DEM的建立及其在林業上的應用
2017-09-06 06:19吳顯橋
現代農業科技 2017年14期
吳顯橋
摘要 利用高程矢量數據，在Arcgis地理信息系統中建立不規則三角網TIN及數字高程模型DEM，運用DEM進行三維地理信息表達，制作不同類型的專題圖，獲取相關的信息和數據，滿足林業調查規劃設計、生態旅游景點開發等生產、經營活動中反映地形地貌以及地面物體的形狀和逼真性的需要。文中較為完整地闡述了數字高程模型DEM從數據源準備到建立再到應用的全過程，并著重展示了在林業方面的應用。
關鍵詞 DEM；矢量化；數字高程模型；不規則三角網；三維地形可視化
中圖分類號 S718.5 文獻標識碼 A 文章編號 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
三維地理信息的產生和發展，是GIS技術及其應用發展到一定水平的必然要求，它不僅局限于利用計算機技術手段對地理信息進行可視化表達及其空間查詢，而且滿足了自動、全面顯示地理信息的要求[1]。在三維地理信息的表達中，DEM是一種獲取相對容易、具有較高精度的有效方式。DEM（digital elevation model）是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，形成柵格結構的數據集，是地形曲面的數字化表達[2]，是數字地面模型DTM（digital terrain model）的一種。DEM包含規則格網Grid和不規則三角網TIN等表面模型，TIN指用一系列無重疊的三角形近似模擬陸地表面，從而構成不規則的三角網[3]，使用TIN能更好地體現地形起伏變化特征。DEM直觀反映了現實的地貌情況，是現實世界山川、河流、地面起伏在計算機中的數字化表達。由于DEM描述的是地面高程信息，它在測繪、水文、氣象、地質、地貌、土壤、工程建設、通訊、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用[4]。
本文通過對掃描地形圖等高線矢量化，進而生成不規則三角網TIN及數字高程模型DEM，用實例說明了利用DEM制作三維景觀圖、電子林相沙盤和提取調查小班平均海拔、坡度、坡向值，旨在探討、優化DEM的獲取途徑和創建方法，并對DEM在林業上的應用進行探索與展望。
1 獲取高程矢量數據
1.1 DEM獲取的途徑
目前，數字高程模型DEM的獲取主要有以下3種方式[5]：一是通過航空攝影測量獲取地面影像，并借助于干涉雷達和激光掃描儀等新型傳感器快速獲取高精度、高分辨率的DEM數據源；二是利用掃描地形圖獲取DEM數據源；三是通過全站儀、GPS等儀器配合計算機在野外進行觀測獲取地面點數據，然后進行轉換處理獲得DEM數據源。第1種方式需要擁有先進的設備，一般的單位和個人不具備這個條件；第3種方式工作量大，費用高，不適合用于大規模的數據采集任務；第2種方式獲取比較容易，又能滿足精度要求，適合用于一般的單位和個人。本文DEM數據的獲取采用第2種方式。
1.2 DEM數據源的提取
DEM數據源就是高程矢量數據，對于如何從一幅掃描地形圖中獲取等高線矢量數據的方法較多，有基于AutoC-AD、MAPGis、CASSCAn、Geoway、R2V、vpstudio、Arcgis（Arcs-can模塊）等軟件的矢量化方法，這些矢量化軟件各有優缺點。R2V（Raster2Vector）是Windows環境下一款高級光柵圖矢量化軟件系統，具有快速矢量化、高程批量賦值和坐標校正功能，以及良好的適應性與高精確度，非常適合于GIS、地形圖、CAD及科學計算等應用[6]。
1.3 等高線矢量化
1.3.1 裁剪柵格地形圖。柵格地形圖的裁剪需要使用Arcgis地理信息系統，ArcGis 是美國環境系統研究所（ESRI）研制的一套桌面地理信息系統軟件，ArcGis Desktop主要包含Arcmap、ArcCatalog、ArcToolbox三大桌面應用，還有許多功能擴展模塊。本文Arcgis的操作均以10.2中文版為例。
打開Arcmap10.2，在ArcToolbox中點擊數據管理工具→柵格→柵格處理→裁剪，用預定的一定范圍的面狀矢量數據裁剪出需要的柵格地形圖（一般采用5 m或10 m等高距的地形圖效果較好），并導出為tif格式圖像備用（本文以湖南省鳳凰縣南華山國家森林公園為例）。endprint
1.3.2 柵格地形圖的處理。將導出的tif格式地形圖用photoshop軟件進行處理，去掉周邊的黑色斑塊，同時可以將等高線以外不必要的點狀、面狀、線狀地物以及文字、數字等標注清除，以提高在R2V中等高線矢量化的速度和質量。1.3.3 R2V矢量化。啟動R2V，加載經過處理的柵格地形圖，用光標拉動編輯窗口邊框和滾動條可移動到圖像的不同位置，按住鍵盤數字區的“+”、“-”鍵可放大、縮小圖像。如果掃描圖像質量好，且內容單一（以線條為主），可以選擇 “自動矢量化”；如果圖像比較復雜，有各種圖像元素混和在一起，只能使用R2V的交互跟蹤功能（即系統自動跟蹤配合手工處理）。若有多個編輯圖層，則需在“編輯”菜單中先定義編輯圖層。線條開始跟蹤時，點擊菜單“編輯”→“編輯線段”→“編輯線開/關”，激活線編輯器，用鼠標在需要跟蹤矢量化的等高線上的任意位置點擊，即可進入編輯跟蹤狀態。當一條線跟蹤矢量化完成后，按
等高線賦值完成后，為了將生成的矢量數據轉換到特定的投影坐標系統中（與裁剪柵格地形圖的坐標系保持一致），點擊菜單“文件”→“載入控制點/TFW”，選擇裁剪柵格地形圖中后綴為tfw的文件作為控制點文件。最后將矢量數據導出為shp格式文件備用[6]。如果有高程點需要矢量化，可以建立點圖層進行編輯，操作步驟與線圖層編輯大致相同。
2 建立不規則三角網TIN及數字高程模型DEM
2.1 創建不規則三角網TIN
啟動Arcmap，加載從R2V中導出的高程矢量數據并進行拓撲檢查，主要是消除數據中存在的懸掛點等問題[8]。拓撲檢查處理后，重新加載高程矢量數據以及裁剪柵格地形圖，在統一的投影坐標系中兩者疊加后位置基本對應、吻合，能夠滿足精度要求。如果發現矢量化線條與柵格地形圖等高線的偏移過大不符合精度要求，可在Arcmap中用空間校正功能選擇地形圖與矢量圖同一位置的點作為控制點進行校正。
在ArcToolbox中點擊3DAnalyst工具→數據管理→Tin→創建Tin（如3DAnalyst未能正常啟動，可先點擊Arc-map菜單“自定義”→“擴展模塊”→勾選3DAnalyst前面的方框），在彈出的對話框中“輸入要素類”選擇等高線矢量數據，“高度字段”“Tag Field”均選擇高程字段，“SF Type”選擇“Hard_Line”（選擇“硬”隔斷線能更好地模擬地表形態），選擇原用投影坐標系，確定Tin保存位置，點擊“確定”按鈕即可生成不規則三角網TIN[9]，如圖2所示。在“編輯Tin”中還可根據需要用面狀矢量數據（shp格式）對生成的Tin進行裁剪。
2.2 創建數字高程模型DEM
在ArcToolbox中點擊3DAnalyst工具→轉換→由Tin轉出→Tin轉柵格，在彈出的對話框中“輸入Tin”選擇已生成的Tin，“輸出數據類型”選擇“FLOAT”，“方法”“采樣距離”“Z因子”可以選擇默認設置（如果想進一步提高DEM的精度，可在“方法”選項中選擇“NATURAL_NEIGHBOBS”，“采樣距離”選擇“CELSIZE…”，像元值大小與裁剪柵格地形圖的像元值大小保持一致，“Z因子”用默認設置），確定DEM保存位置，點擊“確定”按鈕即可生成數字高程模型DEM[9]，如圖3所示。在ArcToolbox中點擊spatial Analyst工具→表面分析→山體陰影，在彈出的對話框中“輸入柵格”選擇已生成的DEM，在“輸出柵格”中選擇山體投影后DEM的保存位置，“方位角”“高度角”“Z因子”選擇默認設置，點擊“確定”按鈕還可以生成山體投影DEM[7]。
對生成DEM精度的檢驗，在缺乏有效理論支持的情況下，采用回放DEM等高線與原柵格地形圖等高線疊置法是目前國際上較為廣泛采用的一種評價方法[10]。
3 數字高程模型DEM的應用
以數字高程模型DEM為基礎，可以制作不同類型的專題圖。用DEM制作的三維景觀圖可以很好地展示地形地貌以及標志性景點的位置、形狀等，制作的電子林相沙盤具有直觀、逼真、通視的效果，用DEM提取調查小班立地因子的數值快捷、高效、準確率高，下面用實例進行說明。
3.1 三維景觀圖的制作
啟動Arcscene10.2，加載已生成的南華山DEM以及道路、河流、景點、TIN裁剪范圍等在Arcmap中編輯好的矢量數據（其中裁剪范圍數據必須是線狀數據），右鍵南華山DEM→屬性，在彈出的對話框中“基本高度”選項“從表面獲取的高程”欄下點選“在自定義表面上浮動”并選擇南華山TIN，在“從要素獲取的高程”欄下選擇“沒有基于要素的高度”，“用于將圖層高程值轉換為場景單位的系數”后選擇“自定義”，變換系數值可根據需要的效果輸入具體數值，然后點擊“確定”按鈕。按照以上操作步驟，對道路、河流、景點、裁剪范圍線等矢量數據進行同樣的設置，尤其是變換系數值必須保持一致。同時，對裁剪范圍的線狀矢量數據進行如下設置：右鍵線狀矢量數據→屬性，在彈出的對話框中選擇“拉伸”選項，勾選“拉伸圖層中的要素”，“拉伸值或表達式”可根據需求效果輸入具體數值或選擇線圖層中的字段值，“拉伸方式”選擇“將其用作要素的拉伸數值”，這樣可形成剖斷面，同時對景點進行符號編輯啟用3D標記符號并選擇下載好的3D模型，最后生成的三維景觀圖[11]如圖4所示。如果疊加裁剪的相應范圍衛星影像圖還可以生成更接近現實表面的三維景觀圖。通過Arcscene的場景導航和飛行功能還可以獲取不同視角和高度的景觀效果。
3.2 電子林相沙盤的制作
在Arcmap中對林相圖的點、線、面矢量數據按彩色林相圖的要求進行著色和標注，然后導出為jpg或tif圖像（范圍與生成的Tin保持一致）。對導出的圖像進行坐標配準，使之與Tin坐標系保持一致。啟動Arcscene，加載Tin和配準好的林相圖，右鍵林相圖→屬性，在彈出的對話框中“基本高度”選項“從表面獲取的高程”欄下點選“在自定義表面上浮動”并選擇“Tin”，在“從要素獲取的高程”欄下選擇“沒有基于要素的高度”，“用于將圖層高程值轉換為場景單位的系數”后選擇“自定義”，變換系數值可根據需要的效果輸入具體數值。在“渲染”選項中“效果”欄下勾選“相對于場景的光照位置為面要素創建陰影”和“如果可能使用平滑陰影”，同時將林相圖的優先顯示級別設置為1，點擊“確定”按鈕。對Tin進行同樣的設置，優先顯示級別設置為2，點擊“確定”按鈕即可制作出具有林相分布的地理模型的三維圖像，稱之為電子林相沙盤[12]，如圖5所示。
3.3 提取調查小班平均海拔、坡度、坡向值
數字高程模型DEM 可以自動提取地形因子，包括高程、高程差、平均高程、等高線、坡度、坡向、坡度變化率、地面形態、地形剖面、地表粗糙度、脊谷線、溝谷密度、溝谷深度、太陽輻射強度及可視區等信息[13]。在森林資源調查中可用DEM來提取調查小班的平均海拔、坡度、坡向值。提取小班平均海拔的步驟：①打開ArcMap，加載DEM 數據和小班面shp數據；②點擊ArcToolbox→Spatial Analyst工具→區域分析→以表格顯示分區統計，在對話框中“輸入柵格數據或要素區域數據”欄選擇小班面shp 數據，在“區域字段”欄中選擇小班屬性表中的小班關鍵字（如小班號），在“輸入賦值柵格”欄中選擇相應的DEM數據，在“輸出表”欄指定統計表輸出名稱及路徑，在“統計類型”欄中選擇MEAN（平均值）。設置完成后，點擊“確定”按鈕，生成小班平均海拔表；③分區統計后生成的小班平均海拔表是一個獨立的表，還需要建立基于公共字段的屬性連接，將小班平均海拔賦值給小班面的屬性表。操作步驟：點擊 ArcToolbox→數據管理工具→連接→連接字段，在“輸入表”欄中選擇小班面，在“輸入連接字段”欄中選擇小班面中確定的公共字段，在“連接表”欄中選擇小班平均海拔表，在“輸出連接字段”欄中選擇小班平均海拔表中的公共字段，在“連接字段”欄中選擇“平均海拔”字段，點擊“確定”按鈕，即可將小班海拔表中的平均海拔自動寫入小班面屬性表中。
提取平均坡度、坡向，先要通過ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→坡度（“輸出測量單位”選擇DEGREE）和ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→坡向，分別生成坡度、坡向柵格圖，在“區域分析”中按平均值生成小班平均坡度表和坡向表，然后再通過掛接和賦值將提取的數值直接導入小班面的屬性表中，方法與平均海拔的提取大致相同。最后在小班面的屬性表中還需要將坡向值按坡向柵格圖數值范圍對應的方向替換成文字。
通過數字高程模型DEM提取調查小班的平均海拔、坡度、坡向值，準確率達到85%以上，符合森林資源二類調查精度要求，可以適當減少內業工作量，提高工作效率[2]。用上述方法對南華山國家森林公園4個小班的平均海拔、坡度、坡向值提取結果如圖6、表1所示。
4 結語
數字高程模型DEM數據的獲取有多種途徑，柵格地形圖等高線矢量化方法也多種多樣，在實際應用中應根據本單位和個人的現有條件及經濟狀況來決定采用哪種方式方法。數字高程模型DEM的應用主要表現在4個方面[10]：地形分析方面；體積、面積計算方面；選址與規劃方面；管理應用方面。該模型DEM在林業上具有廣泛的用途，除上面提到的應用實例外，在林區建設填挖土石方計算以及水土保持、水源涵養、更新造林規劃設計等方面也有較高的應用價值，通過可視域分析建立森林防火可視域效果圖[14]，能夠為森林防火撲救和指揮、決策提供科學依據。隨著虛擬現實技術VR的不斷發展，應用三維可視化技術實現動態仿真變成可能[15]，將DEM描述的場景坐標系轉換成為視點坐標系，建立立體地形圖，結合數字林相圖的著色和配準以及樹種處理，還可以合成虛擬林相圖，相當逼真地表達出地形地貌和森林、活立木的景觀特點[16]。數字高程模型DEM對真實場景的表現畢竟有其局限性，通過疊加數字正射影像DOM（經過處理糾正的航片或衛星影像圖）、矢量圖層和導入Arcgis軟件自帶或SketchUp、3dsmax等軟件創建的三維模型，可進一步增強地形可視化的空間立體感[17]?；贒EM的三維空間分析，由于受到分析窗口“近視”的制約，無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應用的廣度與深度，亟待從技術上解決、突破[10]。
5 參考文獻
[1] 康紅霞.基于Arcgis的三維景觀建模建設研究[D].西安：西安科技大學，2006.
[2] 李希飛.基于 DEM 的森林資源二類調查中小班立地因子提取方法的探討[J].內蒙古林業調查設計，2016，39（2）：13-15.
[3] KANG-TSUNG C.地理信息系統導論[M].3版.陳健飛，譯.北京：清華大學出版社，2009.
[4] 苗險峰.淺談DEM的制作及應用[J].中國地名，2013（3）：73-74.
[5] 劉志平.基于Arcgis的三維地貌影像圖生成方法與應用研究：以大冶市為例[D].武漢：湖北大學，2010.
[6] 百度文庫.12 圖形矢量化及R2V使用方法簡介[EB/OL].[2017-03-20].http：//www.docin.com/p-1582677049.html.
[7] 許沖，莫艷合，劉燦.使用R2V、AutoCAD與ArcGIS建立DEM的方法研究與實踐[J].工程地質計算機應用，2008（2）：1-8.
[8] 郝紅科，田江博，陳永貴.用地形圖生成DEM的新方法研究[J].陜西林業科技，2005（1）：35-37.
[9] 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.
[10] 高英杰，潘建君，劉世峰.1：10000大比例尺DEM的制作及其地學應用研究[J].安徽農業科學，2009，37（2）：894-898.
[11] 湯國安，楊昕.ARCGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2006.
[12] 唐允森，王萍，李玉堂.利用 ArcScene 制作電子林相沙盤的初步實踐[C]//首屆吉林省林業學術大會論文集.長春：首屆吉林省林業學術大會，2006：90-92.
[13] 付曉，周維.數字高程模型及其在森林資源調查中的應用[J].廣西林業科學，2002，31（1）：12-15.
[14] 王佳璆，張貴，肖化順.ArcGIS可視域分析在瞭望臺管理中的應用[J].湖南林業科技，2005，32（2）：24-26.
[15] 楊光華，陳濤.基于ERDAS的三維地形可視化及其應用[J].西華師范大學學報（自然科學版），2008，29（3）：307-312.
[16] 羅傳文.帽兒山虛擬林相的構建[J].東北林業大學學報，2002，30（5）：40-43.
[17] 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：以陽江農場為例[J].廣西農業科學，2009，40（6）：772-776.endprint
