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1、DEM 分析与可视化,江文萍武汉大学资源与环境科学学院2015.9,主要内容,第一章 绪 论 第二章 数字高程模型的概念第三章 规则网格结构DEM的建立 第四章 TIN结构DEM的建立 第五章 地形三维显示的基本理论 第六章 三维地形的空间操作与分析第七章 虚拟现实介绍第八章 三维可视化引擎,2023/3/1,2,DEM分析与可视化,主要参考书,李志林，朱庆，数字高程模型，武汉测绘科技大学出版社，2000年5月 徐青，地形三维可视化，测绘出版社，1999年,2023/3/1,3,DEM分析与可视化,课程进度安排,实习内容：给定数字高程模型数据，实现地形的读取、显示（三维显示）与分析,2023/
2、3/1,4,DEM分析与可视化,2023/3/1,5,DEM分析与可视化,第一章 绪 论,1.1 地貌表示法及其发展,2023/3/1,6,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,地形是人类社会赖以生存并从事一切实践活动的根基。地形图的发展史构成了人类文明史中不可缺少的篇章。中国是世界上最早绘制并使用地形图的国家之一。我国地图史上第一个具有实际用途的地图，大约是公元前1100年西周初年，周、召二公修建路邑时绘制的路邑城址附近的地形图。而我国现存最早的实用军事地图，是1973年12月发掘长沙马王堆汉墓时发现的三幅“帛地图”，即地形图、驻军图、城邑图，它们制成于公元前 168年。,2023
3、/3/1,7,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,地貌立体表示法地图上利用透视原理、光影造型和颜色的立体效应，在平面上塑造地貌立体图形，并显示其质量和数量变化的方法，谓之地貌立体表示法，亦称地貌平面造型。研究地貌立体表示法的必要性地貌是形成地理景观的最重要的因素。对水系，气候的形成，土壤的发育，植被的生长，动物的活动及其分布，人类的社会活动等，起着巨大的作用和影响，有效而直观地表达地貌并保持其形态量测的可能性，能促进地图的应用。准确而科学地显示地貌形态，对为军事、规划，工程设计、经济建设等部门提供可靠的地图起着重大作用。,2023/3/1,8,DEM分析与可视化,一、图案式的表示法
4、在我国西汉文帝十二年(公元前168年)驻军图上首次出现。,1.1 地貌表示法及其发展,2023/3/1,9,DEM分析与可视化,图中山脉及其走向图形示意性地反映了山脉的概略位置及走向，形式虽然简单，但能与河流、居民地等图形相配合。,左-马王堆三号汉墓出土的地形图的一部分右-马王堆三号汉墓出土的驻军图的一部分,2023/3/1,10,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,二、形象式的表示法如我国的华夷图)(1136年)，广舆图(1541年左右)等，其上的地貌图形比前一时期的进了一步，以概括的手法将山体外形示为“”形象，由于它象个“笔架”，故又叫“笔架山”或“山”字形符号,2023/3/
5、1,11,DEM分析与可视化,清乾隆内府图,2023/3/1,12,DEM分析与可视化,a为国外早期表示地貌的图形；b为形象画法在图上的用例。,2023/3/1,13,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,三、素描式的表示法（写景法）在早期地图上(1518世纪)，地貌形态的表示主要采用原始的写景方法，表现的是从侧面看到的山地、丘陵的仿真图形。其描绘手法比较粗略，大多采用“弧行线”、“鱼鳞状图形”和类似“笔架山”的技法。这种方法对作者的绘画技巧有很大的依赖性，作品的艺术性多于其科学性，且大规模绘制比较因难。尽管后来有了一定的数学法则，也还是在小范围内使用。写景法一般有透视写景法、轴测写
6、景法和斜截面法等。,2023/3/1,14,DEM分析与可视化,杭州古地图（1579年）,2023/3/1,15,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,此法描写的地貌，在很大程度上建立在绘画者想象的基础上。素描构成的图形具有不可克服的弱点，即只能表现正对绘画者(一面)的形状，被近景或高山挡住的地貌形态则无法表现，而且用素描法描写的地貌图形，容易引起(用垂直投影描绘的)物体(如河流)的形状，位置发生变化。用素描得到的地貌图形比较生动活泼，一般读者容易理解。正因它有这样的优点，所以沿用的时间较长。至今仍有用此法绘制地图的。,2023/3/1,16,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及
7、其发展,四、“毛虫”式的表示法,2023/3/1,17,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,它以一种粗略的楔形晕线表示山脉的概略位置和走向，逐渐取代了素描的形式。由于所绘图形似毛虫，所以曾经被称为“毛虫山脉”。此种形式最早(1674年)出现在维维尔的巴黎近郊图上。“毛虫”式的画法出现，可能与当时开始实测地形图的需要有关，它预示着晕滃法的萌芽。因为十七世纪开始实测地形图之际，许多地物已经采用垂直投影绘制物体的平面轮廓，唯独地貌尚缺适合的表示法。用“毛虫”式的表示法，形式虽不及素描式图形真实、形象，但能与其他要素配合，协调。,2023/3/1,18,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示
8、法及其发展,随着地图制图学的发展，其他内容的表示法日趋完善，地貌构表示法还比较落后，所以，迫使测量、制图工作者不得不进行深入探索。各种地貌表示法的产生都与时代的需要和科学技术的发展分不开。有的表示法所描绘的图形限于制印条件，不能很快推广使用，有的表示法，人们一时还不能接受。所以，在相当长的一段时期里，还在继续采用老的“山形或“毛虫”式的地貌表示法。这些早期的原始地图用半符号、半写景的绘法来表示地形，有的地物要素仅用极简单的线条勾画而成。就其数学基础和表现形式的实质而言，它们已实现了在各种二维介质平面上对实际三维地形表面的表示和描述。,2023/3/1,19,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示
9、法及其发展,五、晕滃法晕滃法德国人莱曼首创于1783年其意图在于显示地貌立体，斜坡变化，为图上量测地貌有关数据提供可能性。,2023/3/1,20,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,基本原理：以光线与地面倾斜关系为基础，拟定其线条粗细和绘制方法。设AB为一水平面当光线与AB垂直时，其受光量为H，当AB转至AB时，其受光量等于H*cos；若AB转至 AB“，则受光量等于零，此时全为暗影，即“越陡越暗。依此原理，根据地貌坡度的陡缓绘制出晕溺线粗细，稀密标准图及晕滃地貌图。,B,B,B”,A,光源,2023/3/1,21,DEM分析与可视化,2023/3/1,22,DEM分析与可视化,
10、1.1 地貌表示法及其发展,晕滃法在十八世纪至十九世纪地图上得到广泛应用。晕滃线的绘制成本昂贵，密集的晕滃线对其他要素的表示影响较大，对现代地图的实用意义不大(现在国外少数地图仍有使用的)。,2023/3/1,23,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,六、晕点法原理同晕滃法形式完全不同晕点法以大小稀密不同的圆点表示地面倾斜程度。点的大小、稀密与地面倾斜度成正比。,2023/3/1,24,DEM分析与可视化,2023/3/1,25,DEM分析与可视化,晕点法对表示大面积的山体虽然不适用，但用来表示沙质地貌形态时效果却非常好。如沙漠，沙丘，河岸，海岸沙滩等地形，用晕点表示显得很真实，形
11、象生动，至今仍在使用。,2023/3/1,26,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,七、晕渲法晕渲法是目前在地图上产生地貌立体效果的主要方法基本原理根据假定的光源对地面照射所产生的阴影强弱或明暗程度，用相应浓淡的墨或颜料沿斜坡渲绘其阴影，通过人的视觉心理间接地感受到地貌的起伏变化。这种方法称晕渲法(或阴影法、光影法)。分斜照晕渲、直照晕渲和综合光照晕渲三种类型,2023/3/1,27,DEM分析与可视化,2023/3/1,28,DEM分析与可视化,2023/3/1,29,DEM分析与可视化,2023/3/1,30,DEM分析与可视化,2023/3/1,31,DEM分析与可视化,1.
12、1 地貌表示法及其发展,晕渲法出现于十七世纪初，到十八世纪开始用于地形图。当时对用晕渲显示地貌的可能性和要求是极其有限的。因为用晕渲法只能表现正向、负向地貌和山脉的走向。其后随着实测地形图方法的发展，对晕渲地貌提出了严格的要求，不仅要求显示地貌的一般形态，对地貌的高度、坡度也应作出详细的反映。地貌晕渲对印刷技术和设备要求较高，必须采用精细的网目摄影，方能显示其细腻的层次关系和强烈的立体效果。二十世纪以来，由于制印技术不断发展，给印刷精致的地貌晕渲图提供了有利条件，逐渐扩大了晕渲的使用范围，从而使其获得进一步发展。,2023/3/1,32,DEM分析与可视化,以上三种方法（晕滃法、晕点法和晕渲法
13、）表现形式完全不同，但原理相同，都是根据光线与地面倾斜关系，对所产生的阴影绘以相应粗细的线划或大小不同的点，或深浅不同的颜色，显示地貌形态，故统称光影造型。,2023/3/1,33,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,八、等高线法等高线法的基本特点是用一组有一定间隔(高差)的等高线的组合来反映地面的起伏形态。从构成等高线的原理来看，这是一种很科学的方法。它可以反映地面高程、山体、坡度、坡形、山脉走向等基本形态及其变化。缺点：在于无法描绘微小地貌、缺乏立体效果。等高线图形至今仍然是地图制图工作者公认的地图上表现地貌的一种科学的方法。,2023/3/1,34,DEM分析与可视化,202
14、3/3/1,35,DEM分析与可视化,2023/3/1,36,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,由于地貌的复杂性，制图工作者想等高线图形的基础上提高其表现力，采用了一种明暗等高线画法等高线图形的立体装饰。,2023/3/1,37,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,等高线图形的立体装饰，在变换(或设计)等高线的明暗或粗细，色彩时，其最基本的依据是光线与地面的关系，即利用垂直光线建立的等高线图形是“陡坡粗，缓坡细”，利用倾斜光线建立的等高线图形是“受光面细，背光面粗”或“受光面色亮，背光面色暗”。依此种方法绘制的等高线图形，能提高图上地貌图形的明显性和阅读效果，但制作工
15、本高，只适宜小范围的应用。,2023/3/1,38,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,九、分层设色法分层设色法是在等高线地形图上的再次加工，其基本原理是根据等高线设置色感高度带(一定的高度范围)，按一定的设色原则，给不同的高度带设置不同的颜色。它有两个主要特点：第一，它使等高线地形图能立即给人以高程分布和对比的印象；第二，它使等高线有了一定的立体感，不那么单调。,2023/3/1,39,DEM分析与可视化,1.1 地貌表示法及其发展,等高线法和分层设色法是目前应用最广泛的方法。通常结合在一起用。随着自动地貌晕渲技术的产生和成熟，在地形图上，地貌晕渲和等高线结合使用的情况也越来越多
16、。,2023/3/1,40,DEM分析与可视化,2023/3/1,41,DEM分析与可视化,2023/3/1,42,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,一、地图的基本特性与地形直观表达的矛盾1、地图的基本特性：数学法则性制图综合性内容符号性。现代地图的最大优点在于具有可量测性。,2023/3/1,43,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,2、地图是对客观存在的特征和变化规则的一种科学的概括(综合)和抽象地形图所描述的客观世界是丰富多彩、千姿百态的三维空间实体。这种用二维介质平面图与所表示的三维现实世界的复杂地形之间，有着不可逾越的鸿沟；另一方面，从形式上，地形图
17、运用了一套专门的符号和文字来表示地形，其中在19世纪出现的以等高线表示地貌的技术一直沿用至今，而对地物则设计了一系列特定的图形符号，从信息传播的角度上讲，这是一种特殊的语言地图语言。用这种抽象的地图语言来表示现实地形以及空间要素，对于大多数不具备专门的地图学知识的使用者来说，是难以直观理解和接受的。,2023/3/1,44,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,3、地图的抽象性与直观性之间的矛盾从地形图诞生之日开始，其本身就孕育了抽象性与直观性这一对矛盾。公元32年东汉时期军事家马援用堆米法制作地形立体模型人们开始探索采用制作地形(沙盘)模型的办法，来补偿地形图中对地貌表示上缺乏
18、直观性的不足。成本高、费时费力、只能一次性制作和使用、不具有可量测性、无法进行有效的空间定量分析等缺点，只能作为地形图的一种补充手段，在某些专门的应用背景下采用。,2023/3/1,45,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,从古到今，寻求地形立体表示的最佳方法，做到直观性与量测性的有机统一，一直是地图工作者苦苦探索的难题。60年代末以来，人们通过引用光照模型，绘制具有表面明暗灰度连续变化的地形实体模型图，也就是以模拟灰度表示的地形表面图。这种立体图的立体效果更强、有一定的真实感，但信息量仍不足，实用性也不够强。,2023/3/1,46,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化
19、技术概述,二、可视化的概念及发展可视化(Visualization)在没有成为信息技术专业术语之前，仅是形象化的一般性解释，它是指人脑中形成对某件事物(人物)的图像，是一个心智处理过程，促进对事物的观察及概念的建立等。1987年由B.H.McCormick等为美国国家科学基金会所写的一份报告中首次提出了科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)这一术语。在这份报告中，可视化被定义为“可视化是一种计算方法，它将符号或数据转化为直观的几何图形，便于研究人员观察其模拟和计算的过程和结果。,2023/3/1,47,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可
20、视化技术概述,自1946年世界上第一台电子计算机在美国诞生之后的几十年中，计算机科学得到了迅猛发展，计算机图形学和相关理论的建立和广泛应用，终于给传统的在二维介质平面上表示三维地形的技术手段和地形图表示形式带来了革命性的变革，这意味着解决地形表示上的抽象性与直观性这一矛盾的时机已经到来。在计算机发展的初级阶段，讨论用图形图像来表达现实世界，在技术上和理论上都遇到了很多当时不可克服的困难。进入20世纪中叶后，伴随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式也得到了迅猛的发展。它使人类在对地形表面的表示方式上达到了一个新的高度。,2023/3/1,48,DEM分析与可视化,
21、近年来，随着计算机图形显示设备性能的改进，以及许多性能极强的图形工作站(如SGI系列、Intergraph系列、HP系列等)的出现，高度真实感图形的生成算法的不断涌现和完善，使地形的三维显示技术也进入了高度真实感立体图绘制的发展时期。,2023/3/1,49,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,三、高度真实感地形显示三个发展阶段地形作为自然界最复杂的景物之一，对它的三维逼真显示(仿真)技术，一直是计算机图形学的重要研究内容，伴随现代数学、计算机图形学、计算机科学等理论和技术的发展。该领域已经历了线划三维地形图、实体型(模拟灰度型)三维地形图、高度真实感三维地形图这三个发展阶段。
22、采用透视变换原理，按剖面方向消隐，地形表面线划没有经光照模型处理，得到的是一幅有较好地形起伏立体感的三维线划地形图，但其内容单调、信息贫乏、真实感差。,2023/3/1,50,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,真实感地形 产生逼真地形显示的方法 一种是将航空像片或卫星影像数据映射到数字地面模型上，建立实际地形的逼真显示。另一种是用一定的光照模型模拟光线射到地面时所产生的视觉效果，经明暗处理产生具有深度质感的灰度浓淡图像，用纯数学的方法模拟地形表面的备种微起伏特征(几何纹理)和颜色纹理。,2023/3/1,51,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,四、地理信息系
23、统与地形三维可视化1、地理信息系统地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一种用以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层)与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。1963年加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了“地理信息系统”这一术语，建立了世界上第一个GIS-加拿大地理信息系统(CGIS)GIS经历了初期试验、巩固发展、全面应用这三个发展方向 许多相关技术(如GPS、DPS、RS等)为它提供了强有力的地理空间信息获取手段 GIS已成为各国政府部门、商业公司、科研机构和高等院校极为关注的“热点”领域。,2023/
24、3/1,52,DEM分析与可视化,地理信息系统能够以电子地图的形式实现地理信息的可视化，并具有动态化和可交互的特点，大大方便了人们对地图的使用。电子地图中的二维地理信息比传统的纸质地图在可视化程度方面并没有得到实质性的改善。,2023/3/1,53,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,2、地理信息三维可视化三维显示和三维空间的查询与分析，是GIS的核心内容之一 一方面，地形的各类三维透视图可为使用部门提供一种直观、形象的可视化测绘产品，拓宽了应用领域；另一方面，这种地形的三维显示功能本身又能用于检校所获取的地形数据(如DEM)的正确性。对地形空间数据的真三维显示和在三维空间的查
25、询与分析，也是GIS的核心内容之一。,2023/3/1,54,DEM分析与可视化,已有系统的地形三维显示功能十分薄弱三维图类型局限于线划式或模拟灰度表示，而对计算机图形学中的高真实感三维图形的最新的生成技术并没有及时地取而用之；所有的空间操作和分析都在二维图形上进行和显示，缺乏直观效果。,2023/3/1,55,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,三维可视化的硬件和软件在硬件方面，于三维可视化需要进行大量的消隐和着色运算，但是要开发出能完成这类算法的硬件并不是一件容易的事，过去很长一段时期，专用芯片曾迟迟不能问世就是例证；在软件方面，由于缺少统一的接口标准，使得人们在实现三维可
26、视化时，不得不将大量的工作投入到设计三维显示的算法上，但随着三维图形硬件芯片的出现和OpenGL,Direct3D三维软件标准的建立，地形三维可视化逐渐由梦想变成了现实。,2023/3/1,56,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,3、地形可视化地形可视化的概念，是在60年代以后随着地理信息系统的出现而逐渐形成的。地形可视化是一门以研究数字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)或数字高程域(Digital Height Field)的显示、简化、仿真等内容的学科，它属于计算机图形学的一个分支。除了计算机图形学外，计算几何也是它重要的基础知识。它的应用涉及
27、地理信息系统(GIS),虚拟现实(VR)、战场环境仿真、娱乐与游戏、地形的穿越飞行、土地管理与利用、气象数据的可视化等领域。,2023/3/1,57,DEM分析与可视化,2023/3/1,58,DEM分析与可视化,2023/3/1,59,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,从远古到现代，地形的三维显示技术(地形三维模型的制作)最直接、最重要的莫过于军事上的应用。美军50年代的SAGE防空指挥系统著名的C3I系统海湾战争中的Terra-Base系统就我国国情而言，在以高性能微机和图形卡上实现地形的高逼真性三维显示以及相应的空间分析等功能，具有普遍的应用价值。地形三维可视化是地理信
28、息系统的一个重要研究内容，也是建立“数字地球”的重要技术之一。,2023/3/1,60,DEM分析与可视化,1.2 地形三维可视化技术概述,在GIS中借助于可视化技术，将地理空间信息以三维立体形式直观、真实地表现出来，是地理信息可视化的主要和有潜力的发展方向之一。已有许多学者在以地图为墓础的地形显示、分析、景观仿真和浏览、城市可视化、三维地图符号设计等方面做了大量的工作。地形可视化方面的研究数字地形建模；地形模型的简化与多分辨率模型；地形的三维显示技术；海量数据的三维地形的动态显示与交互操作；地形空间分析等等。,2023/3/1,61,DEM分析与可视化,1.3 本课程的主要内容,数字地形模型概述规则格网结构DEM的建立不规则三角网DEM的建立方法地形三维显示的基本理论三维地形的空间操作与地形分析,2023/3/1,62,DEM分析与可视化,
