基于ArcGIS的地形分析与地貌可视化系统设计

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｌｉｅｆ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ Ｌａｎｄｆｏｒ ｍ Ｖｉｓｕａｌｉｚｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｒ ｃＧＩＳ
ＺＨＥＮＧ Ｃｈｕｎｙａ ｎ （ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ， Ｊｉａｙｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｍｅｉｚｈｏｕ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１４０１５， Ｃｈｉｎａ； Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７９， Ｃｈｉｎａ）
通 过ＳＵＲＦＡＣＥＬＥＮＧＴＨ命 令 可 以 计 算 线 ＣＯＶＥＲ－ ＡＧＥ中每条弧沿ＴＩＮ表面或ＬＡＴＴＩＣＥ表面的长度。通过 ＶＡＬＵＭＥ命令来计算一个ＴＩＮ表面和一个指定数据定义 的水平面之间的面积与体积 ， 并 以ＩＮＦＯ表 的 形 式 记 录， 通过对比计算出某两个高程值之间的表面平面面 积和体积。通过ＴＩＮＡＲＣ命令计算每个三角形面的表面 积， 结果储存在多边形属性表的ＳＡＲＥＡ属性项中， 然 后通过叠置与统计分析得出所需表面的表面积。
２００６ 年 １０ 月 第 ４ 卷第 ５ 期
中图分类号： Ｐ２０８
地理空间信息
ＧＥＯＳＰＡＴＩＡＬ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 文献标志码： Ｂ
Ｏｃｔ．， ２００６ Ｖｏｌ．４， Ｎｏ．５
文章编号： １６７２－ ４６２３（ ２００６） ０５－ ００４４－ ０３
基于ArcGIS的地形分析与地貌可视化系统设计
属性管理是用来管理图形的属性数据， 主要具备 增加属性项、删除属性项和显示属性表的功能， 增加 属性项要定义每个属性项的输入、输出宽度， 属性类 型， 属性项名等。 ３．２ 表面模型创建
在Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ中 ， ＴＩＮ是Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ提 供 的 一 个 表 面 模 型包， 用来生成、存储、分析和显示面信息， 支持两 种 数 字 高 程 模 型ＴＩＮ和ＬＡＴＴＩＣＥ。ＬＡＴＴＩＣＥ模 型 基 于 空间规则分布的矩形阵列点来表达表面， ＴＩＮ模型基 于 空 间 不 规 则 分 布 的 点 、 线 、 多 边 形 来 表 达 面 ［ ２］ 。
除了以上四个主要功能模块， 还有系统管理和帮 助信息两个辅助模块。系统管理主要是进行工作区设
置和文件操作等。帮助信息主要是Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ的 官 方 帮 助和系统帮助， 其中系统帮助提供了该软件应用的技 术标准和操作流程说明， 以方便用户使用并能进行系 统定制和扩展。
３ 系统主要功能
３．１ 数据库创建与管理 数据采集与更新主要有属性数据录入与更新； 初
检测。两对相同编号的标识点之间的间隔小于５个像
Hale Waihona Puke Baidu
［ １］ 张祖勋， 张剑清．数字摄影测量学 ［ Ｍ］ ．武汉： 武汉大
素， 说明这种方法是切实可行的。
学出版社， ２００２
在实际应用中， 可以根据需要定义作业区， 将原 始影像的４个角点投影到核线影像平面上，得到相应的 ４个角点在核线影像上的像平面坐标，同时也确定了该 核线影像的范围。利用４个角点在核线影像上得到的 像平面坐标和新确定的该核线影像的范围，建立像素 坐标系与其像平面坐标系之间的变换关系， 最终生成 作业区内的核线影像。
本 模 块 主 要 完 成 创 建 ＤＥＭ的 功 能 ， ＴＩＮ是 通 过 ＣＲＥＡＴＥＴＩＮ命令利用现有的等高线和已知高程数据的 离散点来建立的， 而ＬＡＴＴＩＣＥ则是在利用已建好的ＴＩＮ 数 据 建 立 。 ＬＡＴＴＩＣＥ 在 ＧＲＩＤ模 块 下 可 以 以 二 维 格 网 、 三维立体、渔网、等高线三维立体等多种形式显示。 ３．３ 地形分析
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ＡＭＬ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｒｅｌｉｅｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｌａｎｄｆｏｒｍ ｖｉｓｕａｌｉｚｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ ｐｌａｔｆｏｒｍ， ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｒｅｌｉｅｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｍｏｒｅ ｖｉｖｉｄ， ｔｈｉｓ ｓｏｆｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｏｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ； ｓｌｏｐｅ； ａｓｐｅｃｔ； ｓｕｒｆａｃｅ ｖｉｅｗ； ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
地理数据是对现实世界对象的空间信息和专题属 性信息描述。Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ通过存贮每个地理对象的 标 识
收稿日期： ２００６－ ０２－ １４ 项目来源： 嘉应学院重点扶持学科 “地图学与地理信息系统”； 嘉应学院重点科研资助项目 （ ０４ＪＫＪ０２０） 。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 将 生 成 的 像 对 在Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ里 面 打 开 进 行 可 靠 性 参考文献
在基础地理信息可视化中， 地貌是一个重要内容， 地貌可视化就是将山体的高低起伏以一定的模型展示 给读者， 反映出地表形态和外部特征、类型及其地理 分布。数字地形可视化的概念， 是在６０年代以后随着 地理信息系统的出现而逐渐形成的， 以研究数字高程 模型的显示、简化、仿真等内容的学科， 它属于计算 机图形学的一个分支。数字高程模型是地表单元上的 高程集合的数字化形式， 它是各种地学分析、工程设 计和辅助决策的重要基础性数据， 在地学分析中， 可 以用于自动提取各种地形因子， 制作地形剖面图和划 分地表形态类型［１］。
Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ是 著 名 的ＥＳＲＩ公 司ＡｒｃＧＩＳ软 件 的 工 作 站 ， 功能强大， 但使用较复杂。本文利用Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ自 身 的 空间数据管理、数据编辑、地图显示、表面建模和地
形分析等功能， 在宏语言ＡＭＬ的基础上设计了一个地 貌可视化与地形分析的实用系统。
１ 数据获取与组织
Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ支持多种数据获取方式， 如手扶数字化， 扫描屏幕数字化， 以几何坐标输入数据或者其他格式 数据转换等。将现有典型地貌 （ 喀斯特地貌、冰川地 貌、风成地貌、黄土地貌、海岸地貌等） 等高线图扫 描 ， 导 入 至ＣｏｒｅｌＤｒａｗ矢 量 化 ， 在 等 高 线 描 述 特 殊 的 地方进行特别的处理， 如陡坎辅以符号描述， 有利于 地 貌 的 完 整 表 述 。 完 成 矢 量 化 后 以 ｄｘｆ格 式 导 出 数 据 ， 然后调入Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ， 转成Ｃｏｖｅｒａｇｅ文件格式。
地貌晕渲主要利用色调的明暗变化和人的视觉心 理来得到地貌立体感， 提供交互环境对制图范围内局 部区域使用的光源进行调整， 以改善其晕渲效果， 采 用统计功能来确定计算出光源的方向， 重新计算出灰 度值。结合分层设色的概念和地貌类型特点， 设计符 合要求的色彩表， 绘出彩色立体晕渲图 （ ＧＲＩＤＣＯＭ－ ＰＯＳＩＴＥ） 。若要从不同的观察位置 （ 视点、视角、远、 近等） 来远看总的地势起伏和地貌的整体格局， 近看 区域地貌的立体形象， 细看次要的地貌及其碎部的形 象则必须借助表面视图。表面视图与晕渲法相结合， 能设定不同的分辨率， 对地形表面进行适当的垂直夸 张， 并能改变视域和观察位置。如图２所示， ａ未加表 面视图， 只能俯视显示， ｂ是基于默认的表面视图参数 建立的灰度晕渲图。用户还可利用图３所示该系统对话 框对基本参数如观察点的位置、目标点的位置、垂直 夸张参数等根据需要进行任意设置， 并可以在屏幕上 直接进行交互指定观察点和目标点的位置， 以从不同 角度和高度来观察地形， 显然更直观、更逼真。
２ 系统设计
地形分析与地貌可 视 化 系 统 建 立 在Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ软 件
平台上， 系统的最终目标是将已有的栅格数据矢量化 或导入其他格式数据， 并对属性数据进行添加和修改 等操作； 建立ＴＩＮ、ＬＡＴＴＩＣＥ、ＧＲＩＤ等ＤＥＭ数据； 能 通过一定的算法， 转换为等高线图、地表透视图、地 貌晕渲图、分层设色图等， 并能与其他数字产品复合 形成各种专题地图产品； 能计算体积、空间距离、表 面积等工程数据。根据系统总体目标及设计原则， 结 合Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ二次开发平台的特点， 系统总体框架 设 计 如图１所示。
分层设色法是将地貌按高度划分若干带， 每一带 设置不同的颜色以表示地貌的方法。其关键是设计一 个最有表现力的 “色层高度表”。通过分析表示区域 的特征确 定 等 高 距 、 划 分 高 程 带 和 确 定 相 应 颜 色 ［４］。 以色相、饱和度或明度变换与地貌高度变化相适应的 原则， 在以高程带为设色基础， 反映地貌类型、高程 的垂直分布和水平分布特征。
郑春燕
（ 嘉应学院 地理系， 广东 梅州 ５１４０１５； 武汉大学 资源与环境科学学院， 湖北 武汉 ４３００７９）
摘 要： 利用Ａｒｃ／ Ｉｎｆｏ工具型地理信息系统软件平台， 结合ＡＭＬ语言设计了 地 形 可 视 化 和 分 析 系 统 ， 并 阐 述 了 其 主 要 功 能 模块和系统框架。为了更加逼真地显示地形起伏特征， 改进了Ａｒｃ／ Ｉｎｆｏ的某些显示功能。 关键词： Ａｒｃ／ Ｉｎｆｏ； 坡度； 坡向； 表面视图； 数字高程模型
始数据录入与转换； 图形数据录入、转换与更新； 图 形数据、影像数据录入、转换与更新。其中数据转换 给系统提供了一个数据接口， 使得数字化过程能利用 其他软件来完成， 弥补了Ａｒｃ／Ｉｎｆｏ数字化功 能 较 弱 的 缺点。
图层管理主要包括改变工作区、图层合并、新建 图层、复制图层、删除图层功能。编辑图层既具备编 辑层、背景层、图像的打开、关闭、保存功能， 也能 实现对弧段、点等要素的选取、增加、删除、移动等。
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地理空间信息
２００６ 年
级用不同的符号码表示， 生成坡度图、坡向图。当数 据 源 为ＬＡＴＴＩＣＥ时 ， 使 用ＬＡＴＴＩＣＥＰＯＬＹ命 令 计 算 坡 度和坡向。 ３．４ 图形输出
本系统主要设计了明暗等高线、分层设色、彩色 晕渲的地貌显示方式。
明暗等高线利用ＬＡＴＴＩＣＥ， 生成一定间隔的等高 线和晕渲多边形 （ ｔａｎａｋａ、ｍｏｄｉｆｙ、ｐｌｕｓ等方式） ， 将 等高线与晕渲多边形相交得到彩色背景明暗等高线。 为了增加等高线三维显示效果， 需要调整等高线粗度 和背景、前景的灰度参数， 可以在图面灰度视觉平衡 的原则上改进为以ｃｏｓ２δ来确定， 也 可 以 利 用 坡 度 和 坡 向 来 变 换 等 高 线 的 粗 细 和 灰 度 ［ ４］ 。
坡 度／坡 向 分 析 利 用ＴＩＮＡＲＣ命 令 计 算 已 生 成ＴＩＮ 的 坡 度 坡 向 ， 选 用ＴＩＮＡＲＣ中 的ＰＯＬＹ和ＬＩＮＥ选 项 来 进行计算。当选用ＰＯＬＹ时， 生成的坡度坡向时当前 三角面的坡度和坡向。选用ＬＩＮＥ时， 则把ＴＩＮ中每条 边转化为一段弧， 计算结果为每一条弧段当前的坡度 坡向。同时还可以通过进行坡度坡向分级， 不同的等
主 要 包 括Ｚ值 内 插 、 表 面 长 度 计 算 、 平 面 面 积／体 积 计 算 、 表 面 积 计 算 、 坡 度／坡 向 分 析 、 可 视 性 分 析 等。
其 中 Ｚ值 （ 高 程 值 ） 内 插 采 用 ＴＩＮＳＰＯＴ与 ＬＡＴ－ ＴＩＣＥＳＰＯＴ命令分别对ＴＩＮ和ＬＡＴＴＩＣＥ内插， 计算出点 ＣＯＶＥＲＡＧＥ上每一个点的表面Ｚ值， 利用ＣＥＬＬＶＡＬ－ ＵＥ命令用来查询最近ＬＡＴＴＩＣＥ格网点的Ｚ值。
［ ２］ 李德仁， 周月琴， 金为铣．摄影测量与遥感概论 ［ Ｍ］ ． 北京： 测绘出版社， ２００３
［ ３］ 楼秀林， 黄韦艮， 周长宝， 等．遥感图像数据重采样的 一种快速算法 ［ Ｊ］ ．遥感学报， ２００２ （ ２） ： ９６～１０１
［ ４］ 朱肇光， 孙 护， 崔炳光．摄影测量学 ［ Ｍ］ ．武汉： 测 绘出版社， １９９５
［ ５］ 冈萨雷斯．数字图像处理 ［Ｍ］ ．北京： 电子工业出版社， ２００４
作者简介： 徐效波， 男， 硕士生， 主要研究方向为地理信息系统。
第 ４ 卷第 ５ 期
郑春燕： 基于 Ａｒｃ ＧＩＳ 的地形分析与地貌可视化系统设计
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码来实现地理特征的空间信息与属性信息的联系。对 象标识码与对象的空间信息同时产生， 它唯一地代表 这个地理对象， 并存贮在记录有对象几何特征 （ 如多 边形的面积等） 的属性表中， 即特征属性表 （ Ｆｅａｔｕｒｅ Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ Ｔａｂｌｅ， ＦＡＴ） ［２］。 专 题 属 性 信 息 可 直 接 存 贮 于ＦＡＴ表中， 或存贮在其他的数据表中， 后者通过对 象标识码与ＦＡＴ产生联系， 建立地理特征与专题属性 信息间的联系。