叠加式晕渲的生产及应用

孙 磊，李 丹

(青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032)

一、前 言

晕渲是应用阴影原理，以色调的阴暗、冷暖变化表现地形起伏的一种绘图方法。通过晕渲法可以直观地表现出地形变化，尤其适用于表现山地和丘陵地带。青岛市是典型的丘陵地貌，拥有崂山、大泽山等大面积山体山脉，在数字青岛电子地图生产过程中通过使用山体晕渲，提升了图面美观度，增强了地图表现力。

常规的晕渲图制作方法为，利用DEM数据在软件下生成山影，并通过调整山影数据的颜色渐变、透明度、亮度等实现晕渲图的最佳表现效果。本文根据生产实践提出了一种新的技术方法，即将矢量面数据与山影数据相叠合的晕渲生产方法。利用该方法生产的晕渲图融合效果更好，生产效率更高，并能充分满足多级电子地图编制中的应用需要。

二、山体晕渲在数字青岛中的应用情况

数字青岛电子地图建设项目(以下简称为“数字青岛项目”)是“数字青岛地理空间框架建设”的重要组成部分。其电子地图比例尺自1∶1155～1∶564．25共分12级，其中，前7级地图中均使用了晕渲法进行配图，比例尺跨度较大，应用范围较广。

该项目通过使用叠加式山体晕渲制作技术，改善了晕渲效果的图面融合度，并能根据不同比例尺的图面需要进行灵活调整，自由组合，取得了良好的应用效果，同时节约了大量数据生产时间。

三、山体晕渲的制作方法

1．软件准备

如表1所示。

表1

2．DEM数据处理

DEM数据是生产晕渲数据不可缺少的基础数据，其数据来源一般为基础地理信息数据库。以数字青岛项目为例，其采用了市域 1∶5000，外围1∶10 000共两种不同精度的DEM数据。为满足数字青岛项目多尺度电子地图编制需要，笔者对上述DEM数据进行了提取、拼接、抽稀、滤波等处理，形成了晕渲生产的基础数据。具体包括以下内容。

(1)数据拼接

如上所述，数字青岛项目前期收集了两种不同范围、不同精度的DEM数据，首先利用遥感影像处理软件将两个数据源的栅格数据进行拼接，该项工作主要通过Erdas Imagine软件完成。

(2)数据抽稀

根据电子地图分级编图的需要，在小比例尺级别编图中，DEM数据精度在以满足图面美观度为前提的同时应尽量减少数据量，以提高系统运行效率和便于后期的数据分发。因此，项目利用 Erdas Imagine软件对拼接后的DEM数据进行了数据抽稀处理，并根据配图比例尺的大小进行试验调整，共生产了30m、50m两种精度的全范围DEM数据。

(3)数据滤波

山体晕渲数据的主要作用是以直观的方式呈现地势起伏和山体形态，图面美观度对其来说是至关重要的。因此，在数据处理过程中，可通过数据滤波的方式对DEM数据进行处理，对突变值或突变域进行滤波处理，以使数据更为平滑，应用效果更好。数字青岛项目中采用了均值滤波法完成了该项工作，窗口尺寸为3像素×3像素。

(4)数据提取

原始DEM数据的覆盖范围为青岛全市域及周边区域，但是在电子地图编制中仅需对较大的和有特殊意义的部分山体进行晕渲处理。同时，为减少工作量，提高数据处理速度，根据项目设计要求，仅提取了目标山体范围内的DEM数据。根据山体的矢量范围将拼接好的栅格数据进行裁切，考虑到后期叠加的需要，将矢量裁切范围做了30 m、50 m的缓冲区，输出满足要求的DEM栅格数据。

3．山影数据生产

影响山影数据表达效果的因素主要包括垂直比例尺、光照高度等。在生产过程中需要根据数据的精度、高程值变化范围及应用需求等实际情况进行调整以输出符合要求的山影数据。

一般来说，生产小比例尺、大范围、地势变化明显的山影数据时，不宜选择过大的垂直比例尺;而对于小范围、地势变换平缓的山影数据时，可以适当提高垂直比例尺值。本项目中30 m格网的DEM栅格数据设置输出山影的垂直比例尺值为1．3;50m格网的DEM栅格数据设置输出山影的垂直比例尺值为 1．1。

光照高度角的大小直接影响阴影的范围，过大或过小都不利于地貌形态的生动表达。一般来说，可以默认315°或45°(效果就是北京冬天下午的太阳位置)。本项目中30m格网的DEM栅格数据设置输出山影的光照高度角60°;50m格网的DEM栅格数据为默认的光照高度角值。

4．矢量蒙板生产

矢量蒙板是利用DEM数据生产而成的，用作覆盖山影数据表面的阶梯形面状数据。其生产方法是利用Golden Surfer软件对DEM数据进行等值线构面，最终形成无缝拼接的矢量面数据。矢量蒙版数据主要强调平滑、美观，能反映山体形态即可，对精度并无特别要求。因此，在数据处理中应注意参数的选择。根据山体形态和数据情况，勾绘时应尽量选择较高的勾绘圆滑度和适当的等值距，以取得较好的图面效果。

另外，利用DEM数据自动勾绘的矢量蒙板数据范围与周边地物有时会存在冲突现象，如与水体、居民地、环山公路等。因此，在自动勾绘结束后，需对蒙板数据边界进行手工处理。参考影像图和其他矢量数据，对蒙板数据边界范围和形态加以修饰，使其能更为合理、美观地配合周边环境使用;为解决山影数据边缘锯齿化的问题，矢量蒙板数据范围应略大于山影数据范围，做到完全覆盖山影数据并预留缓冲区域，这种处理方式在叠加应用时能得到较好的图面效果。

5．图层叠合

山影数据和蒙板数据共同组成了地图晕渲数据，其组合应用主要通过图层叠合的方式进行。将山影数据放置于下层，矢量蒙板数据覆盖其上，通过分别调整两图层的符号化样式、透明度、亮度等参数，可以获取不同的应用效果。如图1所示。

通常山影数据一般采用灰度渲染的方式，通过调整其亮度和对比度以控制晕渲光泽。矢量蒙板数据则可依不同应用需要，选择不同色系组合进行色彩渲染，并通过调整其透明度、亮度、对比度的方式控制晕渲的纹理强度和色彩饱和度等。

通过对山影层和蒙板层的叠合，以及各层参数的分别调整，可使晕渲效果相对传统方式更为柔和、细腻，应用方式也更加灵活多样，同时在一定程度上也提高了工作效率。

图1 图层叠合实现

四、山体晕渲的效果应用

1．不同细节需求应用

以数字青岛项目为例，其晕渲使用跨度由1∶100万至1∶2万，数据精细度差异巨大。一套山影数据往往无法同时满足各级配图的晕渲需要。中小比例尺配图下，应采用点距较大的DEM数据作为生产基础，在满足图面效果的前提下，尽量减小数据量以提高数据读取速度。而大比例配图下，则要求数据较为精细，以提升图面效果。

在传统的多重精细度晕渲数据生产中，往往会出现不同精度晕渲数据的范围差异、边缘锯齿、数值微变等问题(如图2所示)，虽然这些问题都属细微变化，但是一旦各级配图连贯查看时，就会出现图形跳跃的“动画现象”，影响电子地图整体效果。

图2 多精度晕渲的边缘差异

数字青岛的各级山体晕渲均使用了相同的矢量蒙板数据，仅对山影数据作了精细度区分和替换。通过这种方法，使各比例尺电子地图间的山体轮廓和色域设定均不发生任何变化，仅体现出山影的精细度提升。并且通过矢量蒙板弥补了不同精度山影数据间的边缘差异，成功地解决了这一问题。如图3所示。

图3 多精度叠加晕渲效果

2．不同环境需求应用

为保证图面效果协调、色彩搭配合理，电子地图配图工作中往往需要对同一类地物的色彩根据图面需求进行微调。如当某种色块面积占屏幕显示比例不断增大时，则其色彩应酌情淡化，避免大面积的重色彩出现。而山体晕渲恰恰符合这一情况，因此在电子地图比例尺逐级递增时，山体晕渲色彩则应逐渐淡化，这种变化应该是缓慢和自然的。

通过对晕渲蒙板与山影数据图层的透明度、亮度和对比度的分别调整与灵活组合，可以收获多种不同效果，满足上述需求。相对于晕渲直接饰色调整，这种调整方法的效果更好，过渡更自然，色彩也更加柔和，工作效率也更高。如图4所示。

图4 图层色调调整

3．不同用途需求应用

晕渲数据在数字城市电子地图数据生产中除作为背景图编制的重要支持外，还扮演着各类专题数据支撑和信息展示的角色。根据不同的用途，晕渲数据可通过不同的符号化样式表现出不同的内容。如作为背景图的山体晕渲应采用淡化渲染的方式，而地质地貌专题中山体渲染则应突出显示。如图5所示。

4．色彩融合应用

传统的地图晕渲制作中，往往会出现晕渲效果与地图背景色色差过大、过渡不自然等问题。数字青岛项目中通过对矢量蒙板的色阶和透明度的调整，较好地解决了这一问题。首先在矢量蒙板的色阶设置上，最低色阶的色彩应接近于周边底色色彩，如底色为白色时，最低一级色阶值应采用浅黄或浅绿并适当增加灰色以增强其融合度;其次，矢量蒙版数据范围应略大于山影数据范围，以实现从立体到平面效果的平滑过渡;最后，通过合理的透明度设置，完成山体晕渲与底色的自然融合。如图6所示。

图5 不同渲染方式应用

图6 背景融合效果对比

5．图层的自由组合应用

矢量蒙板层与山影层组合的方式不仅可以快速实现多种晕渲效果，还可以独立或与其他图层搭配以适应更多配图需要。如矢量蒙版层单独饰色应用可以更好地体现地形层次性，山影数据与背景色搭配可应用于灰度底图等。如图7所示。

图7 多种组合方式

五、结束语

本项目在生产过程中并未选择传统的单一加载山影表现地形变化的方法，而是尝试了利用矢量蒙板和山影相结合的表现方法，通过设置色阶、透明度等方式进行二者的色彩融合，增强了地形地貌的立体表达效果，并在数字城市建设项目中得到了很好的应用。

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