CN109118939A - 三维地形地图及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种三维地形地图及其制作方法，本发明的地图能解决红色地图无法清楚判断高程起伏而无法掌握地形高程分布问题。本发明的方法包含对数值地形模型进行地形坡度计算及地形开阔度计算，并以立体彩度色阶对地形坡度及开阔度进行调色，而取得三维地形地图。

Description

三维地形地图及其制作方法
技术领域
本发明有关一种地形地图以及其制作方法，特别是指具有彩度色阶调色的三维地形地图及其制作方法。
背景技术
近年来空载光达(Light Detection And Ranging,LiDAR)技术方面，已经能产制出高精度的数值表面(Digital Surface Model,DSM)及数值高程模型(Digital ElevationModel,DEM)，其精度甚至可达公寸等级，若能将此技术投置于国内水土保持、土砂灾害防治、国土规划、防灾管理、环境监控与资源探勘等会有极大的助益。然而若以传统方法如等高线、阴影或分层设色等图资来表达DSM与DEM，会因为地图无法完整呈现地形样貌而遗漏重要信息。以台湾苗栗火炎山DSM为例(参图1a、1b)(区域平面范围:TWD97坐标EW方向221659～222682m；NS方向:2694761～2695798m，区域高程:158～533m)，此地区为着名的恶地地形，因土壤透水性低，雨水无法渗入，植物不易生长，且地表侵蚀作用强，造成不少沟蚀。分层设色图(图1b)只能简易地判断高程变化而无法直接观察出地形型态。虽然阴影图(图2a、2b)较可将沟蚀地形特征表现出来，但其包含了许多缺点，例如阴影自身会遮蔽较细微的地型，以及入射光源方向相反则会造成地形凹凸误判，导致无法完整呈现真实地形样貌。
有业者提出了一种红色地图的技术方案，参考文献：TWI285852、JP4272146、JP3670274、JP5281518、CN17115688、CN102214410A、USP7876319、USP7764282等案，该些案是将红色地图套叠在分层设色图，以形成具有高程值的红色地图，上述案件虽然能解决前述的问题，但是，高程起伏的判断不是很清楚，无法掌握地形的高程分布，因此效果不甚理想。
发明内容
为了解决上述先前技术问题，本发明提供一种三维地形地图及其制作方法。
而本发明三维地形地图及其制作方法，则包含下列步骤：备有数值地形模型；对数值地形模型进行地形坡度计算；对数值地形模型进行地形开阔度计算；以立体彩度色阶对地形坡度及开阔度来进行调色。
上述的三维地形地图及其制作方法，该方法以Fortran语法计算地形开阔度、地形坡度以及高程值，整合计算后并以绘图软件GMT来绘制地图。
上述的三维地形地图及其制作方法，其中，地形坡度计算采用四邻域法、加权八邻域法或等权八邻域法。
上述的三维地形地图及其制作方法，其中，该方法中的地形开阔度乃计算待算网格点与周边网格点的水平距离与高程差所形成的纵角平均值，该方法定义山脊部分的地形开阔度为负值，山谷部分的地形开阔度为正值。
上述的三维地形地图及其制作方法，其中，该方法以平面调色盘进行调色，该平面调色盘由该地形坡度及地形开阔度组成，其中，平面调色盘具有X轴及Y轴，该平面调色盘的X轴为地形开阔度，颜色配置为第一颜色渐层至一第二颜色；该平面调色盘的Y轴为地形坡度，颜色配置从第一颜色渐层至第三颜色，且一实施例中该方法将2D平面转换为3D鸟瞰图。
上述的三维地形地图及其制作方法，其中，该方法以立体调色盘进行调色，该立体调色盘由该地形坡度，该地形开阔度及地形高程所组成，其中，该立体调色盘包含有X轴、Y轴及Z轴，该立体调色盘的X轴为地形开阔度，颜色配置为第一颜色渐层至一第二颜色；该立体调色盘的Y轴为地形坡度，颜色配置从第一颜色渐层至第三颜色，该立体调色盘的Z轴为高程值，颜色配置从第四颜色渐层至第五颜色。
上述的三维地形地图及其制作方法，其中，该地形开阔度的范围介于-90°到90°之间，而地形坡度范围为0°到90°之间。
本发明的三维地形地图，包含有在数值地形模型的坡度、开阔度及高程具有立体彩度色阶的调色。
本发明方法及所制成的地图是以地形渲染方式来表达地形样貌的崭新技术，利用地表高程、地形开阔度与地形坡度，再配合适当的立体彩度色阶来表现地形起伏，有别于以往的等高线图、阴影图、分层设色图甚至红色地图，本发明的三维地形地图在视觉上除了能提供绝佳的立体感，能使观察者以肉眼观看便能轻易地判别出其丰富且详细的地表信息之外，观测者亦能同时间轻易观察出地表高程变化，可以解决红色地图无法清楚判断高程起伏，致而无法掌握地形的高程分布问题。相对于先前技术而言，藉由本发明，能对山坡地土砂灾害潜势的相关分析预估，提供有关单位防救灾、水土保持、环境监控与资源探勘与土砂灾害潜势的相关设计规划与风险评估。
附图说明
图1a为苗栗火炎山航拍图。
图1b为图1a的分层设色图。
图2a、2b为图1a中苗栗火炎山阴影图。
图3为本发明3维地形地图的制作方法步骤流程图。
图4为本发明中地形坡度示意图，其中A为待计算网格点，θ为坡度值。
图5a为本发明的坡度计算法之一，显示了四邻域法。
图5b为本发明的坡度计算法之一，显示了加权八邻域法。
图5c为本发明的坡度计算法之一，显示了等权八邻域法。
图6为本发明中的光源接收量的地形开阔度示意图。
图7a为本发明中的正地形开阔度示意图。
图7b为本发明中的负地形开阔度示意图。
图8a、8b为本发明中的地形示意图，其中点A与点A'的高程值与坡度值均相同，但地形开阔度不同，8a图为开阔度较佳的地形，
图8b为开阔度较差的地形。
图9为本发明中的地形开阔度计算罩窗半径示意图，其中圆内小圈为计算半径内所有网格点。
图10为本发明中的罩窗半径示意图，其中，T1为较短搜寻半径，T2为较长搜寻半径。
图11为本发明中不同罩窗半径的地形开阔度图比较。
图12为本发明中不同地形对比值的地形开阔度图比较。
图13a为本发明中三维地形地图的立体调色盘。
图13b为本发明中三维地形地图的平面调色盘。
图14为本发明中各种不同颜色组合的三维地形地图调色盘(左)，对所对应的三维地形地图(右)。
图15为本发明中不同开阔度范围及不同坡度范围的底图比较。
图16a、16b、16c为本发明苗栗火炎山三维立体图。
图17a、17b为本发明苗栗火炎山三维地形地图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3所示，为本发明三维地形地图的制作方法100的流程图，是具备以调色方式将数值地形模型形成一具有立体彩度色阶的3D地形地图的方法，虽然方法100是以一系列的动作或事件来描述及说明如下，然而这些动作或事件的顺序并不限定于此，例如一些动作可能脱离在此提及的这些说明以及/或描述的顺序，而采用不同的顺序进行以及/或与其他的动作或事件同时进行。此外，在此描述的全部动作并不是都要在一个或多个实施例或概念中实施，再者，在此描述的一个或多个动作可以采用一个或多个独立的动作以及/或阶段完成。
本发明三维地形地图的制作方法100包含下列步骤：备有数值地形模型10，对数值地形模型进行地形坡度计算20，对数值地形模型进行地形开阔度计算30，以立体彩度色阶对地形坡度及开阔度进行调色40。经由本方法所制成的三维地形地图，具有在数值地形模型的坡度、开阔度及高程具有立体彩度色阶的调色。
在步骤10中，备有数值地形模型，为一种三维数值的地形模型，可以利用空载光达(Light Detection and Ranging,LiDAR)或空拍技术获取的。
在一实施例的方法中，以Fortran程序语法计算地形开阔度、地形坡度以及高程值，整合计算后并以绘图软件，例如GMT来绘制本地图。以下兹分述说明：
坡度为表示地形的倾斜程度，坡度计算方面，本发明所计算的地形坡度值乃范围介于0°至90°的角度值，无负数坡度值，程序设计三种地形坡度计算方式，分别为四邻域法、加权八邻域法以及等权八邻域法。三种算法均使用3x3的移动视窗，其公式分别如下:
四邻域法:
e<sub>2</sub>
e<sub>1</sub> c<sub>0</sub> e<sub>3</sub>
e<sub>4</sub>
c0为待算网格点，S为地形坡度值，e1,e2,e3,e4为围网格值，d为网格单元大小。四邻域法仅计算待算网格点与邻近四个网格之间的坡度值。
加权八邻域法:
e<sub>1</sub> e<sub>2</sub> e<sub>3</sub>
e<sub>4</sub> c<sub>0</sub> e<sub>5</sub>
e<sub>6</sub> e<sub>7</sub> e<sub>8</sub>
c0为待算网格点，S为地形坡度值，e1-e8为围网格值，d为网格单元大小。加权八邻域法乃计算待算网格点周边八个网格之间的坡度值，且最邻近四个网格需加权。
e<sub>1</sub> e<sub>2</sub> e<sub>3</sub>
e<sub>4</sub> c<sub>0</sub> e<sub>5</sub>
e<sub>6</sub> e<sub>7</sub> e<sub>8</sub>
c0为待算网格点，S为地形坡度值，e1-e8为围网格值，d为网格单元大小。等权八邻域法乃计算待算网格点周边八个网格之间的坡度值，所有周边网格均等权计算。
本发明的绘制三维地形地图程序中可以自由选择任一种地形坡度计算方式，图5a、5b、5c中可以比较出三种算法的差异，其差异虽不大，不过从肉眼上大致可以判断加权八邻域法以及等权八邻域法呈现较细腻的成果。
在步骤30中，对数值地形模型进行地形开阔度计算，实施例中，地形开阔度乃模拟光源接收量来制造立体感，如图6所示，光源接收量较多如山顶的地型颜色偏白，反之山谷呈暗色，因此可以替代阴影图并制造绝佳立体感。本发明所定义的地形开阔度乃计算待算网格点与周边网格点的水平距离与高程差所形成的纵角平均值。以图7a、7b为例，待算网格点A位于山谷中，点A与周边较高处某一网格点B所形成的纵角为但若点A位于山顶处，则点A与点B所构成的纵角为故本发明的地形开阔度定义为山脊部分(地形开阔度佳)为负值，山谷部分(地形开阔度差)为正值，故其值范围介于-90°到90°之间。本发明三维地形地图有绝佳的地形呈现效果，最重要的因素便是地形开阔度值，其优点如图8a、8b地形示意图所示，点A与A'的高程与坡度值均相同，则点A与A'地形在等高线、分层设色或阴影图表达上将无差异，但对于本发明三维地形地图来说，由于点A与A'地形开阔度不同，两者于图上将呈现明显不同的颜色。地形开阔度的公式，公式如下:
在计算地形开阔度之前，要先决定罩窗半径(T)的值(单位km)，罩窗半径的选择亦为本次发明特色之一，本发明的开阔度计算程序，可让使用者自由设定开阔度计算式中的罩窗半径值(T)，图9为示意图，计算时以带算网格点A为中心，罩窗半径T范围内所有网格点(圆内小圈)与点A所构成的纵角值总和，再取其平均值作为本研究的地形开阔度值(范围介于-90°到90°之间)。罩窗半径(T)为本发明非常重要的参数，会直接影响绘制本发明3维地形地图的结果，选择不同罩窗半径会对地形绘制有很大的影响，若罩窗半径过小，无法完整搜寻到计算点周围邻近的地形网格点，计算出的地形开阔度将有所误差。如图10所示，计算地形开阔度时，T1为较短罩窗半径，T2为较长罩窗半径，若以T1半径计算地形开阔度，由于罩窗半径过短，无法搜寻点B所处地形，便会误以为该地开阔度良好而在本发明三维地形地图中呈现偏白色，若以T2半径作计算，罩窗半径较长，点B地形也在搜寻网格点内，所计算结果将在本发明三维地形地图中偏暗色(较为贴近正确地形)。图11为固定地形对比值为1(地形对比值定义将稍后叙述)时，利用不同罩窗半径T所计算的地形开阔度图，由图11可发现，若罩窗半径设定过大，地形呈现将过于平缓，许多细微的地形特征会消失，无法有效分辨地形起伏，若罩窗半径设定过小，则地形噪声过多，亦不利于微地形的判释。罩窗半径并无固定最佳的长度，不同网格大小的DEM其最佳的罩窗半径均不同，全视想要呈现的地形精细度而定。
除了罩窗半径，本发明在地形开阔度地计算上，也增加了地形对比值(S)这项系数(无单位)，若S＝2，即表示DEM网格点的高程差将乘上2倍，其他值亦类推，如此将可使地形起伏在本发明三维地形地图呈现上更加明显。图12为固定罩窗半径T＝0.03km时，若采用各种不同地形对比值时，地形开阔度图的呈现结果，由图12可发现，若将地形对比值增大会使地形开阔度图黑白色更加明显，立体感会更佳，但值若过大会导致像是谷地地形太过深邃以致于无法判释。整体而言，最佳的罩窗半径值(T)与地形对比值(S)会以网格大小、主观视觉以及地形状态去做抉择。
与现有技术的红色地图相比，红色地图乃采用尾根谷度计算地形开阔度值，故本发明与的不同，在程序设定上，本发明的方法提供了罩窗半径值(T)与地形对比值(S)供使用者选择，使用者可根据自身需要，选择最适宜的罩窗半径值与地形对比值，以绘制最佳三维地形地图。
在步骤40中，以立体彩度色阶对地形坡度及开阔度进行调色，实施例中，则提供了平面调色盘及立体调色盘两种方法进行调色。
本发明使用的三维地形地图调色盘如图13a、13b所示，使用者可选择立体调色盘(图13a)或平面调色盘(图13b)来绘制3维地形地图。以下将针对两种调色盘进一步说明：
平面调色盘(图13b)是由地形坡度及地形开阔度组成，具有X轴及Y轴，其中平面调色盘X轴为地形开阔度(单位:度)，范围为-90°到90°(范围可自订)，颜色配置为第一颜色如本实施例的白色(灰阶值255)渐层至第二颜色如本实施例为黑色(灰阶值0)，这代表地形开阔度越佳的网格点，应具有较多的光照，故颜色偏白色，反之地形开阔度越差的网格点，由于光接收量少，故颜色模拟为偏黑色；另一方面Y轴为地形坡度(单位:度)，其范围为0°到90°，颜色配置从第一颜色如本实施例的白色渐层至第三颜色如本实施例为红色(RGB配色:255,0,0，R：红色，G：绿色，B：蓝色)，这代表地形坡度越陡的网格，其色彩越偏红色，而较平缓的地形则偏白色。本发明在调色盘设计上，提供使用者多个颜色选择，故除了上述的颜色组合之外，使用者可依自行喜好，轻易选择不同的颜色组合，如图14所示的红、绿、蓝等颜色。除了地形开阔度-90°到90°与地形坡度0°到90°的组合外，本发明可让使用者轻易变更地形开阔度与地形坡度的角度组合来绘制三维地形地图，图15为本发明的不同开阔度范围及坡度范围所组成的三维地形地图，其中本发明挑选三种开阔度范围及坡度范围来做比较，由图15可以明显地看出若开阔度范围值缩小，则黑白色层次会更加清楚，立体感更佳，但像是谷地地形就会因过黑而无法判别，若将坡度范围缩小，地图颜色会越红，若太红则会导致误判其坡度陡缓，故调色选择要因地制宜。
平面调色盘虽然无法呈现高程信息，但在绘制时，可将3维地形地图直接由2D平面转换为3D鸟瞰图(如图16a、16b、16c)，依不同视角呈现地表真实起伏，以便全方面观察地形。
立体调色盘(图13a)即将平面调色盘加上一个Z轴的高程值，其范围依该地地形实际高程去做适当的设定，其颜色配置为第四颜色渐层至第五颜色，颜色配置亦可由使用者自行轻易选择，以图13a为例，高程值由低至高逐渐增加绿色值至255(RGB配色:0,255,0)，若该地地势越高则绿色就越多，以此来判断高程。图17a、17b为苗栗火炎山的3维地形地图成果(1m DSM)，其中图17a即利用图13a的立体调色盘所绘制的成果。立体调色盘所有颜色均可自由选择，例如可将高程变化由蓝色逐渐变为绿色(地势由低到高)，如图17b所示。无论是17a或图17b，观察者除了能观察出恶地蚀沟的微地形外，也能轻易观察坡度缓斜，且能判断地形的高程分布，可以解决红色地图无法掌握地形的高程分布问题。
本发明利用Fortran语法撰写三维地形地图程序，并利用免费绘图软件GMT绘制地图，此图对解读地形有很大的优势，在网格较小的三维地形地图中可以证明其对微地形的呈现十分明显，此图能让地形脉络清晰并帮助地图使用者更容易以肉眼观察地形的样貌以进行地形判释，且观察出地形的高程变化。相较于先前技术，本发明三维地形地图较能够表达出DEM的细微地形，这对于地图使用者来说，更有机会从地图上判读出山脊线、山谷线、地质断层带、顺向坡、岩层崩滑及土石流潜势区域等区域，对于山崩、地滑、土石流等土砂灾害有关的研究课题，亦或是冲蚀沟的变化、地形变迁、人工构造物的增减等问题都能方便观察者从本发明的三维地形地图中获取信息。整体而言，本发明的三维地形地图及其制作方法，对于灾害防治、水土保持、与环境监测等，应能提供良好的参考与实用价值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种三维地形地图的制作方法，其特征在于，包含下列步骤：
备有数值地形模型；
对数值地形模型进行地形坡度计算；
对数值地形模型进行地形开阔度计算；
以立体彩度色阶对地形坡度及开阔度来进行调色。
2.根据权利要求1所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，该方法以Fortran语法计算地形开阔度、地形坡度以及高程值，整合计算后并以绘图软件GMT来绘制地图。
3.根据权利要求1或2所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，地形坡度计算采用四邻域法，使用3x3的移动视窗，公式如下：
e<sub>2</sub> e<sub>1</sub> c<sub>0</sub> e<sub>3</sub> e<sub>4</sub>
其中c0为待算网格点，S为地形坡度值，e1，e2，e3，e4为围网格值，d为网格单元大小。
4.根据权利要求1或2所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，地形坡度计算采用加权八邻域法，使用3x3的移动视窗，公式如下：
e<sub>1</sub> e<sub>2</sub> e<sub>3</sub> e<sub>4</sub> c<sub>0</sub> e<sub>5</sub> e<sub>6</sub> e<sub>7</sub> e<sub>8</sub>
其中c0为待算网格点，S为地形坡度值，e1-e8为围网格值，d为网格单元大小。
5.根据权利要求1或2所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，地形坡度计算采用等权八邻域法，使用3x3的移动视窗，公式如下：
e<sub>1</sub> e<sub>2</sub> e<sub>3</sub> e<sub>4</sub> c<sub>0</sub> e<sub>5</sub> e<sub>6</sub> e<sub>7</sub> e<sub>8</sub>
c0为待算网格点，S为地形坡度值，e1-e8为围网格值，d为网格单元大小。
6.根据权利要求1或2所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，地形坡度值范围介于0°至90°的角度值，无负数坡度值。
7.根据权利要求1或2所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，该方法中的地形开阔度是计算待算网格点与周边网格点的水平距离与高程差所形成的纵角平均值，公式如下：
其中，S为地形对比值。
8.根据权利要求7所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，该方法定义山脊部分的地形开阔度为负值，山谷部分的地形开阔度为正值，其值范围介于-90°到90°之间。
9.根据权利要求1或2所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，该方法以平面调色盘进行调色，该平面调色盘由该地形坡度及地形开阔度组成，其中，平面调色盘具有X轴及Y轴，该平面调色盘的X轴为地形开阔度，颜色配置为第一颜色渐层至一第二颜色；该平面调色盘的Y轴为地形坡度，颜色配置从第一颜色渐层至第三颜色。
10.根据权利要求9所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，该方法将2D平面转换为3D鸟瞰图。
11.根据权利要求1或2所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，该方法以立体调色盘进行调色，该立体调色盘由该地形坡度、该地形开阔度及地形高程所组成，其中，该立体调色盘包含有X轴、Y轴及Z轴，该立体调色盘的X轴为地形开阔度，颜色配置为第一颜色渐层至一第二颜色；该立体调色盘的Y轴为地形坡度，颜色配置从第一颜色渐层至第三颜色，该立体调色盘的Z轴为高程值，颜色配置从第四颜色渐层至第五颜色。
12.根据权利要求9或11所述的三维地形地图的制作方法，其特征在于，该地形开阔度的范围介于-90°到90°之间，而地形坡度范围为0°到90°之间。
13.一种三维地形地图，其特征在于，包含有在数值地形模型的坡度、开阔度及高程具有立体彩度色阶的调色。
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