陳 靜，陳帆飛，周 強(qiáng)

(武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079)

全球地形數(shù)據(jù)多尺度暈渲及服務(wù)研究

陳 靜，陳帆飛，周 強(qiáng)

(武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079)

采用地形分塊暈渲的策略，根據(jù)不同地形尺度，采用不同的暈渲方法對全球地形數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度暈渲。在此基礎(chǔ)上，以WCS方式提供全球地形暈渲?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)，最后通過試驗對上述方法的有效性進(jìn)行驗證。

全球地形數(shù)據(jù);分塊暈渲;WCS

一、概 述

目前，地形數(shù)據(jù)的自動暈渲還不能完全滿足數(shù)字地圖制圖的要求，主要表現(xiàn)在自動暈渲還不能完全表達(dá)所有的地貌形態(tài)，不能進(jìn)行局部光照調(diào)整，不能快速處理海量數(shù)據(jù)等。對此，國內(nèi)外相關(guān)專家做了大量的研究探索工作［1-3］。對于數(shù)字暈渲法的已有研究主要集中在兩個方面:①對于地形表面的模擬以及法向量的計算;② 對于光照的模擬與計算。

已有研究中只涉及局部地區(qū)地形地貌的暈渲，且多用于局部直角坐標(biāo)系下的地形暈渲，尚沒有涉及全球大范圍地形暈渲的研究。

由于全球地形數(shù)據(jù)具有海量的特征，進(jìn)行全球范圍的地形暈渲計算時，若一次性調(diào)入內(nèi)存進(jìn)行計算則要浪費大量的系統(tǒng)資源，甚至有可能造成系統(tǒng)崩潰。同時，由于全球地形數(shù)據(jù)具有多尺度特征，不同的尺度條件下，地形地貌的特征不同，而暈渲圖又是一種直觀的對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行二維可視化的方法。因此，對多尺度全球地形數(shù)據(jù)，若采用同一種暈渲方法，則無法突出不同尺度下暈渲表達(dá)的重點。最后，生成的全球多尺度暈渲圖的海量數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行高效地組織與管理，并將其封裝成網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)(Web coverage service，WCS)，實現(xiàn)地形暈渲的信息共享。

本文在設(shè)計全球地形數(shù)據(jù)邏輯統(tǒng)一索引的基礎(chǔ)上，重點探討了基于分塊策略的多尺度地形暈渲方法，并將暈渲結(jié)果封裝成WCS，提供地形暈渲服務(wù)。

二、全球多尺度地形暈渲邏輯索引方法

由于全球地形數(shù)據(jù)具有海量、多尺度、多時相等特征，因此無法對如此巨大的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行一次性暈渲，需要考慮按照一定范圍對全球地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊暈渲，并且在邏輯上組織成全球統(tǒng)一的地形暈渲圖。對此，設(shè)計了全球地形數(shù)據(jù)多尺度暈渲的邏輯分塊索引方法，其核心是面向全球范圍，基于Ottoson提出的用橢球四叉樹對全球地理數(shù)據(jù)進(jìn)行索引的方法［4］，構(gòu)建全球等經(jīng)緯度的地理坐標(biāo)系，分別對東西半球建立兩個層次四叉樹結(jié)構(gòu)。四叉樹4個結(jié)點分別代表該邏輯塊的空間范圍，全球四叉樹邏輯索引一旦建立，全球地形數(shù)據(jù)多尺度暈渲的邏輯索引也就確定下來，如圖1所示。

圖1 全球范圍邏輯金字塔結(jié)構(gòu)圖

全球地形數(shù)據(jù)多尺度暈渲的邏輯索引實際上是經(jīng)緯網(wǎng)點陣列，每一個格網(wǎng)與其相鄰格網(wǎng)之間的拓?fù)潢P(guān)系隱含在該陣列的行列號之中。對此，規(guī)定以每一個邏輯分塊的左下角行號、列號構(gòu)成空間索引關(guān)鍵字，將行號和列號編碼成Morton碼。同時考慮到地形數(shù)據(jù)的時態(tài)信息，擴(kuò)展上述Morton碼與時間編碼組成一個分塊的時空統(tǒng)一編碼，用一個64 bit整型表示。

三、全球地形數(shù)據(jù)多尺度暈渲方法

全球地形多尺度暈渲方法主要包括:①基于分塊的地形暈渲;②暈渲的色調(diào)統(tǒng)一處理;③多尺度暈渲。

1.基于分塊的地形暈渲

在全球多尺度地形數(shù)據(jù)暈渲的邏輯索引上，對邏輯索引中任意尺度下某一個邏輯塊，通過Morton碼計算出其經(jīng)緯度范圍，并根據(jù)此范圍和尺度，調(diào)度相應(yīng)尺度和范圍的原始地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行分塊的地形暈渲。為了便于暈渲結(jié)果的組織與管理，規(guī)定這個邏輯塊范圍也是最終生成暈渲結(jié)果圖的范圍。

具體來說，大范圍分塊暈渲，首先是根據(jù)地形數(shù)據(jù)最大分辨率的大小，找出與其最接近的全球索引的層號，然后根據(jù)式(1)，計算出需要暈渲的范圍在全球索引層中的行列號范圍。最后根據(jù)塊的行列號范圍，逐層逐塊進(jìn)行暈渲。

式中，Lon和Lat分別為經(jīng)、緯度;TileSize為索引塊的大小;abs()表示取絕對值;int()表示取整。

在暈渲過程中，由于每個高程點的坡度坡向或者平均法向量都需要周圍8個相鄰點的高程進(jìn)行計算，但是在一個邏輯分塊的邊緣只能取到小于等于4個的高程點數(shù)。因此兩個相鄰邏輯塊的邊緣計算出來的值很難完全相同，由此會導(dǎo)致塊與塊之間暈渲像素的不連續(xù)。于是，在分塊暈渲中，需要取稍大于邏輯暈渲塊地理范圍的高程數(shù)據(jù)。即如果暈渲塊實際地理范圍的起始點為(x0，y0)，采樣點的個數(shù)為m·n(m為采樣點的列數(shù)，n為采樣點的行數(shù))。那么在取數(shù)據(jù)時，應(yīng)在原數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)大地理范圍，起始點變成(x0'，y0')，采樣點個數(shù)為(m+2)·(n+2)，即在原采樣點陣的4個方向上各增加一行和一列，如圖2所示。斜線部分表示的是邏輯暈渲塊范圍，也是最終生成的暈渲圖范圍，外面擴(kuò)展框則是實際取出的用來暈渲的地形數(shù)據(jù)范圍。實際進(jìn)行暈渲計算時，只計算中間的m·n個點(即圖2中斜線范圍)的暈渲值。

2.分塊暈渲的色調(diào)統(tǒng)一處理

由于單個地形數(shù)據(jù)塊的暈渲只在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)進(jìn)行，所以不需要考慮色調(diào)和光照不一致的問題。而對于同一尺度下大規(guī)模分塊暈渲的地形來說，必須從整體考慮色彩設(shè)定與配置。

若僅參照每個暈渲塊內(nèi)的最大最小高程值對，由于各個塊之間的最大最小高程不盡相同，那么暈渲后，塊與塊之間必然會出現(xiàn)色調(diào)不一致的情況。因此，為了避免這種情況必須將絕對高程值進(jìn)行分級賦值處理。

圖2 基于分塊的暈渲方法

可以按地形數(shù)據(jù)的絕對高程將地貌形態(tài)劃分為幾級，每一級根據(jù)高程繼續(xù)細(xì)分若干子層，根據(jù)經(jīng)驗值給地形數(shù)據(jù)賦色彩值，每一級內(nèi)部子層的色彩變化趨勢不變。結(jié)合該種設(shè)色方式，若高程值H在高程分級值Hm和Hm+1之間，則具體的暈渲色彩中RGB 3個顏色分量時運用式(2)進(jìn)行計算

式中，Rm+1、Rm、Gm+1、Gm、Bm+1、Bm分別是第m+1級和m級高程對應(yīng)的RGB值;k是基本光照模型［5］中關(guān)于地表曲面微元光線照度的一次函數(shù)，k具體取值可根據(jù)經(jīng)驗和暈渲效果進(jìn)行調(diào)整。

色層表中每一級高程閾值的取值，可以根據(jù)具體的地形暈渲范圍中高程的分布進(jìn)行取值。即在進(jìn)行具體的暈渲之前，先對整個范圍內(nèi)的地形高程值抽樣做一個統(tǒng)計直方圖，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來確定劃分高程分級的級數(shù)以及每一級的閾值，如圖3所示。對于閾值的確定:①首先找出直方圖中所有極小頻數(shù)的高程值，即直方圖中下凹的區(qū)域;② 其次從最小的極小頻數(shù)高程值開始，取該值為第一個閾值;③再統(tǒng)計每兩個相鄰極小頻數(shù)高程值之間高程的頻數(shù)，若該頻數(shù)大于一定的頻數(shù)值，則取較高的極小頻數(shù)高程值作為閾值，繼續(xù)向下統(tǒng)計，若該頻數(shù)小于一定的頻數(shù)值，則舍棄較大的高程值;④然后把每一級按高程的頻數(shù)劃分為若干層;⑤最后參照以往的經(jīng)典分層設(shè)色值，如Nighbert的分層設(shè)色，對分好的高程層進(jìn)行設(shè)色。

圖3 高程直方圖

經(jīng)過上述處理過程的分塊暈渲，不僅能夠保證塊之間色彩色調(diào)的一致性，而且由于經(jīng)過高程直方圖的統(tǒng)計，暈渲的層次感較強(qiáng)。

3.地形數(shù)據(jù)的多尺度暈渲

一般來說，計算暈渲的方法有兩種:① 通過坡度、坡向進(jìn)行計算;②通過該點周圍地面三角形片的法向量進(jìn)行計算，即平均法向量計算法。其中，坡度、坡向計算方法對地形地貌的暈渲表現(xiàn)比較簡潔干凈、重點地貌形態(tài)突出，而通過法向量計算的方法對地形地貌的表現(xiàn)比較破碎，但其細(xì)部特征保留較好。因此對于小比例尺的地圖的暈渲應(yīng)該使用對整體地形地貌概括性強(qiáng)的坡度、坡向的方法進(jìn)行計算，而對于大比例尺和需要對地形地貌精確表達(dá)的地圖，則應(yīng)該使用對細(xì)節(jié)保留較好的平均法向量方法進(jìn)行計算。

為了方便確定比例尺的尺度，對于地形暈渲方法的選擇，參照下述統(tǒng)計判定規(guī)則

式中，p、k、n和m為常數(shù)，分別為0.004 29、0.000 18、1.444605和0.26777;Scale表示國家基本地形比例尺的分母值除以10 000，如1∶1 000 000，則Scale取100;Res則是該比例尺對應(yīng)的通用分辨率，如1∶1 000 000對應(yīng)1 000 m的網(wǎng)格大小;u是坡向信息失真因子［6］。當(dāng)Res＜200，u=0.1;Res在200～1 000，u=0.2，Res＞1 000，u=0.3。

當(dāng)Y＜0.5時，采用法向量進(jìn)行計算，否則采用坡度、坡向計算方法。

四、基于WCS的地形暈渲服務(wù)及試驗

地形暈渲圖是地形數(shù)據(jù)的一種直觀、簡便的可視化表達(dá)，將其封裝成WCS有利于實現(xiàn)地形暈渲信息的共享與服務(wù)。本文將實現(xiàn)WCS的3個操作:對GetCapabilities、DescribeCoverage和 GetCo-verage進(jìn)行了封裝，并在內(nèi)部設(shè)計了從暈渲結(jié)果數(shù)據(jù)集到WCS的數(shù)據(jù)流程。同時設(shè)計了3層架構(gòu)的服務(wù)體系，包括數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)層和應(yīng)用層，提供全球地形多尺度的暈渲?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)，如圖4所示。

圖4 基于WCS的地形暈渲服務(wù)實現(xiàn)模式

圖4中，數(shù)據(jù)服務(wù)層是多尺度暈渲圖結(jié)果數(shù)據(jù)，它在Web服務(wù)器接口層或者GIS應(yīng)用服務(wù)器中進(jìn)行注冊，并提供相應(yīng)的元數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)層包括WCS服務(wù)器、GIS應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等。WCS服務(wù)器負(fù)責(zé)WCS接口的封裝，處理響應(yīng)用戶的請求，向數(shù)據(jù)層請求數(shù)據(jù)和返回WCS的地形暈渲圖;GIS應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等主要提供地形暈渲?jǐn)?shù)據(jù)的注冊服務(wù)、目錄服務(wù)、客戶端的數(shù)據(jù)請求等一系列服務(wù)。應(yīng)用層支持應(yīng)用程序和IE瀏覽器的應(yīng)用，用戶可以進(jìn)行相應(yīng)的操作和請求。

基于上述架構(gòu)，采用全球90 m分辨率STRM地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行全球地形數(shù)據(jù)多尺度分塊暈渲，試驗效果圖如圖5所示。封裝成WCS，利用IE瀏覽器請求得到的結(jié)果如圖6所示。

圖5 多尺度全球地形暈渲圖

五、結(jié)束語

在保證暈渲色調(diào)的一致性條件下，多尺度分塊地形暈渲的方法能突出不同尺度下地貌的表達(dá)。同時將暈渲結(jié)果封裝成WCS提供全球地形多尺度暈渲服務(wù)。

圖6 地形暈渲WCS結(jié)果

［1］ 施祖輝.地貌暈渲法［M］.北京:測繪出版社，1985.

［2］ 陳艷麗，李少梅.基于坡度坡向的地貌暈渲實現(xiàn)研究［J］.測繪科學(xué)，2008(S1):181-182.

［3］ 郭慶勝，王曉延.地貌暈渲中光源使用方法與用色規(guī)則的研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2004，29(1):20-23;33.

［4］ OTTOSON P，HAUSKA H.Ellipsoidal Quadtrees for Indexing of Global Geographical Data［J］.Geographical Information Science，2002，16(3):223-226.

［5］ 韓明峰，Phong光照模型中單位反射光線矢量的快速計算研究［J］，微機(jī)發(fā)展，1999，9(1):6-7.

［6］ 劉春，孫偉偉，吳杭彬.DEM地形復(fù)雜因子的確定及與地形描述精度的關(guān)系［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2009，34(9):1014-1019.

Study on Method and Service of Multi-scales Relief Shading for Global Terrain Data

CHEN Jing，CHEN Fanfei，ZHOU Qiang

0494-0911(2011)07-0027-03

P283.7

B

2010-08-04

國家863計劃資助項目(2009AA12Z229);國家863計劃資助項目(2004AA12Z201)

陳 靜(1975—)，男，江西樟樹人，副教授，主要從事基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的地球空間信息服務(wù)研究與應(yīng)用。