基于“山脉影像提取”方法制作地貌晕渲

解智强，杜清运，郭贵州，蔡忠亮，王贵武

（1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉430070；2.昆明市城市地下管线探测管理办公室，云南 昆明 650041； 3.湖北省地图院，湖北 武汉430074）

基于“山脉影像提取”方法制作地貌晕渲

解智强1,2，杜清运1，郭贵州3，蔡忠亮1，王贵武2

（1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉430070；2.昆明市城市地下管线探测管理办公室，云南 昆明 650041； 3.湖北省地图院，湖北 武汉430074）

分析了DOM和DEM在制作数字地貌晕渲过程中各自的优劣性。利用滇池盆地高质量GIS数据，提出一种提取山脉DOM与分层设色DEM集成的数字地貌晕渲制作方法。能很好地突显地貌晕渲效果，解决传统地貌晕渲过程中存在的2项技术问题：①以DEM制作地貌晕渲不能显示地物要素；②以DOM制作地貌晕渲地貌表现效果欠缺。用文中所叙述的方法制作地貌晕渲在视觉上更具美感，可在影像地图编制中推广应用。

DOM； DEM；数字地貌晕渲；贴面数据

关于地貌晕渲的制作方法，制图工作者进行了大量研究实践。计算机技术出现以前，手工绘制是唯一的地貌晕渲绘制方法，中国清代的《黄河图》是古代以山水画取代晕渲地图绘制的成功作品，见图1。计算机数字制图时代，晕渲以其在地图制作过程中的独特作用成为地图学研究的热点。其中，李少梅等以地貌晕渲图生成的基本理论出发，利用软件开发平台进行自主研发，实现了计算机地貌晕渲，并以天山山脉为例进行了实践（1995）；张忠探讨了利用图形图像处理软件CorelDRAW和Photoshop进行地貌晕渲的可能性（2001）。在理论方面，郭庆胜等研究了地貌晕渲中光源的使用和用色规则（2003）；李霖建设了分层设色与地貌晕渲的关系模型（2006）。这些研究为现代地貌晕渲制作提供了理论和实践基础[1]。

图1 中国清代《黄河图》以画家手绘的方法完成山体地貌的绘制

1 数字地貌晕渲的常用制作方法及其优劣性分析

数字地貌的主要制作文件为制图区域内的DEM和DOM 数据，DEM和DOM在地貌晕渲的制作过程中分别发挥不同的作用。DEM主要作用是：①生成地形文件，展示地面起伏的效果；②生成地形的阴影文件，展示不同光照角度下地形阴影发生的变化，并根据这种变化选择地貌晕渲生成的角度；③通过DEM的分层设色为晕渲表示不同类别的地形提供直接的DEM的贴面依据，比如在雪域、高原地区和平原丘陵地区使用不同的色系进行分层设色（图2）。DOM 在晕渲制作过程中的作用主要是加载到DEM表面形成贴面。

图2 不同地理区域的分层设色形成的DEM贴面数据

目前数字地貌晕渲制作主要有2种手段。第一种方法是以DEM为背景的地貌晕渲，这种方法实现的过程是：按照高程数据将DEM转换成分层设色数据和地貌阴影数据，通过ArcGIS等软件加载这两项数据，生成DEM模型，并取其俯视角度输出高分辨率图片制作为地貌晕渲。这种方法能很好地解决地面起伏山脉在地图上的展示，并通过分层设色技术解决不同地区的地形颜色表示（如谷歌地图以该方法表示地球上不同位置的地形数据）[2,3]。该方法的主要问题是，晕渲体本身不能加载丰富的地形信息，只能加载矢量数据，减弱了晕渲体的地物定位功能（图3a）。另外一种方法是以DOM为背景，即将未进行分层设色的DEM和DOM直接进行叠加，生成以影像为贴面的三维立体模型，并取其俯视角度生成地貌晕渲。这种方法能够应用于三维立体影像地图的制作，实现影像数据所携带的地物信息的定位与识别，但生成DEM后不能很好地突出地形的要素特征，地形显示效果较差（图3b）。另，DOM本身带有的不能改变阴影区域会与DEM按照任意角度生成的阴影在地图表现时发生矛盾。

图3 2种手段生成的晕渲效果图

2 突出DEM和DOM数据优势制作地貌晕渲

2.1 实现思想

本研究提出的制作地貌晕渲的方法主要是针对上述DEM制作方法所提出的。可以更好地应用和处理现有的DEM数据和DOM数据，实现更直观的地形表达及地貌晕渲制作，同时顾及真实的地理场景的影响。以前文提到的第一种方法，以分层设色的DEM数据为晕渲制作的基础，以晕渲的重要表示对象——山脉DOM数据为研究重点，将该区域的高分辨率卫星影像数据中的山脉部分进行一定比例的透明化处理后直接加载到上述DEM数据上，让带有分层设色的DEM直接突出于经过透明化的影像数据，输出上述叠加后的图像，生成DEM的最终贴面以制作数字晕渲[4]。这样做的好处是：①以影像数据替代分层设色数据为DEM的贴面，使DEM具有一定的地理信息并能够实现定位；②利用影像数据透明化处理，使DEM本身携带的地形起伏信息能够突出展现在以影像为背景的晕渲地貌中，保证晕渲地貌具有良好的地形特征，并解决不透明影像数据做贴面造成的地貌晕渲色彩杂乱的问题；③经过影像和DEM分层设色及色阶的不断调节，使地貌晕渲能够更好地反映制图区域的客观实际或实现不同晕渲制图背景的需求。

2.2 实现步骤与关键环节

1）数据准备。①影像数据是经过融色处理后的彩色卫星影像（制作大范围的DEM）或经过拼接的高分辨率的数字航空影像数据（制作大比例尺，小面积的DEM）；②DEM数据由制图区域的等高线、不规则高程点生成的三角网或LiDAR数据生成，数据格式为grid栅格文件。

2）控制基础。DEM 和DOM的准确坐标统一，即统一到制图区域所需的实际坐标系统中。影像数据通过制作DOM的技术规范进行投影及空间位置的校正，DEM数据文件也经过同样的投影及坐标进行校正，为后续的两种数据严格套合奠定基础。

3）山脉影像数据提取。这是本研究中最关键一环，这部分工作在Photoshop软件下实施。这一步骤基于的方法是：地貌晕渲主要是突出山脉的作用，因此需要将影像数据中的山脉部分取出，研究过程中将这种方法称为“山脉影像提取”方法，即在影像上有山脉出现的地方将其数据取下，独自生成一个山脉群的影像数据（详见图4a）。为促进山脉影像与周围地物实现顺利过渡，山脉影像周围进行10%的羽化处理，处理完毕后将其在原位置粘贴成为一个新的图层。此刻，原DOM数据分为2个图层，一个是“山脉”部分的图层，另外一个是“平地”部分的图层，在Photoshop软件下，将“山脉”图层进行50%的透明化处理（详见图4b）。

4）DEM分层设色。按照传统的晕渲制作方法，将DEM数据分为2部分进行处理，一部分是分层设色，另外一部分是地形，这2项工作均在ArcGIS软件中完成。在利用DEM数据制作晕渲时的色彩分级时，按照不同地理区域的颜色特征，将地貌颜色色阶分为32～64个级别，因为其上已经有透明化的DOM山体覆盖，因此色阶的各颜色RGB值可以适当偏弱,同时为突出DEM在表现过程中的美观性，之后生成以分层设色为贴面的地貌晕渲。考虑到专题地图制作的艺术性，在DEM生成地形文件时，可以对其高度进行适当夸张，即突出显示地面数字高程模型的正向地貌，以满足专题地图中突出正向山脉的艺术初衷，但注意地形不能变形严重[5,6]。

5）利用ArcGIS的空间校正工具将上述生成的DOM和DEM数据分别统一到同样的直角坐标系统里面,导入Photoshop软件进行叠加,以高分辨率的手段输出geoTIF文件，即完成本研究需要的最终DEM的贴面数据（详见图4c）[7,8]。本研究方法实现的技术路线见图5。

图4 影像提取法制作地貌晕渲的过程

图5 实现的技术路线与作业流程

2.3 实现效果分析

1）该方法主要处理的对象是DOM数据,因此,生成的地貌晕渲比传统的以DEM分层设色为主的地貌晕渲颜色偏暗,但晕渲本身则要生动许多,同时能够有效地展示地形变化和地物的变化特征。

2）本方法制作地貌晕渲的关键之处是影像数据的透明度和地形分层设色的设置。对于影像而言，不能过度透明，以至于丢失本身包含的信息，从而失去其在晕渲体上的定位功能。对于DEM分层设色而言，颜色的选用十分关键，需要重点顾及以下因素：分层设色的色系一定要和制图区域的地理情况一致，色彩相应弱化，避免影响影像数据在晕渲体上的显示。同时，影像透明系数和地貌分层色彩调节两者之间的共同点需要进行反复的测试，找到一个最佳的接合点。这种结合点并不是一成不变的，随着制图区域的地理特征变化会发生不断的变化。因此，需要进行不断的测试，以达到最佳效果。

3）该方法还要关注山体和平原之间的正常过渡，需要把握好山体边缘的数据羽化尺度，羽化参数设置过小，则山体与平原地区过渡不自然；羽化参数设置过大，则会损失山脚部分的影像数据[9]。

3 应用实例

本研究成果用于中国西南部城市——云南昆明地区的《滇池盆地入湖河道分布系列地图》的编制，该项目的要求是利用现有的4D产品数据，编制围绕表现该地区中心湖泊——滇池的地图编制任务。编制的目的是为全面掌握滇池流域的入湖河道情况分布，制图区域涉及滇池流域3 000 km2的基础测绘数据和GIS属性数据，涉及数据量巨大（包括滇池流域的昆明城区内的数字线划、数字正射影像、数字高程模型数据）。成果包括一张以晕渲地貌为背景的河道分布地图，以及一张表示全流域的三维立体影像鸟瞰图。地貌晕渲的制作任务巨大，同时也是本地图编制成功与否的关键因素。

3.1 地貌晕渲生成过程

1）提取山脉的数据区域。考虑到制图区域的影响，山脉接边处作羽化处理，羽化设置的参数为15%。提取的山脉数据在分层过程中进行透明处理，透明度调节为45%，有效保证了必要的影像地物留在影像数据上。

2）DEM分层设色。研究项目使用ArcGIS软件，按照山脉的自然色彩对DEM进行分层设色。一般而言，由于制图区域为高原-盆地区域，具有一定的地理地貌特色，结合高程变化，考虑DEM分层设色由绿-黄-褐3个主要色系实现渐变。为使DEM显示更加细腻，渐变的色阶使用64个色级。

3）最终生成的DEM贴面按照自然地理特征在Photoshop等软件中进行色彩调节后输出。实现过程见图6。

图6 《滇池流域入湖河道分布序列地图》晕渲地貌实现过程

4）DEM实现效果及其与传统制作方法比较。完成后的地貌晕渲明显比传统手段山脉显示雄伟、挺拔，能够明显分辨且隐约展示其中的影像上的地物，并和周围的地物相得益彰，视觉冲击力表现更加明显（详见图7）。影像数据能够很好地掩盖DEM生成地貌晕渲过程中出现的“台地”效果，与传统的地貌晕渲成果（详见图8）相比，本研究提出的地貌晕渲方法提升了图面的质量，更好、更逼真地实现制图区域山脉的显示。

图7 通过本研究方法制作的晕渲地貌

图8 同一地区传统方法制作的晕渲地貌

3.2 在三维立体地图编制过程中的应用

本研究成果能够作为三维影像地图的DEM数据的贴面，能够保证生成的片区三维影像地图在色彩上更加自然，制作的三维影像地貌更能反映实地的地形起伏与变换，其制作成果见图9。

图9 使用本研究晕渲地貌制作的山脉DEM

4 结 语

本文详述了突出DEM和DOM数据优势制作地貌晕渲的方法，展示了该方法最终实现的成果及其在地图制图工程中的应用。相比已有的地貌晕渲制作方法，基于山脉影像数据提取的地貌晕渲存在以下优点：①进一步突出了山脉在地貌晕渲制作过程中的地位与作用，使地貌晕渲在影像地图编制中发挥的作用更加明显；②解决了地貌晕渲制作中不能很好地依附影像地物要素的问题，使地图地形要素能够获得一定的目标定位能力；③该方法很好地集成了地形起伏在地图上的显示（包括在三维地图中显示），并能很好地将进行晕渲地形融入周围的数据环境。极大地提升了以影像为主的专题地图的可视化能力，这在将来的地图编制，特别是影像地图或地图集编制中有重要的参考价值，值得推广。

目前，计算机的软、硬件性能及其功能瓶颈依然是该方法实施的主要障碍。本方法主要面临2方面问题：①GIS编辑软件不接受超过2 G的影像数据，如ERDAS9，迫使贴面数据的分辩率下调，影响了地图成图比例尺；②一些功能不能在GIS专业软件中实现，如ArcGIS不支持羽化功能，因此，本研究不得不在多个GIS和图像处理编辑软件中实施，这在一定程度上加大了工作的成本。

[1] 黄仁涛．专题地图编制[M]．武汉:武汉测绘科技大学出版社,1992

[2] 党安荣．ERDAS IMAGE遥感图像处理方法[M]．北京:清华大学出版社,2005

[3] 吴秀芹．ArcGIS9 地理信息系统应用与实践（下）[M]．北京:清华大学出版社,2007

[4] 朱庆．数字高程模型[M]．武汉:武汉大学出版社,2001

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[7] 樊红．ARCINFO应用与开发技术[M]．武汉:武汉大学出版社,2002

[8] 汤国安．ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M]．北京:科学技术出版社,2006

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P283.4

B

1672-4623（2014）05-0055-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.020

解智强，博士，正高职高级工程师，主要从事地图学与地理信息系统研究工作。

2014-01-10。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41371427）；昆明市2010年重点科技计划资助项目（101H130304）。