【ENVI入门系列】20.地形分析与可视化

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