基于ArcGIS平台晕渲地图效果制作研究

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摘要:随着地理信息应用越来越广泛，不同类型地图风格大量涌现，具有晕渲效果的地图风格是其中的代表者。在ArcGIS软件平台下，通过对使用数字高程模型（DEM）、ColorMap等制作晕渲地图过程的对比分析，得出从数据存储到颜色配色一整套的晕渲地图制作方案。

关键字：晕渲地图、ArcGIS、DEM、ColorMap

中图分类号：G255.4 文献标识码：A 文章编号：

1引言

尽管4D产品中的DEM能够对地形地貌进行全面直观的表达，但是在普通的二维地图中却无法通过DEM来展现相关的地形地貌。使用ArcGIS平台软件，可以在DEM基础上提取山体阴影来制作晕渲地图，进而实现了以二维的地图形态来显示三维的地貌信息[1-2]。传统的通过山体阴影和DEM相叠加的方式制作出晕渲地图，在色彩亮度、饱和度上要有所损失；而使用ArcGIS镶嵌数据集的方式来管理DEM数据、生成山体阴影并制作晕渲地图能够很好弥补传统制图方法所带来的缺陷。

本文以全球晕渲地图制作为例，对上述两种制图过程进行对比，分析影响制图效果的基本因素。

2制图关键要点

2.1山体阴影

晕渲地图是通过山体阴影来展现地形地貌的，山体阴影是在DEM基础上，根据方位角、高度角等参数来模拟太阳光照大地产生的阴影效果来表达地表起伏情况的。在ArcGIS中可以利用ToolBox工具基于DEM来提取所需的山体阴影[3]。在arcgis的ToolBox工具箱中找到空间分析工具 (Spatial Analyst Tools),展开表面工具集(Surface)，选择下面的山体阴影工具(HillShade)。

其中Azimuth是方位角，值域范围0°到360°，默认值是315°；Altitude是高度角，值域范围0°到90°，默认值是45°。

此处需要特殊注意的是比例因子 Z factor。当DEM的x、y坐标单位与z高程的坐标单位一致，比例因子Z取默认值1即可；如果它们的坐标单位不一致，则需要重新设置比例因子。

本文使用的全球DEM的x、y坐标单位为经纬度，而z坐标单位是米，在设置比例因子Z的时候可以参考下面表2-1的内容进行相应的设置[4]。

表2-1比例因子Z factor对照表

2.2ColorMap

ColorMap又称色彩映射表，通过它可以进行图像分类和数据分析，尤其适合对大范围、渐变效果的栅格数据进行渲染显示。本文中对DEM的渲染是通过ColorMap完成的。

色彩映射表是与颜色关联的一组RGB值，每个像素值与一个RGB相关联。 如下图所示的色彩映射表，格式:pixel_valueRedGreenBlue；第一列值是像素值，后面三列分别是R、G、B，当在调用色彩映射表进行渲染时，根据当前像素值找到指定的RGB来进行颜色赋值。

图2-1：colormap文件格式

色彩映射表文件分为*.clr、*.act两种格式：

*.act是Adobe Photoshop格式文件，非ASCII；

*.clr是ASCII文件，相比.act来说便于阅读和浏览,也比较适合通过程序来创建和修改。

打开栅格数据图层属性对话框，在符号化选项卡中点击Colormap按钮下拉菜单中的“Import a Colormap...”,即可为栅格数据选择渲染的色彩映射表。

2.3栅格数据格式

尽管Colormap可以对栅格数据进行渲染，但是它却不能处理浮点型的栅格数据，如果现有的栅格数据是浮点类型的，需要对其进行格式转换。

在ArcGIS的ToolBox工具箱中找到转换工具 (Conversion Tools),展开转为栅格工具集(To Raster)，选择下面的Float to Raster工具导入栅格数据。

3晕渲制图方法介绍

下面介绍ArcGIS中两种常用的制图方法，图层叠加法和镶嵌数据集法。

3.1图层叠加法

图层叠加法是将DEM与提取的山体阴影相叠加，同时为DEM设置透明度来完成晕渲地图的制作。

首先，使用ArcGIS的空间分析中的山体阴影工具从DEM中提取山体阴影；然后，将山体阴影的拉伸方式设置为标准差拉伸方式(standard deviations)；最后，设置山体阴影浏览显示时重采样方式为双线性插值方式(bilinear interpolation)。

对山体阴影设置完后，接下来是对DEM的设置。首先，使用色彩映射表文件对DEM进行渲染；其次，更改DEM浏览显示时的重采样方式为双线性插值方式(bilinear interpolation)；最后，调整DEM的显示透明度。

3.2镶嵌数据集法

从ArcGIS10开始，对栅格数据的管理提供了一种新的方式，即镶嵌数据集。使用镶嵌数据集自身的功能来实现山体阴影提取、colormap文件渲染、拉伸等功能。

首先，在Geodatabase中创建镶嵌数据集，并将DEM添加到镶嵌数据集中。接下来，可以使用镶嵌数据集本身功能函数来完成山体阴影提取、渲染等一系列操作[5]。

图3-1：镶嵌数据集可用功能函数

使用Colormap功能（Colormap Function）导入渲染使用的色彩映射表，再将Colormap转化为RGB颜色（Colormap To RGB Function）。

全色锐化功能(Pansharpening Function)对DEM进行处理，并更改权重模式为简均值“Simple Mean”。

山体阴影功能(HillShade Function)从DEM中动态提取山体阴影，修改比例因子Z参数。

启用拉伸功能(Stretch Function)，更改拉伸方式为最值（Minimum-Maximum）拉伸；开启Gamma，并设置Gamma及波段拉伸最大、最小值等参数。

4效果对比

从下面的两种制图效果对比中不难得出这样的结论：虽然使用了相同的数据，但镶嵌数据集制图方法所得到的效果无论是在色彩的亮度还是饱和度都要好于图层叠加法所得效果。

产生这种差别的原因在于两种制图方式所采用的数据存储管理方式不一样。图层叠加法是在geodatabase中直接存储栅格数据，因而无法使用镶嵌数据集有关的功能，在制作晕渲效果地图时只能通过设置DEM的透明度才能显示被它所叠盖的山体阴影，进而来完成在二维地图中显示三维地貌信息；所以，DEM色彩的饱和度必然要降低。

而在geodatabase中建立镶嵌数据集来管理栅格数据，山体阴影可以用镶嵌数据集本身的功能函数来动态提取；所以，当DEM数据发生变化时不需要额外考虑山体阴影更新问题。更重要的是，无需设置透明度就可以对山体阴影进行很好的显示；而且，镶嵌数据集中全色锐化、拉伸等功能还可以增强晕渲地图显示效果。

图4-1：镶嵌数据集法VS叠加法-全球晕渲地图

图4-2：镶嵌数据集法VS叠加法-中国区域晕渲地图

5结束语

本文提及的两种制图方法所产生的制图效果反差并不能说明制图方法本身的优与劣，有时候偏偏需要降低色彩饱和度、亮度等来满足地图特殊的使用要求。总体来说，应根据实际情况来采用合适的数据存储管理模式，使用合适的制图方法，这样才能制作出满足需要的地图。

相信随着软件技术的不断发展，会有更多更好的制图方法涌现，为我们带来更加方便快捷的制图体验。

参考文献

【1】陈立、叶积龙, 地貌晕渲图的制作方法探讨[J].安徽农业科学，2010,38(19):10447-10448.

【2】仲佳、王永、张立国, 利用DEM制作晕渲图的方法讨论 [J].2009全国测绘科技信息交流会暨首届测绘博客征文颁奖论文集，2009.

【3】吴秀芹，张洪岩，李瑞改，等。ArcGIS9地理信息系统应用与实践[M].北京：清华大学出版社，2007.

【4】《Setting the Z Factor parameter correctly》,作者Aileen Buckley,

网址：/esri/arcgis/2007/06/12/setting-the-z-factor-parameter-correctly/

【5】《Combining colored and grayshade rasters with high fidelity》,作者：Rajinder Nagi，网址：

/esri/arcgis/2012/01/18/combining-colored-and-grayshade-rasters-with-high-fidelity/