代 振，況明生，謝北川，王民中，劉小燕

（1.西南大學 地理科學學院，重慶400715）

20世紀中葉誕生的數(shù)字高程模型（DEM）是地表屬性特征為高程時的數(shù)字地面模型（DTM）[1]。當前，DEM數(shù)據(jù)獲得方法主要有地面測量、地形圖數(shù)字化以及攝影測量和遙感影像。利用遙感和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS，高分辨率遙感圖和DEM相結(jié)合的三維地形可視化，高度逼真地再現(xiàn)地形地貌已成為當前研究的熱點[2]。

本文以南川區(qū)金佛山地區(qū)地形圖為基礎數(shù)據(jù)，將地形圖數(shù)據(jù)進行掃描，通過校正，使其成為具有正確地理坐標系統(tǒng)和投影信息的數(shù)字化地圖。以此為基礎，根據(jù)ArcGIS9.3軟件強大的空間分析功能，運用緩沖區(qū)分析、疊加分析、表面分析以及三維分析等一系列空間分析和計算方法，實現(xiàn)了金佛山地區(qū)的三維可視化，為金佛山旅游景區(qū)的規(guī)劃發(fā)展提供一定的指導建議。

1 研究區(qū)域概況

金佛山位于重慶市南川區(qū)境內(nèi)，總面積1 300 km2，最高峰風吹嶺海拔高達2 251 m，保護區(qū)面積多達418 km2，為典型的喀斯特地貌景觀區(qū)。金佛山森林覆蓋率為76%，風景秀麗、氣候宜人，屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨熱同季、氣候垂直變化明顯，夏季氣溫只有17 ℃左右，年均降雨量1 400 mm，雨量主要集中在夏季，年均相對濕度90%[3]。

2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要有2004年出版的南川區(qū)1∶10 000地形圖，它以1980西安坐標系、1985國家高程基準為基礎；南川區(qū)WorldView-2衛(wèi)星遙感影像，能夠提供0.5 m全色圖像和1.8 m分辨率的多光譜圖像，以Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_36為空間信息參考；南川區(qū)2009年二調(diào)數(shù)據(jù)包括道路、河流等矢量數(shù)據(jù)；金佛山景區(qū)比例尺為1∶50 000的1991～2010年規(guī)劃總圖，2009～2030年總體旅游策劃規(guī)劃專題圖等jpg圖片。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

將獲得的南川區(qū)地形圖用掃描儀掃描成柵格圖，以tif等格式存儲在計算機中，對柵格圖像進行糾正，以消除紙張變形等帶來的誤差[4]。在數(shù)字化地圖前，對地圖進行必要的坐標和投影信息校正，運用ArcGIS中的Georeferencing工具對柵格圖像進行配準，配準地圖后，在ArcMap中將圖像以二值化的方式顯示，將在ArcCatalog中建立的高程點和等高線Shapefile文件一并加載到ArcMap中，運用ArcScan工具分別對高程點和等高線進行矢量化，并分別進行高程賦值和特征值與特征點采集，從而得到高程點和等高線等矢量數(shù)據(jù)，為構建TIN及DEM提供數(shù)據(jù)準備。

由于金佛山旅游景區(qū)所獲得的數(shù)據(jù)只有jpg圖片，同理也需對圖片進行預處理，包括定義地理坐標系統(tǒng)、配準和矢量化，從而得到其相關矢量數(shù)據(jù)為三維立體圖的制作提供必要的基礎要素數(shù)據(jù)。

3 金佛山景區(qū)地形三維可視化

3.1 DEM構建

首先創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）地形模型。TIN可根據(jù)一個或幾個矢量數(shù)據(jù)來創(chuàng)建，使用ArcMap的3D Analyst工具條，選擇Create/Modify TIN，在其后子菜單中點擊Create TIN From Features，加載金佛山景區(qū)高程點和等高線2個矢量圖層，分別設置所選擇圖層的 Height source、Triangulate as、Tag value field，生成金佛山景區(qū)TIN（見圖1）。

DEM是在某一投影平面（如高斯投影平面）上規(guī)則格網(wǎng)點的平面坐標（X，Y）及高程（Z）的數(shù)據(jù)集。DEM的格網(wǎng)間隔應與其高程精度相適配，并形成有規(guī)則的格網(wǎng)系列[5]。運用TIN to Raster將TIN轉(zhuǎn)化為DEM，生成金佛山景區(qū)數(shù)字高程模型（見圖2）。

圖1 金佛山TIN模型圖

圖2 金佛山DEM模型圖

3.2 地貌暈渲圖制作

地貌暈渲在國內(nèi)常見的就是將暈渲圖當?shù)貓D的背景，再疊加地圖的矢量要素，主要包括境界、居民地、河流、道路等。通過DEM將生成的暈渲圖和矢量方面的要素進行疊加，可對地貌形態(tài)進行真實模擬，也可把地面的各個要素和地形關系直觀表達出來，在空間上和實際的地形有著非常精確的幾何關系，能在陰影、灰度、色彩以及透視關系和表面紋理等多個方面和實際的地形保持一致[6]。

計算機自動生成數(shù)字地貌暈渲地圖的制作需要對生成的DEM進行相關的空間分析與計算，包括山體陰影表面分析、鄰域分析以及柵格計算。山體陰影（hillshade）是根據(jù)假想的照明光源對高程柵格單元計算照明值，計算過程中包括3個重要參數(shù)：太陽高度角、太陽方位角和表面灰度值[7]。山體陰影能提高表面顯示的可視性，增強地形起伏的顯示效果。鄰域分析與柵格計算能較好地計算區(qū)域地形起伏度，描述一個區(qū)域地形的宏觀特征。

地貌暈渲圖的制作步驟為：首先創(chuàng)建山體陰影，在ArcMap的3DAnalyst工具條或Spatial Analyst工具條上，點擊Surface Analysis→ hillshade，打開陰影創(chuàng)建對話框，設置相應參數(shù)；再柵格計算，選擇Spatial Analyst→Raster Calculator，在計算器中輸入公式[dem]/5 + [hillshade]并對生成的Calculattion設置屬性；然后，對hillshade進行鄰域分析，運用Spatial Analyst工具→選擇neighborhood statistics，在neighborhood參數(shù)欄中選擇circle方式，并對生成的neighbrhood進行屬性設置；最后，在ArcMap顯示中對圖層進行排序，依次為DEM層、neighborhood層和Calculattion層，hillshade圖層可不顯示，合并DEM圖層進行透明度設置，將其設置為40%，生成的金佛山地貌暈渲圖見圖3。

圖3 金佛山地貌暈渲圖

3.3 建立三維景觀圖

3.3.1 疊加矢量數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)預處理中獲得的金佛山景區(qū)矢量數(shù)據(jù)（風景區(qū)入口、景點、道路、游覽步行道、景區(qū)“九谷六鎮(zhèn)”等shapefile文件），分別按點、線、面的順序加載疊加到生成的地貌暈渲圖的ArcMap中，并疊加南川區(qū)部分河流、道路矢量數(shù)據(jù)，對所有矢量數(shù)據(jù)進行符號化，并制作添加圖例、比例尺、南川區(qū)風玫瑰圖等制圖數(shù)學基礎要素和輔助要素，最后成圖輸出，生成金佛山旅游景區(qū)三維景觀效果圖（見圖4）。

圖4 金佛山三維景觀圖

3.3.2 遙感影像的配準與疊加驗證

導入南川區(qū)WorldView-2衛(wèi)星遙感影像，按照道路交叉口、河流拐彎處等明顯的地物特征進行配準，將配準的圖像導入ArcSence中顯示，并將前面得到的shapefile、raster圖層疊加在遙感圖像圖層上，將其屬性中的Base Height改為從DEM中獲取高度值，并設置透明度，這樣三維立體圖就會更加生動，更加具有高低起伏感（見圖5）。

圖5 疊加遙感影像顯示圖

4 金佛山景區(qū)三維地形場景模擬

4.1 要素立體顯示的實現(xiàn)過程

打開ArcScene，點擊3D Analyst 工具條上的Surface Analysis；加載DEM數(shù)據(jù)，右鍵單擊該數(shù)據(jù)圖層Properties，點擊基準高程設置選項卡（Base Height），選擇Obtain heights for layer from surface，并在其下拉列表中選擇DEM數(shù)據(jù)，即從DEM自身獲取高程，必要時為數(shù)據(jù)指定Z值并設置參數(shù)，并在Display標簽中設置50%透明度。加載hillshade數(shù)據(jù)，同理也需設置屬性，設置與DEM一樣的基準高程與透明度。

4.2 飛行動畫的制作

常見的產(chǎn)生動畫效果的方法有：捕獲視圖創(chuàng)建動畫、錄制視圖創(chuàng)建動畫、創(chuàng)建動畫幀生成動畫和沿指定路徑生成飛行動畫，本文主要采用沿指定路徑生成飛行動畫的方法。

先創(chuàng)建飛行路徑矢量數(shù)據(jù)Path，并加載到ArcScene中，對其符號化，打開屬性表，選中線要素。在ArcScene的任一工具欄上單擊右鍵或點擊View→Toolbars，打開Animation動畫工具條。點擊Animation，在下拉菜單中選擇Create Flyby from Path，并設置飛行高度，點擊Import，自動生成飛行路徑。分別加載金佛山旅游景區(qū)景點、游覽步行道、河流等矢量數(shù)據(jù)，對其符號化并設置與DEM一樣的基準高程。打開動畫控件，播放飛行動畫，并將其輸出可播放的AVI格式視頻文件，圖6為截取的4個旅游景區(qū)飛行動畫畫面。

圖6 金佛山景區(qū)飛行畫面

[1]田永中，徐永進，黎明，等.地理信息系統(tǒng)基礎與實驗教程[M].北京：科學出版社，2010

[2]劉陽，張培松，韋仕川，等.基于ArcGIS三維地形可視化及其應用研究——以陽江農(nóng)場為例[J].廣西農(nóng)業(yè)科學，2009,40(6): 772-776

[3]韓鳳，林茂祥，肖杰易，等.淺談南川金佛山植物資源的開發(fā)與利用[J].時珍國醫(yī)國藥，2006,17(3):483-484

[4]劉志平，張素華，杜啟勝，等.基于ArcGIS的DEM生成方法及應用[J].地理空間信息，2009,7(5):69-71

[5]封殿波，趙杰，韓雪培，等.基于ArcGIS的太平湖可視化研究[J].影像技術，2008(4):49-51

[6]劉丹丹.基于DEM的數(shù)字地貌地圖暈渲圖的探索與研究[J].科技與企業(yè)，2013(7):344-345

[7]湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析方法[M].北京：科學出版社，2002