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 資源與環境科學學院，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 資源與環境科學學院，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在制作數字地貌暈渲過程中各自的優劣性。利用滇池盆地高質量GIS數據，提出一種提取山脈DOM與分層設色DEM集成的數字地貌暈渲制作方法。能很好地突顯地貌暈渲效果，解決傳統地貌暈渲過程中存在的2項技術問題：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用。

DOM； DEM；數字地貌暈渲；貼面數據

關于地貌暈渲的制作方法，制圖工作者進行了大量研究實踐。計算機技術出現以前，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，利用軟件開發平臺進行自主研發，實現了計算機地貌暈渲，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則（2003）；李霖建設了分層設色與地貌暈渲的關系模型（2006）。這些研究為現代地貌暈渲制作提供了理論和實踐基礎[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 數字地貌暈渲的常用制作方法及其優劣性分析

數字地貌的主要制作文件為制圖區域內的DEM和DOM 數據，DEM和DOM在地貌暈渲的制作過程中分別發揮不同的作用。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生的變化，并根據這種變化選擇地貌暈渲生成的角度；③通過DEM的分層設色為暈渲表示不同類別的地形提供直接的DEM的貼面依據，比如在雪域、高原地區和平原丘陵地區使用不同的色系進行分層設色（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 不同地理區域的分層設色形成的DEM貼面數據

目前數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，這種方法實現的過程是：按照高程數據將DEM轉換成分層設色數據和地貌陰影數據，通過ArcGIS等軟件加載這兩項數據，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，并通過分層設色技術解決不同地區的地形顏色表示（如谷歌地圖以該方法表示地球上不同位置的地形數據）[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，只能加載矢量數據，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。這種方法能夠應用于三維立體影像地圖的制作，實現影像數據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域會與DEM按照任意角度生成的陰影在地圖表現時發生矛盾。

圖3 2種手段生成的暈渲效果圖

2 突出DEM和DOM數據優勢制作地貌暈渲

2.1 實現思想

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。可以更好地應用和處理現有的DEM數據和DOM數據，實現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，以分層設色的DEM數據為暈渲制作的基礎，以暈渲的重要表示對象——山脈DOM數據為研究重點，將該區域的高分辨率衛星影像數據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數據上，讓帶有分層設色的DEM直接突出于經過透明化的影像數據，輸出上述疊加后的圖像，生成DEM的最終貼面以制作數字暈渲[4]。這樣做的好處是：①以影像數據替代分層設色數據為DEM的貼面，使DEM具有一定的地理信息并能夠實現定位；②利用影像數據透明化處理，使DEM本身攜帶的地形起伏信息能夠突出展現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據做貼面造成的地貌暈渲色彩雜亂的問題；③經過影像和DEM分層設色及色階的不斷調節，使地貌暈渲能夠更好地反映制圖區域的客觀實際或實現不同暈渲制圖背景的需求。

2.2 實現步驟與關鍵環節

1）數據準備。①影像數據是經過融色處理后的彩色衛星影像（制作大范圍的DEM）或經過拼接的高分辨率的數字航空影像數據（制作大比例尺，小面積的DEM）；②DEM數據由制圖區域的等高線、不規則高程點生成的三角網或LiDAR數據生成，數據格式為grid柵格文件。

2）控制基礎。DEM 和DOM的準確坐標統一，即統一到制圖區域所需的實際坐標系統中。影像數據通過制作DOM的技術規范進行投影及空間位置的校正，DEM數據文件也經過同樣的投影及坐標進行校正，為后續的兩種數據嚴格套合奠定基礎。

3）山脈影像數據提取。這是本研究中最關鍵一環，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，因此需要將影像數據中的山脈部分取出，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的地方將其數據取下，獨自生成一個山脈群的影像數據（詳見圖4a）。為促進山脈影像與周圍地物實現順利過渡，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數據分為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分層設色。按照傳統的暈渲制作方法，將DEM數據分為2部分進行處理，一部分是分層設色，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數據制作暈渲時的色彩分級時，按照不同地理區域的顏色特征，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在表現過程中的美觀性，之后生成以分層設色為貼面的地貌暈渲。考慮到專題地圖制作的藝術性，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數據分別統一到同樣的直角坐標系統里面,導入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的貼面數據（詳見圖4c）[7,8]。本研究方法實現的技術路線見圖5。

圖4 影像提取法制作地貌暈渲的過程

圖5 實現的技術路線與作業流程

2.3 實現效果分析

1）該方法主要處理的對象是DOM數據,因此,生成的地貌暈渲比傳統的以DEM分層設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鍵之處是影像數據的透明度和地形分層設色的設置。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分層設色而言，顏色的選用十分關鍵，需要重點顧及以下因素：分層設色的色系一定要和制圖區域的地理情況一致，色彩相應弱化，避免影響影像數據在暈渲體上的顯示。同時，影像透明系數和地貌分層色彩調節兩者之間的共同點需要進行反復的測試，找到一個最佳的接合點。這種結合點并不是一成不變的，隨著制圖區域的地理特征變化會發生不斷的變化。因此，需要進行不斷的測試，以達到最佳效果。

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

3 應用實例

本研究成果用于中國西南部城市——云南昆明地區的《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有的4D產品數據，編制圍繞表現該地區中心湖泊——滇池的地圖編制任務。編制的目的是為全面掌握滇池流域的入湖河道情況分布，制圖區域涉及滇池流域3 000 km2的基礎測繪數據和GIS屬性數據，涉及數據量巨大（包括滇池流域的昆明城區內的數字線劃、數字正射影像、數字高程模型數據）。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巨大，同時也是本地圖編制成功與否的關鍵因素。

3.1 地貌暈渲生成過程

1）提取山脈的數據區域。考慮到制圖區域的影響，山脈接邊處作羽化處理，羽化設置的參數為15%。提取的山脈數據在分層過程中進行透明處理，透明度調節為45%，有效保證了必要的影像地物留在影像數據上。

2）DEM分層設色。研究項目使用ArcGIS軟件，按照山脈的自然色彩對DEM進行分層設色。一般而言，由于制圖區域為高原-盆地區域，具有一定的地理地貌特色，結合高程變化，考慮DEM分層設色由綠-黃-褐3個主要色系實現漸變。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節后輸出。實現過程見圖6。

圖6 《滇池流域入湖河道分布序列地圖》暈渲地貌實現過程

4）DEM實現效果及其與傳統制作方法比較。完成后的地貌暈渲明顯比傳統手段山脈顯示雄偉、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，視覺沖擊力表現更加明顯（詳見圖7）。影像數據能夠很好地掩蓋DEM生成地貌暈渲過程中出現的“臺地”效果，與傳統的地貌暈渲成果（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量，更好、更逼真地實現制圖區域山脈的顯示。

圖7 通過本研究方法制作的暈渲地貌

圖8 同一地區傳統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用

本研究成果能夠作為三維影像地圖的DEM數據的貼面，能夠保證生成的片區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 語

本文詳述了突出DEM和DOM數據優勢制作地貌暈渲的方法，展示了該方法最終實現的成果及其在地圖制圖工程中的應用。相比已有的地貌暈渲制作方法，基于山脈影像數據提取的地貌暈渲存在以下優點：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據環境。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的影像數據，如ERDAS9，迫使貼面數據的分辯率下調，影響了地圖成圖比例尺；②一些功能不能在GIS專業軟件中實現，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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P283.4

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，主要從事地圖學與地理信息系統研究工作。

2014-01-10。

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