1、第八講數(shù)字(shz)高程模型的可視化“人腦的神經(jīng)細(xì)胞有一半以上用于處理和理解視覺輸出。因此(ync)，為了在對付大量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的科學(xué)能力上達(dá)到最佳，人必須最大限度地利用其極為重要的視覺器官”。 Levine共五十二頁一、可視化的概念(ginin)及發(fā)展可視化概念源自McCormick1987年的論文：“Visualization in scientific computing”支持科學(xué)家和工程師從計算和模擬結(jié)果中提取知識；可視化是多學(xué)科交叉(jioch)的技術(shù)，涉及人體生理學(xué)，計算機(jī)圖形學(xué)，感知學(xué)，模式識別，計算機(jī)視覺，圖像處理等多學(xué)科；共五十二頁一、可視化的概念(ginin)及發(fā)展可視化包括

2、圖像的理解和綜合，也就是說，可視化是一個(y )工具，用來解釋輸入計算機(jī)中的圖像數(shù)據(jù)和根據(jù)復(fù)雜的多維數(shù)據(jù)生成圖像。它主要研究人和計算機(jī)怎樣協(xié)調(diào)一致地接受、使用和交流視覺信息?？梢暬侨四X中形成對某件事物（人物）的圖像，是一個心智處理過程，促進(jìn)對事物的觀察及概念的建立等。共五十二頁一、可視化的概念(ginin)及發(fā)展地圖學(xué)就是研究(ynji)地理數(shù)據(jù)和屬性的可視化的學(xué)科；表格、圖解、照片等是地學(xué)研究的可視產(chǎn)品；地理信息系統(tǒng)是地學(xué)研究可視化分析的有效手段；共五十二頁一、可視化的概念(ginin)及發(fā)展地形可視化是地理信息可視化的重要研究內(nèi)容；尤其是DEM的應(yīng)用以及數(shù)字地形分析技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)

3、展使得地形可視化研究取得較大的進(jìn)展；地形可視化技術(shù)在數(shù)字城市、數(shù)字河道、數(shù)字流域(liy)等研究領(lǐng)域起著重要作用；共五十二頁地形(dxng)可視化技術(shù)共五十二頁二、地形(dxng)可視化方法（1）寫景法：早期地形表現(xiàn)方法，地貌采用原始的繪制方法，表現(xiàn)從側(cè)面看到的山地、丘陵的仿真(fn zhn)圖形；廣州府輿圖（清代）共五十二頁共五十二頁二、地形(dxng)可視化方法（2）等高線法：用一定間隔（高差）等高線組合來反映地面起伏，可以(ky)反映地面高程、山體、坡度、坡形、山脈走向等基本形態(tài)變化；（3）分層設(shè)色法：等高線地圖的再加工，按照一定設(shè)色原則，給不同的高度帶設(shè)置不同顏色；共五十二頁明暗(mn

4、 n)等高線示意圖共五十二頁二、地形(dxng)可視化方法（4）渲暈法：地圖生產(chǎn)產(chǎn)生立體效果的主要方法(fngf)，描繪一定光照條件下的地貌光、暗效果，通過人視覺心理間接感受山體起伏變化；（5）實景照片共五十二頁共五十二頁二、地形(dxng)可視化方法共五十二頁二、地形(dxng)可視化方法（6）建造三維幾何相似實物模型；（7）產(chǎn)生三維線框透視投影圖：此方法一直被用來表示三維地形模型；這種方法具有一定的局限性；通常難以(nny)表現(xiàn)地形的很多細(xì)節(jié)，線性地形特征難以(nny)表現(xiàn)出來；共五十二頁共五十二頁共五十二頁二、 地形(dxng)可視化方法（8）逼真顯示：將航片或衛(wèi)片映射到DEM上，可以逼

5、真顯示地物紋理特征；另一種是用光照模型模擬地面照射的視覺效果，用數(shù)學(xué)方法(sh xu fn f)表示微地形起伏（幾何紋理、顏色紋理）；共五十二頁二、地形(dxng)可視化方法共五十二頁共五十二頁共五十二頁共五十二頁共五十二頁三、三維線框透視(tush)投影圖的生成以線劃符號表示三維地形變化；采用透視變化原理，按剖面消隱；重點是消隱處理；此方法在80年代末期90年代中期較為普遍，是三維地形描述的主要方法；缺點：無光照(gungzho)變化，真實感差，細(xì)節(jié)描述不足；共五十二頁四、高度(god)真實感圖形生成將模擬場景變成二維灰度陣列， 用灰度曲面取代傳統(tǒng)線劃圖；將經(jīng)過細(xì)分的DEM描繪成灰度濃淡(n

6、ngdn)的圖像，類似相片的觀察效果一般稱之為真實感圖形；共五十二頁四、高度(god)真實感圖形生成真實感圖形處理需要模擬光源位置、顏色；地面起伏條件和方位；地面光譜(gungp)特性；通常需要根據(jù)以上因素計算畫面中每一點的顏色灰度；通過紋理進(jìn)行整飾；共五十二頁四、高度(god)真實感圖形生成處理步驟：（1）三角形分割；（2）圖形(txng)變換（視點變換、方向變換）（3）可見面識別（4）計算可見表面光度和色彩（5）三角面顯示（6）紋理映射共五十二頁四、高度(god)真實感圖形生成（1）三角形分割三角形決定了最小的圖形面元，算法簡單、可靠、系統(tǒng)(xtng)性能最佳；TIN結(jié)構(gòu)直接可以進(jìn)行明暗處

7、理，柵格結(jié)構(gòu)的DEM需要進(jìn)行三角面剖分；共五十二頁（1）三角(snjio)面剖分abdc共五十二頁（2）圖形(txng)變換圖形(txng)變換坐標(biāo)變換投影變換平移、旋轉(zhuǎn)、縮放透視投影地理坐標(biāo)系觀察坐標(biāo)系三維地面二維屏幕共五十二頁(3)可見面(jin min)識別消隱就是要運用某種算法把物體(wt)上看不見的線或面從畫面中消去或者用虛線畫出，為消去隱藏面,要把每一個組成物體(wt)的面與每一個不透明面進(jìn)行遮蔽判斷,把可見的或部分可見的與不可見的或部分不可見的區(qū)別開來,最后繪出那些可見面或面的可見部分,這樣就可得到經(jīng)過消隱處理的立體圖，這種消隱處理又稱為可見面識別。消隱處理算法基本上可以分為兩大

8、類:即物體空間方法和圖象空間方法。 共五十二頁(3)可見面(jin min)識別深度排序法（畫家算法）：將三角形按照到視點距離排序，然后從遠(yuǎn)到近處理每一個三角形；Z-buffer（深度緩沖器）法 ：Z是指模型的坐標(biāo),Buffer是緩沖器，Z-Buffer法是根據(jù)緩沖器里物體的深度信息坐標(biāo)來確定隱藏面的。光線(gungxin)跟蹤法（Ray Tracing）：從視點出發(fā)，通過屏幕像素向場景投影一光線交場景中的第一個交點（可見點），并置相應(yīng)像素的光亮度為交點處的光亮度，從而繪制出一幅完整的真實圖形。 共五十二頁共五十二頁（4）光照(gungzho)模型識別可見面之后，需要分解成像素進(jìn)行著色，稱為明

9、暗處理；處理實質(zhì)是模擬光源照射效果，計算像素亮度；光照(gungzho)處理是通過光照(gungzho)模型進(jìn)行處理；反射方式有漫反射和鏡面反射，地面光照條件一般二者都要模擬；共五十二頁（4）光照(gungzho)模型光照模型是指根據(jù)光學(xué)物理的有關(guān)定律，計算景物表面上任(shng rn)一點投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成的公式。光照模型可分為局部光照模型和整體光照模型。局部光照模型又有漫反射光模型、鏡面反射光模型和Phong光照模型 共五十二頁（4）光照(gungzho)模型漫反射模型：Lambert模型，I=IdKdcosA其中： Id是光源(gungyun)強(qiáng)度；Kd是漫反射系數(shù)；

10、A為L和N之間的夾角；漫反射N(法向)L(光源) 地面A共五十二頁（4）光照(gungzho)模型鏡面反射模型(mxng)：Phong模型， I=IsW(A) cosnB 0W(A)1,N為會聚系數(shù)鏡面反射N(法向)L(光源) 地面AA反射視點B共五十二頁（4）光照(gungzho)模型Phong光照模型：（漫反射和鏡面反射綜合模型）I=KaIa+IdKdcosA IsW(A) cosnB 其中KaIa表示(biosh)環(huán)境光強(qiáng)度；共五十二頁（4）光照(gungzho)模型局部光照模型僅考慮光源直接在物體表面所產(chǎn)生的光照效果，景物表面通常(tngchng)被假設(shè)為不透明且具有均勻的反射率。整體

11、光照模型除了考慮上述因素外，還要考慮周圍環(huán)境對景物表面的影響，最具代表性的是Whitted模型。 共五十二頁（5）三角形面片的明暗(mn n)處理如果僅對三角形面片以中心值賦色填充，面片之間灰度不連續(xù)(linx)，顯示的逼真度較差；較為實用的辦法是對三角形面片中每個像素進(jìn)行插值，通過頂點進(jìn)行面片之間明暗合理過渡；共五十二頁（5）三角形面片的明暗(mn n)處理(1)Gouraud明暗處理：根據(jù)光照模型計算每個頂點灰度，頂點處法向取關(guān)聯(lián)三角形的平均法向；三角形內(nèi)部(nib)像素灰度采用內(nèi)插方法得到；ALRCBPxy掃描線共五十二頁（5）三角形面片的明暗(mn n)處理(2) Flat明暗處理 也

12、稱為平面明暗處理。當(dāng)所處理的模型是多邊形網(wǎng)格(wn )或多面體時，可以計算出每個多邊形的法向量，假定光源在無窮遠(yuǎn)處，那么每個多邊形上所有點都具有相同的明暗度，因此對于每一個多邊形，只需計算一次明暗度，多邊形上每個可見點均按這個明暗度進(jìn)行顯示，模型是多邊形或多面體時，可以采用Flat方法生成明暗效果 。共五十二頁（5）三角形面片的明暗(mn n)處理(3) Phone明暗處理 也稱法向量插值明暗處理，它能夠更真實地表現(xiàn)物體表面的高光效果并大大降低馬赫帶效應(yīng)，但它的計算量比較(bjio)大。其基本思想是：確定多邊形每個頂點處平均單位法向量；將頂點法向量進(jìn)行線性插值得到多邊形表面上點的矢量；然后根據(jù)

13、光照模型計算多邊形表面上點的明暗度。 共五十二頁（6）紋理(wnl)映射灰度圖像只是表現(xiàn)地形(dxng)起伏變化，要表示地表的要素特征，需要添加表面細(xì)節(jié)；在三維物體上加繪的細(xì)節(jié)稱之為紋理；紋理的生成屬于表面修飾，可以大幅度提高圖形真實感；共五十二頁（6）紋理(wnl)映射1）顏色紋理：通過顏色或明暗變化來體現(xiàn)；生成顏色紋理需要預(yù)先定義紋理圖案（紋理空間）通過紋理映射來表現(xiàn)；顏色紋理主要(zhyo)表現(xiàn)較光滑表面，比如較高高空觀察的地面共五十二頁（6）紋理(wnl)映射2）凹凸紋理：模擬表面細(xì)小(xxio)凹凸；凹凸紋理生成方法是在光照模型計算中使用擾動法向量，直接計算物體粗糙表面凹凸紋理主要用

14、來表示不太平滑的表面，如：近距離觀察的地面；共五十二頁（6）紋理(wnl)映射3）過程紋理：將三維的紋理函數(shù)映射到 空間三維物體 ；利用過程紋理模擬(mn)物體表面細(xì)節(jié)，能夠在非常復(fù)雜的曲面上表現(xiàn)出連續(xù)的紋理，且紋理效果不受物體表面形狀的影響，可以很大程度地解決紋理走樣的問題。 共五十二頁五、虛擬(xn)景觀（虛擬(xn)地理環(huán)境）虛擬景觀是可視化發(fā)展的高級階段，最終(zu zhn)的發(fā)展就是交互式虛擬地理環(huán)境（Virtual Geographical Environment）；圖像疊加；要素疊加；正射影像的逼真顯示；彩色顯示與三維動畫；共五十二頁五、虛擬景觀(jn un)（虛擬地理環(huán)境）虛擬

15、現(xiàn)實（virtual reality）：又稱靈境技術(shù)，就是(jish)通過相關(guān)外部傳輸感知設(shè)備（頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、耳機(jī)等）使人能完全沉浸計算機(jī)生成創(chuàng)造的一種特殊三維圖形環(huán)境，并可以實現(xiàn)人機(jī)交互，實現(xiàn)特殊目的；共五十二頁五、虛擬(xn)景觀（虛擬(xn)地理環(huán)境）虛擬現(xiàn)實的特征：多感知性（視覺(shju)、聽覺、觸覺、運動）沉浸感（immersion）交互式（interaction）自主感（autonomy，指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度）；共五十二頁六、地學(xué)可視化研究(ynji)框架專題(zhunt)應(yīng)用領(lǐng)域可視化地圖可視化GIS可視化地學(xué)可視化虛擬地理環(huán)境計算機(jī)可視化地球系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)技術(shù)地球系統(tǒng)地學(xué)多維圖解地學(xué)可視化研究框架共五十二頁作業(yè)(zuy)1、目前三維圖形生成中，消隱的技術(shù)有哪些(nxi)？各有什么特點？2、地形可視化有哪些方法？各有什么特點？ 3、可見面識別有哪些方法？各有什么特點？ 共五十二頁內(nèi)容摘要第八講數(shù)字高程模型的可視化。（8）逼真顯示：將航片或衛(wèi)片映射到DEM上，可以逼真顯示地物紋理特征。此方法在80年代末期(mq)90年代中