CN103871091A - 一种面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，步骤依次包括：点状数据输入、属性数据归一化处理、点状符号可视化、图层栅格化、计算像元与点符号的距离、空间关系判断、计算像元光照强度、点状符号灯光效果模拟制图。本发明结合现代数字制图技术、计算机图形学、光衰减模型等方法，模拟夜间灯光图，实现点状要素的地图表达；该地图表达方式以点状要素为灯光光源，并将灯光的光照范围及灯光强度衰减与地理空间环境进行结合，从而增加点状要素的地图表现形式的空间性及艺术性。本发明可通过一次渲染得到关于点属性和相关底图的夜景图，成图速度更快，占用资源更少，特别适用于点状符号繁多和底图复杂的夜景图制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，属于地图制图学、计算机图形学与物理学中光衰减模型的交叉应用技术领域。
背景技术
地图是完成客观存在与空间信息可视化的重要媒介，地图表达中将现实世界各类要素抽象为点、线、面三种要素。地图表达中点状地图符号是地理空间信息可视化中一种重要的表现形式，点状地图符号用于各类实际及抽象的实体地物、点状特征、注记的表达，如地名地物、测量控制点、雷达站等，在测绘测量、导航定位、态势显示、视景仿真等领域有着广泛的应用。点状地图符号的不同表达方式，对反映各类点状地理要素的客观、形象、清晰程度有着不同的影响。
目前，对于点状地理要素的表达主要有两种方式。一种是定点符号法，该方法是通过采用不同形状、大小、颜色和结构的符号，来表达点状要素的空间分布及其数量和质量特征。该方法以点的形状、结构、颜色等特征，重点用于区分不同实物的类别、组成、质量等特征，便于识图和定位。另一种是点数法，该方法中每个点表示一个实物或一定的数值，通过点的分布范围表示某种现象分布的大致范围，而点的数量表示现象的大致数量。该方法将点与地理空间范围大致结合，重点表现现象的数量及空间密度等特征。
点状符号的地图表达，需重点关注点本身的表现形式以及点状地理要素与地理空间的联系。但上诉两种点状要素表达的主要方法中，均以单一的点图标表现实物，缺乏直观性和艺术性，当空间范围与点数据量不成比例时，易出现失真、表达不清晰的状况。同时一维的点符号与二维甚至三维的地理空间范围通常难以联系，严重影响了读图效果及对点要素与周围地理环境的空间分析。
2011年，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）发布了一组“世界可再生能源与灯光”的卫星图，用于展示人类在夜间使用电灯的变化情况。该类图片被俗称为“夜景图”，通过灯光光点亮度和光辐射范围的叠加，可明显区分光点集聚和分散程度。光点密集地区灯光最为闪亮，连成大块圆点状；而分散地区光点亮度较低，连成网状。这类图片具有美观、可视化程度高的特点，且均形成一定的覆盖范围，与底图紧密联系，对地图中点的表达具有适用性。目前，夜景图制作主要有以下几种方法，一是通过卫星、航拍等方法获取实测夜景图。二是通过计算机合成的方法，将原始地图数据库进行叠加制作灯光夜景图，该方法耗时较长。三是采用图片修改软件通过调整原始底图亮度明暗度和画面整体色彩，再加入灯光效果来制作图片夜景效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服上述技术问题，提出一种面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：1.一种面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，包括以下步骤:
第一步、点状数据输入——读取需进行表达的点状数据集，所述点数据具有各自的序号、坐标数据和属性数据；
第二步、属性数据归一化处理——获取图层中所有点状数据需要表达的属性数据值，并根据该字段的数据统计结果进行各个点状要素属性数据的归一化处理；
第三步、点状符号可视化——根据各个点状数据归一化的属性数值，绘制面积大小不一的点状符号，通过点符号的面积大小区别表达各个点状数据属性值，并根据点状符号的面积大小确定各点状符号的光照范围；
第四步、图层栅格化——根据给定的用于栅格划分的行、列数，将整个点状图进行栅格化，生成若干像元并确定每个像元的中心点坐标；
第五步、计算像元与点符号的距离——以各个点状符号的中心为原点，计算图中各个像元到该点的距离；
第六步、空间关系判断——根据像元中心点与点状符号的拓扑关系，获取各像元与点状符号的隶属关系；根据像元中心点与点状符号光照范围的拓扑关系，获取各像元与点状符号光照范围的隶属关系；
第七步、计算像元光照强度——将每个点状符号看作一个光源，针对属于点状符号光照范围内的像元，根据像元中心点到对应点状符号边缘的距离，计算该像元受到该点状符号的光照强度，对于隶属于多个点状符号光照范围内的像元，则将受到的来自各个点状符号的光照强度进行累加；
第八步、点状符号灯光效果模拟制图——对各像元根据光照强度进行一次渲染并进行平滑处理，实现对每个点符号的灯光效果模拟制图，获得与点状要素属性相关的夜景图。
本发明面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，进一步的改进在于：
1、第二步中，根据公式yi=(xi-min)/(max-min)对每个点的属性数据进行归一化处理，其中，yi为第i个点的属性值归一化后的值，xi为第i个点的初始属性值，max是点状数据属性数据值的最大值，min是点状数据属性数据值的最小值。
2、第二步中，对归一化后的属性值yi利用公式(yi+1)*50进行放大处理。
3、所述第七步中，首先计算属于点状符号光照范围内像元的光衰减系数，第i个像元受到第j个点状符号光照的光衰减系数为f(di,j)，像元中心点被点状符号覆盖的像元的光衰减系数为1；然后计算像元受到的光照强度，第i个像元受到第j个点状符号的光照强度F(i,j)=255*f(di,j)。
4、光衰减系数通过光二次衰减函数计算获得，所述光二次衰减函数为其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径，c0、c1、c2分别为可调节的常数因子，用于调整光照效果。c0、c1、c2的建议取值范围为0-1。
5、光衰减系数通过反距离权重函数计算获得，所述反距离权重函数为
其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径。
6、光衰减系数通过指数衰减函数计算获得，所述指数衰减函数为
其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径，c为光照环境参数。c的建议取值范围为0-3。
本发明结合现代数字制图技术、计算机图形学、光衰减模型等方法，模拟夜间灯光图，实现点状要素的地图表达；该地图表达方式以点状要素为灯光光源，并将灯光的光照范围及灯光强度衰减与地理空间环境进行结合，从而增加点状要素的地图表现形式的空间性及艺术性。
与现有点状要素夜景图制图过程相比较，本发明获取像元与点状符号及点状符号光照范围隶属关系，并计算属于点状符号光照范围内像元的光衰减系数，从而得到像元受到的光照强度，模拟点灯光夜景效果。本发明可通过一次渲染得到关于点属性和相关底图的夜景图，而不像传统点状夜景图制作那样，需针对每个点符号和地图数据逐次渲染、叠加。因此本发明夜景图制图方法的成图速度更快，占用资源更少，特别适用于点状符号繁多和底图复杂的夜景图制作。
附图说明
下面结合附图对本发明的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法作进一步说明。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明方法流程图。
图2为点状数据输入及其可视化示意图。
图3为点状数据图层栅格化示意图。
图4为像元光衰减系数计算示意图。
图5为图层渲染示意图。
具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示为本发明面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法的流程图，
第一步、点状数据输入——读取需进行表达的点状数据集，所述点数据具有各自的序号、坐标数据和属性数据；
读取全国居民地数据的坐标，并根据屏幕坐标范围与居民地坐标范围的比例关系显示每个点位置（图2左）。点状数据可包含文本、数值类型的属性，本例中居民地点要素具有居民地人口数量、所属省市等属性。
第二步、属性数据归一化处理——获取图层中所有点状数据需要表达的属性数据值，并根据该字段的数据统计结果进行各个点状要素属性数据的归一化处理。
本例中，确定需要表达的居民地属性为居民地人口数量，统计该字段获取其最大及最小值，并根据公式yi=(xi-min)/(max-min)对每个点的属性数据进行归一化处理，其中，yi为第i个居民地的人口数量归一化后的值，xi为第i个点的人口数量，max是各居民点人口数量的最大值，min是各居民点人口数量的最小值。
本步骤中，将居民地数据的人口数量值进行归一化处理后数值范围为（0,1），根据该数值区间进行居民地数据可视化表达，易使可视化效果不清晰。因此，本实施例对归一化后的属性值yi利用公式(yi+1)*50进行放大处理。
第三步、点状符号可视化——根据各个点状数据归一化的属性数值，绘制面积大小不一的点状符号，通过点符号的面积大小区别表达各个点状数据属性值，并根据点状符号的面积大小确定各点状符号的光照范围。如图2右，为点状符号可视化的结果。
第四步、图层栅格化——根据给定的用于栅格划分的行、列数，将整个点状图进行栅格化，生成若干像元并确定每个像元的中心点坐标。
如图3所示，对于划分的任一p*q的格网，设其整个区域左下角和右上角的坐标分别为(A1,B1)和(A2,B2)，其中A1<A2，B1<B2。像元可以二维数组形式存储，排列方式为从左向右，从上向下排列。位于第i列第j行的像元，其像元中心点坐标为 其中，0≤i≤p-1，0≤j≤q-1。
第五步、计算像元与点符号的距离——以各个点状符号的中心为原点，计算图中各个像元到该点的距离。
图中像元ai到点状符号j的距离为其中xi、yi为第像元ai的中心点坐标，xj、yj为点符号j的坐标。
第六步、空间关系判断——根据像元中心点与点状符号的拓扑关系，获取各像元与点状符号的隶属关系；根据像元中心点与点状符号光照范围的拓扑关系，获取各像元与点状符号光照范围的隶属关系。
本例中，首先设定居民地点状符号的光照影响范围，以居民地人口数量的归一化数值为基础，计算第i个居民地的最大光传播距离为dis。随后进行像元与点状符号以及像元与点状符号光照范围的空间隶属关系的判断，规定如下：若像元位于点状符号的覆盖范围内，则此像元就隶属于该点状符号；若像元中心落在点状符号外，则根据像元至点状符号边缘的最短距离与光照最大影响距离dis判定像元与点符号影响范围的空间隶属关系，当该距离大于dis时，像元位于点状符号光照范围外，该距离小于dis时，像元位于点状符号光照范围内。
第七步、计算像元光照强度——将每个点状符号看作一个光源，针对属于点状符号光照范围内的像元，根据像元中心点到对应点状符号边缘的距离，计算该像元受到该点状符号的光照强度，对于隶属于多个点状符号光照范围内的像元，则将受到的来自各个点状符号的光照强度进行累加。
本例中，根据像元与居民地点状符号及点状符号光照范围的空间隶属关系分别计算各像元的光照强度，首先计算各像元受到居民地点状符号光照的的光衰减系数，其中像元中心点被点状符号（光源）覆盖的像元光衰减系数为1，超出点状符号最大光照影响范围外的像元光衰减系数为0，而位于光照影响范围内的像元光衰减系数采用光二次衰减函数计算，第i个像元受到第j个点状符号光照的光衰减系数与其距离成一定的函数关系。
如图4所示为像元的空间隶属关系及光衰减系数计算示意图。像元光衰减系数的具体计算方法如下：
将各个居民地点数据看做一个点光源，光的传播在空间上随着距离增加而衰减，超过一定范围后，不再受到光源的影响。像元光衰减系数是用于表现当光源向外辐射光能时，发生能量衰减的一种变化趋势。当像元被居民地点状符号覆盖时，光衰减系数为1，表示没有衰减；当像元位于点状符号光照范围外时，光衰减系数为0，即表示在超出点状符号光照影响范围后将没光照；当像元位于点光照范围内时，第i个像元受到第j个居民地点状符号光照的的光衰减系数为
其中di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径，c0、c1、c2分别为可调节的常数因子，用于调整光照效果。本例中，c0、c1、c2分别取0.8，0.05，0.01。
本实施例的第七步中，像元光衰减系数的依据光二次衰减函数计算；此外，像元光衰减系数可采用反距离权重法计算，像元光衰减系数
其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径。像元光衰减系数也可采用指数衰减模型计算，
其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，c为不同环境中的光照效果，根据光照环境的不同设为自然数。
第八步、点状符号灯光效果模拟制图——对各像元根据光照强度进行一次渲染并进行平滑处理，实现对每个点符号的灯光效果模拟制图，获得与点状要素属性相关的夜景图。过程见图5。
本实施例中，点符号的灯光效果模拟实质是通过设置点状符号及其光照覆盖范围内像元的颜色、透明度等参数，实现各像元的地图可视化表达。点符号的灯光效果变化可以通过三种方式呈现，一是颜色和透明度同时变化；二是仅改变颜色，不改变透明度；三是仅改变透明度，不改变颜色。本例中选择以符号色彩不变、仅改变透明度的方式实现光照效果的模拟。选定固定的灯光底色，通过设置RGB通道值表现。光照衰减效果通过透明度从0-255的变化表现，其中255表示完全不透明，0表示完全透明。图5中第i个像元的透明度F(i,j)=255*f(di,j)。
本实施例中，实现了点状要素光照形式的地图表达方式，模拟点要素的灯光表达效果，以点状符号表示灯光光源，并根据点状数据属性区别点状符号及点状符号光照灯光范围大小，保证了点状数据地图表达的完整性和可比性；同时，通过灯光效果实现点状数据地图表达，将灯光的光照范围及灯光强度衰减与地理空间环境进行结合，增加了点状要素地图表现形式的空间性及艺术性。
本发明的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，包括以下步骤:
第一步、点状数据输入——读取需进行表达的点状数据集，所述点数据具有各自的序号、坐标数据和属性数据；
第二步、属性数据归一化处理——获取图层中所有点状数据需要表达的属性数据值，并根据该字段的数据统计结果进行各个点状要素属性数据的归一化处理；
第三步、点状符号可视化——根据各个点状数据归一化的属性数值，绘制面积大小不一的点状符号，通过点符号的面积大小区别表达各个点状数据属性值，并根据点状符号的面积大小确定各点状符号的光照范围；
第四步、图层栅格化——根据给定的用于栅格划分的行、列数，将整个点状图进行栅格化，生成若干像元并确定每个像元的中心点坐标；
第五步、计算像元与点符号的距离——以各个点状符号的中心为原点，计算图中各个像元到该点的距离；
第六步、空间关系判断——根据像元中心点与点状符号的拓扑关系，获取各像元与点状符号的隶属关系；根据像元中心点与点状符号光照范围的拓扑关系，获取各像元与点状符号光照范围的隶属关系；
第七步、计算像元光照强度——将每个点状符号看作一个光源，针对属于点状符号光照范围内的像元，根据像元中心点到对应点状符号边缘的距离，计算该像元受到该点状符号的光照强度，对于隶属于多个点状符号光照范围内的像元，则将受到的来自各个点状符号的光照强度进行累加；
第八步、点状符号灯光效果模拟制图——对各像元根据光照强度进行一次渲染并进行平滑处理，实现对每个点符号的灯光效果模拟制图，获得与点状要素属性相关的夜景图。
2.根据权利要求1所述的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，其特征在于，第二步中，根据公式yi=(xi-min)/(max-min)对每个点的属性数据进行归一化处理，其中，yi为第i个点的属性值归一化后的值，xi为第i个点的初始属性值，max是点状数据属性数据值的最大值，min是点状数据属性数据值的最小值。
3.根据权利要求1所述的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，其特征在于，第二步中，对归一化后的属性值yi利用公式(yi+1)*50进行放大处理。
4.根据权利要求1所述的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，其特征在于，所述第七步中，首先计算属于点状符号光照范围内像元的光衰减系数，第i个像元受到第j个点状符号光照的光衰减系数为f(di,j)，像元中心点被点状符号覆盖的像元的光衰减系数为1；然后计算像元受到的光照强度，第i个像元受到第j个点状符号的光照强度F(i,j)=255*f(di,j)。
5.根据权利要求1所述的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，其特征在于，光衰减系数通过光二次衰减函数计算获得，所述光二次衰减函数为
其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径，c0、c1、c2分别为可调节的常数因子，用于调整光照效果。
6.根据权利要求1所述的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，其特征在于，光衰减系数通过反距离权重函数计算获得，所述反距离权重函数为
其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径。
7.根据权利要求1所述的面向点要素分布特征表达的夜景图制作方法，其特征在于，光衰减系数通过指数衰减函数计算获得，所述指数衰减函数为其中，di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号边缘的距离，di,j=Di,j-Rj，Di,j为第i个像元中心点到第j个点状符号中心的距离，Rj为第j个点状符号的半径，c为光照环境参数。
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