ArcGIS在沙漠地形分析中的应用

姚彦亭 路 余 刘 超

中国酒泉卫星发射中心 酒泉 732750

正文：

1 引言

近年来，沙漠探险、沙漠越野越来越成为人们户外旅游的重要方式。沙漠地区地质、测量工作需求较少，利用传统航空摄影、无人机摄影测量，获取资料的成本较高。沙漠地区卫星影像、数字高程模型（DEM）数据缺乏，无道路网，缺乏方位参考标志，路径选择主要依靠经验选取；此外，沙漠地形复杂多变，沙质疏松，缺乏给探险路线设计、沙漠救援等带来很大的挑战。

BIGEMAP是一款高精度卫星影像、高程数据专业下载器，数据资源多、分辨率高。Global Mapper软件具有数据处理快速化、数据浏览三维化的特点，可以利用沙漠地区DEM数据创建区域数字高程模型，为沙漠地区等高线绘制、地形分析等工作支持；ArcGIS软件主要用于地形分析、空间分析、叠加分析、三维建模、地图制图等，是一款强大的GIS影像处理和三维数据加工软件。

2 数据处理及制图流程

2.1 影像和高程数据提取

BIGEMAP地图下载器可以从Google Earth数据库下载全球的无偏移地形和影像数据，最高可以下载最高21级的高程数据，分辨率约0.11m，可以达到对数据处理高精度的要求。本文首先利用BIGEMAP地图下载器，下载巴丹吉林沙漠局部区域卫星影像和高程数据，精度为17级，分辨率0.92m（高分辨率的地图数据量大，数据处理对计算机性能要求更高，0.92m分辨率已满足本文地形分析需求），影像格式均为TIFF格式。在卫星影像图上能够看到选择区域的沙漠地形，既有沙山、沙丘，又有湖泊、湿地，是沙漠探险的主要选择之一。

2.2 Global Mppper 成图

打开Global Mapper软件，将下载的高程数据导入软件。

图2 沙漠地区高程数据

打开下载的沙漠高程数据，在global mapper中选择【分析】-＞【生成等高线】命令。根据任务需求设置等高距，设置等高线越小，对电脑的硬件配置要求越高，生成的时间也越长。一般设置为10，即10米等高线，下图为生成的沙漠目标区域的等高线图。

图3 测区地形等高线图

在Global Mapper中生成等高线后，通过加载沙漠地区卫星影像文件，可以实现影像和等高线的叠加。调整图层控制，使影像图层置于等高线图层之下，可以检查等高线是否遗漏。从叠加图可以看出，等高线与卫星图像匹配良好，沙漠纹理特征层次分明，沙山、沙脊轮廓清，符合真实地形。

图4 测区影像和等高线叠加图

2.3 ArcGIS三维地图构建

下载的卫星影像和DEM数据默认坐标系是WGS84坐标系，需要转成大地坐标系的，方便高程海拔高度显示。通过分度带来转换投影，分度带设置为3度带和6度带，均可以实现转换到坐标系的转换。本文全部转换成UTM(WGS84)，文件格式分别为GEOTIFF和DEM格式。接下来打开ArcScene，加载转换后的卫星影像，添加DEM高程数据，生成沙漠地区三维地图。三维的图像效果清晰度和下载的卫星图像级别有关系，高程级别越高，三维轮廓越精细，卫星图像级别越高，三维效果越清晰。利用3D效果图可以直观的解沙漠区域地形特征，对路径选择提供初步方案。

图5 测区三维地形图

3 数据分析

激活ArcMap中的扩展选项中“3D Analyst”和“Spatial Analyst”模块。利用ArcToolbox中 “3D Analyst”工具，设置相应目标参数，得到沙漠地表的阴影栅格，进行DEM渲染之后得到沙漠阴影效果图。

图6 DEM 渲染之后的沙漠阴影图

3.1 通视分析

在沙漠阴影效果图的基础上，利用3D路径剖面/视线工具，创建通视线，其中绿色表示可见，红色表示不可见。

图7 通视线示意图

3.2 坡度分析

坡度能够间接表示地形的起伏形态和结构等，是描述沙漠地形特征信息的重要指标之一，也是地学分析模型的基础数据。在ArcGIS中加载沙漠高程数据，选择“3DAnalyst”工具，执行“坡度”命令，设置相应的参数，得到坡度栅格数据，本文的沙漠栅格单元的值在[0-32]度间变化。在图层选择“属性”命令，重新调整坡度分级为5，在手动分级法将中断值调整为6、12、18、24、30，得到沙漠目标区域坡度图。

图8 测区地形坡度图

剖面分析，在“3DAnalyst”工具栏，点击“线差值”工具，跟踪任意一条线段，这条线段可以从高程数据中得到高程值，得到剖面图。根据断面图综合考虑路径的科学性，进行优化设计调整，如下图所示。

图9 沙漠地区路线剖面图

4 总结

BIGEMAP地图下载器提供了多数据源的地图数据下载方式，精度能满足野外路径勘查工作的基本需求。利用ArcGIS软件可快速对测区地形进行数据分析，绘制沙漠地区直观的影像叠加等值线图、三维地形图等。绘制出来的图件与实际地形比较吻合，能够反映沙漠地区的地形地貌状况，可为沙漠越野的路线选择提供参考。