制作3D地形（二）：高程数据处理
前言：为了能在建模软件 Blender 中成功建立起3D模型，需要对高程数据进行预处理。高程数据，你也可以叫 DEM（数字高程模型）数据。这种数据有多种表现形式，同样也有多种储存方式，或者说格式；最常见的就是以灰度值来表示高程的灰度栅格数据 TIFF，后缀为 tif 的格式。后文说的高程数据都是指高程灰度图栅格数据。Blender 就是通过读取高程数据中各像素的灰度值来获取相应的高度信息，然后建立起3D模型。Blender 仅读取灰度值，对其空间坐标信息不敏感，读入到 Blender 中的空间坐标信息就没了，所以不一定非要 TIFF 数据才行，只要是灰度栅格图像，比如 PNG 和 JPEG 格式，在保证像素类型正确的前提前，都是可以通过 Blender 建立3D模型的。根据具体的情况和相应的场景可能需要不同的格式，不过一般使用 TIFF 格式的就可以了。数据处理分为以下4个部分，其中最后两个部分才是重中之重，并且所有的操作都同时提供 ArcGIS 和 QGIS 两种处理方式：数据获取；合并-裁剪-投影-重采样；范围拉伸；转换像素类型。理论非常简单，但是制作出的地形模型好坏的关键就是数据处理。文章最后会提供原始高程数据以及处理完成后的数据，你可以在后续的教程和个人的试验中使用，需要的可以自取。第一步 数据获取
制作3D模型需要高程数据，现在获取高程数据的有效途径非常多，读者可以根据自己的需要选择合适分辨率的高程数据，如果你想制作小比例尺大范围的地图，最好选择较大空间分辨率的高程数据，比如1千米x1千米分辨率；而如果你想制作大比例尺较为精细的地图的话，就可以选择10米x10米、甚至更小空间分辨率的高程数据。特别提醒一点，小心使用保密数据，尽量不用。你能在网上下载到的数据想怎么折腾都可以。网上有很多关于高程数据的获取指南，各位可以根据自己的实际情况获取相应的数据。笔者目前使用较多的是下面这个网站：http://viewfinderpanoramas.org/Coverage%20map%20viewfinderpanoramas_org3.htm该网站可以下载全球的高程数据，其中中国区域高程数据的空间分辨率一般都是90米，最重要的是下载速度不慢；打开网址可以看到很多小格子，点击就可以下载这个区域内的 DEM 数据，解压后数据格式是 HGT 格式，可以直接用 ArcGIS 或者 QGIS 打开。
第二步 合并-裁剪-投影-重采样
其实这四个操作都是可选的，因为并不是所有数据都需要全部走一遍这些流程，因为你完全可以使用一个已经处理好、同时已经设置了投影系的 tif 数据。不过可能并不是所有读者都有 GIS 相关背景经验，可能有的读者仅仅是兴趣使然，所以为了不落下每一个人，这里讲一下如何合并-裁剪-投影-重采样，对此非常熟悉的读者朋友可以跳过这一小节，直接进入下一小节。2.1 合并通常来说，高程数据都是一块一块的矩形；所以你很有可能需要通过将多个矩形合并起来获取目标范围区。将周围的高程数据添加进来，将其合并（也叫镶嵌）成一个整块。
4块高程数据>>工具位置ArcGIS 可以使用镶嵌至新栅格工具，该工具位于数据管理工具->栅格->栅格数据集->镶嵌至新栅格。QGIS 中使用 Merge 工具可以镶嵌栅格；该工具来自于 GADL 包。位于QGIS 右侧工具栏，GDAL->Raster miscellaneous->Merge。或者在上方工具栏中快捷打开：
>>2.2 裁剪>>工具位置ArcGIS 可以使用裁剪工具；位于数据管理工具->栅格->栅格处理->裁剪；QGIS 中依然在上方的 Raster 菜单中，依次点击 Extraction-> Clip raster by mask layer 即可。>>2.3 投影在 Blender 读取高程数据之前应该确保高程数据已经正确设置好了投影。不然 Blender 读取的形状就是扁的，因为这个扁扁的形状才是投影前高程数据的真实情况。那为什么 ArcGIS 中就显示正常呢？因为 GIS 软件会自动做一个投影显示。所以设置投影系是必不可少的一步操作。
左：投影前的真实形状，形状更扁；右：投影后>>工具位置ArcGIS 中的投影工具在数据管理工具->投影和变换->栅格->投影栅格；QGIS 的投影工具在菜单栏上方的 Raster-Projections-Warp。>>2.4 重采样重采样：根据一部分像素的信息赋值给其他像素信息的过程。这里的重采样应该叫修改像素空间分辨率，只不过也是用重采样的方式实现而已。什么叫空间分辨率？一个像素所表示的实际地理大小就是空间分辨率。比如这个教程使用的高程数据空间分辨率是90米，那么这就代表一个像素映射现实生活中一个90米长、90米宽的方形区域。如果想要制作整个中国的3D模型，90米分辨率就太精细了，整个数据量就非常庞大，直接让电脑死机，所以可以通过重采样为1千米或者10千米。单独的重采样工具不是所有 GIS 软件中都有，GIS 软件中一些和栅格相关的工具通常会自带修改空间分辨率的选项，所以可以顺便设置好空间分辨率大小；比如使用 QGIS 时我就喜欢使用栅格投影工具来顺便修改空间分辨率。该教程提供的高程数据空间分辨率大小合适，不需要修改。>>工具位置ArcGIS 中的单独重采样工具在数据管理工具->栅格->栅格处理->重采样；ArcGIS 10.3版本有4种方法。QGIS 的话我是直接使用投影工具来解决，因为 QGIS 本身没有独立的重采样工具，在 QGIS 主界面上面的菜单栏中选择 Raster-Projections-Warp 即可。将投影工具中的投影选项空着，只需要设置好 Output file resolution in target georeferenced units 这个选项，就可以在不修改投影的前提下修改空间分辨率。>>第三步 范围拉伸
范围拉伸，英文：rescale。范围拉伸是指把高程数据的范围扩大，普通的高程数据一般就在0到4000左右，教程提供的高程数据范围是42到2283（是否构建栅格金字塔会导致范围些许的不同，不过影响不大），那么为什么要拉伸？有以下两个重要原因：适配 Blender；如果以42到2283这样的范围导入 Blender，最终的成果建模是非常平坦，就像一张白纸，就像下面这样，看的见嘛？快瞅瞅：
保留细节；一般来说，高程数据的像素数据类型是浮点型，是小数形式，而 Blender 支持整数，所以需要转换。如果不拉伸直接转换，小数会被四舍五入成整数，数据丢失，反映到模型上就是细节丢失、不连续。由于这两个原因，所以我们必须先对高程数据进行拉伸。那么具体拉伸到多大呢？大神 Daniel Huffman 提供了参考，或许这不是参考，这就是答案 👍 ：
>>工具位置ArcGIS 中使用栅格计算器，工具栏中依次打开 Spatial Analyst 工具->地图代数，最后打开栅格计算器工具执行栅格拉伸操作。
然后输入以下计算表达式：
你每一个输入的整数最好使用 ArcGIS 提供的关键字 Float 括起来，否则输出的数据就有可能自动四舍五入到整数位，最后导致的结果要么是0要么是65535（是否会四舍五入到整数取决于高程数据当前的像素类型，不过保险起见，都统一加上 Float 吧）。QGIS 使用 Raster Calculator。点击主界面上方菜单栏中的 Raster->Raster Calculator。
然后输入以下计算表达式：
>>Note：①这里没有考虑高程数据范围涉及到负数（海底）的情况。②可能会遇到高程数据中有空值 Nodata，请注意。第四步 转换像素类型
简单理解，像素类型描述了图像的最小储存单元所使用的格式。
查看像素类型在创建3D模型时，Blender 只能支持特定的像素类型，那就是16位无符号整型；所以现在要做的就是把像素类型装换为6位无符号整型。16位无符号整型，英文：16 unsigned int 或者 16 bit unsigned；无符号表示正数，从0开始到2的16次方的整数。从0到2的16次方正好有65536个数（包括0），那么最大数就是65535，这就是公式最后乘数字65535的原因。>>工具位置ArcGIS 可以使用复制栅格工具来修改像素类型：数据管理工具->栅格->栅格数据集->复制栅格；然后像素类型选择：16_BIT_UNSIGNEDQGIS 可以使用 translate 工具：上方菜单栏依次点击 Raster->conversion->translate；然后在 Output data type 中选择 UInt16。>>最后
本章节你可以了解到：使用高程灰度图栅格数据可以在 Blender 中创建3D地形模型；高程数据的基本预处理操作（包括 ArcGIS 和 QGIS）；高程范围拉伸的重要性和操作；Blender 建模需要像素类型为16位无符号整型的栅格图像。好的，学完这章，距离下面的成果又近了一大步！
资料下载：提供原始高程数据以及处理好后的高程数据；1 原始高程数据：原始未投影 TIFF 数据。2 成果高程数据：完成所有处理步骤，可直接建模的 TIFF 数据。Blender 文件（后续章节会提供）；系列教程PDF文档。