《安徽省地圖集》中地貌暈渲的研制

張冬梅，管懷重

（1.中國地圖出版社，北京100054;2.安徽省第四測繪院，安徽合肥230031）

一、概 述

自20世紀50年代以來，隨著各種測繪新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，地圖產(chǎn)品也表現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。地圖品種不斷增多，表現(xiàn)手段更加豐富，地圖的內(nèi)容、類型及表示方法不斷變革，技術(shù)也更加先進。采用數(shù)字高程模型(DEM)生成的數(shù)字地貌暈渲加上等高線，并與其他地理信息有機結(jié)合，現(xiàn)已成為一種成熟的地圖表現(xiàn)方式，從而使得地圖作品更加精細、美觀［1］。這樣生成的地圖，地表形態(tài)起伏明顯、立體感強，同時具有很強的科學(xué)性和藝術(shù)性。

《安徽省地圖集》是新中國成立后安徽省編制的第一部大型綜合性地圖集，它突破了以往地圖集以等高線這種二維線劃來表示地形的傳統(tǒng)方法，廣泛應(yīng)用了地貌暈渲這種地圖表現(xiàn)方式，利用光照和分層設(shè)色原理，科學(xué)而直觀地塑造出易于被大眾接受的地表形態(tài)。同時，配置上最新的行政區(qū)劃和交通網(wǎng)等現(xiàn)勢性資料，實用性更強。圖集中采用數(shù)字地貌暈渲制作技術(shù)制作的彩色地貌暈渲圖、雙色調(diào)模式地貌暈渲圖是在國家1∶25萬和1∶5萬DEM數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上研制而成的。

二、地貌暈渲制作技術(shù)準備

數(shù)字地貌暈渲即基于DEM數(shù)據(jù)，遵循傳統(tǒng)的地貌暈渲理論與技術(shù)，設(shè)置正確的場景，計算機根據(jù)光照強度、地形各部位的高程值和其他相關(guān)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，在程序和軟件處理下，將模擬場景的三維描述通過輸出設(shè)備生成地貌暈渲圖像［2］。目前，國內(nèi)外許多制圖軟件和GIS軟件中都含有制作數(shù)字地貌暈渲的軟件模塊，如美國Esri公司的Arc-GIS中ArcMap下的三維分析模塊、武漢大學(xué)遠圖空間信息技術(shù)開發(fā)中心研制的Atlas3D軟件、Autodesk公司的Map3D2010中地圖管理下的渲染模塊等，都可以處理DEM數(shù)據(jù)并自動生成數(shù)字地貌暈渲。

為了制作大幅面的滿足印刷出版的彩色地貌暈渲圖，筆者進行了大量的嘗試與不斷的探索，包括選擇不同的數(shù)字地貌暈渲制作方法和將制作出的產(chǎn)品進行效果比較、對照。在滿足圖集項目技術(shù)要求基本前提下，結(jié)合收集的數(shù)據(jù)源，筆者找到了利用ArcMap中三維分析模塊中Hillshade工具來制作彩色(加等高線分層設(shè)色)地貌暈渲圖的方法，圓滿地完成了圖集地貌暈渲制作任務(wù)。

三、地貌暈渲制作數(shù)據(jù)準備

圖集中安徽省地勢圖比例尺為1∶150萬，而筆者收集的國家1∶25萬地形圖數(shù)據(jù)庫的Terlk(等高線加高程點)層可制作生成梯形1∶25萬DEM數(shù)據(jù)，因此由其制作的地貌暈渲圖像即可滿足地勢圖要求，而專題圖組中的主圖成圖比例尺更小，顯然也能滿足。圖集中，雖然區(qū)域地理圖組中的市、區(qū)、縣地圖成圖比例尺較大，但利用收集到的國家1∶5萬DEM數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)可滿足制作暈渲圖像的要求。由于收集到的安徽省區(qū)域內(nèi)的國家1∶5萬DEM數(shù)據(jù)為包含完整的安徽省界的1∶5萬島狀數(shù)據(jù)，缺乏鄰省的1∶5萬DEM數(shù)據(jù)，而區(qū)域地理圖的市縣區(qū)地圖制圖區(qū)域為矩形，考慮到制圖主區(qū)與鄰區(qū)有主次差異，因此決定采用1∶5萬島狀全省DEM數(shù)據(jù)與24幅梯形1∶25萬DEM數(shù)據(jù)鑲嵌融合方案，即省內(nèi)部分(主區(qū))采用1∶5萬DEM數(shù)據(jù)，省外部分(鄰區(qū))用1∶25萬DEM數(shù)據(jù)。這兩種DEM數(shù)據(jù)在生成數(shù)字地貌暈渲時地形大致立體輪廓一致(兩種數(shù)據(jù)中25 m的整數(shù)倍等高線完好接邊)，但1∶25萬DEM生成的暈渲細部地形特征有丟失(基本等高距不同造成的)。

暈渲制作數(shù)據(jù)具體使用情況為:梯形1∶25萬DEM數(shù)據(jù)，既可通過正確設(shè)置高度表加分層設(shè)色制作地勢圖中彩色地貌暈渲，又可制作相關(guān)專題圖組中所需雙色調(diào)地貌暈渲;1∶5萬DEM數(shù)據(jù)與1∶25萬DEM數(shù)據(jù)鑲嵌融合而得到的DEM數(shù)據(jù)制作圖集中的市區(qū)縣地圖中所需雙色調(diào)地貌暈渲。

四、地貌暈渲的制作方案

《安徽省地圖集》中的地貌暈渲圖制作雖然已選定了前文所確定的制作方法，但在實際制作中，還需要解決不同地形區(qū)域地貌暈渲的高程抬高系數(shù)的選擇、彩色地貌暈渲中的分層設(shè)色的設(shè)定、暈渲圖像與矢量圖形的配準問題。

1.高程抬高系數(shù)的選擇

為了更好地表現(xiàn)不同區(qū)域地形起伏特征，可考慮適當(dāng)設(shè)置其高程抬高系數(shù)來更好地表現(xiàn)其立體效果。一般平原地區(qū)高程抬高系數(shù)適當(dāng)取值大一些，山地區(qū)域取值小點，否則會造成暈渲陰影過大，立體效果反而變差，需要注意的是抬高后仍然要保持不同地貌地形的相對準確，如不能讓丘陵地區(qū)抬高太大以顯得比山地區(qū)域地勢還高大。安徽主要地貌類型為3種:平原、丘陵、山區(qū)。通過反復(fù)試驗，確定了合適的高程抬高系數(shù):平原為2.5，如圖1所示;丘陵為2，如圖2所示;山地為1.5，如圖3所示。將全省17個省轄市行政區(qū)域按地貌形態(tài)進行分類，設(shè)置相應(yīng)的高程抬高系數(shù)生成Hillshade柵格數(shù)據(jù)后，按成圖區(qū)域圖廓進行裁剪，再分別制作其所屬市、區(qū)、縣暈渲圖像。

圖1 平原對比圖，以淮北平原中淮北市為例，抬高系數(shù)為2～2.5

圖2 丘陵對比圖，以江淮丘陵滁州市為例，抬高系數(shù)為1.5～2

圖3 山區(qū)對比圖，以皖南山區(qū)宣城市為例，抬高系數(shù)為1～1.5

2.高度表劃分，分層設(shè)色的設(shè)定

按我國地貌分類的高度分界線標準，并結(jié)合安徽省的地貌類型實際情況，設(shè)置高度表時采取了將分界線盡量選在不同地貌類型之間發(fā)生改變的高度線上的原則，這樣有利于反映不同地貌類型的特征和對比。采用分層設(shè)色加暈渲可以提高地圖的易讀性，而且對于平原地區(qū)，暈渲能把沒有用足夠等高線表示的地形微起伏表示出來［3］。在分層設(shè)色的選擇上，平原陸地采用綠色過渡到黃，丘陵采用黃向棕過渡，山區(qū)采用棕向褐色過渡。

3.暈渲圖像與矢量圖形的配準問題

1)彩色暈渲圖像的配準問題。梯形1∶25萬DEM文件運行Hillshading命令后生成0～255灰度的Hillshade山體文件，直接疊加安徽省1∶25萬勘界矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)出TIF圖像來控制暈渲圖像的比例尺大小，可用圖中若干同名點配準套合后，再用水系等其他制圖要素檢查套合的精確度。專題地圖雙色調(diào)暈渲圖像配準同樣如此。

2)市區(qū)縣地理圖的雙色調(diào)暈渲圖像的配準。在ArcMap中，將劃分的17個地級市的Hillshading文件，疊加安徽省1∶1萬、1∶5萬勘界數(shù)據(jù)和各市區(qū)縣圖幅四至范圍線，并利用圖幅四至范圍線對山體陰影文件進行柵格數(shù)據(jù)裁切，導(dǎo)出高分辨率的TIF圖像后在Photoshop軟件里進行重新定義文件大小，重定像素分辨率450 dpi，最后按圖幅范圍線大小在Corel-DRAW軟件中插入矢量圖形里實現(xiàn)精確套合裁切配準。

在地圖集的制作中，統(tǒng)一協(xié)調(diào)性是個很重要的方面，統(tǒng)一的制圖資料和制作數(shù)據(jù)源才能使暈渲圖像與地圖要素矢量圖形套合精準統(tǒng)一，再加上統(tǒng)一的符號和用色方案，可為地圖集的一致準確性、權(quán)威性、藝術(shù)性增色不少［4］。

五、地貌暈渲的應(yīng)用實例

1.安徽地勢圖

彩色數(shù)字地貌暈渲圖像，如圖4所示。

圖4 安徽地勢圖及安徽立體景觀暈渲圖

在制作軟件中，對1∶25萬DEM數(shù)據(jù)設(shè)置高度表加分層設(shè)色疊加0～255灰度的Hillshade山體文件生成的彩色數(shù)字地貌暈渲圖像立體效果無疑比等高線加分層設(shè)色效果更直觀、更美感;同樣制作的安徽省立體景觀暈渲圖(如圖5(b)所示)也是如此。

2.專題圖組系列圖

采用多種主色雙色調(diào)數(shù)字地貌暈渲圖像作底圖框架，如圖5所示。

專題地圖中底圖要素不僅力求簡潔，更要突出專題要素。因此，在環(huán)境保護圖(如圖5(a)所示)中考慮用采用土黃色雙色調(diào)暈渲圖像，象征生態(tài)環(huán)境、自然保護區(qū)、濕地等的支撐基礎(chǔ)離不了土地?；罩莨彭崍D(如圖5(b)所示)中則采用淡黃綠雙色調(diào)暈渲圖像，大徽州屬區(qū)域地理范圍，用此色調(diào)一方面和區(qū)域地理圖組近似，保持一致性;另一方面山區(qū)地貌暈渲的使用也是暗喻大徽州正是因為地處山區(qū)，山高路遠，又有廣袤綠林覆蓋，因此古徽州的牌坊、民居和宗祠大部分方能得以保存完好。

圖5 雙色調(diào)數(shù)字地貌暈渲圖像

3.區(qū)域地理圖組市區(qū)縣圖

采用統(tǒng)一的淡黃綠雙色調(diào)數(shù)字地貌暈渲圖像作底圖框架，上面疊加其他地圖要素，如圖6所示。

圖6 區(qū)域地理圖組雙色調(diào)數(shù)字地貌暈渲圖像

如圖6所示，處于底層的暈渲圖像與河流、色帶、界線等上層地圖要素精確套合，配合協(xié)調(diào)，滿足了圖集技術(shù)設(shè)計要求，可以印刷出版。

六、結(jié)束語

《安徽省地圖集》是一本大型綜合性地圖集，地貌暈渲圖是其中最主要的部分。利用DEM數(shù)據(jù)制作數(shù)字地貌暈渲的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在不同比例尺之間的DEM數(shù)據(jù)鑲嵌融合及裁剪使用，以及彩色地貌暈渲所需的DEM高度分層、彩色色階設(shè)計、任意分辨率的DEM立體暈渲圖像輸出，《安徽省地圖集》中的暈渲圖制作正是使用該項技術(shù)圓滿完成的。在圖集中數(shù)字地貌暈渲制作實踐中，筆者認為在以下幾個方面還有待于作進一步努力和研究:

1)實踐工作中由于技術(shù)和生產(chǎn)實際的局限，對于數(shù)字地貌暈渲一些改進和效果增強方法使用得不夠，如復(fù)雜地貌的表達時，改變單一光源使用為混合光源使用［5］;根據(jù)坡度和山體主要走向，斜照光源和直照光源的混合使用［6］;按地貌形態(tài)劃分區(qū)域進行光源和灰度調(diào)整來展現(xiàn)局部細節(jié);運用圖像處理軟件來選取陰陽坡面并通過改變K值來改變其明暗對比來增強暈渲立體效果［7］。

2)在建立數(shù)字地形表面模型的各種方法中，應(yīng)該選擇哪一種建模方法才能既更好地重建與內(nèi)插地形表面，又便于計算機進行存儲、處理及運算。

3)最好的暈渲圖作品還是人工制作出的，無論基于哪一種軟件平臺，制圖人員真正想做出一幅高質(zhì)量又富有藝術(shù)性的暈渲圖，還是需要具備暈渲制作方面的知識，了解地貌暈渲原理、光照理論、DEM數(shù)據(jù)處理技術(shù)，當(dāng)然還需具備地圖色彩、地圖整飾等相關(guān)制圖經(jīng)驗。

數(shù)字地貌暈渲制作是一項復(fù)雜工藝，有待于在實踐中進一步完善和提高，以更好地滿足用戶日益發(fā)展的產(chǎn)品需求。

［1］ 徐根才，司連法，陳卓寧.第24屆國際制圖大會掠影-地圖的盛宴［N］.中國測繪報，2010-03-02(3).

［2］ 李少梅，孫群，闞映紅.計算機地貌暈渲的方法和實踐［J］.測繪學(xué)院學(xué)報，2002(1):65-67.

［3］ 黃仁濤，龐小平，馬晨燕.專題地圖編制［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

［4］ 俞連笙，王濤.地圖整飾［M］.北京:測繪出版社，1995.

［5］ 施祖輝.地貌暈渲法［M］.北京:測繪出版社，1985.

［6］ 王曉延，郭慶勝.基于DEM的地貌暈渲表達方法探討［J］.測繪通報，2003(8):48-50.

［7］ 李維慶，劉增林，曾文軍.高質(zhì)量暈渲圖制作技術(shù)研究［J］.測繪，2008(5):235-237.