基于Openness可視化參數的二維地貌顯示

張 潔，梁明劍，邵延秀

(1.中國地質大學(武漢)地球科學學院，武漢 430074;2.中國地質調查局南京地質調查中心，南京 210016;3.四川省地震局，成都 610041;4.中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000)

0 引言

利用數字高程模型(digital elevation model，DEM)可以對地貌形態進行二維(等高線地形圖、剖面圖及暈渲圖)和三維(三維景觀、虛擬現實等)可視化模擬，以直觀地觀察地形全貌及其結構特征［1－2］。DEM 在進行可視化分析時，三維可視化中三維景觀和虛擬現實可以直觀、立體地顯示研究對象，對于局部分析有著很大的優勢;但對于構造地貌來說，尤其用于分析區域構造的空間關系與地貌的響應關系方面，其作用相對局限。

在分析區域性地形地貌時，地形暈渲法(或稱陰影法)是目前最常用的方法之一。它利用陰影和明暗變化的原理在平面上建立地貌立體形態［3］，先通過模擬太陽光對地面照射所產生的明暗度，計算DEM單元各頂點的法向量或者是DEM單元的坡度和坡向;再將法向量或者坡向與光源方向比較，得到地形隨光度近似連續變化的色調，向光面賦淺色調，背光面賦深色調，使地貌的形態特征具有一定的立體感［2，4］。但是由于地形暈渲法是模擬太陽光對地面的照射，受制于光源位置的設置狀態。不同的光源位置會對同一地區產生不同的灰度值，其暈渲效果也不相同。地形的起伏也會造成鄰近地形間的相互遮蔽［2，5－6］。為解決這些問題，Yokoyama 等提出了Openness作為二維平面的可視化參數，該參數不受光源設置的影響，強調地形的凹凸，直觀的立體感強［6］。本文利用 30 m空間分辨率的 ASTER GDEM2數據，通過計算地形二維可視化參數Openness，初步探討該參數在模擬地形地貌方面的應用。

1 Openness參數的原理

Openness是Yokoyama等提出的地形二維可視化參數，是基于表面地形與水平距離之間的角度測量，更強調地形的凹凸，直觀的立體感強。進行可視化分析時，不需要光源的設置，不受鄰近地形相互遮蔽的影響，并且受高程數據自身噪聲影響也較小［6］。根據 Yokoyama等對 Openness參數的定義，陰影部分表示地表起伏的地形(圖1)。A點為起始視點，沿著某一個方位D，在半徑為L的地形范圍內，地形的頂角(DφL)和底角(DψL)計算公式為

圖1 根據地形頂角和底角計算Openness的原理示意圖［6］Fig.1 Surface Openness defined in term s of zenith and nadir angles

式中DβL和DδL分別為A點與地形最高點和最低點連線與水平面間的夾角，單位取度(°)。

計算L半徑內8 個方位(D=0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)的最頂角和最底角，然后取平均值就可以得到A點在半徑L下的Openness正值 φL和負值 ψL，即

式中:0φL和45φL分別表示觀察角度為 0°和45°的最頂角;0ψL和45ψL分別表示觀察角度為0°和45°的最底角，以此類推。Openness強調地形的凹凸，與地形坡度曲線形狀類似［7］，正值表示向上凸，負值表示向下凹。計算半徑L主要反映不同長度尺度下的地貌，較大的L更強調宏觀地貌，較小的L則更能反映了微地貌［6］。

根據Openness正值和負值，已經能夠表示出具有浮雕感覺的地貌暈渲圖，但是為了能夠使得視覺上的效果更加明顯。Chiba等［2］在2008年又引入了“red relief imagemap(RRIM)”的概念，即用紅色同時表現地形凹凸程度的多層可視化圖像。經驗表明，人的眼睛對紅色反應比較敏感，并且紅色的層次感較強［2］，例如遙感的植被分類解譯中也常采用紅色來顯示植被。RRIM利用Openness參數的平均值I來表示，即

2 應用實例分析

Openness參數可以從SRTM，ASTER GDEM，INSAR和LiDAR等多種來源的DEM數據獲取，具有廣闊的應用前景。目前國內學者采用Openness參數研究地貌分類甚少，較多地采用相類似的天空開闊度參數分析起伏地形對太陽散射、輻射的影響［8－12］;國外已有學者將 Openness參數應用于地貌分類和LiDar數據的分析［13］。經過實踐表明，利用DEM得到的各類地形地貌圖中，Openness參數灰度圖能夠更好地在圖像上反映山脈的細節部分。通常情況下，Openness值高的地區呈現亮色調，反之則呈現暗色調。

選擇閩江入海口的地貌作為研究對象，該區地處戴云山脈的東翼，倚山面海，自西向東地貌類型由高丘陵→低丘陵→臺地平原→(閩江)入海口三角洲依次排布，地勢由西北向東南呈階梯狀下降，地貌類別比較豐富，可以很好地檢驗Openness參數對區域地貌反映的直觀效果。

利用Landserf2.3.1軟件和DEM(30 m)的高程數據，計算閩江入海口Openness參數，并結合坡度分析結果，生成RRIM圖，用于比較分析閩江口的地貌特征(圖2)。

圖2－1 閩江入海口Openness參數應用對比圖Fig.2－1 Comparativemap of M injiang Estuary Openness parametric applications

圖2－2 閩江入海口Openness參數應用對比圖Fig.2－2 Comparativemap of M injiang Estuary Openness parametric applications

圖2(a)為傳統的山體陰影圖，通過模擬太陽光照強度來展示地形的起伏效果，可以利用ArcGIS中的Hillshade工具實現。此時需要設置2個重要參數，即太陽方位角和太陽高度角。為了獲得人們習慣的正立體視覺效果，將太陽方位角設置為315°，使太陽從西北方向入射，山體的陰影面向觀察者;太陽高度角取默認值(高度角越小，陰影效果越明顯，但其遮蔽相鄰地物的現象也越嚴重)。光照值高、顏色亮淺之處為高地，反之為低凹處或陰影，能基本反映地貌的總體輪廓。圖2(b)(c)分別為Openness參數的正值圖和負值圖，正值圖更能體現地貌凸起感，而負值圖則更強調地貌的凹陷感。圖2(d)為RRIM圖，疊加了紅色的坡度結果，研究區整個地貌的層次感和立體感顯示得更為強烈。

圖3為研究區地貌的細部對比。

圖3 閩江入海口一帶地貌輪廓對比圖Fig.3 Geomorphic outline com parison diagram of M injiang Estuary

由圖3可以看出應用Openness參數提取地貌輪廓信息的優越性。閩江入海口一帶的山體陰影圖(圖3(a))雖然基本反映了該地段地貌的總體輪廓，但山體的邊界、閩江河道等細節反映得不夠清晰;而RRIM圖(圖3(b))較之山體陰影圖則顯示了很好的地貌層次感，地貌輪廓清晰了許多，地貌細節也更加詳細，而且給人有立體浮雕的感覺。這表明，采用Openness參數，可以在二維平面內充分體現出三維的立體感，使研究者不但能更好地進行大區域宏觀地貌分析，也能詳細地判別地貌的細部結構。同時，Openness的正值圖和負值圖也有各自的優點:正值圖能更好地體現地貌的“凸”感，負值圖則更強調地貌的“凹”感(圖4)。

圖4 閩江入海口一帶Openness正負值對比圖Fig.4 Positive and negative Openness comparison diagram of M injiang Estuary

圖4(a)為閩江入海口的正值圖，山體、閩江河道和海陸之間的輪廓線都十分清晰，這對地貌分類的判別十分有利;而該地段的負值圖(圖4(b))除了閩江河道輪廓線很清楚之外，還清晰地顯示出福州市東部山地上分布有近南北向和北西向的線性槽谷形跡，這些可能是切割山體的構造線，也就是說它能夠很好地反映斷裂構造走向，可以應用于地質構造解譯。

3 結論與討論

1)Openness是一種基于表面地形與水平距離之間的角度測量的二維可視化參數，更強調地形的凹凸，使得直觀的立體感更強;而且，該參數進行可視化分析時，不需要光源的設置，不受鄰近地形相互遮蔽的影響，并且受高程數據自身噪聲影響也較小。

2)通過對閩江入海口地區Openness參數的地貌分析，以及與傳統的地形暈渲法做出來的山體陰影圖進行對比，Openness參數地貌體現出更強烈的地形起伏感，地貌的立體效果明顯優于山體陰影圖。負值圖對水系和山谷輪廓具有很好的反映，而正值圖則對山體反映很好，而且Openness地貌圖還清晰地顯示出斷裂形成的地貌形跡。

3)Openness參數可以從多種來源的DEM數據計算獲取，因此能用于不同精細程度的地貌分析，在地形地貌和構造地貌分析方面具有廣闊的應用前景。

4)Openness參數的計算對DEM數據的實際測量點密度要求比較高。如果高程數據的實際測量點比較少，密度分布不均勻，所計算的Openness參數圖尚不能夠充分地反映實際地貌的細節和真實程度，在實際應用時應引起注意。

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