基于ArcGIS的金佛山旅游景区三维可视化

2014-03-27况明生谢北川王民中刘小燕

地理空间信息 2014年2期

代振，况明生，谢北川，王民中，刘小燕

（1.西南大学地理科学学院，重庆400715）

20世纪中叶诞生的数字高程模型（DEM）是地表属性特征为高程时的数字地面模型（DTM）[1]。当前，DEM数据获得方法主要有地面测量、地形图数字化以及摄影测量和遥感影像。利用遥感和地理信息系统软件ArcGIS，高分辨率遥感图和DEM相结合的三维地形可视化，高度逼真地再现地形地貌已成为当前研究的热点[2]。

本文以南川区金佛山地区地形图为基础数据，将地形图数据进行扫描，通过校正，使其成为具有正确地理坐标系统和投影信息的数字化地图。以此为基础，根据ArcGIS9.3软件强大的空间分析功能，运用缓冲区分析、叠加分析、表面分析以及三维分析等一系列空间分析和计算方法，实现了金佛山地区的三维可视化，为金佛山旅游景区的规划发展提供一定的指导建议。

1 研究区域概况

金佛山位于重庆市南川区境内，总面积1 300 km2，最高峰风吹岭海拔高达2 251 m，保护区面积多达418 km2，为典型的喀斯特地貌景观区。金佛山森林覆盖率为76%，风景秀丽、气候宜人，属亚热带湿润季风气候，雨热同季、气候垂直变化明显，夏季气温只有17 ℃左右，年均降雨量1 400 mm，雨量主要集中在夏季，年均相对湿度90%[3]。

2 数据来源及数据预处理

2.1 数据来源

研究数据主要有2004年出版的南川区1∶10 000地形图，它以1980西安坐标系、1985国家高程基准为基础；南川区WorldView-2卫星遥感影像，能够提供0.5 m全色图像和1.8 m分辨率的多光谱图像，以Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_36为空间信息参考；南川区2009年二调数据包括道路、河流等矢量数据；金佛山景区比例尺为1∶50 000的1991～2010年规划总图，2009～2030年总体旅游策划规划专题图等jpg图片。

2.2 数据预处理

将获得的南川区地形图用扫描仪扫描成栅格图，以tif等格式存储在计算机中，对栅格图像进行纠正，以消除纸张变形等带来的误差[4]。在数字化地图前，对地图进行必要的坐标和投影信息校正，运用ArcGIS中的Georeferencing工具对栅格图像进行配准，配准地图后，在ArcMap中将图像以二值化的方式显示，将在ArcCatalog中建立的高程点和等高线Shapefile文件一并加载到ArcMap中，运用ArcScan工具分别对高程点和等高线进行矢量化，并分别进行高程赋值和特征值与特征点采集，从而得到高程点和等高线等矢量数据，为构建TIN及DEM提供数据准备。

由于金佛山旅游景区所获得的数据只有jpg图片，同理也需对图片进行预处理，包括定义地理坐标系统、配准和矢量化，从而得到其相关矢量数据为三维立体图的制作提供必要的基础要素数据。

3 金佛山景区地形三维可视化

3.1 DEM构建

首先创建不规则三角网（TIN）地形模型。TIN可根据一个或几个矢量数据来创建，使用ArcMap的3D Analyst工具条，选择Create/Modify TIN，在其后子菜单中点击Create TIN From Features，加载金佛山景区高程点和等高线2个矢量图层，分别设置所选择图层的 Height source、Triangulate as、Tag value field，生成金佛山景区TIN（见图1）。

DEM是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（X，Y）及高程（Z）的数据集。DEM的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列[5]。运用TIN to Raster将TIN转化为DEM，生成金佛山景区数字高程模型（见图2）。

图1 金佛山TIN模型图

图2 金佛山DEM模型图

3.2 地貌晕渲图制作

地貌晕渲在国内常见的就是将晕渲图当地图的背景，再叠加地图的矢量要素，主要包括境界、居民地、河流、道路等。通过DEM将生成的晕渲图和矢量方面的要素进行叠加，可对地貌形态进行真实模拟，也可把地面的各个要素和地形关系直观表达出来，在空间上和实际的地形有着非常精确的几何关系，能在阴影、灰度、色彩以及透视关系和表面纹理等多个方面和实际的地形保持一致[6]。

计算机自动生成数字地貌晕渲地图的制作需要对生成的DEM进行相关的空间分析与计算，包括山体阴影表面分析、邻域分析以及栅格计算。山体阴影（hillshade）是根据假想的照明光源对高程栅格单元计算照明值，计算过程中包括3个重要参数：太阳高度角、太阳方位角和表面灰度值[7]。山体阴影能提高表面显示的可视性，增强地形起伏的显示效果。邻域分析与栅格计算能较好地计算区域地形起伏度，描述一个区域地形的宏观特征。

地貌晕渲图的制作步骤为：首先创建山体阴影，在ArcMap的3DAnalyst工具条或Spatial Analyst工具条上，点击Surface Analysis→ hillshade，打开阴影创建对话框，设置相应参数；再栅格计算，选择Spatial Analyst→Raster Calculator，在计算器中输入公式[dem]/5 + [hillshade]并对生成的Calculattion设置属性；然后，对hillshade进行邻域分析，运用Spatial Analyst工具→选择neighborhood statistics，在neighborhood参数栏中选择circle方式，并对生成的neighbrhood进行属性设置；最后，在ArcMap显示中对图层进行排序，依次为DEM层、neighborhood层和Calculattion层，hillshade图层可不显示，合并DEM图层进行透明度设置，将其设置为40%，生成的金佛山地貌晕渲图见图3。

图3 金佛山地貌晕渲图

3.3 建立三维景观图

3.3.1 叠加矢量数据

将数据预处理中获得的金佛山景区矢量数据（风景区入口、景点、道路、游览步行道、景区“九谷六镇”等shapefile文件），分别按点、线、面的顺序加载叠加到生成的地貌晕渲图的ArcMap中，并叠加南川区部分河流、道路矢量数据，对所有矢量数据进行符号化，并制作添加图例、比例尺、南川区风玫瑰图等制图数学基础要素和辅助要素，最后成图输出，生成金佛山旅游景区三维景观效果图（见图4）。

图4 金佛山三维景观图

3.3.2 遥感影像的配准与叠加验证

导入南川区WorldView-2卫星遥感影像，按照道路交叉口、河流拐弯处等明显的地物特征进行配准，将配准的图像导入ArcSence中显示，并将前面得到的shapefile、raster图层叠加在遥感图像图层上，将其属性中的Base Height改为从DEM中获取高度值，并设置透明度，这样三维立体图就会更加生动，更加具有高低起伏感（见图5）。

图5 叠加遥感影像显示图

4 金佛山景区三维地形场景模拟

4.1 要素立体显示的实现过程

打开ArcScene，点击3D Analyst 工具条上的Surface Analysis；加载DEM数据，右键单击该数据图层Properties，点击基准高程设置选项卡（Base Height），选择Obtain heights for layer from surface，并在其下拉列表中选择DEM数据，即从DEM自身获取高程，必要时为数据指定Z值并设置参数，并在Display标签中设置50%透明度。加载hillshade数据，同理也需设置属性，设置与DEM一样的基准高程与透明度。

4.2 飞行动画的制作

常见的产生动画效果的方法有：捕获视图创建动画、录制视图创建动画、创建动画帧生成动画和沿指定路径生成飞行动画，本文主要采用沿指定路径生成飞行动画的方法。

先创建飞行路径矢量数据Path，并加载到ArcScene中，对其符号化，打开属性表，选中线要素。在ArcScene的任一工具栏上单击右键或点击View→Toolbars，打开Animation动画工具条。点击Animation，在下拉菜单中选择Create Flyby from Path，并设置飞行高度，点击Import，自动生成飞行路径。分别加载金佛山旅游景区景点、游览步行道、河流等矢量数据，对其符号化并设置与DEM一样的基准高程。打开动画控件，播放飞行动画，并将其输出可播放的AVI格式视频文件，图6为截取的4个旅游景区飞行动画画面。