使用地形晕染工具让数字高程模型（DEM）栩栩如生
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使用地形晕染工具让数字高程模型（DEM）栩栩如生
Jason Wolfe 2018年5月30日，星期三
数字高程模型（DEM）包含了特定区域地形的丰富信息；然而，DEM本身可能看起来相当单调，难以观察和提取其中蕴含的信息。现在，你可以通过丰富多彩且引人注目的方式，从DEM中提取出地形的细节。
本文提供了一些引人入胜的地形图像示例，这些图像是使用新的地形晕染工具（Topographic Shading Tool）从DEM创建的。该工具将在2018年夏末发布的下一版ENVI中提供。为作说明，我使用了美国宾夕法尼亚州阿巴拉契亚山脉的美国地质调查局1/9角秒DEM。我还将展示如何使用ENVI建模器（ENVI Modeler）创建自定义地形效果，例如多向山体阴影。
阿巴拉契亚山脉DEM子集的颜色混合山体阴影图像，分辨率为1/9角秒。这种分辨率水平，结合独特的光照角度，使得道路、小径和溪流很容易被识别出来。海拔较低的区域呈蓝色和绿色，海拔较高的区域呈黄色和红色。
概述
使用地形晕染工具，您可以将地形特征图像与色带（color ramp）进行混合，仅使用DEM作为输入。最常见的地形特征是晕染地形图或称为山体阴影图像，如上例所示。您可以调整不同的设置，以创建最能突出您所感兴趣的地形特征的图像。以下是一些您可以控制的设置：
- 除了晕染地形图，您还可以选择其他地形特征与DEM混合。这些特征包括坡度、坡向、剖面凸度、平面凸度、纵向凸度、横截面凸度、最大曲率和最小曲率。
- 选择预定义的色带，或创建自己的色带并保存以备后用。您还可以选择色带是基于红/绿/蓝（RGB）、色相/明度/饱和度（HLS）还是色相/饱和度/值（HSV）颜色模型。
- 设置地形特征与RGB色带之间的混合程度。较低的混合程度更强调地形特征，而较高的混合程度则更强调着色的DEM。
- 调整地形特征和DEM的直方图。
- 使用内核（Kernel）参数设置平滑程度。
- 对于山体阴影，通过设置方位角和高程角值来调整光照条件。
预览窗口会随着您调整设置而实时显示结果。一旦预览图像看起来合适，您可以将结果保存为与输入DEM分辨率相同的ENVI图像。
地形晕染工具的屏幕截图，显示了阿巴拉契亚山脉DEM的山体阴影预览图像，以及各种设置。
虽然山体阴影图像是从DEM可视化地形特征最常用的方式，但也可以创建其他类型的地形图像用于不同的目的。
混合坡度图
坡度图 提供了对陡峭和平坦地形区域特征的可视化分析。虽然地形特征工具（Topographic Features tool）已经可以创建灰度坡度图（以度和百分比表示），但地形晕染工具可以通过混合不同的色带和颜色模型，创建更好的坡度视觉表示。下面的示例是一个坡度图，其中平坦区域显示为白色/蓝色/紫色，陡峭区域显示为绿色/黄色/红色。为了实现这种效果，我对DEM使用了HLS颜色模型，而不是默认的RGB颜色模型。HLS和HSV模型创建了高光和阴影，使混合图像呈现出光泽或"湿润"的效果。我对坡度图应用了高斯拉伸，这使得河流和溪流以白色突出显示。
源自完整阿巴拉契亚山脉DEM的混合坡度图预览。东南山脊线沿线的白色条带不代表平坦表面；这是由HLS颜色模型创建的高光。
红色框所示区域的全分辨率（1:1）混合坡度图。
到目前为止，这些地形图像都是使用太阳从一个方向照射地表的单一参考角度创建的。也可以模拟多个光照角度。
多向山体阴影图像
使用地形晕染工具创建的混合山体阴影图像模拟了来自一个方向的太阳光照。虽然您可以将方位角设置为任何罗盘方向，但输出图像仅代表该方向的光照。未被照亮的区域会产生阴影，这掩盖了底层地形的细节。下图显示了从特定方位角值创建的山体阴影图像。
阿巴拉契亚山脉DEM子集的山体阴影图像，使用相隔45°的方位角值创建，所有图像的高程角均为60°。
多向山体阴影图像 的概念已经存在多年。这种类型的图像显示地形形状，不受特定太阳视角度的限制。您可以通过构建一个包含使用地形晕染功能的简单模型，在ENVI中轻松创建多向山体阴影图像。
使用ENVI建模器创建的多向山体阴影模型。
该模型运行 地形建模API任务（Topographic Modeling API task）八次，每次使用不同的数值方位角：0º、45º、90º、135º、180º、225º、270º和315º。它创建了一个包含八个山体阴影图像的波段堆栈，然后使用波段数学（Band Math）计算对它们进行平均：(b1+b2+b3+b4+b5+b6+b7+b8)/8.0。结果是太阳方位角在八个不同方向平均后的山体阴影图像。下面是一些比较同一地理区域的单向与多向山体阴影图像的示例。请注意，多向山体阴影图像如何在地形的平坦和陡峭区域都显示出更多细节。较浅的对比度也使其适合用作底图或其他演示。
阿巴拉契亚山脉DEM子集的多向山体阴影图像，高程角45°，应用了高斯拉伸。
地形晕染工具提供了一种简单的方法来创建突出地形中感兴趣特征的地形图像。将此工具与其他ENVI分析功能结合使用，可以产生更强大、更有效的可视化演示。以下是一些值得考虑的想法：
- 如果您有点云数据，可以使用 ENVI LiDAR应用程序 创建数字表面模型（DSM）和DEM，作为地形晕染工具的输入。您也可以使用栅格测深数据或磁异常数据。
- 修改多向山体阴影模型，以使用任意数量的方位角和高程角。
- 向模型中添加任务，为多向山体阴影图像着色。
- 将模型保存为可以从 ENVI工具箱（ENVI Toolbox）运行的自定义工具。
- 创建一个计算视域分析（viewshed analysis）的模型，然后将视域分析结果叠加在地形图像上。
希望您像我一样，觉得这个新工具有趣且易于使用！