DEM的建立及其在林业上的应用
2017-09-06 06:19吴显桥
现代农业科技 2017年14期
吴显桥
摘要 利用高程矢量数据，在Arcgis地理信息系统中建立不规则三角网TIN及数字高程模型DEM，运用DEM进行三维地理信息表达，制作不同类型的专题图，获取相关的信息和数据，满足林业调查规划设计、生态旅游景点开发等生产、经营活动中反映地形地貌以及地面物体的形状和逼真性的需要。文中较为完整地阐述了数字高程模型DEM从数据源准备到建立再到应用的全过程，并着重展示了在林业方面的应用。
关键词 DEM；矢量化；数字高程模型；不规则三角网；三维地形可视化
中图分类号 S718.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）14-0149-04
Abstract Using elevation vector data，TIN triangulated irregular network and digital elevation model DEM were established in Arcgis geographic information system.Using DEM 3D geographic information expression，thematic map of different types of access were made to relevant information and data，met the forestry investigation and planning design，ecological tourist attractions development production，reflected the needs of topography and the shapes of ground objects and realistic operating activities.This paper is a complete exposition of the digital elevation model DEM from the data source to the establishment to the whole process of application，and mainly presents the application in forestry.
Key words DEM；vectorization；DTM；TIN；3D terrain visualization
三維地理信息的产生和发展，是GIS技术及其应用发展到一定水平的必然要求，它不仅局限于利用计算机技术手段对地理信息进行可视化表达及其空间查询，而且满足了自动、全面显示地理信息的要求[1]。在三维地理信息的表达中，DEM是一种获取相对容易、具有较高精度的有效方式。DEM（digital elevation model）是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，形成栅格结构的数据集，是地形曲面的数字化表达[2]，是数字地面模型DTM（digital terrain model）的一种。DEM包含规则格网Grid和不规则三角网TIN等表面模型，TIN指用一系列无重叠的三角形近似模拟陆地表面，从而构成不规则的三角网[3]，使用TIN能更好地体现地形起伏变化特征。DEM直观反映了现实的地貌情况，是现实世界山川、河流、地面起伏在计算机中的数字化表达。由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地质、地貌、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用[4]。
本文通过对扫描地形图等高线矢量化，进而生成不规则三角网TIN及数字高程模型DEM，用实例说明了利用DEM制作三维景观图、电子林相沙盘和提取调查小班平均海拔、坡度、坡向值，旨在探讨、优化DEM的获取途径和创建方法，并对DEM在林业上的应用进行探索与展望。
1 获取高程矢量数据
1.1 DEM获取的途径
目前，数字高程模型DEM的获取主要有以下3种方式[5]：一是通过航空摄影测量获取地面影像，并借助于干涉雷达和激光扫描仪等新型传感器快速获取高精度、高分辨率的DEM数据源；二是利用扫描地形图获取DEM数据源；三是通过全站仪、GPS等仪器配合计算机在野外进行观测获取地面点数据，然后进行转换处理获得DEM数据源。第1种方式需要拥有先进的设备，一般的单位和个人不具备这个条件；第3种方式工作量大，费用高，不适合用于大规模的数据采集任务；第2种方式获取比较容易，又能满足精度要求，适合用于一般的单位和个人。本文DEM数据的获取采用第2种方式。
1.2 DEM数据源的提取
DEM数据源就是高程矢量数据，对于如何从一幅扫描地形图中获取等高线矢量数据的方法较多，有基于AutoC-AD、MAPGis、CASSCAn、Geoway、R2V、vpstudio、Arcgis（Arcs-can模块）等软件的矢量化方法，这些矢量化软件各有优缺点。R2V（Raster2Vector）是Windows环境下一款高级光栅图矢量化软件系统，具有快速矢量化、高程批量赋值和坐标校正功能，以及良好的适应性与高精确度，非常适合于GIS、地形图、CAD及科学计算等应用[6]。
1.3 等高线矢量化
1.3.1 裁剪栅格地形图。栅格地形图的裁剪需要使用Arcgis地理信息系统，ArcGis 是美国环境系统研究所（ESRI）研制的一套桌面地理信息系统软件，ArcGis Desktop主要包含Arcmap、ArcCatalog、ArcToolbox三大桌面应用，还有许多功能扩展模块。本文Arcgis的操作均以10.2中文版为例。
打开Arcmap10.2，在ArcToolbox中点击数据管理工具→栅格→栅格处理→裁剪，用预定的一定范围的面状矢量数据裁剪出需要的栅格地形图（一般采用5 m或10 m等高距的地形图效果较好），并导出为tif格式图像备用（本文以湖南省凤凰县南华山国家森林公园为例）。endprint
1.3.2 栅格地形图的处理。将导出的tif格式地形图用photoshop软件进行处理，去掉周边的黑色斑块，同时可以將等高线以外不必要的点状、面状、线状地物以及文字、数字等标注清除，以提高在R2V中等高线矢量化的速度和质量。1.3.3 R2V矢量化。启动R2V，加载经过处理的栅格地形图，用光标拉动编辑窗口边框和滚动条可移动到图像的不同位置，按住键盘数字区的“+”、“-”键可放大、缩小图像。如果扫描图像质量好，且内容单一（以线条为主），可以选择 “自动矢量化”；如果图像比较复杂，有各种图像元素混和在一起，只能使用R2V的交互跟踪功能（即系统自动跟踪配合手工处理）。若有多个编辑图层，则需在“编辑”菜单中先定义编辑图层。线条开始跟踪时，点击菜单“编辑”→“编辑线段”→“编辑线开/关”，激活线编辑器，用鼠标在需要跟踪矢量化的等高线上的任意位置点击，即可进入编辑跟踪状态。当一条线跟踪矢量化完成后，按
等高线赋值完成后，为了将生成的矢量数据转换到特定的投影坐标系统中（与裁剪栅格地形图的坐标系保持一致），点击菜单“文件”→“载入控制点/TFW”，选择裁剪栅格地形图中后缀为tfw的文件作为控制点文件。最后将矢量数据导出为shp格式文件备用[6]。如果有高程点需要矢量化，可以建立点图层进行编辑，操作步骤与线图层编辑大致相同。
2 建立不规则三角网TIN及数字高程模型DEM
2.1 创建不规则三角网TIN
启动Arcmap，加载从R2V中导出的高程矢量数据并进行拓扑检查，主要是消除数据中存在的悬挂点等问题[8]。拓扑检查处理后，重新加载高程矢量数据以及裁剪栅格地形图，在统一的投影坐标系中两者叠加后位置基本对应、吻合，能够满足精度要求。如果发现矢量化线条与栅格地形图等高线的偏移过大不符合精度要求，可在Arcmap中用空间校正功能选择地形图与矢量图同一位置的点作为控制点进行校正。
在ArcToolbox中点击3DAnalyst工具→数据管理→Tin→创建Tin（如3DAnalyst未能正常启动，可先点击Arc-map菜单“自定义”→“扩展模块”→勾选3DAnalyst前面的方框），在弹出的对话框中“输入要素类”选择等高线矢量数据，“高度字段”“Tag Field”均选择高程字段，“SF Type”选择“Hard_Line”（选择“硬”隔断线能更好地模拟地表形态），选择原用投影坐标系，确定Tin保存位置，点击“确定”按钮即可生成不规则三角网TIN[9]，如图2所示。在“编辑Tin”中还可根据需要用面状矢量数据（shp格式）对生成的Tin进行裁剪。
2.2 创建数字高程模型DEM
在ArcToolbox中点击3DAnalyst工具→转换→由Tin转出→Tin转栅格，在弹出的对话框中“输入Tin”选择已生成的Tin，“输出数据类型”选择“FLOAT”，“方法”“采样距离”“Z因子”可以选择默认设置（如果想进一步提高DEM的精度，可在“方法”选项中选择“NATURAL_NEIGHBOBS”，“采样距离”选择“CELSIZE…”，像元值大小与裁剪栅格地形图的像元值大小保持一致，“Z因子”用默认设置），确定DEM保存位置，点击“确定”按钮即可生成数字高程模型DEM[9]，如图3所示。在ArcToolbox中点击spatial Analyst工具→表面分析→山体阴影，在弹出的对话框中“输入栅格”选择已生成的DEM，在“输出栅格”中选择山体投影后DEM的保存位置，“方位角”“高度角”“Z因子”选择默认设置，点击“确定”按钮还可以生成山体投影DEM[7]。
对生成DEM精度的检验，在缺乏有效理论支持的情况下，采用回放DEM等高线与原栅格地形图等高线叠置法是目前国际上较为广泛采用的一种评价方法[10]。
3 数字高程模型DEM的应用
以数字高程模型DEM为基础，可以制作不同类型的专题图。用DEM制作的三维景观图可以很好地展示地形地貌以及标志性景点的位置、形状等，制作的电子林相沙盘具有直观、逼真、通视的效果，用DEM提取调查小班立地因子的数值快捷、高效、准确率高，下面用实例进行说明。
3.1 三维景观图的制作
启动Arcscene10.2，加载已生成的南华山DEM以及道路、河流、景点、TIN裁剪范围等在Arcmap中编辑好的矢量数据（其中裁剪范围数据必须是线状数据），右键南华山DEM→属性，在弹出的对话框中“基本高度”选项“从表面获取的高程”栏下点选“在自定义表面上浮动”并选择南华山TIN，在“从要素获取的高程”栏下选择“没有基于要素的高度”，“用于将图层高程值转换为场景单位的系数”后选择“自定义”，变换系数值可根据需要的效果输入具体数值，然后点击“确定”按钮。按照以上操作步骤，对道路、河流、景点、裁剪范围线等矢量数据进行同样的设置，尤其是变换系数值必须保持一致。同时，对裁剪范围的线状矢量数据进行如下设置：右键线状矢量数据→属性，在弹出的对话框中选择“拉伸”选项，勾选“拉伸图层中的要素”，“拉伸值或表达式”可根据需求效果输入具体数值或选择线图层中的字段值，“拉伸方式”选择“将其用作要素的拉伸数值”，这样可形成剖断面，同时对景点进行符号编辑启用3D标记符号并选择下载好的3D模型，最后生成的三维景观图[11]如图4所示。如果叠加裁剪的相应范围卫星影像图还可以生成更接近现实表面的三维景观图。通过Arcscene的场景导航和飞行功能还可以获取不同视角和高度的景观效果。
3.2 电子林相沙盘的制作
在Arcmap中对林相图的点、线、面矢量数据按彩色林相图的要求进行着色和标注，然后导出为jpg或tif圖像（范围与生成的Tin保持一致）。对导出的图像进行坐标配准，使之与Tin坐标系保持一致。启动Arcscene，加载Tin和配准好的林相图，右键林相图→属性，在弹出的对话框中“基本高度”选项“从表面获取的高程”栏下点选“在自定义表面上浮动”并选择“Tin”，在“从要素获取的高程”栏下选择“没有基于要素的高度”，“用于将图层高程值转换为场景单位的系数”后选择“自定义”，变换系数值可根据需要的效果输入具体数值。在“渲染”选项中“效果”栏下勾选“相对于场景的光照位置为面要素创建阴影”和“如果可能使用平滑阴影”，同时将林相图的优先显示级别设置为1，点击“确定”按钮。对Tin进行同样的设置，优先显示级别设置为2，点击“确定”按钮即可制作出具有林相分布的地理模型的三维图像，称之为电子林相沙盘[12]，如图5所示。
3.3 提取调查小班平均海拔、坡度、坡向值
数字高程模型DEM 可以自动提取地形因子，包括高程、高程差、平均高程、等高线、坡度、坡向、坡度变化率、地面形态、地形剖面、地表粗糙度、脊谷线、沟谷密度、沟谷深度、太阳辐射强度及可视区等信息[13]。在森林资源调查中可用DEM来提取调查小班的平均海拔、坡度、坡向值。提取小班平均海拔的步骤：①打开ArcMap，加载DEM 数据和小班面shp数据；②点击ArcToolbox→Spatial Analyst工具→区域分析→以表格显示分区统计，在对话框中“输入栅格数据或要素区域数据”栏选择小班面shp 数据，在“区域字段”栏中选择小班属性表中的小班关键字（如小班号），在“输入赋值栅格”栏中选择相应的DEM数据，在“输出表”栏指定统计表输出名称及路径，在“统计类型”栏中选择MEAN（平均值）。设置完成后，点击“确定”按钮，生成小班平均海拔表；③分区统计后生成的小班平均海拔表是一个独立的表，还需要建立基于公共字段的属性连接，将小班平均海拔赋值给小班面的属性表。操作步骤：点击 ArcToolbox→数据管理工具→连接→连接字段，在“输入表”栏中选择小班面，在“输入连接字段”栏中选择小班面中确定的公共字段，在“连接表”栏中选择小班平均海拔表，在“输出连接字段”栏中选择小班平均海拔表中的公共字段，在“连接字段”栏中选择“平均海拔”字段，点击“确定”按钮，即可将小班海拔表中的平均海拔自动写入小班面属性表中。
提取平均坡度、坡向，先要通过ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→坡度（“输出测量单位”选择DEGREE）和ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→坡向，分别生成坡度、坡向栅格图，在“区域分析”中按平均值生成小班平均坡度表和坡向表，然后再通过挂接和赋值将提取的数值直接导入小班面的属性表中，方法与平均海拔的提取大致相同。最后在小班面的属性表中还需要将坡向值按坡向栅格图数值范围对应的方向替换成文字。
通过数字高程模型DEM提取调查小班的平均海拔、坡度、坡向值，准确率达到85%以上，符合森林资源二类调查精度要求，可以适当减少内业工作量，提高工作效率[2]。用上述方法对南华山国家森林公园4个小班的平均海拔、坡度、坡向值提取结果如图6、表1所示。
4 结语
数字高程模型DEM数据的获取有多种途径，栅格地形图等高线矢量化方法也多种多样，在实际应用中应根据本单位和个人的现有条件及经济状况来决定采用哪种方式方法。数字高程模型DEM的应用主要表现在4个方面[10]：地形分析方面；体积、面积计算方面；选址与规划方面；管理应用方面。该模型DEM在林业上具有广泛的用途，除上面提到的应用实例外，在林区建设填挖土石方计算以及水土保持、水源涵养、更新造林规划设计等方面也有较高的应用价值，通过可视域分析建立森林防火可视域效果图[14]，能够为森林防火扑救和指挥、决策提供科学依据。随着虚拟现实技术VR的不断发展，应用三维可视化技术实现动态仿真变成可能[15]，将DEM描述的场景坐标系转换成为视点坐标系，建立立体地形图，结合数字林相图的着色和配准以及树种处理，还可以合成虚拟林相图，相当逼真地表达出地形地貌和森林、活立木的景观特点[16]。数字高程模型DEM对真实场景的表现毕竟有其局限性，通过叠加数字正射影像DOM（经过处理纠正的航片或卫星影像图）、矢量图层和导入Arcgis软件自带或SketchUp、3dsmax等软件创建的三维模型，可进一步增强地形可视化的空间立体感[17]。基于DEM的三维空间分析，由于受到分析窗口“近视”的制约，无法完整展示特定比例下的地形全景，在一定程度上限制了其应用的广度与深度，亟待从技术上解决、突破[10]。
5 参考文献
[1] 康红霞.基于Arcgis的三维景观建模建设研究[D].西安：西安科技大学，2006.
[2] 李希飞.基于 DEM 的森林资源二类调查中小班立地因子提取方法的探讨[J].内蒙古林业调查设计，2016，39（2）：13-15.
[3] KANG-TSUNG C.地理信息系统导论[M].3版.陈健飞，译.北京：清华大学出版社，2009.
[4] 苗险峰.浅谈DEM的制作及应用[J].中国地名，2013（3）：73-74.
[5] 刘志平.基于Arcgis的三维地貌影像图生成方法与应用研究：以大冶市为例[D].武汉：湖北大学，2010.
[6] 百度文库.12 图形矢量化及R2V使用方法简介[EB/OL].[2017-03-20].http：//www.docin.com/p-1582677049.html.
[7] 许冲，莫艳合，刘灿.使用R2V、AutoCAD与ArcGIS建立DEM的方法研究与实践[J].工程地质计算机应用，2008（2）：1-8.
[8] 郝红科，田江博，陈永贵.用地形图生成DEM的新方法研究[J].陕西林业科技，2005（1）：35-37.
[9] 刘志平，张素华，杜启胜，等.基于ArcGIS的DEM生成方法及应用[J].地理空间信息，2009，7（5）：69-71.
[10] 高英杰，潘建君，刘世峰.1：10000大比例尺DEM的制作及其地学应用研究[J].安徽农业科学，2009，37（2）：894-898.
[11] 汤国安，杨昕.ARCGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006.
[12] 唐允森，王萍，李玉堂.利用 ArcScene 制作电子林相沙盘的初步实践[C]//首届吉林省林业学术大会论文集.长春：首届吉林省林业学术大会，2006：90-92.
[13] 付晓，周维.数字高程模型及其在森林资源调查中的应用[J].广西林业科学，2002，31（1）：12-15.
[14] 王佳璆，张贵，肖化顺.ArcGIS可视域分析在瞭望台管理中的应用[J].湖南林业科技，2005，32（2）：24-26.
[15] 杨光华，陈涛.基于ERDAS的三维地形可视化及其应用[J].西华师范大学学报（自然科学版），2008，29（3）：307-312.
[16] 罗传文.帽儿山虚拟林相的构建[J].东北林业大学学报，2002，30（5）：40-43.
[17] 刘阳，张培松，韦仕川，等.基于ArcGIS三维地形可视化及其应用研究：以阳江农场为例[J].广西农业科学，2009，40（6）：772-776.endprint
