地形可视化-第1章

§1.1 地貌表示法及其发展
随着地图制图学的发展，其他内容的表示法日趋完善， 地貌构表示法还比较落后，所以，迫使测量、制图工作 者不得不进行深入探索。 各种地貌表示法的产生都与时代的需要和科学技术的发 展分不开。有的表示法所描绘的图形限于制印条件，不 能很快推广使用，有的表示法，人们一时还不能接受。 所以，在相当长的一段时期里，还在继续采用老的“山’ 形或“毛虫”式的地貌表示法。 这些早期的原始地图用半符号、半写景的绘法来表示地 形，有的地物要素仅用极简单的线条勾画而成。就其数 学基础和表现形式的实质而言，它们已实现了在各种二 维介质平面上对实际三维地形表面的表示和描述。
数字地貌晕渲概述
第一章 绪 论
§1.1 地貌表示法及其发展
§1.1 地貌表示法及其发展
地形是人类社会赖以生存并从事一切实践活动的根基。地形 图的发展史构成了人类文明史中不可缺少的篇章。 中国是世界上最早绘制并使用地形图的国家之一 。
我国地图史上第一个具有实际用途的地图，大约是公元前1100年西周 初年，周、召二公修建路邑时绘制的路邑城址附近的地形图。
§1.1 地貌表示法及其发展
一、图案式的表示法
在我国西汉文帝十二年(公元前168年)《驻 军图》上首次出现。
左- 马王堆三号汉墓出土的《地形图》的一部分
右- 马王堆三号汉墓出土的《驻军图》的一部分
图中山脉及其走向图形示意性地反映了山 脉的概略位置及走向，形式虽然简单，但 能与河流、居民地等图形相配合。
地貌晕渲对印刷技术和设备要求较高，必须采用精细的网目摄影，方 能显示其细腻的层次关系和强烈的立体效果。二十世纪以来，由于制 印技术不断发展，给印刷精致的地貌晕渲图提供了有利条件，逐渐扩 大了晕渲的使用范围，从而使其获得进一步发展。 以上三种方法（晕滃法、晕点法和晕渲法）表现形式完全不同，但原 理相同，都是根据光线与地面倾斜关系，对所产生的阴影绘以相应粗 细的线划或大小不同的点，或深浅不同的颜色，显示地貌形态，故统 称光影造型。
§1.2 地形三维可视化技术概述
二、可视化的概念及发展 可视化(Visualization)在没有成为信息技术专业术语之前， 仅是形象化的一般性解释，它是指人脑中形成对某件事物 (人物)的图像，是一个心智处理过程，促进对事物的观察 及概念的建立等。 1987年由B.H.McCormick等为美国国家科学基金会所写 的一份报告中首次提出了科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)这一术语。在这份报告中，可 视化被定义为“可视化是一种计算方法，它将符号或数据 转化为直观的几何图形，便于研究人员观察其模拟和计算 的过程和结果。
§1.1 地貌表示法及其发展
由于地貌的复杂性，制图工作者想等高线图形的 基础上提高其表现力，采用了一种明暗等高线画 法－等高线图形的立体装饰。
§1.1 地貌表示法及其发展
等高线图形的立体装饰，在变换(或设计)等高线的 明暗或粗细，色彩时，其最基本的依据是光线与 地面的关系，即利用垂直光线建立的等高线图形 是“陡坡粗，缓坡细”，利用倾斜光线建立的等 高线图形是“受光面细，背光面粗”或“受光面 色亮，背光面色暗”。 依此种方法绘制的等高线图形，能提高图上地貌 图形的明显性和阅读效果，但制作工本高，只适 宜小范围的应用。
§1.1 地貌表示法及其发展
六、晕点法 它的原理同晕滃法。但二者的形式完全不 同。
晕点法以大小稀密不同的圆点表示地面倾 斜程度。点的大小、稀密与地面倾斜度成 正比。
晕点法对表示大面积的山体虽然不适用，但用来表示沙质地貌 形态时效果却非常好。如沙漠，沙丘，河岸，海岸沙滩等地形， 用晕点表示显得很真实，形象生动，至今仍在使用。
等高线法的基本点是用一组有一定间隔(高差)的 等高线的组合来反映地面的起伏形态。从构成等 高线的原理来看，这是一种很科学的方法。它可 以反映地面高程、山体、坡度、坡形、山脉走向 等基本形态及其变化。
等高线的缺点在于无法描绘微小地貌、缺乏立体 效果。 等高线图形至今仍然是地图制图工作者公认的地 图上表现地貌的一种科学的方法。
现代地图的最大优点在于具有可量测性。
§1.2 地形三维可视化技术概述
2、地图是对客观存在的特征和变化规则的一种科学的概括 (综合)和抽象
地形图所描述的客观世界是丰富多彩、千姿百态的三维空间实体。 这种用二维介质平面图与所表示的三维现实世界的复杂地形之间， 有着不可逾越的鸿沟 ； 另一方面，从形式上，地形图运用了一套专门的符号和文字来表 示地形，其中在19世纪出现的以等高线表示地貌的技术一直沿用 至今，而对地物则设计了一系列特定的图形符号，从信息传播的 角度上讲，这是一种特殊的语言——地图语言。 用这种抽象的地图语言来表示现实地形以及空间要素，对于大多 数不具备专门的地图学知识的使用者来说，是难以直观理解和接 受的。
§1.2 地形三维可视化技术概述
从古到今，寻求地形立体表示的最佳方法， 做到直观性与量测性的有机统一，一直是 地图工作者苦苦探索的难题。
60年代末以来，人们通过引用光照模型，绘制 具有表面明暗灰度连续变化的地形实体模型图， 也就是以模拟灰度表示的地形表面图。这种立 体图的立体效果更强、有一定的真实感，但信 息量仍不足，实用性也不够强。
杭州古地图（1579年）
§1.1 地貌表示法及其发展
此法描写的地貌，在很大程度上建立在绘画者想象的基 础上。 素描构成的图形具有不可克服的弱点，即只能表现正对 绘画者(一面)的形状，被近景或高山挡住的地貌形态则 无法表现，而且用素描法描写的地貌图形，容易引起(用 垂直投影描绘的)物体(如河流)的形状，位置发生变化。 用素描得到的地貌图形比较生动活泼，一般读者容易理 解。正因它有这样的优点，所以沿用的时间较长。至今 仍有用此法绘制地图的。
§1.1 地貌表示法及其发展
四、“毛虫”式的表示法
ห้องสมุดไป่ตู้
§1.1 地貌表示法及其发展
它以一种粗略的楔形晕线表示山脉的概略位置和走向， 逐渐取代了素描的形式。由于所绘图形似毛虫，所以曾 经被称为“毛虫山脉”。 此种形式最早(1674年)出现在维维尔的巴黎近郊图上。 “毛虫”式的画法出现，可能与当时开始实测地形图的 需要有关，它预示着晕滃法的萌芽。 因为十七世纪开始实测地形图之际，．许多地物已经采 用垂直投影绘制物体的平面轮廓，唯独地貌尚缺适合的 表示法。 用“毛虫”式的表示法，形式虽不及素描式图形真实、 形象，但能与其他要素配合，协调。
§1.1 地貌表示法及其发展
等高线法和分层设色法是目前应用最广泛的方法。 通常结合在一起用。 随着自动地貌晕渲技术的产生和成熟，在地形图 上，地貌晕渲和等高线结合使用的情况也越来越 多。
§1.2 地形三维可视化技术概述
一、地图的基本特性与地形直观表达的矛盾 1、地图的基本特性：
数学法则性 制图综合性 内容符号性。
当光线与AB垂直时，其受光量 为H， 当AB转至AB„时， 其受光量等 于H*cosα； 若AB„转至 AB“，则受光量等于 零，此时全为暗影，即“越陡越 暗’。
B‟
α A B
依此原理，根据地貌坡度的 陡缓绘制出晕溺线粗细，稀密标 准图及晕滃地貌图。
§1.1 地貌表示法及其发展
晕滃法在十八世纪至十九世纪地图上得到 广泛应用。 晕滃线的绘制成本昂贵，密集的晕滃线对 其他要素的表示影响较大，对现代地图的 实用意义不大(现在国外少数地图仍有使用 的)。
§1.1 地貌表示法及其发展
五、 晕滃法 晕滃法为德国人莱曼首创于1783年，其意图在 于显示地貌立体，斜坡变化，为图上量测地貌有 关数据提供可能性，为此提出用晕滃线表示地貌 的方法。
§1.1 地貌表示法及其发展
光源 B”
晕滃线的基本原理系以光线 与地面倾斜关系为基础，拟定其 线条粗细和绘制方法。 设AB为一水平面
§1.1 地貌表示法及其发展
二、形象式的表示法 如 我 国 的 《 华 夷 图 ))(1136 年 ) ， 《 广 舆 图 》 (1541年左右)等，其上的地貌图形比前一时期的 进了一步，以概括的手法将山体外形示为“ ” 形象，由于它象个“笔架”，故又叫“笔架山” 或“山”字形符号
清乾隆内府图
a为国外早期表示地貌的图形；b为形象画法在图上的用例。
研究地貌立体表示法的必要性
地貌是形成地理景观的最重要的因素。对水系，气候的形成，土 壤的发育，植被的生长，动物的活动及其分布，人类的社会活动 等，起着巨大的作用和影响，
有效而直观地表达地貌并保持其形态量测的可能性，能促进地图 的应用
准确而科学地显示地貌形态，对为军事、规划，工程设计、经济 建设等部门提供可靠的地图起着重大作用。
§1.1 地貌表示法及其发展
七、晕渲法 晕渲法是目前在地图上产生地貌立体效果的主要方法，其 基本原理是：根据假定的光源对地面照射所产生的阴影强 弱或明暗程度，用相应浓淡的墨或颜料沿斜坡渲绘其阴影， 通过人的视觉心理间接地感受到地貌的起伏变化。这种方 法称晕渲法(或阴影法、光影法)。 晕谊法的关键是正确地设置光源和描绘光影。由此区分出 斜照晕谊、直照晕渲和综合光照晕谊三种类型。
§1.1 地貌表示法及其发展
三、素描式的表示法（写景法） 在早期地图上(15—18世纪)，地貌形态的表示主要采用 原始的写景方法，表现的是从侧面看到的山地、丘陵的 仿真图形。其描绘手法比较粗略，大多采用“弧行线”、 “鱼鳞状图形”和类似“笔架山”的技法。 这种方法对作者的绘画技巧有很大的依赖性，作品的艺 术性多于其科学性，且大规模绘制比较因难。尽管后来 有了一定的数学法则，也还是在小范围内使用。写景法 一般有透视写景法、轴测写景法和斜截面法等。
§1.1 地貌表示法及其发展
八、等高线法 等高线法的基本点是用一组有一定间隔(高差)的 等高线的组合来反映地面的起伏形态。从构成等 高线的原理来看，这是一种很科学的方法。它可 以反映地面高程、山体、坡度、坡形、山脉走向 等基本形态及其变化。
但等高线的缺点在于无法描绘微小地貌、缺乏立 体效果。
§1.1 地貌表示法及其发展
而我国现存最早的实用军事地图，是1973年12月发掘长沙马王堆汉墓 时发现的三幅“帛地图”，即《地形图》、《驻军图》、《城邑图》， 它们制成于公元前 168年。
§1.1 地貌表示法及其发展
地貌立体表示法
地图上利用透视原理、光影造型和颜色的立体效应，在平面上塑 造地貌立体图形，并显示其质量和数量变化的方法，谓之地貌立 体表示法，亦称地貌平面造型。
§1.2 地形三维可视化技术概述
3、地图的抽象性与直观性之间的矛盾 从地形图诞生之日开始，其本身就孕育了抽象性与直观性 这一对矛盾。
公元32年东汉时期军事家马援用堆米法制作地形立体模型
人们开始探索采用制作地形(沙盘)模型的办法，来补偿地形图中 对地貌表示上缺乏直观性的不足。 成本高、费时费力、只能一次性制作和使用、不具有可量测性、 无法进行有效的空间定量分析等缺点，只能作为地形图的一种补 充手段，在某些专门的应用背景下采用。
§1.1 地貌表示法及其发展
九、分层设色法 分层设色法是在等高线地形图上的再次加工，其 基本原理是根据等高线设置色感高度带(一定的高 度范围)，按一定的设色原则，给不同的高度带设 置不同的颜色。 它有两个主要特点：
第一，它使等高线地形图能立即给人以高程分布和对比 的印象； 第二，它使等高线有了一定的立体感，不那么单调。
§1.1 地貌表示法及其发展
晕渲法出现于十七世纪初，到十八世纪开始用于地形图。当时对用晕 渲显示地貌的可能性和要求是极其有限的。因为用晕渲法只能表现正 向、负向地貌和山脉的走向。其后随着实测地形图方法的发展，对晕 渲地貌提出了严格的要求，不仅要求显示地貌的一般形态，对地貌的 高度、坡度也应作出详细的反映。
§1.2 地形三维可视化技术概述
自1946年世界上第一台电子计算机在美国诞生之后的几十年中，计算 机科学得到了迅猛发展，计算机图形学和相关理论的建立和广泛应用， 终于给传统的在二维介质平面上表示三维地形的技术手段和地形图表 示形式带来了革命性的变革，这意味着解决地形表示上的抽象性与直 观性这一矛盾的时机已经到来。