基于“山脈影像提取”方法制作地貌暈渲

解智強，杜清運，郭貴州，蔡忠亮，王貴武

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430070；2.昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南 昆明 650041； 3.湖北省地圖院，湖北 武漢430074）

基于“山脈影像提取”方法制作地貌暈渲

解智強1,2，杜清運1，郭貴州3，蔡忠亮1，王貴武2

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430070；2.昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南 昆明 650041； 3.湖北省地圖院，湖北 武漢430074）

分析了DOM和DEM在制作數(shù)字地貌暈渲過程中各自的優(yōu)劣性。利用滇池盆地高質(zhì)量GIS數(shù)據(jù)，提出一種提取山脈DOM與分層設(shè)色DEM集成的數(shù)字地貌暈渲制作方法。能很好地突顯地貌暈渲效果，解決傳統(tǒng)地貌暈渲過程中存在的2項技術(shù)問題：①以DEM制作地貌暈渲不能顯示地物要素；②以DOM制作地貌暈渲地貌表現(xiàn)效果欠缺。用文中所敘述的方法制作地貌暈渲在視覺上更具美感，可在影像地圖編制中推廣應(yīng)用。

DOM； DEM；數(shù)字地貌暈渲；貼面數(shù)據(jù)

關(guān)于地貌暈渲的制作方法，制圖工作者進行了大量研究實踐。計算機技術(shù)出現(xiàn)以前，手工繪制是唯一的地貌暈渲繪制方法，中國清代的《黃河圖》是古代以山水畫取代暈渲地圖繪制的成功作品，見圖1。計算機數(shù)字制圖時代，暈渲以其在地圖制作過程中的獨特作用成為地圖學(xué)研究的熱點。其中，李少梅等以地貌暈渲圖生成的基本理論出發(fā)，利用軟件開發(fā)平臺進行自主研發(fā)，實現(xiàn)了計算機地貌暈渲，并以天山山脈為例進行了實踐（1995）；張忠探討了利用圖形圖像處理軟件CorelDRAW和Photoshop進行地貌暈渲的可能性（2001）。在理論方面，郭慶勝等研究了地貌暈渲中光源的使用和用色規(guī)則（2003）；李霖建設(shè)了分層設(shè)色與地貌暈渲的關(guān)系模型（2006）。這些研究為現(xiàn)代地貌暈渲制作提供了理論和實踐基礎(chǔ)[1]。

圖1 中國清代《黃河圖》以畫家手繪的方法完成山體地貌的繪制

1 數(shù)字地貌暈渲的常用制作方法及其優(yōu)劣性分析

數(shù)字地貌的主要制作文件為制圖區(qū)域內(nèi)的DEM和DOM 數(shù)據(jù)，DEM和DOM在地貌暈渲的制作過程中分別發(fā)揮不同的作用。DEM主要作用是：①生成地形文件，展示地面起伏的效果；②生成地形的陰影文件，展示不同光照角度下地形陰影發(fā)生的變化，并根據(jù)這種變化選擇地貌暈渲生成的角度；③通過DEM的分層設(shè)色為暈渲表示不同類別的地形提供直接的DEM的貼面依據(jù)，比如在雪域、高原地區(qū)和平原丘陵地區(qū)使用不同的色系進行分層設(shè)色（圖2）。DOM 在暈渲制作過程中的作用主要是加載到DEM表面形成貼面。

圖2 不同地理區(qū)域的分層設(shè)色形成的DEM貼面數(shù)據(jù)

目前數(shù)字地貌暈渲制作主要有2種手段。第一種方法是以DEM為背景的地貌暈渲，這種方法實現(xiàn)的過程是：按照高程數(shù)據(jù)將DEM轉(zhuǎn)換成分層設(shè)色數(shù)據(jù)和地貌陰影數(shù)據(jù)，通過ArcGIS等軟件加載這兩項數(shù)據(jù)，生成DEM模型，并取其俯視角度輸出高分辨率圖片制作為地貌暈渲。這種方法能很好地解決地面起伏山脈在地圖上的展示，并通過分層設(shè)色技術(shù)解決不同地區(qū)的地形顏色表示（如谷歌地圖以該方法表示地球上不同位置的地形數(shù)據(jù)）[2,3]。該方法的主要問題是，暈渲體本身不能加載豐富的地形信息，只能加載矢量數(shù)據(jù)，減弱了暈渲體的地物定位功能（圖3a）。另外一種方法是以DOM為背景，即將未進行分層設(shè)色的DEM和DOM直接進行疊加，生成以影像為貼面的三維立體模型，并取其俯視角度生成地貌暈渲。這種方法能夠應(yīng)用于三維立體影像地圖的制作，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)所攜帶的地物信息的定位與識別，但生成DEM后不能很好地突出地形的要素特征，地形顯示效果較差（圖3b）。另，DOM本身帶有的不能改變陰影區(qū)域會與DEM按照任意角度生成的陰影在地圖表現(xiàn)時發(fā)生矛盾。

圖3 2種手段生成的暈渲效果圖

2 突出DEM和DOM數(shù)據(jù)優(yōu)勢制作地貌暈渲

2.1 實現(xiàn)思想

本研究提出的制作地貌暈渲的方法主要是針對上述DEM制作方法所提出的?？梢愿玫貞?yīng)用和處理現(xiàn)有的DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更直觀的地形表達及地貌暈渲制作，同時顧及真實的地理場景的影響。以前文提到的第一種方法，以分層設(shè)色的DEM數(shù)據(jù)為暈渲制作的基礎(chǔ)，以暈渲的重要表示對象——山脈DOM數(shù)據(jù)為研究重點，將該區(qū)域的高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中的山脈部分進行一定比例的透明化處理后直接加載到上述DEM數(shù)據(jù)上，讓帶有分層設(shè)色的DEM直接突出于經(jīng)過透明化的影像數(shù)據(jù)，輸出上述疊加后的圖像，生成DEM的最終貼面以制作數(shù)字暈渲[4]。這樣做的好處是：①以影像數(shù)據(jù)替代分層設(shè)色數(shù)據(jù)為DEM的貼面，使DEM具有一定的地理信息并能夠?qū)崿F(xiàn)定位；②利用影像數(shù)據(jù)透明化處理，使DEM本身攜帶的地形起伏信息能夠突出展現(xiàn)在以影像為背景的暈渲地貌中，保證暈渲地貌具有良好的地形特征，并解決不透明影像數(shù)據(jù)做貼面造成的地貌暈渲色彩雜亂的問題；③經(jīng)過影像和DEM分層設(shè)色及色階的不斷調(diào)節(jié)，使地貌暈渲能夠更好地反映制圖區(qū)域的客觀實際或?qū)崿F(xiàn)不同暈渲制圖背景的需求。

2.2 實現(xiàn)步驟與關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1）數(shù)據(jù)準備。①影像數(shù)據(jù)是經(jīng)過融色處理后的彩色衛(wèi)星影像（制作大范圍的DEM）或經(jīng)過拼接的高分辨率的數(shù)字航空影像數(shù)據(jù)（制作大比例尺，小面積的DEM）；②DEM數(shù)據(jù)由制圖區(qū)域的等高線、不規(guī)則高程點生成的三角網(wǎng)或LiDAR數(shù)據(jù)生成，數(shù)據(jù)格式為grid柵格文件。

2）控制基礎(chǔ)。DEM 和DOM的準確坐標統(tǒng)一，即統(tǒng)一到制圖區(qū)域所需的實際坐標系統(tǒng)中。影像數(shù)據(jù)通過制作DOM的技術(shù)規(guī)范進行投影及空間位置的校正，DEM數(shù)據(jù)文件也經(jīng)過同樣的投影及坐標進行校正，為后續(xù)的兩種數(shù)據(jù)嚴格套合奠定基礎(chǔ)。

3）山脈影像數(shù)據(jù)提取。這是本研究中最關(guān)鍵一環(huán)，這部分工作在Photoshop軟件下實施。這一步驟基于的方法是：地貌暈渲主要是突出山脈的作用，因此需要將影像數(shù)據(jù)中的山脈部分取出，研究過程中將這種方法稱為“山脈影像提取”方法，即在影像上有山脈出現(xiàn)的地方將其數(shù)據(jù)取下，獨自生成一個山脈群的影像數(shù)據(jù)（詳見圖4a）。為促進山脈影像與周圍地物實現(xiàn)順利過渡，山脈影像周圍進行10%的羽化處理，處理完畢后將其在原位置粘貼成為一個新的圖層。此刻，原DOM數(shù)據(jù)分為2個圖層，一個是“山脈”部分的圖層，另外一個是“平地”部分的圖層，在Photoshop軟件下，將“山脈”圖層進行50%的透明化處理（詳見圖4b）。

4）DEM分層設(shè)色。按照傳統(tǒng)的暈渲制作方法，將DEM數(shù)據(jù)分為2部分進行處理，一部分是分層設(shè)色，另外一部分是地形，這2項工作均在ArcGIS軟件中完成。在利用DEM數(shù)據(jù)制作暈渲時的色彩分級時，按照不同地理區(qū)域的顏色特征，將地貌顏色色階分為32～64個級別，因為其上已經(jīng)有透明化的DOM山體覆蓋，因此色階的各顏色RGB值可以適當偏弱,同時為突出DEM在表現(xiàn)過程中的美觀性，之后生成以分層設(shè)色為貼面的地貌暈渲?？紤]到專題地圖制作的藝術(shù)性，在DEM生成地形文件時，可以對其高度進行適當夸張，即突出顯示地面數(shù)字高程模型的正向地貌，以滿足專題地圖中突出正向山脈的藝術(shù)初衷，但注意地形不能變形嚴重[5,6]。

5）利用ArcGIS的空間校正工具將上述生成的DOM和DEM數(shù)據(jù)分別統(tǒng)一到同樣的直角坐標系統(tǒng)里面,導(dǎo)入Photoshop軟件進行疊加,以高分辨率的手段輸出geoTIF文件，即完成本研究需要的最終DEM的貼面數(shù)據(jù)（詳見圖4c）[7,8]。本研究方法實現(xiàn)的技術(shù)路線見圖5。

圖4 影像提取法制作地貌暈渲的過程

圖5 實現(xiàn)的技術(shù)路線與作業(yè)流程

2.3 實現(xiàn)效果分析

1）該方法主要處理的對象是DOM數(shù)據(jù),因此,生成的地貌暈渲比傳統(tǒng)的以DEM分層設(shè)色為主的地貌暈渲顏色偏暗,但暈渲本身則要生動許多,同時能夠有效地展示地形變化和地物的變化特征。

2）本方法制作地貌暈渲的關(guān)鍵之處是影像數(shù)據(jù)的透明度和地形分層設(shè)色的設(shè)置。對于影像而言，不能過度透明，以至于丟失本身包含的信息，從而失去其在暈渲體上的定位功能。對于DEM分層設(shè)色而言，顏色的選用十分關(guān)鍵，需要重點顧及以下因素：分層設(shè)色的色系一定要和制圖區(qū)域的地理情況一致，色彩相應(yīng)弱化，避免影響影像數(shù)據(jù)在暈渲體上的顯示。同時，影像透明系數(shù)和地貌分層色彩調(diào)節(jié)兩者之間的共同點需要進行反復(fù)的測試，找到一個最佳的接合點。這種結(jié)合點并不是一成不變的，隨著制圖區(qū)域的地理特征變化會發(fā)生不斷的變化。因此，需要進行不斷的測試，以達到最佳效果。

3）該方法還要關(guān)注山體和平原之間的正常過渡，需要把握好山體邊緣的數(shù)據(jù)羽化尺度，羽化參數(shù)設(shè)置過小，則山體與平原地區(qū)過渡不自然；羽化參數(shù)設(shè)置過大，則會損失山腳部分的影像數(shù)據(jù)[9]。

3 應(yīng)用實例

本研究成果用于中國西南部城市——云南昆明地區(qū)的《滇池盆地入湖河道分布系列地圖》的編制，該項目的要求是利用現(xiàn)有的4D產(chǎn)品數(shù)據(jù)，編制圍繞表現(xiàn)該地區(qū)中心湖泊——滇池的地圖編制任務(wù)。編制的目的是為全面掌握滇池流域的入湖河道情況分布，制圖區(qū)域涉及滇池流域3 000 km2的基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)和GIS屬性數(shù)據(jù)，涉及數(shù)據(jù)量巨大（包括滇池流域的昆明城區(qū)內(nèi)的數(shù)字線劃、數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)）。成果包括一張以暈渲地貌為背景的河道分布地圖，以及一張表示全流域的三維立體影像鳥瞰圖。地貌暈渲的制作任務(wù)巨大，同時也是本地圖編制成功與否的關(guān)鍵因素。

3.1 地貌暈渲生成過程

1）提取山脈的數(shù)據(jù)區(qū)域?？紤]到制圖區(qū)域的影響，山脈接邊處作羽化處理，羽化設(shè)置的參數(shù)為15%。提取的山脈數(shù)據(jù)在分層過程中進行透明處理，透明度調(diào)節(jié)為45%，有效保證了必要的影像地物留在影像數(shù)據(jù)上。

2）DEM分層設(shè)色。研究項目使用ArcGIS軟件，按照山脈的自然色彩對DEM進行分層設(shè)色。一般而言，由于制圖區(qū)域為高原-盆地區(qū)域，具有一定的地理地貌特色，結(jié)合高程變化，考慮DEM分層設(shè)色由綠-黃-褐3個主要色系實現(xiàn)漸變。為使DEM顯示更加細膩，漸變的色階使用64個色級。

3）最終生成的DEM貼面按照自然地理特征在Photoshop等軟件中進行色彩調(diào)節(jié)后輸出。實現(xiàn)過程見圖6。

圖6 《滇池流域入湖河道分布序列地圖》暈渲地貌實現(xiàn)過程

4）DEM實現(xiàn)效果及其與傳統(tǒng)制作方法比較。完成后的地貌暈渲明顯比傳統(tǒng)手段山脈顯示雄偉、挺拔，能夠明顯分辨且隱約展示其中的影像上的地物，并和周圍的地物相得益彰，視覺沖擊力表現(xiàn)更加明顯（詳見圖7）。影像數(shù)據(jù)能夠很好地掩蓋DEM生成地貌暈渲過程中出現(xiàn)的“臺地”效果，與傳統(tǒng)的地貌暈渲成果（詳見圖8）相比，本研究提出的地貌暈渲方法提升了圖面的質(zhì)量，更好、更逼真地實現(xiàn)制圖區(qū)域山脈的顯示。

圖7 通過本研究方法制作的暈渲地貌

圖8 同一地區(qū)傳統(tǒng)方法制作的暈渲地貌

3.2 在三維立體地圖編制過程中的應(yīng)用

本研究成果能夠作為三維影像地圖的DEM數(shù)據(jù)的貼面，能夠保證生成的片區(qū)三維影像地圖在色彩上更加自然，制作的三維影像地貌更能反映實地的地形起伏與變換，其制作成果見圖9。

圖9 使用本研究暈渲地貌制作的山脈DEM

4 結(jié) 語

本文詳述了突出DEM和DOM數(shù)據(jù)優(yōu)勢制作地貌暈渲的方法，展示了該方法最終實現(xiàn)的成果及其在地圖制圖工程中的應(yīng)用。相比已有的地貌暈渲制作方法，基于山脈影像數(shù)據(jù)提取的地貌暈渲存在以下優(yōu)點：①進一步突出了山脈在地貌暈渲制作過程中的地位與作用，使地貌暈渲在影像地圖編制中發(fā)揮的作用更加明顯；②解決了地貌暈渲制作中不能很好地依附影像地物要素的問題，使地圖地形要素能夠獲得一定的目標定位能力；③該方法很好地集成了地形起伏在地圖上的顯示（包括在三維地圖中顯示），并能很好地將進行暈渲地形融入周圍的數(shù)據(jù)環(huán)境。極大地提升了以影像為主的專題地圖的可視化能力，這在將來的地圖編制，特別是影像地圖或地圖集編制中有重要的參考價值，值得推廣。

目前，計算機的軟、硬件性能及其功能瓶頸依然是該方法實施的主要障礙。本方法主要面臨2方面問題：①GIS編輯軟件不接受超過2 G的影像數(shù)據(jù)，如ERDAS9，迫使貼面數(shù)據(jù)的分辯率下調(diào)，影響了地圖成圖比例尺；②一些功能不能在GIS專業(yè)軟件中實現(xiàn)，如ArcGIS不支持羽化功能，因此，本研究不得不在多個GIS和圖像處理編輯軟件中實施，這在一定程度上加大了工作的成本。

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B

1672-4623（2014）05-0055-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.020

解智強，博士，正高職高級工程師，主要從事地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)研究工作。

2014-01-10。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41371427）；昆明市2010年重點科技計劃資助項目（101H130304）。