基于ArcGIS的金佛山旅游景區三維可視化

代 振，況明生，謝北川，王民中，劉小燕

（1.西南大學 地理科學學院，重慶400715）

20世紀中葉誕生的數字高程模型（DEM）是地表屬性特征為高程時的數字地面模型（DTM）[1]。當前，DEM數據獲得方法主要有地面測量、地形圖數字化以及攝影測量和遙感影像。利用遙感和地理信息系統軟件ArcGIS，高分辨率遙感圖和DEM相結合的三維地形可視化，高度逼真地再現地形地貌已成為當前研究的熱點[2]。

本文以南川區金佛山地區地形圖為基礎數據，將地形圖數據進行掃描，通過校正，使其成為具有正確地理坐標系統和投影信息的數字化地圖。以此為基礎，根據ArcGIS9.3軟件強大的空間分析功能，運用緩沖區分析、疊加分析、表面分析以及三維分析等一系列空間分析和計算方法，實現了金佛山地區的三維可視化，為金佛山旅游景區的規劃發展提供一定的指導建議。

1 研究區域概況

金佛山位于重慶市南川區境內，總面積1 300 km2，最高峰風吹嶺海拔高達2 251 m，保護區面積多達418 km2，為典型的喀斯特地貌景觀區。金佛山森林覆蓋率為76%，風景秀麗、氣候宜人，屬亞熱帶濕潤季風氣候，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，年均相對濕度90%[3]。

2 數據來源及數據預處理

2.1 數據來源

研究數據主要有2004年出版的南川區1∶10 000地形圖，它以1980西安坐標系、1985國家高程基準為基礎；南川區WorldView-2衛星遙感影像，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2009年二調數據包括道路、河流等矢量數據；金佛山景區比例尺為1∶50 000的1991～2010年規劃總圖，2009～2030年總體旅游策劃規劃專題圖等jpg圖片。

2.2 數據預處理

將獲得的南川區地形圖用掃描儀掃描成柵格圖，以tif等格式存儲在計算機中，對柵格圖像進行糾正，以消除紙張變形等帶來的誤差[4]。在數字化地圖前，對地圖進行必要的坐標和投影信息校正，運用ArcGIS中的Georeferencing工具對柵格圖像進行配準，配準地圖后，在ArcMap中將圖像以二值化的方式顯示，將在ArcCatalog中建立的高程點和等高線Shapefile文件一并加載到ArcMap中，運用ArcScan工具分別對高程點和等高線進行矢量化，并分別進行高程賦值和特征值與特征點采集，從而得到高程點和等高線等矢量數據，為構建TIN及DEM提供數據準備。

由于金佛山旅游景區所獲得的數據只有jpg圖片，同理也需對圖片進行預處理，包括定義地理坐標系統、配準和矢量化，從而得到其相關矢量數據為三維立體圖的制作提供必要的基礎要素數據。

3 金佛山景區地形三維可視化

3.1 DEM構建

首先創建不規則三角網（TIN）地形模型。TIN可根據一個或幾個矢量數據來創建，使用ArcMap的3D Analyst工具條，選擇Create/Modify TIN，在其后子菜單中點擊Create TIN From Features，加載金佛山景區高程點和等高線2個矢量圖層，分別設置所選擇圖層的 Height source、Triangulate as、Tag value field，生成金佛山景區TIN（見圖1）。

DEM是在某一投影平面（如高斯投影平面）上規則格網點的平面坐標（X，Y）及高程（Z）的數據集。DEM的格網間隔應與其高程精度相適配，并形成有規則的格網系列[5]。運用TIN to Raster將TIN轉化為DEM，生成金佛山景區數字高程模型（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

地貌暈渲在國內常見的就是將暈渲圖當地圖的背景，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DEM將生成的暈渲圖和矢量方面的要素進行疊加，可對地貌形態進行真實模擬，也可把地面的各個要素和地形關系直觀表達出來，在空間上和實際的地形有著非常精確的幾何關系，能在陰影、灰度、色彩以及透視關系和表面紋理等多個方面和實際的地形保持一致[6]。

計算機自動生成數字地貌暈渲地圖的制作需要對生成的DEM進行相關的空間分析與計算，包括山體陰影表面分析、鄰域分析以及柵格計算。山體陰影（hillshade）是根據假想的照明光源對高程柵格單元計算照明值，計算過程中包括3個重要參數：太陽高度角、太陽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，增強地形起伏的顯示效果。鄰域分析與柵格計算能較好地計算區域地形起伏度，描述一個區域地形的宏觀特征。

地貌暈渲圖的制作步驟為：首先創建山體陰影，在ArcMap的3DAnalyst工具條或Spatial Analyst工具條上，點擊Surface Analysis→ hillshade，打開陰影創建對話框，設置相應參數；再柵格計算，選擇Spatial Analyst→Raster Calculator，在計算器中輸入公式[dem]/5 + [hillshade]并對生成的Calculattion設置屬性；然后，對hillshade進行鄰域分析，運用Spatial Analyst工具→選擇neighborhood statistics，在neighborhood參數欄中選擇circle方式，并對生成的neighbrhood進行屬性設置；最后，在ArcMap顯示中對圖層進行排序，依次為DEM層、neighborhood層和Calculattion層，hillshade圖層可不顯示，合并DEM圖層進行透明度設置，將其設置為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 疊加矢量數據

將數據預處理中獲得的金佛山景區矢量數據（風景區入口、景點、道路、游覽步行道、景區“九谷六鎮”等shapefile文件），分別按點、線、面的順序加載疊加到生成的地貌暈渲圖的ArcMap中，并疊加南川區部分河流、道路矢量數據，對所有矢量數據進行符號化，并制作添加圖例、比例尺、南川區風玫瑰圖等制圖數學基礎要素和輔助要素，最后成圖輸出，生成金佛山旅游景區三維景觀效果圖（見圖4）。

圖4 金佛山三維景觀圖

3.3.2 遙感影像的配準與疊加驗證

導入南川區WorldView-2衛星遙感影像，按照道路交叉口、河流拐彎處等明顯的地物特征進行配準，將配準的圖像導入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，并設置透明度，這樣三維立體圖就會更加生動，更加具有高低起伏感（見圖5）。

圖5 疊加遙感影像顯示圖

4 金佛山景區三維地形場景模擬

4.1 要素立體顯示的實現過程

打開ArcScene，點擊3D Analyst 工具條上的Surface Analysis；加載DEM數據，右鍵單擊該數據圖層Properties，點擊基準高程設置選項卡（Base Height），選擇Obtain heights for layer from surface，并在其下拉列表中選擇DEM數據，即從DEM自身獲取高程，必要時為數據指定Z值并設置參數，并在Display標簽中設置50%透明度。加載hillshade數據，同理也需設置屬性，設置與DEM一樣的基準高程與透明度。

4.2 飛行動畫的制作

常見的產生動畫效果的方法有：捕獲視圖創建動畫、錄制視圖創建動畫、創建動畫幀生成動畫和沿指定路徑生成飛行動畫，本文主要采用沿指定路徑生成飛行動畫的方法。

先創建飛行路徑矢量數據Path，并加載到ArcScene中，對其符號化，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擊View→Toolbars，打開Animation動畫工具條。點擊Animation，在下拉菜單中選擇Create Flyby from Path，并設置飛行高度，點擊Import，自動生成飛行路徑。分別加載金佛山旅游景區景點、游覽步行道、河流等矢量數據，對其符號化并設置與DEM一樣的基準高程。打開動畫控件，播放飛行動畫，并將其輸出可播放的AVI格式視頻文件，圖6為截取的4個旅游景區飛行動畫畫面。

圖6 金佛山景區飛行畫面

[1]田永中，徐永進，黎明，等.地理信息系統基礎與實驗教程[M].北京：科學出版社，2010

[2]劉陽，張培松，韋仕川，等.基于ArcGIS三維地形可視化及其應用研究——以陽江農場為例[J].廣西農業科學，2009,40(6): 772-776

[3]韓鳳，林茂祥，肖杰易，等.淺談南川金佛山植物資源的開發與利用[J].時珍國醫國藥，2006,17(3):483-484

[4]劉志平，張素華，杜啟勝，等.基于ArcGIS的DEM生成方法及應用[J].地理空間信息，2009,7(5):69-71

[5]封殿波，趙杰，韓雪培，等.基于ArcGIS的太平湖可視化研究[J].影像技術，2008(4):49-51

[6]劉丹丹.基于DEM的數字地貌地圖暈渲圖的探索與研究[J].科技與企業，2013(7):344-345

[7]湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析方法[M].北京：科學出版社，2002