基于ArcScene的太原市三維地表可視化研究

劉耀龍，馮國瑞，康穎卿，薛 曄，張華明

（1.太原理工大學a.科技處；b.經濟管理學院；c.礦業工程學院，太原 030024；2.山西省雷電防護監測中心，太原 030002)

三維地表可視化作為數字化區域中一個極為重要的研究方面，是在計算機上將數字地形模型與地表真實信息融合并進行逼真的三維顯示。它用直觀、形象、多時角、多層次的方法真實反映研究區內復雜的地形地貌和人文要素，在城市規劃、土地利用、防洪減災及宏觀地形地貌分析和地質構造等領域發揮重要的作用［1-3］。太原市是山西省的省會，瀕臨汾河，三面環山，是山西省的政治、經濟、文化、教育、科技、交通和信息中心。本文以太原市轄的六區（小店區、迎澤區、杏花嶺區、尖草坪區、萬柏林區、晉源區)三縣（清徐縣、陽曲縣、婁煩縣)一市（古交市)為研究范圍，構建基于ArcScene場景的三維地表模型，并實現虛擬現實景觀的可視化。

1 數據來源

1.1 地形數據

太原市數字高程模型（digital elevation model，DEM)數據來源于ASTER GDEM（先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型)［4］，其空間分辨率為1弧秒×1弧秒（約30m×30m)［5］，目前已經發布第二版（2011年)，其地形分辨效果顯著增強［6］。原始數據存儲格式為Geo TIFF，空間范圍為E110°59′59.5″-114°0′0.5″，N36°59′59.5″-39°0′0.5″，空間參考系統為 GCS-WGS-1984，數據大小為438MB。

1.2 地表影像

太原市地表影像來源于美國陸地衛星7（LANDSAT-7)ETM＋（Enhanced Thematic Mapper)衛星數據。原始數據拍攝時間為2007年09月23日，存儲格式為Geo TIFF，軌道號為 WRS-2125／034，空間參考系統為WGS-1984-UTM-Zone-49N，數據大小為589MB。ETM＋數據的地面分辨率為30m，其中，第6波段分辨率為60m，第8波段分辨率為15m［7］。

2 研究方法

2.1 二維地形模型

太原市DEM模型構建包括矢量數據采集、空間屬性賦值以及表面模型創建等步驟（圖1)。通過ArcCatalog創建Shapefile文件，運用ArcGIS中Editor模塊數字化并賦屬性值完成太原市區劃多邊形圖層。運用Data Management Tools模塊中的柵格數據拼接工具（Mosaic To New Raster)對ASTER GDEM的6幅Geo TIFF數據進行拼接處理。運用Spatial Analyst Tools模塊的柵格數據裁切工具（Extract by Mask)提取太原市地形數據。在ArcMap環境下加載太原市DEM數據，經過地圖整飾生成太原市二維地形模擬圖（圖2)。

圖1 太原市三維地表可視化技術路線

圖2 太原市二維地形（DEM)模擬圖

2.2 遙感影像加強

太原市ETM＋多波段影像組合運用ERDAS IMAGINE中Image Interpreter模塊的多波段數據組合工具（Layer Stack)依次選取波段3、波段2和波段1加以組合，生成真彩色合成圖像［8］。在ArcMap環境下運用柵格數據裁切工具提取太原市地表真彩色衛星影像圖（圖3-a)。運用同樣的方法，分別生成波段4、波段3和波段2組合的標準假彩色圖像（圖3-b)，波段5、波段4和波段3組合的近自然彩色合成圖像（圖3-c)和波段4、波段5和波段1組合的信息量最豐富的組合圖像進行對比（圖3-d)。

2.3 三維地表模擬

在ArcScene環境下，加載太原市區劃和居民點圖層、太原市DEM數據和4種ETM＋多波段組合影像數據，設置圖層的夸大系數、坐標系統、背景顏色、光照和透明度等參數，調整衛星影像的基準高程、夸張系數、高程分辨率、渲染拉伸效果等，生成不同效果的太原市三維地表實景模擬圖（圖4)。

3 研究結果

3.1 二維地形模擬

太原市地形總體呈現出兩邊高、中間低的空間態勢（圖2)，地形高度分布在660～2645m之間，其中1000m以下區域面積為1.69km2，占總面積的24.19%；1000～1500m區域面積為3.70km2，占總面積的52.96%；1500～2000m區域面積為1.55km2，占總面積的22.17%；2000m 以上區域僅為0.05km2。太原市DEM模型可以進一步提取地表坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、地表陰影等因子［9］，估算地形粗糙度、地形起伏度用于區域宏觀地形與微觀地形特征分析。通過對地形斷面提取，觀察不同坡面地形高度分布狀況，為工程（如公路、鐵路、管線工程等)設計與施工提供參考；針對地表某點的可視性分析在通訊、軍事、房地產等應用領域有著重要意義。此外，結合ArcGIS水文分析模塊（Hydrology)，可以開展基于DEM的區域地表水文分析，具體包括提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網絡以及流域分割等方面。

3.2 地表影像對比

通過對4種不同波段組合的太原市ETM＋衛星影像的對比分析，真彩色合成圖像合成一幅與肉眼所見的色彩情況基本吻合的影像（圖3-a)，即ETM＋3賦予紅色，ETM＋2賦予綠色，ETM＋1賦予藍色。深綠色區域反映出植被信息，藍色區域反映出水體分布狀況，淺白色區域反映出人造地物類型，但其視覺分辨效果較差。太原市標準假彩色圖像組合波段依次為ETM＋4賦予紅色，ETM＋3賦予綠色，ETM＋2賦予藍色（圖3-b)，地物顏色呈現出顯著差異，視覺分辨狀況較好。紅色區域反映出植被類型和分布，藍色區域反映出水體信息和人類活動聚居地地物特征。

ETM＋波段5、波段4和波段3組合形成的近自然彩色合成圖像（圖3-c)既能體現出不同地物類型的色彩反差，又能夠反映出比較接近真實地物顏色的效果，適用于非遙感應用專業人員使用。綠色區域為植被分布，粉紅色區域反映出植物含水量和地表土壤濕度狀況，藍紫色區域則是人類活動比較集中的體現。考慮到人眼最敏感的顏色是綠色，其次是紅色、藍色，將綠色賦予方差最大的波段。故而，將波段4、波段5、波段1分別賦予紅色、綠色、藍色合成的圖像色彩反差明顯，層次豐富，而且各類地物的色彩顯示規律與常規合成片相似，符合過去常規片的目視判讀習慣，反映出的地表信息量最為豐 富（圖3-d)。

圖3 太原市多波段衛星影像（ETM＋)合成圖

3.3 三維地表可視化

綜合考慮三維地表模擬圖像質量和視角評價（圖1)，選取標準假彩色和近自然彩色合成圖像進行太原市三維地表實景模擬（圖4)。可以看出，疊加了地形高度信息的ETM＋衛星影像更加形象、直觀地反映了太原市轄區域自然地形地貌、水體植被的分布狀況；同時，不同時期三維影像實景圖像清晰地反映出了人地關系的激烈化——城市化進程的空間范圍和時間效應。對太原市三維地表模擬圖的進一步分析，可為城市宏觀發展、人口遷移模擬、經濟政策制定、區域旅游規劃提供決策支持。

4 結論

地理信息系統（GIS)及三維可視化技術的發展為區域三維地形景觀構建與模擬提供成熟、可行、簡便的操作平臺。基于DEM二維模型和具有空間屬性的ETM＋衛星影像，在ArcScene環境下構建太原市三維地表實景模擬圖，其視覺效果良好，可為進一步圖像處理與數據挖掘提供基礎。二維地形模擬主要用于地表要素的空間分析、運算與表達，三維地形實景則是地表事物定量運算的形象化反映，為計算機運算與人類判讀提供良好的互動效果。

圖4 太原市三維地表實景模擬圖

本文試圖對比不同波段組合影像的三維地表視覺效果，受到數據來源、空間分辨率差異、GIS軟件模型誤差等因素的影響，缺乏定量化的地物信息提取與對比。此外，三維實景動態漫游與快速生成也是ArcScene軟件的重要組成部分，二維地圖與三維場景的交互與數據管理有待進一步研究。

［1］鄭著彬，任靜麗.基于ETM＋遙感影像的三維地形可視化實現［J］.計算機與數字工程，2010，38（5)：119-121.

［2］肖海紅.基于 ArcScene的三維地形可視化及其應用［J］.工程地質計算機應用，2007（3)：12-16.

［3］侯歡歡，姚宏偉，楊方廷.基于 ArcGIS的三維地景動態生成方法［J］.太原理工大學學報，2010，41（1)：24-32.

［4］METI NASA.ASTER GDEM Readme File-ASTER GDEM Version 1［EB／OL］.http：∥www.ersdac.or.jp／GDEM／E／image／ASTER%20GDEM%20Readme-Ev1.0.pdf／2009.

［5］ASTER GDEM Validation Team.ASTER Global DEM Validation Summary Report［EB／OL］.http：∥www.ersdac.or.jp／GDEM／E／image／ASTERGDEM-validationSummaryReport-Ver1.pdf.2009.

［6］ASTER GDEM Validation Team.ASTER Global Digital Elevation Model Version 2-Summary of Validation Results［EB／OL］.http：／／www.ersdac.or.jp／GDEM／ver2Validation／Summary-GDEM2-validation-report-final.pdf／2011.

［7］Masek J G，Honzak M，Goward S N，et al.Landsat-7ETM＋as an observatory for land cover initial radiometric and geometric comparisons with landsat-5Thematic Mapper［J］.Remote Sensing of Environment，2001（78)：118-130.

［8］黨安榮，王曉東，張建寶.ERDAS Imagine遙感圖像處理方法［M］.北京：清華大學出版社，2009：59-63.

［9］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，2006：183-193.