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基于遥感影像的铁路工程制图立体视错觉分析.pdf
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1、收稿日期:20221229基金项目:中国铁路设计集团有限公司科技开发计划重点课题(2022B02401020)。作者简介:杜辉(1977),男,2003 年毕业于西南交通大学测绘工程专业,正高级工程师,E-mail:luhuaidan 。文章编号:16727479(2023)04002106基于遥感影像的铁路工程制图立体视错觉分析杜 辉(中国铁路设计院集团有限公司,天津 300142)摘 要:基于遥感影像的铁路工程制图中,山脊与山谷常出现混淆的视错觉现象。为了利用有益的视错觉现象,消除有害的视错觉现象,从视觉空间认知中的纳克立方体入手,研究图形与背景的关系,并通过实验以及工程实践,进一步分析基
2、于遥感影像的铁路工程制图中立体视错觉现象的类型、产生原理及条件,并探讨其应用和校正方法。研究表明:(1)立体视错觉现象在北半球山区遥感影像中普遍存在,以我国地势第一台阶和第二台阶表现较为典型;(2)产生立体视错觉的 3 种地貌类型为:正弦波形连绵山地区域、台地以及“U”形冲沟;(3)产生立体视错觉的原因包括:日照条件、影像分辨率、图像对比度;(4)水体的立体视错觉分为 3 种情况(凸出效果、凸出与凹陷混淆效果、凹陷效果);(5)正弦纹形地貌及形台地的遥感影像立体视错觉可以采用 DEM 渲染法或三维场景法进行校正,“U”形冲沟立体视错觉只能通过三维场景法进行校正。关键词:铁路工程制图;遥感影像;
3、立体视错觉;纳克立方体;DEM 渲染中图分类号:U239.9;P237;P283.8 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202212290006开放科学(资源服务)标识码(OSID):Analysis and Correction of Stereoscopic Illusion for Railway Engineering Drawing based on Remote Sensing ImageDU Hui(China Railway Design Corporation,Tianjin 300142,China)Abstract:Remote sensing im
4、ages and related stereoscopic illusions,such as stereoscopic illusion,often confuses engineers and technicians.In order to utilize the beneficial illusion and eliminate the harmful one,this paper studied the relationship between graphics and background from the Necker Cube in visual psychology.Throu
5、gh experiments and engineering practice,this paper further analyzed the types,principles and conditions of stereoscopic illusion in remote sensing image railway engineering mapping,and discussed its application and correction methods.The conclusions are as follows:(1)Stereoscopic illusion is common
6、in remote sensing images of mountainous areas in the northern hemisphere,and the first and second steps of terrain in China are typical.(2)The three geomorphic types that produce stereoscopic illusion are:sinusoidal continuous mountain area,“”platform and“U”gully.(3)The causes of stereoscopic illusi
7、on include sunshine conditions,image resolution and image contrast.(4)The stereoscopic illusion of water body can be divided into three situations:bulge effect,confusion effect between bulge and depression,and depression effect.(5)The stereo illusion of remote sensing images of sinusoidal topography
8、 and-shaped gullies can be corrected by DEM rendering method and 3D scene method,U-shaped gullies can be corrected by 3D scene method only.Key words:railway engineering mapping;remote 12基于遥感影像的铁路工程制图立体视错觉分析:杜 辉sensing image;stereoscopic illusion;Necker Cube;DEM rendering引言由于视觉偏差,使图像看上去与实际有所不同的现象称为视错
9、视1。如横竖视错觉:平面上长宽相等的两个条形呈“T”形放置,竖直矩形看起来比水平矩形看起来更细长。关于视错觉研究历史久远,其中大多数是几何学错觉2,著名的几何视错觉还包括:艾宾浩斯视错觉,又称同心圆视错觉;黑林视错觉,又称弯曲视错觉;加斯特罗视错觉,又称对比视错觉;凯尼泽图形错觉,又称主观轮廓视错觉3。从根本上说,地图由一系列图形构成,因此视错觉现象在地图中十分常见。由于横竖视错觉的存在,长宽比接近 1 1 的地图图幅,其竖直边长与水平边长之比看起来会大于实际比值。掌握和利用好视错觉,对于优化地图设计作用很大4。对于立体视错觉的产生,可以归结为图形与背景的关系。图形与背景的关系是格式塔理论的重
10、要原理,它是一幅地图(图像)中最主要或者最基本的关系。近年来,已经有学者开始将格式塔理论的相关原理应用于海洋专题地图设计中5。多数情况下,将图形与背景分离并不困难,但会产生模糊或者产生视错觉的情况,即前景与背景在知觉中频繁交替6。北半球山区,中低分辨率遥感影像中的负向地貌(谷地)经常被误判为正向地貌(山脊),即遥感影像中山体的立体视错觉。立体视错觉现象属于空间认知领域。郑束蕾讨论了地图作为空间认知的双向工具的作用和研究方法7,因此,地图空间认知理论也成为地图学与地理信息系统学科的重要基础理论8。对于视错觉的研究,目前主要集中在视觉传达设计领域,特别是服装设计领域。如姚曼研究通过视错觉来实现作品
11、的趣味性、简洁性和智慧性9;项嘉玲研究色彩和图形运用实现视错觉对视觉意识的拓展,从而达到提高视觉传达效果10;赵剑章将视错觉元素融入服装设计,探讨其产生的应用价值11。对于视错觉在地图制图中产生的不利因素,很少有文献涉及。遥感影像铁路工程制图技术综合运用专题地图制图技术和遥感数字图像处理技术,涉及信息科学、视觉艺术、审美学等学科12。遥感影像铁路工程制图中,经常出现水系与堤岸的视错觉,谷地与山脊的立体视错觉。有些视错觉给工程技术人员带来不便。因此,有必要从视觉空间认知角度对遥感影像立体视错觉进行分析和校正。1 立体视错觉现象对物体产生视觉的过程较为复杂,它通常包括经验和认知13。有学者将地图学
12、的发展史概括为符号化、数学化、理论化、规范化以及个性化的过程14,可见地图学的发展史同样是认知发展的过程。纳克立方体及相关现象是研究空间认知理论以及视错觉无法绕开的重要素材,长时间观察纳克立方体时,会产生新的视觉认知,原来在前面一面又仿佛是后面(见图 1)。如此,知觉在两种观测结果之间反复跳转。纳克立方体存在的意义在于,它没有提供任何暗示:观察者可以先入为主,先按自己的经验去接受一种假设,然后再发现另外一种可能。即图形与背景之间可以自由切换,认知可以随意反转。图 1 纳克立方体及其可能的 2 种观测结果把一个物体从背景中“抽取”出来有 2 种方式,一种是让物体完全孤立出来,而忽略背景。把纳克立
13、方体中填充成灰色的面认定为被观测物体,把与之相对的面认定为背景,并且忽略背景(灰色填充面以外的其他线条)的存在,这个灰色的面完全被孤立出来。另一种是把物体从背景中分离出来的同时,又没有放弃背景的作用。仍然以纳克立方体为例,如果采取“线诱导”的方式,而不是采用填充面诱导的方式,前景和背景得到了兼顾,仍可以产生与图 1 相似的 2 种观测结果,见图 2。图 2 采用“线诱导方式”的纳克立方体在现实世界里,如阿恩海姆所论述“把物体从背景中分离出来的同时,又没有放弃背景的作用”,这样的情况更为常见且更为复杂。以上纳克立方体的视错觉主要是在立方体的前后 2 个面之间发生。而观察纳克立方体的另外 4 种变
14、体,还可以产生平面-立体的视错觉。图 3 中,(a)、(c)组合单独出现时,更容易被22铁 道 勘 察2023 年第 4 期判读为平面图形;但当它们与(b)、(d)组合交叉出现时,则被判读为三维图形的可能性大增加。也就是说,(b)与(d)对(a)与(c)被判读为三维图有诱导作用。相反的,(a)与(c)却 不 能 构 成 对(b)与(d)的诱导15-16。图 3 纳克立方体的变体和平面-立体图形视错觉地图制图学研究的对象集,可以概括为不同尺度下的图形与背景。一幅遥感影像铁路专题地图的图外空白部分(图廓以外)一般为白色或者其他简单填充色,从宏观角度,图外空白部分是背景,图廓内的整幅地图就是图形;如
15、果专题地图内部的影像底图是背景,其他基础地理信息(例如境界、水系、交通及居民地)就是图形;如果底图平原部分是背景,那么山区添加的DEM 渲染效果即为图形;如果所有基础地理信息是背景,那么专题信息就是图形。由此可见,图形与背景相互转换的关系在遥感影像铁路工程制图中非常普遍。2 遥感影像铁路工程制图中的立体视错觉几乎所有软件平台都会利用“投影效果”来制造立体效果。如软件界面上的“按钮”图标,地图制图软件也经常对地图要素进行“雕刻或者投影”操作。制图过程中,大部分图形与背景是容易区分的,但也有一部分图形与背景容易产生交替与混淆,出现立体视错觉现象。2.1 制图中的立体视错觉铁路工程制图过程中,地理空
16、间数据以多模态存在,地图的可视化表达方式,是将数据库中的“点、线、面、体”形式转化为更加具体的可视化形式17。以水体为例,对于数据库中的线状河流,往往需要在制图中给线条以一定的宽度。同时,还需要将线条赋予“立体感”,这也符合地图设计中的美学原则18。图 4 是同一幅专题地图中按同一方法(内投影)制作的水系效果。(a)中的水系具有凸出效果;(b)中的水系可以看成是凸出的,也可以看成是凹陷的;(c)中的水系具有凹陷效果。可见,当水系面积与陆地面积之比较小时,例如内陆河流,其作为图形的凸出效果明显;当水系面积较大,或者它与周边陆地面积相当时,水系在视觉上作为图形或者作为背景(凸出或者凹陷),可以互相
17、转化,更容易发生立体视错觉;当水系面积特别大,甚至对一些陆地形成包围时,如海岸线,其作为背景的视觉凹陷效果较为显著。专题制图过程中,不同水体的立体视错觉,可以呈现出凹陷或者凸出的效果。水体的这种立体视错觉,丰富了地图表现形式,无需进行校正。图 4 采用相同投影效果的河流、湖泊和海岸水体效果2.2 遥感影像中的立体视错觉在遥感影像铁路工程制图中,遥感影像是专题地图的工作底图,是构成地图成果的重要元素之一,也是地图视觉传达过程中,最显著的部分。遥感影像铁路工程制图成果示意见图 5。图 5 遥感影像铁路工程制图成果示意正向地貌高出周围地面的凸形,负向地貌指低于周围地面的凹形,正向地貌由山顶、山坡和山
18、麓 3 部分组成,负向地貌分为谷地和盆地19。正向地貌绵延、高大而突出的部分称之为山脊。有一种山地区域,正向地貌与负向地貌视觉效果可以 产 生 感 觉 上 的 交 替 现 象,图 6(a)所 示 的LandsatTM 影像上,谷地区域视直觉判断为凸出。而实际上,谷地区域为凹陷地貌,图 6(b)所示的 SRTM高程渲染图,以及图 6(c)所示的三维场景。对于图6(d)所示的 Bing 卫星影像,图中谷地可以看成是凸出的,也可以看成是凹陷的,其高程渲染图见图 6(e),三维场景见图 6(f)。研究发现,平原区域内相对孤立的山体以及坡度32基于遥感影像的铁路工程制图立体视错觉分析:杜 辉图 6 产生
19、立体视错觉的卫星影像、地形渲染图及其对应的三维场景较缓的丘陵地区,不容易出现立体视错觉。以处于北半球的我国为例,山区立体视错觉区域主要发生在地势第一台阶的青藏高原和第二台阶的山西、陕西和甘肃的台地及冲沟地貌。山区立体视错觉的主要表现形式是地势凸起与凹陷之间的混淆,即在山脊与谷地之间发生立体视错觉。产生立体视错觉的台地地貌见图 7。图 7 产生立体视错觉的台地地貌(山西省永和县)2.3 形成立体视错觉的 3 种地貌类型遥感影像产生立体视错觉的地貌特征主要包括连续的正弦波形山岭谷地地貌、台地地貌和“U”形冲沟3 种类型(见图 8)。图 8 产生立体视错觉的 3 种地貌类型(1)正弦波形山岭谷地地貌
20、连续的正弦波形山岭谷地横向空间尺度在 5 km以上。形成了较为明显的山体阴影,由于北半球山体阴影在北侧,因此谷地易产生凸起的错觉。北半球的这一类型地貌最容易产生立体视错觉。以中国西南地区的连绵的高大山岭和深谷为典型。(2)台地地貌台地地貌横向空间尺度在 1 km 以下。由于地貌自身特点,在台地周围的低处形成阴影,低处产生凸起的错觉。以中国地势第二台阶的山西、陕西和甘肃的台地最为典型。(3)“U”形冲沟“U”形冲沟地貌在冲沟内侧形成阴影,低处产生凸起的错觉。以中国地势第二台阶的山西、陕西和甘肃的冲沟地最为典型。北半球山地区域的遥感影像立体视错觉现象普遍存在,而相似的地貌条件下,在南半球则很少发生
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