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地形渲染之彩色地形图

作者:王双 邮箱:wangsh@lreis.ac.cn 发布时间:2014-01-09 09:53:04 阅读(10057)

地形渲染之彩色地形图(Painted Relief Map)

 

Relief Map(也称ShadedRelief MapHillshade Map,地形图),指通过制图手段在二维地图上展现出三维地表的形态,如http://www.maps-for-free.com/这里提供的地图,就是将阴影图和世界地图融合得到的。一般情况下,在GIS软件中我们想得到类似的效果,都是将由DEM得到的灰度阴影图和彩色的DEM图层叠加,通过控制透明度来实现的,但是这种方式的视觉效果往往不令人满意,整个地图的色调显得非常的灰暗,而且阴影图模拟的起伏细节也显示得不够明显,如下图所示。本文会介绍一种图像融合的方式,既不会影响DEM的色彩,又不丧失阴影图细节,实现软件为ArcGIS

 

说明: C:\Users\ACTC\Desktop\pic\1.jpg

这里用的的方法就是Pansharpening,维基百科里给出的解释是Pansharpening is a process of merging high-resolution panchromatic and lower resolution multispectral imagery to create a single high-resolution color image,也就是将一个高分辨率的单波段全色影像和一个低分辨率的多波段彩色影像融合,从而得到一个高分辨率的单波段彩色影像。这里我们用到的全色影像就是阴影图,而多波段是原始的DEM数据。

1)数据预处理

做地形图我们手头的必备数据就是DEM,如果苦于没有DEM的同学,可以去http://srtm.csi.cgiar.org/index.asp看一下,山姆大叔还是很慷慨的,提供了90M分辨率的全球DEM下载,这么大的影像当然是分块的,咱可以根据经纬度的范围选择下载后再将其拼接起来,这些细节就不再赘述了,详见ArcGIS Desktop Help~,那么阴影图是如何得到的呢?这个常用的工具在ArcGIS中可以直接找到——Hillshade,这个工具是通过模拟太阳光照强度来展示地形的起伏效果,两个重要参数一个太阳入射角(默认值是315指太阳从西北方向入射,这里根据手头的数据我改为了135度),另一个是太阳方位角就取默认值,这样就得到了上图中间的阴影图,灰度值从0-255,光照值大就是高地,值小的是洼地。

再下来要给DEM上色了,这步还是很关键的,这里用了stretch拉伸的方式渲染,选取一个合适的color ramp,但是现在单波段怎么变成RGB的多波段DEM呢?这里要先在ArcMapDEM图层的右键菜单里选择导出,勾选下图中的use rendererforce rgb,这样准备工作就ok了。

说明: C:\Users\ACTC\Desktop\pic\2.png

2)影像融合

 

首先打开Window菜单下的Image Analysis窗口,同时选中DEM和阴影图,然后点击下面Processing面板中的Pan-sharpening tool,这时就会生成一个新的图层,下面来一起设置一下这个图层的显示属性:

  1. 1.右键属性,在Functions面板中,右键打开Pansharpening Function的属性,在general里设置输出的像元类型,这里选择8 bit unsigned;然后在Pan sharpen里设置MethodSimple Mean,点击确定。

     

  2. 说明: Overlaying rasters - Image Analysis Window

  3. 2.右键Pansharpening Function,选择Insert——stretch function,勾选Use Gamma,相应的把每个波段的gamma值设置为0.5.

 

注:这里应用gamma校正,是希望调整由于显卡或者显示器的原因令实际输出的图像在亮度上有偏差,Gamma值等于1的时候,曲线为与坐标轴成45°的直线,这个时候表示输入和输出密度相同。高于1Gamma值将会造成输出亮化,低于1Gamma值将会造成输出暗化。一些研究表明Gamma值取0.40.45是最接近人类视觉系统的,这个还要自己来尝试,看看怎样得到的图像效果最好。

 

说明: C:\Users\ACTC\Desktop\pic\gamma.jpg

 

 

地形渲染之阴影图(Shaded Relief Map)

在上一篇小文《地形渲染之彩色地形图》中,我们讨论了如何将彩色的DEM和阴影图(hillshade)叠加在一起得到彩色地形图的过程。在叠加中我们使用的阴影图,是使用ArcGIS默认的hillshade工具得到的,有些人可能会觉得这个阴影图不够“理想”,这篇文章就来介绍两种比较经典的阴影图制作方法。

1.Swiss-Style Hillshade

Swiss-style hillshade,我们姑且称之为“瑞士style”,最早是瑞士制图学家Eduard Imhof在其大作《Cartographic Relief Presentation》提出的,ESRI的两位制图专家Buckley & Barnes曾在用户大会上给出了具体定义以及在ArcGIS中实现的方法。

“Swiss hillshade effect that “emphasizes the major geographic features, minimizes the minor features, smoothes irregularities on the slopes, but maintains the rugged characteristics of ridge tops and canyon bottoms…You can then simulate an aerial perspective that makes the higher elevations lighter and the lower elevations darker.”

这种方法可以突出主要的地形特征,简化细微的地形特征,在保持地形凹凸形态的前提下对某些不规则的地方进行平滑,在得到的灰度值中,让高海拔的地方显得更亮低海拔的地方显得更暗,从而更符合人们的视觉认知。Swiss-style hillshade方法会得到两个输出结果,一是在默认阴影图的基础上通过地图代数函数将个别与周围值相差过大的像元融合掉,另外一个是模拟正射图像的效果将高程数据与阴影图叠加。如下图所示,在用了同样的颜色来渲染的情况下,色调上还是有些区别,另外在一些细节处,瑞士style也表现出了更好的效果。

 

说明: C:\Users\ACTC\Desktop\pic\defaulthsd.png  说明: C:\Users\ACTC\Desktop\pic\swissstyle.png

图1 左为默认得到的阴影图 右为swiss-style阴影图

 

Swiss-style阴影图实现步骤为:

(1)使用hillshade工具得到默认阴影图,然后使用Focal Statistics工具对默认阴影图进行4*4的邻域统计,取MEDIAN

(2)将原始DEM的值除以5,再加上默认阴影图的灰度值,从而模拟正射图像的性质,得到更为真实的地形起伏效果;

(3)将结果1叠加在结果2上,设置透明度为35%

实现流程如下所示,下图为Model Builder建模。

说明: C:\Users\ACTC\Desktop\QQ截图20130115162637.png

2.MDOW Hillshade

MDOWmultidirectional oblique weighting)是通过模拟多光源光照来尽可能展示地表的真实形态,因为默认的阴影图只是模拟单一的光源,产生阳坡阴坡的光照对比度,但是与光源平行或夹角过小的地方并不能得到很好的展示,下面是MDOW方法的定义:

"Traditional computer-generated shaded relief maps emphasize structures that happen to be obliquely illuminated, but wash out structures that are illuminated along the structural grain. This … technique, which emphasizes oblique illumination on all surfaces, provides more detail in areas of an image that would otherwise be illuminated by direct light or left in darkness by a single source illumination.“

This model was developed by Dr. Robert Mark,

U.S. Geological Survey, Menlo Park, CA, 94025.

说明: C:\Users\ACTC\Desktop\pic\mdow.png

图1  MDOW阴影图示意

      MDOW的实现方法比较复杂,具体可以在ESRI MappingCenter上下载HillshadeToolshttp://mappingcenter.esri.com/index.cfm?fa=arcgisResources.modelsScripts),上图是同样火口湖地区的MDOW阴影效果。

 

3.成图示例——Crater Lake Map

下面这张是美国火口湖国家公园的地图,火口湖位于美国俄勒冈州西南部喀斯特山脉海拔约2400米处,以一汪深蓝的湖水而闻名。地图完全在ArcMap中进行绘制,主体部分就是结合了上面介绍的两种阴影图方法将其叠加而成。

 


 

作者:王双 邮箱:wangsh@lreis.ac.cn

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关键词:ArcGIS、地形图、渲染

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