疊加式暈渲的生產(chǎn)及應(yīng)用

孫 磊，李 丹

(青島市勘察測繪研究院，山東青島266032)

一、前 言

暈渲是應(yīng)用陰影原理，以色調(diào)的陰暗、冷暖變化表現(xiàn)地形起伏的一種繪圖方法。通過暈渲法可以直觀地表現(xiàn)出地形變化，尤其適用于表現(xiàn)山地和丘陵地帶。青島市是典型的丘陵地貌，擁有嶗山、大澤山等大面積山體山脈，在數(shù)字青島電子地圖生產(chǎn)過程中通過使用山體暈渲，提升了圖面美觀度，增強了地圖表現(xiàn)力。

常規(guī)的暈渲圖制作方法為，利用DEM數(shù)據(jù)在軟件下生成山影，并通過調(diào)整山影數(shù)據(jù)的顏色漸變、透明度、亮度等實現(xiàn)暈渲圖的最佳表現(xiàn)效果。本文根據(jù)生產(chǎn)實踐提出了一種新的技術(shù)方法，即將矢量面數(shù)據(jù)與山影數(shù)據(jù)相疊合的暈渲生產(chǎn)方法。利用該方法生產(chǎn)的暈渲圖融合效果更好，生產(chǎn)效率更高，并能充分滿足多級電子地圖編制中的應(yīng)用需要。

二、山體暈渲在數(shù)字青島中的應(yīng)用情況

數(shù)字青島電子地圖建設(shè)項目(以下簡稱為“數(shù)字青島項目”)是“數(shù)字青島地理空間框架建設(shè)”的重要組成部分。其電子地圖比例尺自1∶1155～1∶564．25共分12級，其中，前7級地圖中均使用了暈渲法進行配圖，比例尺跨度較大，應(yīng)用范圍較廣。

該項目通過使用疊加式山體暈渲制作技術(shù)，改善了暈渲效果的圖面融合度，并能根據(jù)不同比例尺的圖面需要進行靈活調(diào)整，自由組合，取得了良好的應(yīng)用效果，同時節(jié)約了大量數(shù)據(jù)生產(chǎn)時間。

三、山體暈渲的制作方法

1．軟件準(zhǔn)備

如表1所示。

表1

2．DEM數(shù)據(jù)處理

DEM數(shù)據(jù)是生產(chǎn)暈渲?jǐn)?shù)據(jù)不可缺少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)來源一般為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。以數(shù)字青島項目為例，其采用了市域 1∶5000，外圍1∶10 000共兩種不同精度的DEM數(shù)據(jù)。為滿足數(shù)字青島項目多尺度電子地圖編制需要，筆者對上述DEM數(shù)據(jù)進行了提取、拼接、抽稀、濾波等處理，形成了暈渲生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體包括以下內(nèi)容。

(1)數(shù)據(jù)拼接

如上所述，數(shù)字青島項目前期收集了兩種不同范圍、不同精度的DEM數(shù)據(jù)，首先利用遙感影像處理軟件將兩個數(shù)據(jù)源的柵格數(shù)據(jù)進行拼接，該項工作主要通過Erdas Imagine軟件完成。

(2)數(shù)據(jù)抽稀

根據(jù)電子地圖分級編圖的需要，在小比例尺級別編圖中，DEM數(shù)據(jù)精度在以滿足圖面美觀度為前提的同時應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)量，以提高系統(tǒng)運行效率和便于后期的數(shù)據(jù)分發(fā)。因此，項目利用 Erdas Imagine軟件對拼接后的DEM數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)抽稀處理，并根據(jù)配圖比例尺的大小進行試驗調(diào)整，共生產(chǎn)了30m、50m兩種精度的全范圍DEM數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)濾波

山體暈渲?jǐn)?shù)據(jù)的主要作用是以直觀的方式呈現(xiàn)地勢起伏和山體形態(tài)，圖面美觀度對其來說是至關(guān)重要的。因此，在數(shù)據(jù)處理過程中，可通過數(shù)據(jù)濾波的方式對DEM數(shù)據(jù)進行處理，對突變值或突變域進行濾波處理，以使數(shù)據(jù)更為平滑，應(yīng)用效果更好。數(shù)字青島項目中采用了均值濾波法完成了該項工作，窗口尺寸為3像素×3像素。

(4)數(shù)據(jù)提取

原始DEM數(shù)據(jù)的覆蓋范圍為青島全市域及周邊區(qū)域，但是在電子地圖編制中僅需對較大的和有特殊意義的部分山體進行暈渲處理。同時，為減少工作量，提高數(shù)據(jù)處理速度，根據(jù)項目設(shè)計要求，僅提取了目標(biāo)山體范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)。根據(jù)山體的矢量范圍將拼接好的柵格數(shù)據(jù)進行裁切，考慮到后期疊加的需要，將矢量裁切范圍做了30 m、50 m的緩沖區(qū)，輸出滿足要求的DEM柵格數(shù)據(jù)。

3．山影數(shù)據(jù)生產(chǎn)

影響山影數(shù)據(jù)表達效果的因素主要包括垂直比例尺、光照高度等。在生產(chǎn)過程中需要根據(jù)數(shù)據(jù)的精度、高程值變化范圍及應(yīng)用需求等實際情況進行調(diào)整以輸出符合要求的山影數(shù)據(jù)。

一般來說，生產(chǎn)小比例尺、大范圍、地勢變化明顯的山影數(shù)據(jù)時，不宜選擇過大的垂直比例尺;而對于小范圍、地勢變換平緩的山影數(shù)據(jù)時，可以適當(dāng)提高垂直比例尺值。本項目中30 m格網(wǎng)的DEM柵格數(shù)據(jù)設(shè)置輸出山影的垂直比例尺值為1．3;50m格網(wǎng)的DEM柵格數(shù)據(jù)設(shè)置輸出山影的垂直比例尺值為 1．1。

光照高度角的大小直接影響陰影的范圍，過大或過小都不利于地貌形態(tài)的生動表達。一般來說，可以默認(rèn)315°或45°(效果就是北京冬天下午的太陽位置)。本項目中30m格網(wǎng)的DEM柵格數(shù)據(jù)設(shè)置輸出山影的光照高度角60°;50m格網(wǎng)的DEM柵格數(shù)據(jù)為默認(rèn)的光照高度角值。

4．矢量蒙板生產(chǎn)

矢量蒙板是利用DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)而成的，用作覆蓋山影數(shù)據(jù)表面的階梯形面狀數(shù)據(jù)。其生產(chǎn)方法是利用Golden Surfer軟件對DEM數(shù)據(jù)進行等值線構(gòu)面，最終形成無縫拼接的矢量面數(shù)據(jù)。矢量蒙版數(shù)據(jù)主要強調(diào)平滑、美觀，能反映山體形態(tài)即可，對精度并無特別要求。因此，在數(shù)據(jù)處理中應(yīng)注意參數(shù)的選擇。根據(jù)山體形態(tài)和數(shù)據(jù)情況，勾繪時應(yīng)盡量選擇較高的勾繪圓滑度和適當(dāng)?shù)牡戎稻啵匀〉幂^好的圖面效果。

另外，利用DEM數(shù)據(jù)自動勾繪的矢量蒙板數(shù)據(jù)范圍與周邊地物有時會存在沖突現(xiàn)象，如與水體、居民地、環(huán)山公路等。因此，在自動勾繪結(jié)束后，需對蒙板數(shù)據(jù)邊界進行手工處理。參考影像圖和其他矢量數(shù)據(jù)，對蒙板數(shù)據(jù)邊界范圍和形態(tài)加以修飾，使其能更為合理、美觀地配合周邊環(huán)境使用;為解決山影數(shù)據(jù)邊緣鋸齒化的問題，矢量蒙板數(shù)據(jù)范圍應(yīng)略大于山影數(shù)據(jù)范圍，做到完全覆蓋山影數(shù)據(jù)并預(yù)留緩沖區(qū)域，這種處理方式在疊加應(yīng)用時能得到較好的圖面效果。

5．圖層疊合

山影數(shù)據(jù)和蒙板數(shù)據(jù)共同組成了地圖暈渲?jǐn)?shù)據(jù)，其組合應(yīng)用主要通過圖層疊合的方式進行。將山影數(shù)據(jù)放置于下層，矢量蒙板數(shù)據(jù)覆蓋其上，通過分別調(diào)整兩圖層的符號化樣式、透明度、亮度等參數(shù)，可以獲取不同的應(yīng)用效果。如圖1所示。

通常山影數(shù)據(jù)一般采用灰度渲染的方式，通過調(diào)整其亮度和對比度以控制暈渲光澤。矢量蒙板數(shù)據(jù)則可依不同應(yīng)用需要，選擇不同色系組合進行色彩渲染，并通過調(diào)整其透明度、亮度、對比度的方式控制暈渲的紋理強度和色彩飽和度等。

通過對山影層和蒙板層的疊合，以及各層參數(shù)的分別調(diào)整，可使暈渲效果相對傳統(tǒng)方式更為柔和、細(xì)膩，應(yīng)用方式也更加靈活多樣，同時在一定程度上也提高了工作效率。

圖1 圖層疊合實現(xiàn)

四、山體暈渲的效果應(yīng)用

1．不同細(xì)節(jié)需求應(yīng)用

以數(shù)字青島項目為例，其暈渲使用跨度由1∶100萬至1∶2萬，數(shù)據(jù)精細(xì)度差異巨大。一套山影數(shù)據(jù)往往無法同時滿足各級配圖的暈渲需要。中小比例尺配圖下，應(yīng)采用點距較大的DEM數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)基礎(chǔ)，在滿足圖面效果的前提下，盡量減小數(shù)據(jù)量以提高數(shù)據(jù)讀取速度。而大比例配圖下，則要求數(shù)據(jù)較為精細(xì)，以提升圖面效果。

在傳統(tǒng)的多重精細(xì)度暈渲?jǐn)?shù)據(jù)生產(chǎn)中，往往會出現(xiàn)不同精度暈渲?jǐn)?shù)據(jù)的范圍差異、邊緣鋸齒、數(shù)值微變等問題(如圖2所示)，雖然這些問題都屬細(xì)微變化，但是一旦各級配圖連貫查看時，就會出現(xiàn)圖形跳躍的“動畫現(xiàn)象”，影響電子地圖整體效果。

圖2 多精度暈渲的邊緣差異

數(shù)字青島的各級山體暈渲均使用了相同的矢量蒙板數(shù)據(jù)，僅對山影數(shù)據(jù)作了精細(xì)度區(qū)分和替換。通過這種方法，使各比例尺電子地圖間的山體輪廓和色域設(shè)定均不發(fā)生任何變化，僅體現(xiàn)出山影的精細(xì)度提升。并且通過矢量蒙板彌補了不同精度山影數(shù)據(jù)間的邊緣差異，成功地解決了這一問題。如圖3所示。

圖3 多精度疊加暈渲效果

2．不同環(huán)境需求應(yīng)用

為保證圖面效果協(xié)調(diào)、色彩搭配合理，電子地圖配圖工作中往往需要對同一類地物的色彩根據(jù)圖面需求進行微調(diào)。如當(dāng)某種色塊面積占屏幕顯示比例不斷增大時，則其色彩應(yīng)酌情淡化，避免大面積的重色彩出現(xiàn)。而山體暈渲恰恰符合這一情況，因此在電子地圖比例尺逐級遞增時，山體暈渲色彩則應(yīng)逐漸淡化，這種變化應(yīng)該是緩慢和自然的。

通過對暈渲蒙板與山影數(shù)據(jù)圖層的透明度、亮度和對比度的分別調(diào)整與靈活組合，可以收獲多種不同效果，滿足上述需求。相對于暈渲直接飾色調(diào)整，這種調(diào)整方法的效果更好，過渡更自然，色彩也更加柔和，工作效率也更高。如圖4所示。

圖4 圖層色調(diào)調(diào)整

3．不同用途需求應(yīng)用

暈渲?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)字城市電子地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)中除作為背景圖編制的重要支持外，還扮演著各類專題數(shù)據(jù)支撐和信息展示的角色。根據(jù)不同的用途，暈渲?jǐn)?shù)據(jù)可通過不同的符號化樣式表現(xiàn)出不同的內(nèi)容。如作為背景圖的山體暈渲應(yīng)采用淡化渲染的方式，而地質(zhì)地貌專題中山體渲染則應(yīng)突出顯示。如圖5所示。

4．色彩融合應(yīng)用

傳統(tǒng)的地圖暈渲制作中，往往會出現(xiàn)暈渲效果與地圖背景色色差過大、過渡不自然等問題。數(shù)字青島項目中通過對矢量蒙板的色階和透明度的調(diào)整，較好地解決了這一問題。首先在矢量蒙板的色階設(shè)置上，最低色階的色彩應(yīng)接近于周邊底色色彩，如底色為白色時，最低一級色階值應(yīng)采用淺黃或淺綠并適當(dāng)增加灰色以增強其融合度;其次，矢量蒙版數(shù)據(jù)范圍應(yīng)略大于山影數(shù)據(jù)范圍，以實現(xiàn)從立體到平面效果的平滑過渡;最后，通過合理的透明度設(shè)置，完成山體暈渲與底色的自然融合。如圖6所示。

圖5 不同渲染方式應(yīng)用

圖6 背景融合效果對比

5．圖層的自由組合應(yīng)用

矢量蒙板層與山影層組合的方式不僅可以快速實現(xiàn)多種暈渲效果，還可以獨立或與其他圖層搭配以適應(yīng)更多配圖需要。如矢量蒙版層單獨飾色應(yīng)用可以更好地體現(xiàn)地形層次性，山影數(shù)據(jù)與背景色搭配可應(yīng)用于灰度底圖等。如圖7所示。

圖7 多種組合方式

五、結(jié)束語

本項目在生產(chǎn)過程中并未選擇傳統(tǒng)的單一加載山影表現(xiàn)地形變化的方法，而是嘗試了利用矢量蒙板和山影相結(jié)合的表現(xiàn)方法，通過設(shè)置色階、透明度等方式進行二者的色彩融合，增強了地形地貌的立體表達效果，并在數(shù)字城市建設(shè)項目中得到了很好的應(yīng)用。

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