基于Openness可视化参数的二维地貌显示

张 洁，梁明剑，邵延秀

(1.中国地质大学(武汉)地球科学学院，武汉 430074;2.中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016;3.四川省地震局，成都 610041;4.中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000)

0 引言

利用数字高程模型(digital elevation model，DEM)可以对地貌形态进行二维(等高线地形图、剖面图及晕渲图)和三维(三维景观、虚拟现实等)可视化模拟，以直观地观察地形全貌及其结构特征［1－2］。DEM 在进行可视化分析时，三维可视化中三维景观和虚拟现实可以直观、立体地显示研究对象，对于局部分析有着很大的优势;但对于构造地貌来说，尤其用于分析区域构造的空间关系与地貌的响应关系方面，其作用相对局限。

在分析区域性地形地貌时，地形晕渲法(或称阴影法)是目前最常用的方法之一。它利用阴影和明暗变化的原理在平面上建立地貌立体形态［3］，先通过模拟太阳光对地面照射所产生的明暗度，计算DEM单元各顶点的法向量或者是DEM单元的坡度和坡向;再将法向量或者坡向与光源方向比较，得到地形随光度近似连续变化的色调，向光面赋浅色调，背光面赋深色调，使地貌的形态特征具有一定的立体感［2，4］。但是由于地形晕渲法是模拟太阳光对地面的照射，受制于光源位置的设置状态。不同的光源位置会对同一地区产生不同的灰度值，其晕渲效果也不相同。地形的起伏也会造成邻近地形间的相互遮蔽［2，5－6］。为解决这些问题，Yokoyama 等提出了Openness作为二维平面的可视化参数，该参数不受光源设置的影响，强调地形的凹凸，直观的立体感强［6］。本文利用 30 m空间分辨率的 ASTER GDEM2数据，通过计算地形二维可视化参数Openness，初步探讨该参数在模拟地形地貌方面的应用。

1 Openness参数的原理

Openness是Yokoyama等提出的地形二维可视化参数，是基于表面地形与水平距离之间的角度测量，更强调地形的凹凸，直观的立体感强。进行可视化分析时，不需要光源的设置，不受邻近地形相互遮蔽的影响，并且受高程数据自身噪声影响也较小［6］。根据 Yokoyama等对 Openness参数的定义，阴影部分表示地表起伏的地形(图1)。A点为起始视点，沿着某一个方位D，在半径为L的地形范围内，地形的顶角(DφL)和底角(DψL)计算公式为

图1 根据地形顶角和底角计算Openness的原理示意图［6］Fig.1 Surface Openness defined in term s of zenith and nadir angles

式中DβL和DδL分别为A点与地形最高点和最低点连线与水平面间的夹角，单位取度(°)。

计算L半径内8 个方位(D=0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)的最顶角和最底角，然后取平均值就可以得到A点在半径L下的Openness正值 φL和负值 ψL，即

式中:0φL和45φL分别表示观察角度为 0°和45°的最顶角;0ψL和45ψL分别表示观察角度为0°和45°的最底角，以此类推。Openness强调地形的凹凸，与地形坡度曲线形状类似［7］，正值表示向上凸，负值表示向下凹。计算半径L主要反映不同长度尺度下的地貌，较大的L更强调宏观地貌，较小的L则更能反映了微地貌［6］。

根据Openness正值和负值，已经能够表示出具有浮雕感觉的地貌晕渲图，但是为了能够使得视觉上的效果更加明显。Chiba等［2］在2008年又引入了“red relief imagemap(RRIM)”的概念，即用红色同时表现地形凹凸程度的多层可视化图像。经验表明，人的眼睛对红色反应比较敏感，并且红色的层次感较强［2］，例如遥感的植被分类解译中也常采用红色来显示植被。RRIM利用Openness参数的平均值I来表示，即

2 应用实例分析

Openness参数可以从SRTM，ASTER GDEM，INSAR和LiDAR等多种来源的DEM数据获取，具有广阔的应用前景。目前国内学者采用Openness参数研究地貌分类甚少，较多地采用相类似的天空开阔度参数分析起伏地形对太阳散射、辐射的影响［8－12］;国外已有学者将 Openness参数应用于地貌分类和LiDar数据的分析［13］。经过实践表明，利用DEM得到的各类地形地貌图中，Openness参数灰度图能够更好地在图像上反映山脉的细节部分。通常情况下，Openness值高的地区呈现亮色调，反之则呈现暗色调。

选择闽江入海口的地貌作为研究对象，该区地处戴云山脉的东翼，倚山面海，自西向东地貌类型由高丘陵→低丘陵→台地平原→(闽江)入海口三角洲依次排布，地势由西北向东南呈阶梯状下降，地貌类别比较丰富，可以很好地检验Openness参数对区域地貌反映的直观效果。

利用Landserf2.3.1软件和DEM(30 m)的高程数据，计算闽江入海口Openness参数，并结合坡度分析结果，生成RRIM图，用于比较分析闽江口的地貌特征(图2)。

图2－1 闽江入海口Openness参数应用对比图Fig.2－1 Comparativemap of M injiang Estuary Openness parametric applications

图2－2 闽江入海口Openness参数应用对比图Fig.2－2 Comparativemap of M injiang Estuary Openness parametric applications

图2(a)为传统的山体阴影图，通过模拟太阳光照强度来展示地形的起伏效果，可以利用ArcGIS中的Hillshade工具实现。此时需要设置2个重要参数，即太阳方位角和太阳高度角。为了获得人们习惯的正立体视觉效果，将太阳方位角设置为315°，使太阳从西北方向入射，山体的阴影面向观察者;太阳高度角取默认值(高度角越小，阴影效果越明显，但其遮蔽相邻地物的现象也越严重)。光照值高、颜色亮浅之处为高地，反之为低凹处或阴影，能基本反映地貌的总体轮廓。图2(b)(c)分别为Openness参数的正值图和负值图，正值图更能体现地貌凸起感，而负值图则更强调地貌的凹陷感。图2(d)为RRIM图，叠加了红色的坡度结果，研究区整个地貌的层次感和立体感显示得更为强烈。

图3为研究区地貌的细部对比。

图3 闽江入海口一带地貌轮廓对比图Fig.3 Geomorphic outline com parison diagram of M injiang Estuary

由图3可以看出应用Openness参数提取地貌轮廓信息的优越性。闽江入海口一带的山体阴影图(图3(a))虽然基本反映了该地段地貌的总体轮廓，但山体的边界、闽江河道等细节反映得不够清晰;而RRIM图(图3(b))较之山体阴影图则显示了很好的地貌层次感，地貌轮廓清晰了许多，地貌细节也更加详细，而且给人有立体浮雕的感觉。这表明，采用Openness参数，可以在二维平面内充分体现出三维的立体感，使研究者不但能更好地进行大区域宏观地貌分析，也能详细地判别地貌的细部结构。同时，Openness的正值图和负值图也有各自的优点:正值图能更好地体现地貌的“凸”感，负值图则更强调地貌的“凹”感(图4)。

图4 闽江入海口一带Openness正负值对比图Fig.4 Positive and negative Openness comparison diagram of M injiang Estuary

图4(a)为闽江入海口的正值图，山体、闽江河道和海陆之间的轮廓线都十分清晰，这对地貌分类的判别十分有利;而该地段的负值图(图4(b))除了闽江河道轮廓线很清楚之外，还清晰地显示出福州市东部山地上分布有近南北向和北西向的线性槽谷形迹，这些可能是切割山体的构造线，也就是说它能够很好地反映断裂构造走向，可以应用于地质构造解译。

3 结论与讨论

1)Openness是一种基于表面地形与水平距离之间的角度测量的二维可视化参数，更强调地形的凹凸，使得直观的立体感更强;而且，该参数进行可视化分析时，不需要光源的设置，不受邻近地形相互遮蔽的影响，并且受高程数据自身噪声影响也较小。

2)通过对闽江入海口地区Openness参数的地貌分析，以及与传统的地形晕渲法做出来的山体阴影图进行对比，Openness参数地貌体现出更强烈的地形起伏感，地貌的立体效果明显优于山体阴影图。负值图对水系和山谷轮廓具有很好的反映，而正值图则对山体反映很好，而且Openness地貌图还清晰地显示出断裂形成的地貌形迹。

3)Openness参数可以从多种来源的DEM数据计算获取，因此能用于不同精细程度的地貌分析，在地形地貌和构造地貌分析方面具有广阔的应用前景。

4)Openness参数的计算对DEM数据的实际测量点密度要求比较高。如果高程数据的实际测量点比较少，密度分布不均匀，所计算的Openness参数图尚不能够充分地反映实际地貌的细节和真实程度，在实际应用时应引起注意。

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