数字高程模型第五讲：DEM可视化表达

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。
• 科学计算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。
数字高程模型
第五章 DEM可视化表达
5.1 DEM可视化表达概述
DEM实现了地形表面的数字化表达，但信息 隐含，地形可读性差---需要一种技术以增强 DEM的地形表达效果，即DEM地形可视化 技术---以DEM为基础实现对地形的直观表 达。
5.1.1 地形可视化概念
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。
（2）明暗等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。
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。 • 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。
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。
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。
• 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。
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）， 如果研究区域的高差范围较大，显示的细节层次 就越少。
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Biblioteka Baidu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。
3 从技术角度，地形可视化有静态可视化和 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。
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，地形可视化显示进入高度真实感 立体图绘制时期。
• 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
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、剖面线、 沙盘等---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基 本特征，伴随着计算机技术的发展而发展 --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图 三个阶段。
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。
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。
5.1.2 地形（DEM）可视化 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。
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
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。
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。
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 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。
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。
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。