第5章DEM的可视化

第五章DEM的可视化本章主要内容地形可视化概念地形一维可视化表达地形二维可视化表达地形三维可视化表达地形三维景观模型地形场景漫游与动画5.1概述5.1.1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。根据可视化技术的特点及其对象的不同，可视化可分为科学计算可视化（VisualizationinScienceComputing）与信息可视化（VisualizationinInformation）两种类型。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。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。可视化研究的意义：目前大量的数据没有被有效的利用，原因之一就是这些数据以其他的形式（如比特）存放，这就需要可视化的手段和知识得到普及。实现人与人和人与机之间的图象通讯，而不是目前的文字或数字通讯，从而使人们观察到传统方法难以观察到的现象和规律。可视化技术可以使人类不仅被动地得到计算结果，而且知道在计算过程中发生了什么现象，并可通过改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。5.1.2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。其发展过程如下图。5.1.2地形可视化传统的表达方式：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、实体型（模拟灰度图）三维地形图、高度真实感三维地形图三个阶段。5.1.2地形可视化计算机图形学发展初期：限于计算机处理速度和显示器分辨率等，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且具有一定的真实感，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。（1）地形可视化表达的维数划分地形可视化从维度上来讲，可分为三类，即一维可视化、二维可视化和三维可视化。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。（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）技术角度分为静态可视化和交互式动态可视化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）地形角度分为真实地形和模拟地形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）纹理角度分为基于分形（分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。海岸线作为曲线，其特征是极不规则、极不光滑的，呈现极其蜿蜒复杂的变化。我们不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质的不同，这种几乎同样程度的不规则性和复杂性，说明海岸线在形貌上是自相似的，也就是局部形态和整体态的相似。）基于遥感影像基于纹理影像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的基本形式是地形剖面。地形剖面刻画沿一条直线或曲线在垂直方向上的地形起伏情况。是工程中常用的一种地形起伏表达形式，特别是现状工程如公路、铁路、渠道等。制作过程：（1）在等高线图上画一条线；

（2）标记等高线与剖面线的交叉点，并记录其高程；

（3）以高程为纵轴，距离为横轴，做图。5.3地形二维可视化表达地形二维可视化表达是把三维地形表面投影到屏幕上，并用约定的方式进行表达。常用的二维表达方式有等高线法、明暗等高线、高程分层设色等。5.3.1等高线法：等高线是高程相等的相邻点的连线，是地形表达最为常用的形式，能较为科学地反映地面高程、山体、坡度、坡形、山脉走向等基本的地貌形态及其变化。等高线法制作过程：（1）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）。（2）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的相邻的点连接起来，形成一条完整的等高线。（3）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。（4）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，具体选择哪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。5.3.2明暗等高线法：根据斜坡所对的光线方向确定等高线的明暗程度，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，地图的底色饰为灰色。提出明暗等高线表达的理论基础（1）等高线法地形立体感不强，不便于初学者使用；

（2）地貌晕渲法难以定量表达地形的起伏程度；

（3）分层设色法则对图例等要素干扰较大。明暗等高线制作方法：（1）传统手工绘制

（2）计算机绘制明暗等高线制作技术路线：（1）生成研究区域DEM；（2）从DEM中按给定等高距提取等高线，并栅格化；（3）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0º-45º、225º-360º的部分划分为受光面；坡向为45º-225º的部分划分为背光面；（4）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。明暗等高线制作的两个关键问题：（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。明暗等高线制作的两个关键问题：（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。5.3.3分层设色法：地形的分层设色包含两种类型，即基于常规的高程分带设色和基于高程数据的灰度影像（半色调符号表示法）。（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：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、白色表示雪山和冰川等。分层设色法常与等高线、晕渲等配合使用。（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），如果研究区域的高度范围较大，显示的细节层次就越少。DEM灰度表达高程5.3.4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，得到随光度近似连续变化的色调，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，二者之间的灰度值进一步按坡度确定。地形晕渲法DEMHillshade

表达高程（简化的晕渲制作方法）综合方法综合方法5.4地形三维可视化表达的理论基础5.4.1地形（DEM）三维显示的基本流程：（1）DEM三角形分割（TIN不需要此步骤）：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。

栅格DEM的三角形分割（2）透视投影变换：投影变换（projectiontransformation）是将一种地图投影点的坐标变换为另一种地图投影点的坐标的过程。建立地面点（DEM结点）与三维图像点之间的透视关系，由视点、视角、三维图像大小等参数确定——即将DEM从其坐标系变换到屏幕坐标系。把三维物体变换为二维图形的过程称为投影变换。其基本原理包括两个方面：即投影变换和消隐处理。根据投影中心与投影平面之间的距离的不同，投影可以分为平行投影和透视投影。平行投影：如果把中心投影法的投射中心移至无穷远处，则各投射线成为相互平行的直线，这种投影法称为平行投影法。又可分为斜投影法和正投影法。平行投影法特点：投影大小与物体和投影面之间的距离无关。度量性较好。

注：工程图样大多数采用正投影法（简单，角度唯一）。透视投影：是用中心投影法将形体投射到投影面上，从而获得的一种较为接近视觉效果的单面投影图。透视投影法特点：它具有距离感、相同大小的形体呈现出有规律的变化等一系列的透视特性，能逼真地反映形体的空间形象。也称为透视图。在建筑设计过程中，透视图常用来表达设计对象的外貌，帮助设计构思，研究和比较建筑物的空间造型和立面处理，是建筑设计中重要的辅助图样。透视投影符合人们心理习惯，即离视点近的物体大，离视点远的物体小。它的视景体类似于一个顶部和底部都被切除掉的棱椎，也就是棱台。这个投影通常用于动画、视觉仿真以及其它许多具有真实性反映的方面（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，逐个计算每个像素的灰度和颜色——即计算景物表面上任一点投向观察者眼中的光亮度大小和色彩组成。由于光照在三维物体表面上时各部分的明暗不同，因此，三维地面显示的逼真性在很大程度上取决于明暗效应的模拟。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对光的反射和吸收特性不同光照下的三维地形（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）、Z缓冲算法、光线跟踪法、扫描线Z缓冲法、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。必须确定图像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，并按相应文件存储。（6）地物叠加三维地图上叠加各种地物符号、标记，并进行颜色、亮度、对比度的处理。5.5.1三维线框透视模型：线框模型是对三维对象的轮廓描述，用顶点和邻边来表示三维对象。优点：结构简单、易于理解，数据量小，建模速度快。缺点：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。5.5地形三维可视化表达5.5.2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像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。平面等高线立体等高线5.5.3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，实现对三维表面的以面为基础定义和描述。优点：可以进行面面求交，线面消除，明暗色彩等应用。5.5.4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，关键是建立空间坐标与纹理空间坐标之间的对应关系。纹理映射为了弥补上述灰度图像只是表示地形起伏情况的不足，就需要表现出地表的各要素特征，即可以通过添加表面细节来达成，这种在三维物体上加绘的细节称为纹理。根据纹理图像的外观可将其分为颜色纹理和凸凹纹理。颜色纹理主要用来表现表面较为光滑但有纹理图案的物体，如刨光的木材、从较高的高空观察的地景等。凸凹纹理则用来表现外观凸凹不平如未磨光的石材、从近处观察的地景或从高空观察的地景(把地球理解为一个表面光滑的球，面的起伏作为纹理)等。生成颜色纹理的一般方法是在一个平面区域上预先定义纹理图案，然后建立物体表面的点与纹理空间的点之间的对应关系，此即所谓的纹理映射。生成凹凸纹理的方法是