制者依然需要依据晕渲法的基本原理，根据自己的主观判断，用画笔代替人手，用相应浓淡的墨色或彩色沿斜坡渲绘其阴影。但是这一方法仍要求绘制者具有较高的晕渲理论基础和技术水平，工作量仍然很大，难度也较高，同时要求绘制者具有较高的图形图像处理能力。(3)计算机自动生成晕渲。计算机自动生成晕渲技术是计算机根据提供的高程数据，按照晕渲法的基本原理，自动用相应浓淡的墨色或彩色沿斜坡渲绘其阴影，以自动化的方式代替人工判读相关信息来表达地形的起伏。在计算机晕渲出现以后，自动晕渲地图以快速、准确、美观的特点取代了传统方法。2.2地貌晕渲地图的制作过程国内地貌晕渲地图常见的表现形式是晕渲图作为地图背景，在其上叠加矢量地图要素。通过DEM生成的晕渲图和矢量要素叠加，不仅真实地模拟了地貌形态，也可以直观地看出地面各要素与地形的关系；同时，由于晕渲图空间上与实际地形保持着精确的几何关系，而且从色彩、灰度、阴影及表面纹理、透视关系等方面也与实际地形一致，表达的地物非常美观、生动、形象，具有较强的欣赏价值和使用价值。为了能够使晕渲图和矢量要素叠加时完全套合，需要两者具有相同的数学基础。如果dem与矢量地图数据的数学基础不同，则一定要首先通过坐标转换及地图投影变换使其具有一致的数学基础。三、数字地貌晕渲制作的方法数字地貌晕渲的基本方法是利用制图区域的等高线数据或地表高程数据,在确定光照模型、光源位置、地表垂直比例和水平比例的基础上,形成具有阴影和明暗变化的制图区域晕渲图像,然后对其进行地图投影计算和变换,保证它与地图上其它要素的精确套合,最后利用图像编辑修改软件对计算机地貌晕渲效果不理想的局部进行修改加工,满意合格后绘图输出或送印前系统输出胶片。[4]这种开发的计算机地貌自动晕渲软件可以对图像进行创建、读写及存贮；完成了DEM数据的生成与简化；实现了计算机晕渲图像的生成、屏幕显示和标准格式的文件记录；对晕渲图像进行地图投影变换，保证了它和地图上其它要素的精确套合；生成的等高线底图图像，为晕渲图像的检查和修改提供了条件。基于不同的可生成地貌晕渲图的软件，可以从等高线自动生成晕渲图，包括灰度晕渲图、分层设色晕渲图等不同效果。而它们所使用的基础地理数据不论是等高线数据，还是其它地貌数据，最终都需要通过DEM数据来制作晕渲图，利用解析晕渲的算法来计算灰度值，普遍没有考虑不同的地貌特征和地理的复杂性，另外，不同的软件下使用相同的参数得到的结果不同。软件一般不支持对生成的晕渲图像进行修改，也就不提供相应的修改工具，如果需要修改和加工，往往要依靠其它如Photoshop等图像软件，因此，绝大多数软件最终生成的晕渲图像都是在Photoshop软件中做进一步的修改与完善。控制晕渲图像最终质量的因素要归于DEM数据的质量和空间分辨率、制图者的经验、对数据的认识与对使用的软件及方法的选择。国内外生成地貌晕渲的软件有MAPCAD、GeoStar、方正智绘、PhotoMapper、ArcGIS、ArcInfo、ERDAS等。其中，MAPCAD是武汉中地信息工程有限公司研制开发的计算机彩色地图编辑出版系统；GeoStar是武汉吉奥信息工程技术有限公司研制的一个大型地理信息系统基础软件；方正智绘是北大方正技术研究院开发的全数字地图出版与地理数据采集平台；PhotoMapper是中国测绘科学研究学院开发的数字正射影像制图软件系统；ArcGIS、ArcInfo地理信息系统软件则专长于地理分析；ERDAS是遥感图像处理软件，可方便地处理栅格与矢量数据。各种软件的数字地貌晕渲具体实现则不在此进行叙述，而主要基于前人的实践探讨一下几个制作方法的地貌晕渲效果：方正3D制作的晕渲效果最好，纹理细腻、层次丰富,但光照条件不好掌握，分幅制作时，各分幅之间存在色调差异，阴阳坡有时相逆，给以后的色彩调整增加难度；Arc/Info制作效果其次，颗粒较粗、层次丰富、色调一致；ERDAS制作效果较差；颗粒粗、层次不很丰富、色调基本一致,还有一些小格网[5]。而尽管自动晕渲技术现已相当成熟，自动晕渲的产品也有很多，但是，无论在国内还是国外，自动晕渲离完全实用都还有一定的距离，主要是因为目前自动晕渲还不能准确表示所有的地貌形态，尤其是微地貌和一些特殊地貌，还不能满足用户快速处理海量数据的要求，还不能支持混合光照，还不能根据局部地形进行局部光线方向的自动调整。而这些都是现在国内外研究的热点和自动晕渲技术发展的趋势。四、两种数字地貌晕渲方法的实践应用现有的软件和数据，对数字地貌晕渲方法进行实践操作生成。软件：ArcGIS、ERDAS数据：赣南某地区的数字线划数据1、基于ArcGIS的制作方法利用ArcGIS的功能模块可以方便地处理等高线矢量数据，同时可以内插高程点和特征点，更好地表现地形起伏和山顶等地貌特征。生成地貌晕渲图。基本过程如下：（1）在ARCMAP模块中打开数字线划地图DLG并生成DEM如图1；图1（2）在SpatialAnalyst—SurfaceAnalysis—HillShade，出现HillShade选项，在InputSurface中选择输入的Raster,Azimuth表示方位角为315，Altitude表示高度角为45。下面都使用缺省值；（3）生成如下图所示的地貌晕渲图（图2）图2ArcGIS生成地貌晕渲图2、基于ERDAS的制作方法（1）利用ERDAS中的文件转换工具import,将DEM转换为IMG格式，（2）选“interpreter-topographicAnalysis-shaderelief”,设置“inputDEM”和“outputfile”的输入输出路径（3）在“viewer”中将晕渲文件显示如图3。图3ERDAS生成地貌晕渲图3、小结本人以最浅显的地貌晕渲制作方法进行了实践操作，可得到如图2、图3的两幅地貌晕渲图。显而易见的，图2的效果要比图3突出；同时，在实践的操作过程中，在ArcGIS中的制作方法要比在ERDAS中的操作更加清晰明了，简单：在ArcGIS中的可以直接根据现有的高程值生成ＴＩＮ，再将ｔｉｎ转换成ＤＥＭ进而生成地貌晕渲图；而在ERDAS中不可以自身生成ＤＥＭ，这就降低了其操作客观性。五、总结利用计算机平台自动生成地貌晕渲，再辅以图形图像软件处理，可以得到效果较好的晕渲效果，这种方法在地形图为地形数据基础生成地貌晕渲时有着很好的应用前景。而通过对国内外自动地貌晕渲软件的研究，地貌自动晕渲想要在数字制图中完全达到实用化阶段还有一些问题有待解决。而本文旨在对数字晕渲技术基本理论的研究，并没有扩展到相关工程的实践例子中，对于数字地貌晕渲的更深层次的开发将在我以后的学习生涯中进行研究。参考文献[1]马永力，地图学教程[M]，南京大学出版社，2000.[2]李少梅.数字地貌晕渲理论与技术的研究.中国人民解放军信息工程大学博士