疊加式暈渲的生產及應用

孫 磊，李 丹

(青島市勘察測繪研究院，山東青島266032)

一、前 言

暈渲是應用陰影原理，以色調的陰暗、冷暖變化表現地形起伏的一種繪圖方法。通過暈渲法可以直觀地表現出地形變化，尤其適用于表現山地和丘陵地帶。青島市是典型的丘陵地貌，擁有嶗山、大澤山等大面積山體山脈，在數字青島電子地圖生產過程中通過使用山體暈渲，提升了圖面美觀度，增強了地圖表現力。

常規的暈渲圖制作方法為，利用DEM數據在軟件下生成山影，并通過調整山影數據的顏色漸變、透明度、亮度等實現暈渲圖的最佳表現效果。本文根據生產實踐提出了一種新的技術方法，即將矢量面數據與山影數據相疊合的暈渲生產方法。利用該方法生產的暈渲圖融合效果更好，生產效率更高，并能充分滿足多級電子地圖編制中的應用需要。

二、山體暈渲在數字青島中的應用情況

數字青島電子地圖建設項目(以下簡稱為“數字青島項目”)是“數字青島地理空間框架建設”的重要組成部分。其電子地圖比例尺自1∶1155～1∶564．25共分12級，其中，前7級地圖中均使用了暈渲法進行配圖，比例尺跨度較大，應用范圍較廣。

該項目通過使用疊加式山體暈渲制作技術，改善了暈渲效果的圖面融合度，并能根據不同比例尺的圖面需要進行靈活調整，自由組合，取得了良好的應用效果，同時節約了大量數據生產時間。

三、山體暈渲的制作方法

1．軟件準備

如表1所示。

表1

2．DEM數據處理

DEM數據是生產暈渲數據不可缺少的基礎數據，其數據來源一般為基礎地理信息數據庫。以數字青島項目為例，其采用了市域 1∶5000，外圍1∶10 000共兩種不同精度的DEM數據。為滿足數字青島項目多尺度電子地圖編制需要，筆者對上述DEM數據進行了提取、拼接、抽稀、濾波等處理，形成了暈渲生產的基礎數據。具體包括以下內容。

(1)數據拼接

如上所述，數字青島項目前期收集了兩種不同范圍、不同精度的DEM數據，首先利用遙感影像處理軟件將兩個數據源的柵格數據進行拼接，該項工作主要通過Erdas Imagine軟件完成。

(2)數據抽稀

根據電子地圖分級編圖的需要，在小比例尺級別編圖中，DEM數據精度在以滿足圖面美觀度為前提的同時應盡量減少數據量，以提高系統運行效率和便于后期的數據分發。因此，項目利用 Erdas Imagine軟件對拼接后的DEM數據進行了數據抽稀處理，并根據配圖比例尺的大小進行試驗調整，共生產了30m、50m兩種精度的全范圍DEM數據。

(3)數據濾波

山體暈渲數據的主要作用是以直觀的方式呈現地勢起伏和山體形態，圖面美觀度對其來說是至關重要的。因此，在數據處理過程中，可通過數據濾波的方式對DEM數據進行處理，對突變值或突變域進行濾波處理，以使數據更為平滑，應用效果更好。數字青島項目中采用了均值濾波法完成了該項工作，窗口尺寸為3像素×3像素。

(4)數據提取

原始DEM數據的覆蓋范圍為青島全市域及周邊區域，但是在電子地圖編制中僅需對較大的和有特殊意義的部分山體進行暈渲處理。同時，為減少工作量，提高數據處理速度，根據項目設計要求，僅提取了目標山體范圍內的DEM數據。根據山體的矢量范圍將拼接好的柵格數據進行裁切，考慮到后期疊加的需要，將矢量裁切范圍做了30 m、50 m的緩沖區，輸出滿足要求的DEM柵格數據。

3．山影數據生產

影響山影數據表達效果的因素主要包括垂直比例尺、光照高度等。在生產過程中需要根據數據的精度、高程值變化范圍及應用需求等實際情況進行調整以輸出符合要求的山影數據。

一般來說，生產小比例尺、大范圍、地勢變化明顯的山影數據時，不宜選擇過大的垂直比例尺;而對于小范圍、地勢變換平緩的山影數據時，可以適當提高垂直比例尺值。本項目中30 m格網的DEM柵格數據設置輸出山影的垂直比例尺值為1．3;50m格網的DEM柵格數據設置輸出山影的垂直比例尺值為 1．1。

光照高度角的大小直接影響陰影的范圍，過大或過小都不利于地貌形態的生動表達。一般來說，可以默認315°或45°(效果就是北京冬天下午的太陽位置)。本項目中30m格網的DEM柵格數據設置輸出山影的光照高度角60°;50m格網的DEM柵格數據為默認的光照高度角值。

4．矢量蒙板生產

矢量蒙板是利用DEM數據生產而成的，用作覆蓋山影數據表面的階梯形面狀數據。其生產方法是利用Golden Surfer軟件對DEM數據進行等值線構面，最終形成無縫拼接的矢量面數據。矢量蒙版數據主要強調平滑、美觀，能反映山體形態即可，對精度并無特別要求。因此，在數據處理中應注意參數的選擇。根據山體形態和數據情況，勾繪時應盡量選擇較高的勾繪圓滑度和適當的等值距，以取得較好的圖面效果。

另外，利用DEM數據自動勾繪的矢量蒙板數據范圍與周邊地物有時會存在沖突現象，如與水體、居民地、環山公路等。因此，在自動勾繪結束后，需對蒙板數據邊界進行手工處理。參考影像圖和其他矢量數據，對蒙板數據邊界范圍和形態加以修飾，使其能更為合理、美觀地配合周邊環境使用;為解決山影數據邊緣鋸齒化的問題，矢量蒙板數據范圍應略大于山影數據范圍，做到完全覆蓋山影數據并預留緩沖區域，這種處理方式在疊加應用時能得到較好的圖面效果。

5．圖層疊合

山影數據和蒙板數據共同組成了地圖暈渲數據，其組合應用主要通過圖層疊合的方式進行。將山影數據放置于下層，矢量蒙板數據覆蓋其上，通過分別調整兩圖層的符號化樣式、透明度、亮度等參數，可以獲取不同的應用效果。如圖1所示。

通常山影數據一般采用灰度渲染的方式，通過調整其亮度和對比度以控制暈渲光澤。矢量蒙板數據則可依不同應用需要，選擇不同色系組合進行色彩渲染，并通過調整其透明度、亮度、對比度的方式控制暈渲的紋理強度和色彩飽和度等。

通過對山影層和蒙板層的疊合，以及各層參數的分別調整，可使暈渲效果相對傳統方式更為柔和、細膩，應用方式也更加靈活多樣，同時在一定程度上也提高了工作效率。

圖1 圖層疊合實現

四、山體暈渲的效果應用

1．不同細節需求應用

以數字青島項目為例，其暈渲使用跨度由1∶100萬至1∶2萬，數據精細度差異巨大。一套山影數據往往無法同時滿足各級配圖的暈渲需要。中小比例尺配圖下，應采用點距較大的DEM數據作為生產基礎，在滿足圖面效果的前提下，盡量減小數據量以提高數據讀取速度。而大比例配圖下，則要求數據較為精細，以提升圖面效果。

在傳統的多重精細度暈渲數據生產中，往往會出現不同精度暈渲數據的范圍差異、邊緣鋸齒、數值微變等問題(如圖2所示)，雖然這些問題都屬細微變化，但是一旦各級配圖連貫查看時，就會出現圖形跳躍的“動畫現象”，影響電子地圖整體效果。

圖2 多精度暈渲的邊緣差異

數字青島的各級山體暈渲均使用了相同的矢量蒙板數據，僅對山影數據作了精細度區分和替換。通過這種方法，使各比例尺電子地圖間的山體輪廓和色域設定均不發生任何變化，僅體現出山影的精細度提升。并且通過矢量蒙板彌補了不同精度山影數據間的邊緣差異，成功地解決了這一問題。如圖3所示。

圖3 多精度疊加暈渲效果

2．不同環境需求應用

為保證圖面效果協調、色彩搭配合理，電子地圖配圖工作中往往需要對同一類地物的色彩根據圖面需求進行微調。如當某種色塊面積占屏幕顯示比例不斷增大時，則其色彩應酌情淡化，避免大面積的重色彩出現。而山體暈渲恰恰符合這一情況，因此在電子地圖比例尺逐級遞增時，山體暈渲色彩則應逐漸淡化，這種變化應該是緩慢和自然的。

通過對暈渲蒙板與山影數據圖層的透明度、亮度和對比度的分別調整與靈活組合，可以收獲多種不同效果，滿足上述需求。相對于暈渲直接飾色調整，這種調整方法的效果更好，過渡更自然，色彩也更加柔和，工作效率也更高。如圖4所示。

圖4 圖層色調調整

3．不同用途需求應用

暈渲數據在數字城市電子地圖數據生產中除作為背景圖編制的重要支持外，還扮演著各類專題數據支撐和信息展示的角色。根據不同的用途，暈渲數據可通過不同的符號化樣式表現出不同的內容。如作為背景圖的山體暈渲應采用淡化渲染的方式，而地質地貌專題中山體渲染則應突出顯示。如圖5所示。

4．色彩融合應用

傳統的地圖暈渲制作中，往往會出現暈渲效果與地圖背景色色差過大、過渡不自然等問題。數字青島項目中通過對矢量蒙板的色階和透明度的調整，較好地解決了這一問題。首先在矢量蒙板的色階設置上，最低色階的色彩應接近于周邊底色色彩，如底色為白色時，最低一級色階值應采用淺黃或淺綠并適當增加灰色以增強其融合度;其次，矢量蒙版數據范圍應略大于山影數據范圍，以實現從立體到平面效果的平滑過渡;最后，通過合理的透明度設置，完成山體暈渲與底色的自然融合。如圖6所示。

圖5 不同渲染方式應用

圖6 背景融合效果對比

5．圖層的自由組合應用

矢量蒙板層與山影層組合的方式不僅可以快速實現多種暈渲效果，還可以獨立或與其他圖層搭配以適應更多配圖需要。如矢量蒙版層單獨飾色應用可以更好地體現地形層次性，山影數據與背景色搭配可應用于灰度底圖等。如圖7所示。

圖7 多種組合方式

五、結束語

本項目在生產過程中并未選擇傳統的單一加載山影表現地形變化的方法，而是嘗試了利用矢量蒙板和山影相結合的表現方法，通過設置色階、透明度等方式進行二者的色彩融合，增強了地形地貌的立體表達效果，并在數字城市建設項目中得到了很好的應用。

[1]宋秋艷，陳學工．利用DEM制作彩色暈渲圖[J]．湖南科技學院學報，2007，28(9)：104-105．

[2]仲佳，王永，張立國．利用DEM制作暈渲圖的方法討論[C]∥2009全國測繪科技信息交流會暨首屆測繪博客征文頒獎論文集．哈爾濱：[s．n．]，2009：568-572．

[3]熊輝，程正元，劉正根．地圖暈渲的幾種制作方法比較[J]．江西測繪，2009(3)：56-57．

[4]祝國瑞．地圖設計與編繪[J]．武漢：武漢大學出版社，2001．

[5]湯國安、劉學軍，閭過年．數字高程模型及地學分析的原理與方法[M]．北京：科學出版社，2005．

[6]楊曉云，唐咸遠，梁鑫．基于等高線生成DEM的內插算法及其精度分析[J]．測繪工程，2006，15(2)：37-39．