【ENVI入门系列】20.地形分析与可视化
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2016-06-28
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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
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：
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：
(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：
(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：
(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：
(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。
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
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v57k.html
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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
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：
(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：
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。
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文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v57k.html
