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【ENVI入门系列】20.地形分析与可视化

(2014-10-08 17:40:47)
标签:

杂谈

分类: ENVI

版权声明:本教程涉及到的数据仅供练习使用,禁止用于商业用途。

目录

地形分析与可视化    

1.    概述    

2.    地形模型和特征提取    

2.1    地形模型提取    

2.2    地形特征提取    

3.    通视域分析    

3.1    点观测源    

3.2    线观测源    

3.3    面观测源    

4.    三维地形可视化    

 

1. 概述

        数字高程模型(Digital Elevation Model),简称DEM,它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。DEM除了包括地面高程信息外,可以派生地貌特性,包括坡度、坡向、阴影地貌图、地表曲率等;可以计算地形特征参数,包括山峰、山脊、平原、位面、河道和沟谷等;作为通视域分析和三维地形可视化的基础数据。

        本课题学习从DEM数据中提取地貌特性和地形特征,以及使用通视域分析工具(Viewshed Analysis Workflow)学习在地形起伏较大区域进行可视分析。最后简单学习下使用3D SurfaceView工具进行三维地形可视化。

        使用8米的DEM数据和4米的正射影像图,数据情况如下。

表1.1 例子数据

文件

说明

DEM.tif

8米空间分辨率的DEM数据

Orthoimagery.tif

4米空间分辨率的航空正射影像数据

Orthoimagery.hdr

头文件

 

2. 地形模型和特征提取

 

2.1 地形模型提取

        ENVI可以从DEM上计算一些地形模型,包括:

  • 坡度(Slope):以度或者百分比为单位,在水平面上为0度;
  • 坡向(Aspect):以度为单位,ENVI将正北方向的坡向设为0度,角度按顺时针方向增加;
  • 阴影地貌图像(Shaded Relief):迎角的余弦,
  • 剖面曲率(Profile Convexity):剖面曲率(与z轴所在的平面和坡面相交)度量坡度沿剖面的变化速率;
  • 水平曲率(Plan Convexity):水平曲率(与XY平面相交)度量坡向沿平面的变化速率;
  • 纵向曲率(Longitudnal Convexity):纵向曲率(相交于包含坡度法线和坡向方向平面)度量沿着下降坡面的表面曲率正交性;
  • 横向曲率(Cross Sectional Convexity):横向曲率(与包含坡度法线和坡向垂线的平面相交)度量垂直下降坡面的表面曲率正交性
  • 最小曲率(Minimum Curvature):计算得到整体曲率的最小值;
  • 最大曲率(Maximum Curvature):计算得到整体曲率的最小和最大值;
  • 均方根误差(RMS Error):表示二次曲面与实际数字高程数据的拟合好坏。

        ENVI地形模型工具作用在图像格式的DEM文件。

(1) 启动ENVI,并打开DEM.tif文件

(2) 在Toolbox中,启动/Terrain/Topographic Modeling,在Topo Model Input DEM对话框中,选择DEM.tif文件,然后单击OK,打开Topo Model Parameters对话框。

(3) 在Topo Model Parameters对话框中,选择地形核大小(Topographic Kernel Size)为5。可以使用不同的变化核提取多尺度地形信息,变换核越大处理速度越慢。

(4) 通过在"Select Topographic Measures to Compute"列表中点击,选择要计算的地形模型。

(5) 如果选择了"Shaded Relief",需要输入或计算太阳高度角和方位角。单击Compute Sun Elevation and Azimuth按钮,在Compute Sun Elevation and Azimuth对话框中,输入日期和时间,GMT为9:0:0,Lat(纬度)为40度,Lon(经度)为105度。单击OK按钮,ENVI会自动地计算出太阳高度角和方位角。

(6) 选择输出路径及文件名,单击OK按钮,执行地形模型计算。

(7) 得到的结果是一个多波段图像文件,每一个地形模型组成一个波段。

图:Topo Model Parameters对话框

图:计算太阳高度角和方位角

 

2.2 地形特征提取

        ENVI能够在从DEM中提取地形特征,包括山顶(Peak)、山脊(Ridge)、平原(Pass)、水平面(Plane)、山沟(Channel)和凹谷(Pit)。

(1) 在Toolbox中,启动/Terrain/Topographic Features,在Topographic Feature Input DEM对话框中,选择DEM.tif文件,点击OK,打开Topographic Features Parameters对话框,需要设置一些参数。

(2) 坡度容差(Slope Tolerance):1。以度为单位;曲率容差(Curvature Tolerance):0.1。两个容差决定各个特征的分类,划分为peak, pit, 和pass的像元对应坡度值必须小于坡度容差,并且垂直方向曲率必须大于曲率容差。增加坡度容差和减少曲率容差能增加peak, pit, 和pass的划分数量。

(3) 地形核大小(Topographic Kernel Size):7.

(4) 在Select Feature to Classify列表中选择所有的地形特征。

(5) 选择输出路径及文件名,单击OK执行地形特征提取。

(6) 得到的结果是ENVI的分类图像。

图:Topographic Features Parameters对话框

 

3. 通视域分析

        本章节是使用Viewshed Analysis Workflow工具,设置点、线、面作为观测源进行可视域分析。

 

3.1 点观测源

(1) 在Toolbox中,启动/Terrain/Viewshed Analysis Workflow,打开文件选择面板File Selection;

(2) 分别选择对应的文件DEM File:DEM.tif;Image File:Orthoimagery.tif,单击Next进入Viewshed Analysis面板;

图:File Selection面板

(3) 在Viewshed Analysis面板中,设置以下几个参数:

  • 可视距离Default View Range:1000
  • 可视高度Default View Height:100

       (4) 默认鼠标的状态是绘制"点注记",在正射影像上绘制几个观测点。如果鼠标当前状态是其他,可在工具栏中选择对应的工具绘制:,绘制4个点;

(5) 选择Any Source(四个观测点的并集),勾选Preview预览结果,绿色表示可视区域,红色表示不可视区域;

(6) 分别选择All Sources(四个观测点的交集),预览结果;

(7) 单击Next进入Viewshed Export面板,可以将通视分析结果输出为矢量和图像结果。

图:绘制的几个点观测源

图:Any Source预览结果

 

3.2 线观测源

(1) 在Toolbox中,启动/Terrain/Viewshed Analysis Workflow,打开文件选择面板File Selection;

(2) 分别选择对应的文件DEM File:DEM.tif;Image File:Orthoimagery.tif,单击Next进入Viewshed Analysis面板;

图:File Selection面板

(3) 在Viewshed Analysis面板中,设置以下几个参数:

  • 可视距离Default View Range:5000
  • 可视高度Default View Height:100
  • 点间隔Point Spacing:10

        (4) 缩放到一条道路的范围内,在工具栏中选择线段绘制工具:

(5) 沿着路单击鼠标左键绘制折线,右键选择Accept。

注:可以绘制多条折线。

(6) 选择All Points Within Sources(折线上所有均匀分布的观测点),勾选Preview预览结果,绿色表示可视区域,红色表示不可视区域;

(7) 单击Next进入Viewshed Export面板,可以将通视分析结果输出为矢量和图像结果。

图:参数设置与预览结果

 

3.3 面观测源

(1) 在Toolbox中,启动/Terrain/Viewshed Analysis Workflow,打开文件选择面板File Selection;

(2) 分别选择对应的文件DEM File:DEM.tif;Image File:Orthoimagery.tif,单击Next进入Viewshed Analysis面板;

图:File Selection面板

(3) 在Viewshed Analysis面板中,设置以下几个参数:

  • 可视距离Default View Range:5000
  • 可视高度Default View Height:100
  • 点间隔Point Spacing:10

        (4) 缩放到一条道路的范围内,在工具栏中选择线段绘制工具:,绘制一个多边形,右键选择Accept。

注:可以绘制多个多边形。

(5) 选择Any Source,勾选Preview预览结果,绿色表示可视区域,红色表示不可视区域;

(6) 单击Next进入Viewshed Export面板,可以将通视分析结果输出为矢量和图像结果。

 

4. 三维地形可视化

        ENVI的三维可视化功能可以将DEM数据以网格结构(wire frame)、规则格网(ruled grid)或点的形式显示出来,或者将一幅图像叠加到DEM数据上构建简单的三维地形可视化场景。使用鼠标,实时地对三维场景进行旋转、平移或者放大缩小等浏览操作。

        下面以正射影像图和相应地区的DEM数据为例子,介绍三维场景的生成步骤。

(1) 分别将Orthoimagery.tif和DEM数据文件DEM.tif打开。

(2) 在Toolbox中,选择/Terrain/3D SurfaceView。选择Orthoimagery.tif图像文件的RGB三个波段,之后选择对应的DEM.tif文件。

(3) 在3D SurfaceView Input Parameters对话框中,需要设置一些参数:

  • DEM分辨率(DEM Resolution):使用较高DEM分辨率将会减慢可视化的速度。可以选择多个不同的DEM分辨率,在三维场景可视化时候根据实际需求来回切换。通常,当确定最佳飞行路径时,选择较低的DEM分辨率(64)。然后,在显示最终三维曲面飞行时,再选择较高的DEM分辨率。
  • 重采样方式(Resampling):最邻近(Nearest Neighbor)和集合(Aggregate)。
  • 绘制DEM最大/最小值范围(DEM min plot value和DEM max plot value):可选项。从DEM数据中选取满足特定需要的数据值(这可以被用来去除背景像素值,或者限制DEM高程范围)。DEM值低于最小值或者高于最大值的那些像素就不会绘制在三维场景中。
  • 垂直夸张系数(Vertical Exaggeration):增加垂直夸张的程度。
  • 图像纹理分辨率(Image Resolution):原始大小(Full)和设定值(Other)。

       (4) 单击OK按钮,创建三维场景。

图:3D SurfaceView Input Parameters对话框

图:三维场景效果

(5) 通过鼠标的三个键可以交互操作三维场景。

  • 在3D SurfaceView窗口中,单击鼠标左键,并沿着水平方向拖动鼠标,这将使得三维曲面绕着Z轴旋转。点击鼠标左键,并沿着垂直方向拖动鼠标,这将使得三维曲面绕着X轴旋转。
  • 在3D SurfaceView窗口中,单击鼠标中键,并拖动鼠标,可以在相应的方向平移(漫游)图像。
  • 在3D SurfaceView窗口中,点击鼠标右键,并向右拖动鼠标,可以增加缩放比例系数。点击鼠标右键,并向左拖动鼠标,可以减小缩放比例系数。

 

教程下载:http://pan.baidu.com/s/1kTolTIZ

数据下载:http://pan.baidu.com/s/1o66wHmi

视频下载:http://pan.baidu.com/s/1eQAGLXK

                 http://pan.baidu.com/s/1kT5gRER

                 http://pan.baidu.com/s/1hqf49Li

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