基于Openness可視化參數(shù)的二維地貌顯示

張 潔，梁明劍，邵延秀

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016;3.四川省地震局，成都 610041;4.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000)

0 引言

利用數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)可以對(duì)地貌形態(tài)進(jìn)行二維(等高線地形圖、剖面圖及暈渲圖)和三維(三維景觀、虛擬現(xiàn)實(shí)等)可視化模擬，以直觀地觀察地形全貌及其結(jié)構(gòu)特征［1－2］。DEM 在進(jìn)行可視化分析時(shí)，三維可視化中三維景觀和虛擬現(xiàn)實(shí)可以直觀、立體地顯示研究對(duì)象，對(duì)于局部分析有著很大的優(yōu)勢(shì);但對(duì)于構(gòu)造地貌來說，尤其用于分析區(qū)域構(gòu)造的空間關(guān)系與地貌的響應(yīng)關(guān)系方面，其作用相對(duì)局限。

在分析區(qū)域性地形地貌時(shí)，地形暈渲法(或稱陰影法)是目前最常用的方法之一。它利用陰影和明暗變化的原理在平面上建立地貌立體形態(tài)［3］，先通過模擬太陽光對(duì)地面照射所產(chǎn)生的明暗度，計(jì)算DEM單元各頂點(diǎn)的法向量或者是DEM單元的坡度和坡向;再將法向量或者坡向與光源方向比較，得到地形隨光度近似連續(xù)變化的色調(diào)，向光面賦淺色調(diào)，背光面賦深色調(diào)，使地貌的形態(tài)特征具有一定的立體感［2，4］。但是由于地形暈渲法是模擬太陽光對(duì)地面的照射，受制于光源位置的設(shè)置狀態(tài)。不同的光源位置會(huì)對(duì)同一地區(qū)產(chǎn)生不同的灰度值，其暈渲效果也不相同。地形的起伏也會(huì)造成鄰近地形間的相互遮蔽［2，5－6］。為解決這些問題，Yokoyama 等提出了Openness作為二維平面的可視化參數(shù)，該參數(shù)不受光源設(shè)置的影響，強(qiáng)調(diào)地形的凹凸，直觀的立體感強(qiáng)［6］。本文利用 30 m空間分辨率的 ASTER GDEM2數(shù)據(jù)，通過計(jì)算地形二維可視化參數(shù)Openness，初步探討該參數(shù)在模擬地形地貌方面的應(yīng)用。

1 Openness參數(shù)的原理

Openness是Yokoyama等提出的地形二維可視化參數(shù)，是基于表面地形與水平距離之間的角度測(cè)量，更強(qiáng)調(diào)地形的凹凸，直觀的立體感強(qiáng)。進(jìn)行可視化分析時(shí)，不需要光源的設(shè)置，不受鄰近地形相互遮蔽的影響，并且受高程數(shù)據(jù)自身噪聲影響也較?。?］。根據(jù) Yokoyama等對(duì) Openness參數(shù)的定義，陰影部分表示地表起伏的地形(圖1)。A點(diǎn)為起始視點(diǎn)，沿著某一個(gè)方位D，在半徑為L(zhǎng)的地形范圍內(nèi)，地形的頂角(DφL)和底角(DψL)計(jì)算公式為

圖1 根據(jù)地形頂角和底角計(jì)算Openness的原理示意圖［6］Fig.1 Surface Openness defined in term s of zenith and nadir angles

式中DβL和DδL分別為A點(diǎn)與地形最高點(diǎn)和最低點(diǎn)連線與水平面間的夾角，單位取度(°)。

計(jì)算L半徑內(nèi)8 個(gè)方位(D=0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°)的最頂角和最底角，然后取平均值就可以得到A點(diǎn)在半徑L下的Openness正值 φL和負(fù)值 ψL，即

式中:0φL和45φL分別表示觀察角度為 0°和45°的最頂角;0ψL和45ψL分別表示觀察角度為0°和45°的最底角，以此類推。Openness強(qiáng)調(diào)地形的凹凸，與地形坡度曲線形狀類似［7］，正值表示向上凸，負(fù)值表示向下凹。計(jì)算半徑L主要反映不同長(zhǎng)度尺度下的地貌，較大的L更強(qiáng)調(diào)宏觀地貌，較小的L則更能反映了微地貌［6］。

根據(jù)Openness正值和負(fù)值，已經(jīng)能夠表示出具有浮雕感覺的地貌暈渲圖，但是為了能夠使得視覺上的效果更加明顯。Chiba等［2］在2008年又引入了“red relief imagemap(RRIM)”的概念，即用紅色同時(shí)表現(xiàn)地形凹凸程度的多層可視化圖像。經(jīng)驗(yàn)表明，人的眼睛對(duì)紅色反應(yīng)比較敏感，并且紅色的層次感較強(qiáng)［2］，例如遙感的植被分類解譯中也常采用紅色來顯示植被。RRIM利用Openness參數(shù)的平均值I來表示，即

2 應(yīng)用實(shí)例分析

Openness參數(shù)可以從SRTM，ASTER GDEM，INSAR和LiDAR等多種來源的DEM數(shù)據(jù)獲取，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者采用Openness參數(shù)研究地貌分類甚少，較多地采用相類似的天空開闊度參數(shù)分析起伏地形對(duì)太陽散射、輻射的影響［8－12］;國(guó)外已有學(xué)者將 Openness參數(shù)應(yīng)用于地貌分類和LiDar數(shù)據(jù)的分析［13］。經(jīng)過實(shí)踐表明，利用DEM得到的各類地形地貌圖中，Openness參數(shù)灰度圖能夠更好地在圖像上反映山脈的細(xì)節(jié)部分。通常情況下，Openness值高的地區(qū)呈現(xiàn)亮色調(diào)，反之則呈現(xiàn)暗色調(diào)。

選擇閩江入?？诘牡孛沧鳛檠芯繉?duì)象，該區(qū)地處戴云山脈的東翼，倚山面海，自西向東地貌類型由高丘陵→低丘陵→臺(tái)地平原→(閩江)入?？谌侵抟来闻挪迹貏?shì)由西北向東南呈階梯狀下降，地貌類別比較豐富，可以很好地檢驗(yàn)Openness參數(shù)對(duì)區(qū)域地貌反映的直觀效果。

利用Landserf2.3.1軟件和DEM(30 m)的高程數(shù)據(jù)，計(jì)算閩江入?？贠penness參數(shù)，并結(jié)合坡度分析結(jié)果，生成RRIM圖，用于比較分析閩江口的地貌特征(圖2)。

圖2－1 閩江入?？贠penness參數(shù)應(yīng)用對(duì)比圖Fig.2－1 Comparativemap of M injiang Estuary Openness parametric applications

圖2－2 閩江入?？贠penness參數(shù)應(yīng)用對(duì)比圖Fig.2－2 Comparativemap of M injiang Estuary Openness parametric applications

圖2(a)為傳統(tǒng)的山體陰影圖，通過模擬太陽光照強(qiáng)度來展示地形的起伏效果，可以利用ArcGIS中的Hillshade工具實(shí)現(xiàn)。此時(shí)需要設(shè)置2個(gè)重要參數(shù)，即太陽方位角和太陽高度角。為了獲得人們習(xí)慣的正立體視覺效果，將太陽方位角設(shè)置為315°，使太陽從西北方向入射，山體的陰影面向觀察者;太陽高度角取默認(rèn)值(高度角越小，陰影效果越明顯，但其遮蔽相鄰地物的現(xiàn)象也越嚴(yán)重)。光照值高、顏色亮淺之處為高地，反之為低凹處或陰影，能基本反映地貌的總體輪廓。圖2(b)(c)分別為Openness參數(shù)的正值圖和負(fù)值圖，正值圖更能體現(xiàn)地貌凸起感，而負(fù)值圖則更強(qiáng)調(diào)地貌的凹陷感。圖2(d)為RRIM圖，疊加了紅色的坡度結(jié)果，研究區(qū)整個(gè)地貌的層次感和立體感顯示得更為強(qiáng)烈。

圖3為研究區(qū)地貌的細(xì)部對(duì)比。

圖3 閩江入海口一帶地貌輪廓對(duì)比圖Fig.3 Geomorphic outline com parison diagram of M injiang Estuary

由圖3可以看出應(yīng)用Openness參數(shù)提取地貌輪廓信息的優(yōu)越性。閩江入海口一帶的山體陰影圖(圖3(a))雖然基本反映了該地段地貌的總體輪廓，但山體的邊界、閩江河道等細(xì)節(jié)反映得不夠清晰;而RRIM圖(圖3(b))較之山體陰影圖則顯示了很好的地貌層次感，地貌輪廓清晰了許多，地貌細(xì)節(jié)也更加詳細(xì)，而且給人有立體浮雕的感覺。這表明，采用Openness參數(shù)，可以在二維平面內(nèi)充分體現(xiàn)出三維的立體感，使研究者不但能更好地進(jìn)行大區(qū)域宏觀地貌分析，也能詳細(xì)地判別地貌的細(xì)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，Openness的正值圖和負(fù)值圖也有各自的優(yōu)點(diǎn):正值圖能更好地體現(xiàn)地貌的“凸”感，負(fù)值圖則更強(qiáng)調(diào)地貌的“凹”感(圖4)。

圖4 閩江入?？谝粠penness正負(fù)值對(duì)比圖Fig.4 Positive and negative Openness comparison diagram of M injiang Estuary

圖4(a)為閩江入海口的正值圖，山體、閩江河道和海陸之間的輪廓線都十分清晰，這對(duì)地貌分類的判別十分有利;而該地段的負(fù)值圖(圖4(b))除了閩江河道輪廓線很清楚之外，還清晰地顯示出福州市東部山地上分布有近南北向和北西向的線性槽谷形跡，這些可能是切割山體的構(gòu)造線，也就是說它能夠很好地反映斷裂構(gòu)造走向，可以應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造解譯。

3 結(jié)論與討論

1)Openness是一種基于表面地形與水平距離之間的角度測(cè)量的二維可視化參數(shù)，更強(qiáng)調(diào)地形的凹凸，使得直觀的立體感更強(qiáng);而且，該參數(shù)進(jìn)行可視化分析時(shí)，不需要光源的設(shè)置，不受鄰近地形相互遮蔽的影響，并且受高程數(shù)據(jù)自身噪聲影響也較小。

2)通過對(duì)閩江入?？诘貐^(qū)Openness參數(shù)的地貌分析，以及與傳統(tǒng)的地形暈渲法做出來的山體陰影圖進(jìn)行對(duì)比，Openness參數(shù)地貌體現(xiàn)出更強(qiáng)烈的地形起伏感，地貌的立體效果明顯優(yōu)于山體陰影圖。負(fù)值圖對(duì)水系和山谷輪廓具有很好的反映，而正值圖則對(duì)山體反映很好，而且Openness地貌圖還清晰地顯示出斷裂形成的地貌形跡。

3)Openness參數(shù)可以從多種來源的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算獲取，因此能用于不同精細(xì)程度的地貌分析，在地形地貌和構(gòu)造地貌分析方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

4)Openness參數(shù)的計(jì)算對(duì)DEM數(shù)據(jù)的實(shí)際測(cè)量點(diǎn)密度要求比較高。如果高程數(shù)據(jù)的實(shí)際測(cè)量點(diǎn)比較少，密度分布不均勻，所計(jì)算的Openness參數(shù)圖尚不能夠充分地反映實(shí)際地貌的細(xì)節(jié)和真實(shí)程度，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)引起注意。

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