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
　　择NATURAL_NEiGHBOBS，采样距离选择CELSIZE，像元值大小与裁剪栅格地形图的像元值大小保持一致，Z因子用默认设置），确定DEM保存位置，点击确定按钮即可生成数字高程模型DEM[9]，如图3所示。在ArcToolbox中点击spatial Analyst工具表面分析山体阴影，在弹出的对话框中输入栅格选择已生成的DEM，在输出栅格中选择山体投影后DEM的保存位置，方位角高度角Z因子选择默认设置，点击确定按钮还可以生成山体投影DEM[7]。
　　对生成DEM精度的检验，在缺乏有效理论支持的情况下，采用回放DEM等高线与原栅格地形图等高线叠置法是目前国际上较为广泛采用的一种评价方法[10]。
　　3 数字高程模型DEM的应用
　　以数字高程模型DEM为基础，可以制作不同类型的专题图。用DEM制作的三维景观图可以很好地展示地形地貌以及标志性景点的位置、形状等，制作的电子林相沙盘具有直观、逼真、通视的效果，用DEM提取调查小班立地因子的数值快捷、高效、准确率高，下面用实例进行说明。
　　3.1 三维景观图的制作
　　启动Arcscene10.2，加载已生成的南华山DEM以及道路、河流、景点、TIN裁剪范围等在Arcmap中编辑好的矢量数据（其中裁剪范围数据必须是线状数据），右键南华山DEM属性，在弹出的对话框中基本高度选项从表面获取的高程栏下点选在自定义表面上浮动并选择南华山TIN，在从要素获取的高程栏下选择没有基于要素的高度，用于将图层高程值转换为场景单位的系数后选择自定义，变换系数值可根据需要的效果输入具体数值，然后点击确定按钮。按照以上操作步骤，对道路、河流、景点、裁剪范围线等矢量数据进行同样的设置，尤其是变换系数值必须保持一致。同时，对裁剪范围的线状矢量数据进行如下设置：右键线状矢量数据属性，在弹出的对话框中选择拉伸选项，勾选拉伸图层中的要素，拉伸值或表达式可根据需求效果输入具体数值或选择线图层中的字段值，拉伸方式选择将其用作要素的拉伸数值，这样可形成剖断面，同时对景点进行符号编辑启用3D标记符号并选择下载好的3D模型，最后生成的三维景观图[11]如图4所示。如果叠加裁剪的相应范围卫星影像图还可以生成更接近现实表面的三维景观图。通过Arcscene的场景导航和飞行功能还可以获取不同视角和高度的景观效果。
　　3.2 电子林相沙盘的制作
　　在Arcmap中对林相图的点、线、面矢量数据按彩色林相图的要求进行着色和标注，然后导出为jpg或tif圖像（范围与生成的Tin保持一致）。对导出的图像进行坐标配准，使之与Tin坐标系保持一致。启动Arcscene，加载Tin和配准好的林相图，右键林相图属性，在弹出的对话框中基本高度选项从表面获取的高程栏下点选在自定义表面上浮动并选择Tin，在从要素获取的高程栏下选择没有基于要素的高度，用于将图层高程值转换为场景单位的系数后选择自定义，变换系数值可根据需要的效果输入具体数值。在渲染选项中效果栏下勾选相对于场景的光照位置为面要素创建阴影和如果可能使用平滑阴影，同时将林相图的优先显示级别设置为1，点击确定按钮。对Tin进行同样的设置，优先显示级别设置为2，点击确定按钮即可制作出具有林相分布的地理模型的三维图像，称之为电子林相沙盘[12]，如图5所示。
　　3.3 提取调查小班平均海拔、坡度、坡向值
　　数字高程模型DEM 可以自动提取地形因子，包括高程、高程差、平均高程、等高线、坡度、坡向、坡度变化率、地面形态、地形剖面、地表粗糙度、脊谷线、沟谷密度、沟谷深度、太阳辐射强度及可视区等信息[13]。在森林资源调查中可用DEM来提取调查小班的平均海拔、坡度、坡向值。提取小班平均海拔的步骤：①打开ArcMap，加载DEM 数据和小班面shp数据；②点击ArcToolboxSpatial Analyst工具区域分析以表格显示分区统计，在对话框中输入栅格数据或要素区域数据栏选择小班面shp 数据，在区域字段栏中选择小班属性表中的小班关键字（如小班号），在输入赋值栅格栏中选择相应的DEM数据，在输出表栏指定统计表输出名称及路径，在统计类型栏中选择MEAN（平均值）。设置完成后，点击确定按钮，生成小班平均海拔表；③分区统计后生成的小班平均海拔表是一个独立的表，还需要建立基于公共字段的属性连接，将小班平均海拔赋值给小班面的属性表。操作步骤：点击 ArcToolbox数据管理工具连接连接字段，在输入表栏中选择小班面，在输入连接字段栏中选择小班面中确定的公共字段，在连接表栏中选择小班平均海拔表，在输出连接字段栏中选择小班平均海拔表中的公共字段，在连接字段栏中选择平均海拔字段，点击确定按钮，即可将小班海拔表中的平均海拔自动写入小班面属性表中。
　　提取平均坡度、坡向，先要通过ArcToolboxSpatial Analyst工具表面分析坡度（输出测量单位选择DEGREE）和ArcToolboxSpatial Analyst工具表面分析坡向，分别生成坡度、坡向栅格图，在区域分析中按平均值生成小班平均坡度表和坡向表，然后再通过挂接和赋值将提取的数值直接导入小班面的属性表中，方法与平均海拔的提取大致相同。最后在小班面的属性表中还需要将坡向值按坡向栅格图数值范围对应的方向替换成文字。
　　通过数字高程模型DEM提取调查小班的平均海拔、坡度、坡向值，准确率达到85%以上，符合森林资源二类调查精度要求，可以适当减少内业工作量，提高工作效率[2]。用上述方法对南华山国家森林公园4个小班的平均海拔、坡度、坡向值提取结果如图6、表1所示。
　　4 结语
　　数字高程模型DEM数据的获取有多种途径，栅格地形图等高线矢量化方法也多种多样，在实际应用中应根据本单位和个人的现有条件及经济状况来决定采用哪种方式方法。数字高程模型DEM的应用主要表现在4个方面[10]：地形分析方面；体积、面积计算方面；选址与规划方面；管理应用方面。该模型DEM在林业上具有广泛的用途，除上面提到的应用实例外，在林区建设填挖土石方计算以及水土保持、水源涵养、更新造林规划设计等方面也有较高的应用价值，通过可视域分析建立森林防火可视域效果图[14]，能够为森林防火扑救和指挥、决策提供科学依据。随着虚拟现实技术VR的不断发展，应用三维可视化技术实现动态仿真变成可能[15]，将DEM描述的场景坐标系转换成为视点坐标系，建立立体地形图，结合数字林相图的着色和配准以及树种处理，还可以合成虚拟林相图，相当逼真地表达出地形地貌和森林、活立木的景观特点[16]。数字高程模型DEM对真实场景的表现毕竟有其局限性，通过叠加数字正射影像DOM（经过处理纠正的航片或卫星影像图）、矢量图层和导入Arcgis软件自带或SketchUp、3dsmax等软件创建的三维模型，可进一步增强地形可视化的空间立体感[17]。基于DEM的三维空间分析，由于受到分析窗口近视的制约，无法完整展示特定比例下的地形全景，在一定程度上限制了其应用的广度与深度，亟待从技术上解决、突破[10]。