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DEM的建立及其在林业上的应用

来源:论文联盟  作者:吴显桥 [字体: ]

DEM的建立及其在林业上的应用

三維地理信息的产生和发展,是GIS技术及其应用发展到一定水平的必然要求,它不仅局限于利用计算机技术手段对地理信息进行可视化表达及其空间查询,而且满足了自动、全面显示地理信息的要求[1]。在三维地理信息的表达中,DEM是一种获取相对容易、具有较高精度的有效方式。DEM(digital elevation model)是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,形成栅格结构的数据集,是地形曲面的数字化表达[2],是数字地面模型DTM(digital terrain model)的一种。DEM包含规则格网Grid和不规则三角网TIN等表面模型,TIN指用一系列无重叠的三角形近似模拟陆地表面,从而构成不规则的三角网[3],使用TIN能更好地体现地形起伏变化特征。DEM直观反映了现实的地貌情况,是现实世界山川、河流、地面起伏在计算机中的数字化表达。由于DEM描述的是地面高程信息,它在测绘、水文、气象、地质、地貌、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用[4]。   本文通过对扫描地形图等高线矢量化,进而生成不规则三角网TIN及数字高程模型DEM,用实例说明了利用DEM制作三维景观图、电子林相沙盘和提取调查小班平均海拔、坡度、坡向值,旨在探讨、优化DEM的获取途径和创建方法,并对DEM在林业上的应用进行探索与展望。   1 获取高程矢量数据   1.1 DEM获取的途径   目前,数字高程模型DEM的获取主要有以下3种方式[5]:一是通过航空摄影测量获取地面影像,并借助于干涉雷达和激光扫描仪等新型传感器快速获取高精度、高分辨率的DEM数据源;二是利用扫描地形图获取DEM数据源;三是通过全站仪、GPS等仪器配合计算机在野外进行观测获取地面点数据,然后进行转换处理获得DEM数据源。第1种方式需要拥有先进的设备,一般的单位和个人不具备这个条件;第3种方式工作量大,费用高,不适合用于大规模的数据采集任务;第2种方式获取比较容易,又能满足精度要求,适合用于一般的单位和个人。本文DEM数据的获取采用第2种方式。   1.2 DEM数据源的提取   DEM数据源就是高程矢量数据,对于如何从一幅扫描地形图中获取等高线矢量数据的方法较多,有基于AutoC-AD、MAPGis、CASSCAn、Geoway、R2V、vpstudio、Arcgis(Arcs-can模块)等软件的矢量化方法,这些矢量化软件各有优缺点。R2V(Raster2Vector)是Windows环境下一款高级光栅图矢量化软件系统,具有快速矢量化、高程批量赋值和坐标校正功能,以及良好的适应性与高精确度,非常适合于GIS、地形图、CAD及科学计算等应用[6]。   1.3 等高线矢量化   1.3.1 裁剪本文由论文联盟http://www.LWlM.cOM收集整理栅格地形图。栅格地形图的裁剪需要使用Arcgis地理信息系统,ArcGis 是美国环境系统研究所(ESRI)研制的一套桌面地理信息系统软件,ArcGis Desktop主要包含Arcmap、ArcCatalog、ArcToolbox三大桌面应用,还有许多功能扩展模块。本文Arcgis的操作均以10.2中文版为例。   打开Arcmap10.2,在ArcToolbox中点击数据管理工具→栅格→栅格处理→裁剪,用预定的一定范围的面状矢量数据裁剪出需要的栅格地形图(一般采用5 m或10 m等高距的地形图效果较好),并导出为tif格式图像备用(本文以湖南省凤凰县南华山国家森林公园为例)。   

1.3.2 栅格地形图的处理。将导出的tif格式地形图用photoshop软件进行处理,去掉周边的黑色斑块,同时可以將等高线以外不必要的点状、面状、线状地物以及文字、数字等标注清除,以提高在R2V中等高线矢量化的速度和质量。1.3.3 R2V矢量化。启动R2V,加载经过处理的栅格地形图,用光标拉动编辑窗口边框和滚动条可移动到图像的不同位置,按住键盘数字区的“+”、“-”键可放大、缩小图像。如果扫描图像质量好,且内容单一(以线条为主),可以选择 “自动矢量化”;如果图像比较复杂,有各种图像元素混和在一起,只能使用R2V的交互跟踪功能(即系统自动跟踪配合手工处理)。若有多个编辑图层,则需在“编辑”菜单中先定义编辑图层。线条开始跟踪时,点击菜单“编辑”→“编辑线段”→“编辑线开/关”,激活线编辑器,用鼠标在需要跟踪矢量化的等高线上的任意位置点击,即可进入编辑跟踪状态。当一条线跟踪矢量化完成后,按空格键或数字9结束跟踪。在画线的时候,根据线的平滑状况,可用右键控制是手动跟踪还是自动跟踪,若跟踪过程中出现偏差和错误可按退格键或点击撤销键撤销。对于2条计曲线之间断开的等高线,可根据走势用均分法进行连接,被房屋、道路、桥梁隔断的等高线也要连接起来。对于同一高程的断开线条可用“连接线段”或“闭合线条”工具进行连接和闭合处理。等高线全部矢量化完成后,点击“等高线标注”按钮,在等高线上拉一条线跨过准备赋值的等高线,在弹出的“输入等高线值”对话框中输入初始等高线的高程值(ID值即为高程值)以及增加值,再点击“确定”按钮就完成了等高线的自动赋值[6-7]。等高线R2V矢量化结果如图1所示。
  等高线赋值完成后,为了将生成的矢量数据转换到特定的投影坐标系统中(与裁剪栅格地形图的坐标系保持一致),点击菜单“文件”→“载入控制点/TFW”,选择裁剪栅格地形图中后缀为tfw的文件作为控制点文件。最后将矢量数据导出为shp格式文件备用[6]。如果有高程点需要矢量化,可以建立点图层进行编辑,操作步骤与线图层编辑大致相同。
  2 建立不规则三角网TIN及数字高程模型DEM
  2.1 创建不规则三角网TIN
  启动Arcmap,加载从R2V中导出的高程矢量数据并进行拓扑检查,主要是消除数据中存在的悬挂点等问题[8]。拓扑检查处理后,重新加载高程矢量数据以及裁剪栅格地形图,在统一的投影坐标系中两者叠加后位置基本对应、吻合,能够满足精度要求。如果发现矢量化线条与栅格地形图等高线的偏移过大不符合精度要求,可在Arcmap中用空间校正功能选择地形图与矢量图同一位置的点作为控制点进行校正。
  在ArcToolbox中点击3DAnalyst工具→数据管理→Tin→创建Tin(如3DAnalyst未能正常启动,可先点击Arc-map菜单“自定义”→“扩展模块”→勾选3DAnalyst前面的方框),在弹出的对话框中“输入要素类”选择等高线矢量数据,“高度字段”“Tag Field”均选择高程字段,“SF Type”选择“Hard_Line”(选择“硬”隔断线能更好地模拟地表形态),选择原用投影坐标系,确定Tin保存位置,点击“确定”按钮即可生成不规则三角网TIN[9],如图2所示。在“编辑Tin”中还可根据需要用面状矢量数据(shp格式)对生成的Tin进行裁剪。
  2.2 创建数字高程模型DEM
  在ArcToolbox中点击3DAnalyst工具→转换→由Tin转出→Tin转栅格,在弹出的对话框中“输入Tin”选择已生成的Tin,“输出数据类型”选择“FLOAT”,“方法”“采样距离”“Z因子”可以选择默认设置(如果想进一步提高DEM的精度,可在“方法”选项中选                                                                             

 
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