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文檔簡介
1、實(shí)習(xí)十八 數(shù)字高程模型建立與應(yīng)用一目的意義掌握基于MAPGIS系統(tǒng)數(shù)字高程模型的建立方法與應(yīng)用分析基本技巧。二. 實(shí)習(xí)項目1數(shù)字高程模型的建立;2數(shù)字高程模型的應(yīng)用分析。三實(shí)習(xí)環(huán)境多用戶環(huán)境的MAPGIS6.5。四MAPGIS數(shù)字地面模型子系統(tǒng)簡介 數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model),簡稱DEM。它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型,是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model,簡稱DTM)的一個分支。一般認(rèn)為,DTM是描述包括高程在內(nèi)的各種地貌因子,如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布,其中DEM是零階單
2、純的單項數(shù)字地貌模型,其他如坡 度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎(chǔ)上派生。 1.主要功能MAPGIS數(shù)字高程模型子系統(tǒng)是MAPGIS系統(tǒng)空間分析功能子系統(tǒng)之一,主要實(shí)現(xiàn)以下具體功能:圖18-1 數(shù)字高程模型子系統(tǒng)主窗口 (1)網(wǎng)格化功能:可對離散的、隨機(jī)采樣的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化處理,將不規(guī)則的離散高程數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格化為規(guī)則的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)。系統(tǒng)提供有距離加權(quán)平均、距離加權(quán)最小二乘、三角剖分插值及克立金等網(wǎng)格化模型算法;同時系統(tǒng)可對高程數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行可視編輯校對,檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。 (2)數(shù)據(jù)插密功能:可對規(guī)則網(wǎng)高程數(shù)據(jù)按雙三次曲面或線性進(jìn)行網(wǎng)格的加密內(nèi)插,減小模型數(shù)據(jù)的失真。 (3)規(guī)則網(wǎng)數(shù)
3、學(xué)計算及拼接功能:可對規(guī)則網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行例如加、減、乘、除、平方等數(shù)學(xué)運(yùn)算;同時,可以完成規(guī)則網(wǎng)的拼接工作。 (4)繪制等值線圖功能:根據(jù)插密生成的數(shù)據(jù)文件,系統(tǒng)可生成矢量式彩色等值線圖件;追蹤等值線層的設(shè)置方式有自動、手動、半自動等多種方式供用戶靈活選擇。 (5)繪制彩色立體圖功能:系統(tǒng)提供生成矢量式三維彩色立體圖功能,在完成高程數(shù)據(jù)到二維平面數(shù)據(jù)透視交換的同時,根據(jù)在等值線追蹤過程中提供的信息數(shù)據(jù),對面域著色,產(chǎn)生彩色網(wǎng)狀立體圖。 (6)剖面分析、面積體積量算功能:系統(tǒng)提供剖面圖繪制分析功能,可對剖面套色成區(qū);量算功能可實(shí)現(xiàn)高程范圍內(nèi)任意區(qū)域的地表面積、體積及按給定高程后拉平區(qū)域所需的搬去方量
4、、外運(yùn)方量及區(qū)域總方量等的量算輸出。 (7)專業(yè)分析功能-根據(jù)高程數(shù)據(jù):系統(tǒng)可作坡度坡向分析、山脊溝谷提取(分水嶺匯水)分析、日照遮蔽區(qū)提取分析及趨勢分析等。 (8)TIN模型分析:系統(tǒng)可對離散點(diǎn)數(shù)據(jù)快速生成Delaunay剖分三角網(wǎng),在三角剖分的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行手工調(diào)整、生成矢量式彩色等值線圖及相關(guān)專業(yè)分析功能。2。菜單操作MAPGIS數(shù)字地面模型子系統(tǒng)主界面包括文件、窗口、Grd模型、TIN模型、模型應(yīng)用、設(shè)置、處理點(diǎn)線和幫助等一級菜單。(1)文件操作:主要實(shí)現(xiàn)三角剖分文件的裝入、存儲;輸出高程數(shù)據(jù)文件;存取點(diǎn)線區(qū)文件。(2)窗口操作:主要用來三維動態(tài)顯示分析、顯示輸入的點(diǎn)信息、三角剖分和經(jīng)
5、本系統(tǒng)處理自動生成的MAPGIS標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)、線、面圖元文件。(3)GRD模型:GRD模型操作專門針對以柵格為基礎(chǔ)的高程格網(wǎng)數(shù)據(jù)。在GRD模型中,我們可以對輸入的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、交互式地修改、離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、稀疏網(wǎng)格插密、繪制各種圖形等各種分析操作。其中,除了“離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化”只針對非規(guī)則網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作以外,其它功能都只針對規(guī)則網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作;如果當(dāng)前的數(shù)據(jù)格式不正確,系統(tǒng)會拒絕執(zhí)行并給出相關(guān)信息。GRD模型的具體菜單如圖18-2。瀏覽高程數(shù)據(jù)信息: 選擇此項后,系統(tǒng)將彈出一對話框顯示原高程的最大、最小值,X、Y的最大最小值及是否網(wǎng)格化數(shù)據(jù),總點(diǎn)個數(shù)及數(shù)據(jù)是否取對數(shù)等高程數(shù)據(jù)的信息。GRD預(yù)
6、處理:GRD模型分析是建立在網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的,故對于未網(wǎng)格化數(shù)據(jù)必須先網(wǎng)格化才能進(jìn)行有關(guān)分析。在以下操作中除了離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化只能對非網(wǎng)格數(shù)據(jù)操作外,其它都只對網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。(1)離散數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化(2)稀疏網(wǎng)格插密(3)多波束數(shù)據(jù)網(wǎng)格化(4)未知點(diǎn)控制插值(5)有效點(diǎn)濾波處理(6)規(guī)則網(wǎng)拼接(7)規(guī)則網(wǎng)數(shù)學(xué)計算(8)函數(shù)生成GRD數(shù)據(jù)(9)方位變換(10)局部數(shù)據(jù)提?。?1)局部數(shù)據(jù)無效化(12)重要點(diǎn)集提取模型分析:GRD模型中的分析主要提供“規(guī)則網(wǎng)溝脊提取分析”、“格網(wǎng)日照暈渲圖繪制”、“格網(wǎng)坡向圖繪制”、“坡度、坡向、粗糙度分析”。圖件繪制分析: GRD模型中的圖件繪制分析提供“
7、網(wǎng)格立體圖繪制”、“平面等值線圖繪制”及“彩色等值立體圖繪制”三大功能,它們都只能處理網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)。圖18-2 數(shù)字高程GRD模型菜單(4)TIN模型:TIN模型可以不必對原始離散數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理,而是直接對這些非網(wǎng)格化數(shù)據(jù)直接建立三角剖分,進(jìn)行分析。其具體操作菜單如下:圖18-3 數(shù)字高程TIN模型菜單(5)模型應(yīng)用:模型應(yīng)用將GRD模型 和TIN模型中的公共功能提出來,主要服務(wù)于實(shí)際工程應(yīng)用中,例如:土方量的計算。其具體操作菜單如下:圖18-4 數(shù)字高程模型應(yīng)用菜單(6)處理點(diǎn)線:為將矢量點(diǎn)、線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為離散或網(wǎng)格化的高程數(shù)據(jù),本部分特提供“線數(shù)據(jù)高程點(diǎn)提取”、“點(diǎn)數(shù)據(jù)高程點(diǎn)提取”、“高
8、程數(shù)據(jù)柵格化”及相應(yīng)輔助點(diǎn)、線編輯、屬性連接編輯等功能。圖18-5 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)處理菜單五、MAPGIS數(shù)字地面模型子系統(tǒng)操作方法 1MAPGIS系統(tǒng)提供的DEM建模方法:MPAGIS為為用戶提供了兩種原始數(shù)據(jù)建模的方法:A等值線數(shù)據(jù)建模法:當(dāng)用戶的觀測數(shù)據(jù)是等值線數(shù)據(jù)(*.WL)的時候,用戶可選擇使用下面的流程形成高程數(shù)據(jù)文件:(1) 由“等值線高程柵格化”- 直接形成規(guī)則網(wǎng)GRD高程文件; (2) 由“線數(shù)據(jù)提取高程點(diǎn)”- 先形成離散高程點(diǎn)文件 - 再由“快速生成三角剖分” - 形成三角網(wǎng)(TIN)高程文件。B離散點(diǎn)數(shù)據(jù)建模法: 當(dāng)用戶的觀測數(shù)據(jù)是離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的時候,用戶可選擇使用下面的
9、流程形成高程數(shù)據(jù)文件:(1) 由“快速生成三角剖分”- 直接形成三角網(wǎng)(TIN)高程文件。(2) 由“離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化” - 直接形成規(guī)則網(wǎng)GRD高程文件。2. GRD(規(guī)則格網(wǎng))的建立與應(yīng)用分析步驟(1)利用等值線生成GRD模型:鼠標(biāo)選擇文件菜單的“打開數(shù)據(jù)文件的線數(shù)據(jù)”子菜單,將指定目錄下的線數(shù)據(jù)文件當(dāng)前工作區(qū),然后執(zhí)行“處理點(diǎn)線”菜單的“值線高程格網(wǎng)化”子菜單,啟動格網(wǎng)化參數(shù)對話框,設(shè)置有關(guān)參數(shù)后,點(diǎn)擊確定生成GRD模型。(2)利用離散點(diǎn)生成GRD模型:鼠標(biāo)選擇文件菜單的“打開數(shù)據(jù)文件的點(diǎn)數(shù)據(jù)”子菜單,將指定目錄下的點(diǎn)數(shù)據(jù)文件當(dāng)前工作區(qū),然后執(zhí)行“處理點(diǎn)線”菜單的“高程點(diǎn)/線格網(wǎng)化”子菜單
10、,啟動格網(wǎng)化參數(shù)對話框,設(shè)置有關(guān)參數(shù)后,點(diǎn)擊確定生成GRD模型。 (1)裝入GRD文件:鼠標(biāo)選擇文件菜單的“裝入”或“打開.”子菜單,將指定目錄下的GRD文件裝入當(dāng)前工作區(qū)。(2)數(shù)據(jù)信息的顯示及交互式修改瀏覽高程數(shù)據(jù)信息:選擇此項后,系統(tǒng)將彈出一對話框顯示原高程的最大、最小值,X、Y的最大最小值及是否網(wǎng)格化數(shù)據(jù),總點(diǎn)個數(shù)及數(shù)據(jù)是否取對數(shù)等高程數(shù)據(jù)的信息. 編輯高程點(diǎn)數(shù)據(jù):本菜單允許用戶交互式地編輯高程數(shù)據(jù)。具體使用方式為:選擇本菜單項后,用鼠標(biāo)左鍵定位一空間點(diǎn),接下來系統(tǒng)會彈出一對話框給出所定位點(diǎn)的地性碼及高程值,用戶可修改有關(guān)數(shù)據(jù),然后按“”按鈕保存有關(guān)信息。 高程點(diǎn)坡度、坡向計算:本功能
11、允許用戶用鼠標(biāo)點(diǎn)取格網(wǎng)范圍內(nèi)的任意位置,計算該點(diǎn)處的坡度值和坡向值,以對話框的形式顯示計算后的信息。注意:原始數(shù)據(jù)應(yīng)在X、Y、Z三個方向上單位一致. (3)GRD預(yù)處理GRD模型分析是建立在網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的,故對于未網(wǎng)格化數(shù)據(jù)必須先網(wǎng)格化才能進(jìn)行有關(guān)分析。在以下操作中除了離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化只能對非網(wǎng)格數(shù)據(jù)操作外,其它都只對網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。項目包括:離散數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、稀疏網(wǎng)格插密、多波束數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、未知點(diǎn)控制插值、有效點(diǎn)濾波處理、規(guī)則網(wǎng)拼接、規(guī)則網(wǎng)數(shù)學(xué)計算、函數(shù)生成GRD數(shù)據(jù)、方位變換、局部數(shù)據(jù)提取、局部數(shù)據(jù)無效化、重要點(diǎn)集提取、模型分析、圖件繪制分析。 (4)GRD模型分析1)規(guī)則網(wǎng)溝脊提
12、取分析: 該功能用于提取地面高程模型中的溝谷及山脊,用于地貌、匯水等分析。此功能先對原始稀疏數(shù)據(jù)加密,然后提取模型中的溝谷及山脊,并將結(jié)果數(shù)據(jù)以“.BMP”或“.GRD”(其高程信息為提取的溝脊系數(shù))格式保存到用戶指定的文件中,供制圖或分析時使用。該功能提供數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換功能。2)格網(wǎng)日照暈渲圖繪制: 該功能用于制作地面模型的日照暈渲圖。此功能先對原始稀疏數(shù)據(jù)加密,然后計算各單元的日照參量,并將結(jié)果數(shù)據(jù)以“.BMP”或“.GRD”(其高程信息為計算日照參量)格式保存到用戶指定的文件中,供制圖或分析時使用。該功能提供數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換功能。3)格網(wǎng)坡向圖繪制:該功能用于制作地面模型的坡向圖。此功能提供了
13、兩種分類方式供用戶選擇:一種是傳統(tǒng)的9級坡向分類(請參考相關(guān)書籍);另一種是用戶自定義的分類方式,允許用戶修改分級數(shù)目、每級的上下限值。缺省的分級方式是9級。用戶可選擇輸出結(jié)果是否光滑、是否進(jìn)行濾波處理(指的是小范圍的區(qū)域是否歸并到周圍的大范圍區(qū)域中)。用戶在修改完某一級的上下限值后,點(diǎn)取“應(yīng)用”按鈕將引起分類信息的更新顯示。用戶確認(rèn)后,坡向圖將保存為MAPGIS的點(diǎn)線面文件中,供制圖或分析時使用。4)坡度、坡向、粗糙度分析:該功能用于作地面模型的坡度、坡向、粗糙度分析。此功能先對原始稀疏數(shù)據(jù)加密,然后計算各單元的坡度、坡向或粗糙度,并將結(jié)果數(shù)據(jù)以“.BMP”或“.GRD”(其高程信息為高程點(diǎn)
14、的坡度、坡向或粗糙度)格式保存到用戶指定的文件中,供制圖或分析時使用。用戶如果想繪制坡度圖,可以先用此功能產(chǎn)生坡度GRD文件,然后運(yùn)用“平面等值線圖繪制”功能就可以出坡度圖了。3.TIN(不規(guī)則格網(wǎng))分析步驟(1)生成三角剖分網(wǎng)生成初始三角剖分網(wǎng):選中本菜單項后,系統(tǒng)將進(jìn)行三角剖分,然后自動建立鄰接拓?fù)潢P(guān)系,完成后可進(jìn)行窗口操作,以顯示所得的剖分結(jié)果;也可直接執(zhí)行追蹤剖分等值線的操作,以生成等值線。優(yōu)化初始三角剖分網(wǎng):選中本菜單項后,系統(tǒng)將在初始三角剖分的基礎(chǔ)之上進(jìn)行優(yōu)化。完成后可進(jìn)行窗口操作,以顯示所得的剖分結(jié)果??焖偕扇瞧史志W(wǎng):該功能是將“生成三角剖分網(wǎng)”和“優(yōu)化三角剖分網(wǎng)”兩個功能結(jié)
15、合起來,直接生成優(yōu)化過的三角剖分網(wǎng),以簡化用戶操作步驟。生成約束三角剖分網(wǎng):約束三角剖分網(wǎng)是在指定了“約束特征碼”的等值線的基礎(chǔ)上,通過對等值線數(shù)據(jù)進(jìn)行“線數(shù)據(jù)高程點(diǎn)提取”后,對這些離散高程點(diǎn)建立的三角剖分網(wǎng)。(2)調(diào)整三角剖分網(wǎng)交換三角剖分網(wǎng)邊:選中本菜單項后,用戶可以用鼠標(biāo)選取任一條三角形邊,如果共此邊的兩個三角形組成的四邊形不是凹多邊形,那末該三角邊將被調(diào)整為多邊形的另一對角邊。刪除三角剖分網(wǎng)邊:選中本菜單項后,用戶可以用鼠標(biāo)選取單條三角形邊進(jìn)行刪除;也可以用鼠標(biāo)拉出一個矩形區(qū)域,刪除區(qū)域內(nèi)的部分三角網(wǎng)邊。注意:當(dāng)需要保存時,應(yīng)選擇“壓縮”存儲方式。整理三角剖分網(wǎng):該功能是刪除三角網(wǎng)邊緣
16、的一些滿足條件的狹長的三角形。選中本菜單項后,系統(tǒng)將彈出下圖的對話框。確認(rèn)后,系統(tǒng)即進(jìn)行整理工作。刪除無效三角形:無效三角形是指三角形的三個頂點(diǎn)中至少有一個點(diǎn)是“未知點(diǎn)”。 選中本菜單項后,系統(tǒng)即進(jìn)行刪除工作。若當(dāng)前三角網(wǎng)中沒有無效三角形,則系統(tǒng)會提示用戶。重建鄰接拓?fù)潢P(guān)系:在進(jìn)行本操作前必須先執(zhí)行有關(guān)的三角剖分操作,選中菜單即可進(jìn)行本操作。事實(shí)上,該功能是對已建的三角剖分重建鄰接拓?fù)潢P(guān)系。(3)三角剖分網(wǎng)分析 產(chǎn)生離散點(diǎn)凸包線:數(shù)據(jù)點(diǎn)凸包線是指整個三角網(wǎng)的最小外邊界線。選中本菜單項后,結(jié)果將存放在MAPGIS線文件中。追蹤剖分等值線:在前面的基礎(chǔ)上,本功能完成有關(guān)的等值線圖形繪制。具體操作時
17、,選中該菜單項系統(tǒng)將彈出等值線繪制參數(shù)設(shè)置對話框,用戶設(shè)置認(rèn)可后系統(tǒng)基于工作區(qū)中的三角剖分?jǐn)?shù)據(jù)繪制等值線圖、區(qū)圖。有關(guān)參數(shù)設(shè)置請參見平面等值線圖繪制。三角網(wǎng)高程網(wǎng)格化:功能完成直接從三角網(wǎng)數(shù)據(jù)生成規(guī)則網(wǎng)GRD數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中,用戶除了可以用等值線高程柵格化來完成等值線數(shù)據(jù)到規(guī)則網(wǎng)GRD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換外,還可以用本功能完成從三角網(wǎng)數(shù)據(jù)到規(guī)則網(wǎng)GRD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。剖分坡度分級圖的繪制:坡度是描述地形特征的一個因子。該功能在對原始數(shù)據(jù)坡度統(tǒng)計分類的基礎(chǔ)上,輸出坡度分級圖至MAPGIS 區(qū)文件保存。用戶可以按系統(tǒng)默認(rèn)的統(tǒng)計分級方式進(jìn)行坡度分級;這時,用戶通過修改閾值(0到1之間)、調(diào)整分級數(shù)目來改變分級信息
18、。用戶也可以通過調(diào)整分級數(shù)目、修改上下限的值來自定義分級方式?!按_認(rèn)”后,即輸出坡度分級圖。分坡向分級圖的繪制:坡向也是描述地形特征的一個因子。前面GRD模型中的格網(wǎng)坡向圖繪制是專門針對規(guī)則網(wǎng)數(shù)據(jù)的,而本功能則偏重于“TIN模型”。這里,坡向按固定的9類分級方式,即:東、南、西、北、東北、西北、東南、西南、平坡。用戶可以調(diào)整平坡的坡度閾值,改變其分類?!按_認(rèn)”后,輸出坡向分級圖至MAPGIS 區(qū)文件保存。剖分坡元分級圖的繪制:坡元是DTM數(shù)據(jù)組織的另外一種空間多邊形結(jié)構(gòu),在坡元內(nèi)有“一致”的坡度和坡向。系統(tǒng)先按坡向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分級,形成坡面;然后在每級坡向中又按坡度進(jìn)行再分。用戶可以調(diào)整每級坡向
19、中坡度的分級情況(參考坡度分級圖中的說明)?!按_認(rèn)”后,輸出坡元分級圖至MAPGIS 區(qū)文件保存。4三維顯示操作三維顯示操作包含在MAPGIS文數(shù)字高程模型系統(tǒng)的窗口操作中,在窗口菜單中,激活新建三維窗口后,系統(tǒng)將會彈出三維顯示窗口。為了簡便操作,系統(tǒng)規(guī)定世界坐標(biāo)系如下:X軸為三維顯示窗口的水平方向,正X軸方向向右;Y軸為三維顯示窗口的垂直方向,正Y軸方向向上;Z軸為三維顯示窗口平面的法線方向,正Z軸方向由屏幕內(nèi)部指向屏幕外部;DTM模型X,Y,Z數(shù)據(jù)在世界坐標(biāo)系中的取值范圍為-1.0,1.0;世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)為DTM模型的中心位置,即X,Y,Z值的一半。它的主要操作有:(1)投影變換:其目的
20、是要把三維圖形變換為二維圖形,在屏幕上顯示出來。為了提高變換中求交、裁減的處理效率,系統(tǒng)進(jìn)行了裁減空間(視景體)的規(guī)格化處理。平行投影:又叫正射投影,其最大特點(diǎn)是無論物體距離視點(diǎn)有多遠(yuǎn),投影后的物體保形輸出。它的視景體為正四棱柱。透視投影:它比較符合人們的心理習(xí)慣:近大遠(yuǎn)小,即離視點(diǎn)近的物體大,離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體小。它的視景體為正四棱臺。同時,為了簡化透視投影的計算量,我們將投影中心移到無窮遠(yuǎn)處(圖象空間的規(guī)格化),這就意味著裁減空間的透視投影會變?yōu)閳D象空間的平行投影。三維實(shí)體經(jīng)過這種變換后,對其作平行投影也會產(chǎn)生近大遠(yuǎn)小的效果。(2)三維顯示:用戶可根據(jù)不同需求,選擇三維線框或三維圖象,來顯示三維實(shí)體(3)光照處理:現(xiàn)實(shí)世界中,無光照的對象看上去是沒有三維效果的。在系統(tǒng)中,我們建立的是簡單光照模型,即:使用簡單的定向光源作用于三維實(shí)體,并且只考慮反射光,就可產(chǎn)生光照效果(4)明暗效應(yīng)處理:明暗效應(yīng)是指對光照射到實(shí)體表面所產(chǎn)生的反射/透射現(xiàn)象的模擬,明暗效應(yīng)處理實(shí)際上是計算實(shí)體表面的明暗度的過程。由于光滑曲面常由多邊形的逼近予以表示,因而系統(tǒng)中可供選擇的兩種方式為:平滑明暗處理:多邊形內(nèi)各點(diǎn)的明暗度相等;光滑明暗處理:使用Gauraud算法,多邊形內(nèi)各點(diǎn)的明暗度由頂點(diǎn)的明暗度采用雙線性內(nèi)插值
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