ArcGIS在沙漠地形分析中的應(yīng)用

姚彥亭 路 余 劉 超

中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心 酒泉 732750

正文：

1 引言

近年來(lái)，沙漠探險(xiǎn)、沙漠越野越來(lái)越成為人們戶外旅游的重要方式。沙漠地區(qū)地質(zhì)、測(cè)量工作需求較少，利用傳統(tǒng)航空攝影、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，獲取資料的成本較高。沙漠地區(qū)衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)缺乏，無(wú)道路網(wǎng)，缺乏方位參考標(biāo)志，路徑選擇主要依靠經(jīng)驗(yàn)選??；此外，沙漠地形復(fù)雜多變，沙質(zhì)疏松，缺乏給探險(xiǎn)路線設(shè)計(jì)、沙漠救援等帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

BIGEMAP是一款高精度衛(wèi)星影像、高程數(shù)據(jù)專業(yè)下載器，數(shù)據(jù)資源多、分辨率高。Global Mapper軟件具有數(shù)據(jù)處理快速化、數(shù)據(jù)瀏覽三維化的特點(diǎn)，可以利用沙漠地區(qū)DEM數(shù)據(jù)創(chuàng)建區(qū)域數(shù)字高程模型，為沙漠地區(qū)等高線繪制、地形分析等工作支持；ArcGIS軟件主要用于地形分析、空間分析、疊加分析、三維建模、地圖制圖等，是一款強(qiáng)大的GIS影像處理和三維數(shù)據(jù)加工軟件。

2 數(shù)據(jù)處理及制圖流程

2.1 影像和高程數(shù)據(jù)提取

BIGEMAP地圖下載器可以從Google Earth數(shù)據(jù)庫(kù)下載全球的無(wú)偏移地形和影像數(shù)據(jù)，最高可以下載最高21級(jí)的高程數(shù)據(jù)，分辨率約0.11m，可以達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)處理高精度的要求。本文首先利用BIGEMAP地圖下載器，下載巴丹吉林沙漠局部區(qū)域衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)，精度為17級(jí)，分辨率0.92m（高分辨率的地圖數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求更高，0.92m分辨率已滿足本文地形分析需求），影像格式均為T(mén)IFF格式。在衛(wèi)星影像圖上能夠看到選擇區(qū)域的沙漠地形，既有沙山、沙丘，又有湖泊、濕地，是沙漠探險(xiǎn)的主要選擇之一。

2.2 Global Mppper 成圖

打開(kāi)Global Mapper軟件，將下載的高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件。

圖2 沙漠地區(qū)高程數(shù)據(jù)

打開(kāi)下載的沙漠高程數(shù)據(jù)，在global mapper中選擇【分析】-＞【生成等高線】命令。根據(jù)任務(wù)需求設(shè)置等高距，設(shè)置等高線越小，對(duì)電腦的硬件配置要求越高，生成的時(shí)間也越長(zhǎng)。一般設(shè)置為10，即10米等高線，下圖為生成的沙漠目標(biāo)區(qū)域的等高線圖。

圖3 測(cè)區(qū)地形等高線圖

在Global Mapper中生成等高線后，通過(guò)加載沙漠地區(qū)衛(wèi)星影像文件，可以實(shí)現(xiàn)影像和等高線的疊加。調(diào)整圖層控制，使影像圖層置于等高線圖層之下，可以檢查等高線是否遺漏。從疊加圖可以看出，等高線與衛(wèi)星圖像匹配良好，沙漠紋理特征層次分明，沙山、沙脊輪廓清，符合真實(shí)地形。

圖4 測(cè)區(qū)影像和等高線疊加圖

2.3 ArcGIS三維地圖構(gòu)建

下載的衛(wèi)星影像和DEM數(shù)據(jù)默認(rèn)坐標(biāo)系是WGS84坐標(biāo)系，需要轉(zhuǎn)成大地坐標(biāo)系的，方便高程海拔高度顯示。通過(guò)分度帶來(lái)轉(zhuǎn)換投影，分度帶設(shè)置為3度帶和6度帶，均可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。本文全部轉(zhuǎn)換成UTM(WGS84)，文件格式分別為GEOTIFF和DEM格式。接下來(lái)打開(kāi)ArcScene，加載轉(zhuǎn)換后的衛(wèi)星影像，添加DEM高程數(shù)據(jù)，生成沙漠地區(qū)三維地圖。三維的圖像效果清晰度和下載的衛(wèi)星圖像級(jí)別有關(guān)系，高程級(jí)別越高，三維輪廓越精細(xì)，衛(wèi)星圖像級(jí)別越高，三維效果越清晰。利用3D效果圖可以直觀的解沙漠區(qū)域地形特征，對(duì)路徑選擇提供初步方案。

圖5 測(cè)區(qū)三維地形圖

3 數(shù)據(jù)分析

激活A(yù)rcMap中的擴(kuò)展選項(xiàng)中“3D Analyst”和“Spatial Analyst”模塊。利用ArcToolbox中 “3D Analyst”工具，設(shè)置相應(yīng)目標(biāo)參數(shù)，得到沙漠地表的陰影柵格，進(jìn)行DEM渲染之后得到沙漠陰影效果圖。

圖6 DEM 渲染之后的沙漠陰影圖

3.1 通視分析

在沙漠陰影效果圖的基礎(chǔ)上，利用3D路徑剖面/視線工具，創(chuàng)建通視線，其中綠色表示可見(jiàn)，紅色表示不可見(jiàn)。

圖7 通視線示意圖

3.2 坡度分析

坡度能夠間接表示地形的起伏形態(tài)和結(jié)構(gòu)等，是描述沙漠地形特征信息的重要指標(biāo)之一，也是地學(xué)分析模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在ArcGIS中加載沙漠高程數(shù)據(jù)，選擇“3DAnalyst”工具，執(zhí)行“坡度”命令，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，得到坡度柵格數(shù)據(jù)，本文的沙漠柵格單元的值在[0-32]度間變化。在圖層選擇“屬性”命令，重新調(diào)整坡度分級(jí)為5，在手動(dòng)分級(jí)法將中斷值調(diào)整為6、12、18、24、30，得到沙漠目標(biāo)區(qū)域坡度圖。

圖8 測(cè)區(qū)地形坡度圖

剖面分析，在“3DAnalyst”工具欄，點(diǎn)擊“線差值”工具，跟蹤任意一條線段，這條線段可以從高程數(shù)據(jù)中得到高程值，得到剖面圖。根據(jù)斷面圖綜合考慮路徑的科學(xué)性，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整，如下圖所示。

圖9 沙漠地區(qū)路線剖面圖

4 總結(jié)

BIGEMAP地圖下載器提供了多數(shù)據(jù)源的地圖數(shù)據(jù)下載方式，精度能滿足野外路徑勘查工作的基本需求。利用ArcGIS軟件可快速對(duì)測(cè)區(qū)地形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制沙漠地區(qū)直觀的影像疊加等值線圖、三維地形圖等。繪制出來(lái)的圖件與實(shí)際地形比較吻合，能夠反映沙漠地區(qū)的地形地貌狀況，可為沙漠越野的路線選擇提供參考。