基于ArcGIS的金佛山旅游景區(qū)三維可視化

代 振，況明生，謝北川，王民中，劉小燕

（1.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

20世紀(jì)中葉誕生的數(shù)字高程模型（DEM）是地表屬性特征為高程時(shí)的數(shù)字地面模型（DTM）[1]。當(dāng)前，DEM數(shù)據(jù)獲得方法主要有地面測(cè)量、地形圖數(shù)字化以及攝影測(cè)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]。

本文以南川區(qū)金佛山地區(qū)地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，通過(guò)校正，使其成為具有正確地理坐標(biāo)系統(tǒng)和投影信息的數(shù)字化地圖。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)ArcGIS9.3軟件強(qiáng)大的空間分析功能，運(yùn)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(jì)算方法，實(shí)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(dǎo)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(fēng)吹嶺海拔高達(dá)2 251 m，保護(hù)區(qū)面積多達(dá)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(fēng)景秀麗、氣候宜人，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)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(duì)濕度90%[3]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)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(biāo)系、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)為基礎(chǔ)；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(yù)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(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，對(duì)柵格圖像進(jìn)行糾正，以消除紙張變形等帶來(lái)的誤差[4]。在數(shù)字化地圖前，對(duì)地圖進(jìn)行必要的坐標(biāo)和投影信息校正，運(yùn)用ArcGIS中的Georeferencing工具對(duì)柵格圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)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(diǎn)和等高線Shapefile文件一并加載到ArcMap中，運(yùn)用ArcScan工具分別對(duì)高程點(diǎn)和等高線進(jìn)行矢量化，并分別進(jìn)行高程賦值和特征值與特征點(diǎn)采集，從而得到高程點(diǎn)和等高線等矢量數(shù)據(jù)，為構(gòu)建TIN及DEM提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理，包括定義地理坐標(biāo)系統(tǒng)、配準(zhǔn)和矢量化，從而得到其相關(guān)矢量數(shù)據(jù)為三維立體圖的制作提供必要的基礎(chǔ)要素?cái)?shù)據(jù)。

3 金佛山景區(qū)地形三維可視化

3.1 DEM構(gòu)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(gè)或幾個(gè)矢量數(shù)據(jù)來(lái)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(diǎn)擊Create TIN From Features，加載金佛山景區(qū)高程點(diǎn)和等高線2個(gè)矢量圖層，分別設(shè)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(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y）及高程（Z）的數(shù)據(jù)集。DEM的格網(wǎng)間隔應(yīng)與其高程精度相適配，并形成有規(guī)則的格網(wǎng)系列[5]。運(yùn)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(guó)內(nèi)常見的就是將暈渲圖當(dāng)?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(guò)DEM將生成的暈渲圖和矢量方面的要素進(jìn)行疊加，可對(duì)地貌形態(tài)進(jìn)行真實(shí)模擬，也可把地面的各個(gè)要素和地形關(guān)系直觀表達(dá)出來(lái)，在空間上和實(shí)際的地形有著非常精確的幾何關(guān)系，能在陰影、灰度、色彩以及透視關(guān)系和表面紋理等多個(gè)方面和實(shí)際的地形保持一致[6]。

計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成數(shù)字地貌暈渲地圖的制作需要對(duì)生成的DEM進(jìn)行相關(guān)的空間分析與計(jì)算，包括山體陰影表面分析、鄰域分析以及柵格計(jì)算。山體陰影（hillshade）是根據(jù)假想的照明光源對(duì)高程?hào)鸥駟卧?jì)算照明值，計(jì)算過(guò)程中包括3個(gè)重要參數(shù)：太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)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(qiáng)地形起伏的顯示效果。鄰域分析與柵格計(jì)算能較好地計(jì)算區(qū)域地形起伏度，描述一個(gè)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(diǎn)擊Surface Analysis→ hillshade，打開陰影創(chuàng)建對(duì)話框，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)；再柵格計(jì)算，選擇Spatial Analyst→Raster Calculator，在計(jì)算器中輸入公式[dem]/5 + [hillshade]并對(duì)生成的Calculattion設(shè)置屬性；然后，對(duì)hillshade進(jìn)行鄰域分析，運(yùn)用Spatial Analyst工具→選擇neighborhood statistics，在neighborhood參數(shù)欄中選擇circle方式，并對(duì)生成的neighbrhood進(jìn)行屬性設(shè)置；最后，在ArcMap顯示中對(duì)圖層進(jìn)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(jìn)行透明度設(shè)置，將其設(shè)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(yù)處理中獲得的金佛山景區(qū)矢量數(shù)據(jù)（風(fēng)景區(qū)入口、景點(diǎn)、道路、游覽步行道、景區(qū)“九谷六鎮(zhèn)”等shapefile文件），分別按點(diǎn)、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(duì)所有矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)化，并制作添加圖例、比例尺、南川區(qū)風(fēng)玫瑰圖等制圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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(zhǔn)與疊加驗(yàn)證

導(dǎo)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(jìn)行配準(zhǔn)，將配準(zhǔn)的圖像導(dǎo)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(shè)置透明度，這樣三維立體圖就會(huì)更加生動(dòng)，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(chǎng)景模擬

4.1 要素立體顯示的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

打開ArcScene，點(diǎn)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(diǎn)擊基準(zhǔn)高程設(shè)置選項(xiàng)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(shí)為數(shù)據(jù)指定Z值并設(shè)置參數(shù)，并在Display標(biāo)簽中設(shè)置50%透明度。加載hillshade數(shù)據(jù)，同理也需設(shè)置屬性，設(shè)置與DEM一樣的基準(zhǔn)高程與透明度。

4.2 飛行動(dòng)畫的制作

常見的產(chǎn)生動(dòng)畫效果的方法有：捕獲視圖創(chuàng)建動(dòng)畫、錄制視圖創(chuàng)建動(dòng)畫、創(chuàng)建動(dòng)畫幀生成動(dòng)畫和沿指定路徑生成飛行動(dòng)畫，本文主要采用沿指定路徑生成飛行動(dòng)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(duì)其符號(hào)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(diǎn)擊View→Toolbars，打開Animation動(dòng)畫工具條。點(diǎn)擊Animation，在下拉菜單中選擇Create Flyby from Path，并設(shè)置飛行高度，點(diǎn)擊Import，自動(dòng)生成飛行路徑。分別加載金佛山旅游景區(qū)景點(diǎn)、游覽步行道、河流等矢量數(shù)據(jù)，對(duì)其符號(hào)化并設(shè)置與DEM一樣的基準(zhǔn)高程。打開動(dòng)畫控件，播放飛行動(dòng)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(gè)旅游景區(qū)飛行動(dòng)畫畫面。

圖6 金佛山景區(qū)飛行畫面

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