ArcGIS在沙漠地形分析中的應用

姚彥亭 路 余 劉 超

中國酒泉衛星發射中心 酒泉 732750

正文：

1 引言

近年來，沙漠探險、沙漠越野越來越成為人們戶外旅游的重要方式。沙漠地區地質、測量工作需求較少，利用傳統航空攝影、無人機攝影測量，獲取資料的成本較高。沙漠地區衛星影像、數字高程模型（DEM）數據缺乏，無道路網，缺乏方位參考標志，路徑選擇主要依靠經驗選取；此外，沙漠地形復雜多變，沙質疏松，缺乏給探險路線設計、沙漠救援等帶來很大的挑戰。

BIGEMAP是一款高精度衛星影像、高程數據專業下載器，數據資源多、分辨率高。Global Mapper軟件具有數據處理快速化、數據瀏覽三維化的特點，可以利用沙漠地區DEM數據創建區域數字高程模型，為沙漠地區等高線繪制、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，是一款強大的GIS影像處理和三維數據加工軟件。

2 數據處理及制圖流程

2.1 影像和高程數據提取

BIGEMAP地圖下載器可以從Google Earth數據庫下載全球的無偏移地形和影像數據，最高可以下載最高21級的高程數據，分辨率約0.11m，可以達到對數據處理高精度的要求。本文首先利用BIGEMAP地圖下載器，下載巴丹吉林沙漠局部區域衛星影像和高程數據，精度為17級，分辨率0.92m（高分辨率的地圖數據量大，數據處理對計算機性能要求更高，0.92m分辨率已滿足本文地形分析需求），影像格式均為TIFF格式。在衛星影像圖上能夠看到選擇區域的沙漠地形，既有沙山、沙丘，又有湖泊、濕地，是沙漠探險的主要選擇之一。

2.2 Global Mppper 成圖

打開Global Mapper軟件，將下載的高程數據導入軟件。

圖2 沙漠地區高程數據

打開下載的沙漠高程數據，在global mapper中選擇【分析】-＞【生成等高線】命令。根據任務需求設置等高距，設置等高線越小，對電腦的硬件配置要求越高，生成的時間也越長。一般設置為10，即10米等高線，下圖為生成的沙漠目標區域的等高線圖。

圖3 測區地形等高線圖

在Global Mapper中生成等高線后，通過加載沙漠地區衛星影像文件，可以實現影像和等高線的疊加。調整圖層控制，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，符合真實地形。

圖4 測區影像和等高線疊加圖

2.3 ArcGIS三維地圖構建

下載的衛星影像和DEM數據默認坐標系是WGS84坐標系，需要轉成大地坐標系的，方便高程海拔高度顯示。通過分度帶來轉換投影，分度帶設置為3度帶和6度帶，均可以實現轉換到坐標系的轉換。本文全部轉換成UTM(WGS84)，文件格式分別為GEOTIFF和DEM格式。接下來打開ArcScene，加載轉換后的衛星影像，添加DEM高程數據，生成沙漠地區三維地圖。三維的圖像效果清晰度和下載的衛星圖像級別有關系，高程級別越高，三維輪廓越精細，衛星圖像級別越高，三維效果越清晰。利用3D效果圖可以直觀的解沙漠區域地形特征，對路徑選擇提供初步方案。

圖5 測區三維地形圖

3 數據分析

激活ArcMap中的擴展選項中“3D Analyst”和“Spatial Analyst”模塊。利用ArcToolbox中 “3D Analyst”工具，設置相應目標參數，得到沙漠地表的陰影柵格，進行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上，利用3D路徑剖面/視線工具，創建通視線，其中綠色表示可見，紅色表示不可見。

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和結構等，是描述沙漠地形特征信息的重要指標之一，也是地學分析模型的基礎數據。在ArcGIS中加載沙漠高程數據，選擇“3DAnalyst”工具，執行“坡度”命令，設置相應的參數，得到坡度柵格數據，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，重新調整坡度分級為5，在手動分級法將中斷值調整為6、12、18、24、30，得到沙漠目標區域坡度圖。

圖8 測區地形坡度圖

剖面分析，在“3DAnalyst”工具欄，點擊“線差值”工具，跟蹤任意一條線段，這條線段可以從高程數據中得到高程值，得到剖面圖。根據斷面圖綜合考慮路徑的科學性，進行優化設計調整，如下圖所示。

圖9 沙漠地區路線剖面圖

4 總結

BIGEMAP地圖下載器提供了多數據源的地圖數據下載方式，精度能滿足野外路徑勘查工作的基本需求。利用ArcGIS軟件可快速對測區地形進行數據分析，繪制沙漠地區直觀的影像疊加等值線圖、三維地形圖等。繪制出來的圖件與實際地形比較吻合，能夠反映沙漠地區的地形地貌狀況，可為沙漠越野的路線選擇提供參考。