基于ArcScene的太原市三维地表可视化研究

刘耀龙，冯国瑞，康颖卿，薛 晔，张华明

（1.太原理工大学a.科技处；b.经济管理学院；c.矿业工程学院，太原 030024；2.山西省雷电防护监测中心，太原 030002)

三维地表可视化作为数字化区域中一个极为重要的研究方面，是在计算机上将数字地形模型与地表真实信息融合并进行逼真的三维显示。它用直观、形象、多时角、多层次的方法真实反映研究区内复杂的地形地貌和人文要素，在城市规划、土地利用、防洪减灾及宏观地形地貌分析和地质构造等领域发挥重要的作用［1-3］。太原市是山西省的省会，濒临汾河，三面环山，是山西省的政治、经济、文化、教育、科技、交通和信息中心。本文以太原市辖的六区（小店区、迎泽区、杏花岭区、尖草坪区、万柏林区、晋源区)三县（清徐县、阳曲县、娄烦县)一市（古交市)为研究范围，构建基于ArcScene场景的三维地表模型，并实现虚拟现实景观的可视化。

1 数据来源

1.1 地形数据

太原市数字高程模型（digital elevation model，DEM)数据来源于ASTER GDEM（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型)［4］，其空间分辨率为1弧秒×1弧秒（约30m×30m)［5］，目前已经发布第二版（2011年)，其地形分辨效果显著增强［6］。原始数据存储格式为Geo TIFF，空间范围为E110°59′59.5″-114°0′0.5″，N36°59′59.5″-39°0′0.5″，空间参考系统为 GCS-WGS-1984，数据大小为438MB。

1.2 地表影像

太原市地表影像来源于美国陆地卫星7（LANDSAT-7)ETM＋（Enhanced Thematic Mapper)卫星数据。原始数据拍摄时间为2007年09月23日，存储格式为Geo TIFF，轨道号为 WRS-2125／034，空间参考系统为WGS-1984-UTM-Zone-49N，数据大小为589MB。ETM＋数据的地面分辨率为30m，其中，第6波段分辨率为60m，第8波段分辨率为15m［7］。

2 研究方法

2.1 二维地形模型

太原市DEM模型构建包括矢量数据采集、空间属性赋值以及表面模型创建等步骤（图1)。通过ArcCatalog创建Shapefile文件，运用ArcGIS中Editor模块数字化并赋属性值完成太原市区划多边形图层。运用Data Management Tools模块中的栅格数据拼接工具（Mosaic To New Raster)对ASTER GDEM的6幅Geo TIFF数据进行拼接处理。运用Spatial Analyst Tools模块的栅格数据裁切工具（Extract by Mask)提取太原市地形数据。在ArcMap环境下加载太原市DEM数据，经过地图整饰生成太原市二维地形模拟图（图2)。

图1 太原市三维地表可视化技术路线

图2 太原市二维地形（DEM)模拟图

2.2 遥感影像加强

太原市ETM＋多波段影像组合运用ERDAS IMAGINE中Image Interpreter模块的多波段数据组合工具（Layer Stack)依次选取波段3、波段2和波段1加以组合，生成真彩色合成图像［8］。在ArcMap环境下运用栅格数据裁切工具提取太原市地表真彩色卫星影像图（图3-a)。运用同样的方法，分别生成波段4、波段3和波段2组合的标准假彩色图像（图3-b)，波段5、波段4和波段3组合的近自然彩色合成图像（图3-c)和波段4、波段5和波段1组合的信息量最丰富的组合图像进行对比（图3-d)。

2.3 三维地表模拟

在ArcScene环境下，加载太原市区划和居民点图层、太原市DEM数据和4种ETM＋多波段组合影像数据，设置图层的夸大系数、坐标系统、背景颜色、光照和透明度等参数，调整卫星影像的基准高程、夸张系数、高程分辨率、渲染拉伸效果等，生成不同效果的太原市三维地表实景模拟图（图4)。

3 研究结果

3.1 二维地形模拟

太原市地形总体呈现出两边高、中间低的空间态势（图2)，地形高度分布在660～2645m之间，其中1000m以下区域面积为1.69km2，占总面积的24.19%；1000～1500m区域面积为3.70km2，占总面积的52.96%；1500～2000m区域面积为1.55km2，占总面积的22.17%；2000m 以上区域仅为0.05km2。太原市DEM模型可以进一步提取地表坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、地表阴影等因子［9］，估算地形粗糙度、地形起伏度用于区域宏观地形与微观地形特征分析。通过对地形断面提取，观察不同坡面地形高度分布状况，为工程（如公路、铁路、管线工程等)设计与施工提供参考；针对地表某点的可视性分析在通讯、军事、房地产等应用领域有着重要意义。此外，结合ArcGIS水文分析模块（Hydrology)，可以开展基于DEM的区域地表水文分析，具体包括提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络以及流域分割等方面。

3.2 地表影像对比

通过对4种不同波段组合的太原市ETM＋卫星影像的对比分析，真彩色合成图像合成一幅与肉眼所见的色彩情况基本吻合的影像（图3-a)，即ETM＋3赋予红色，ETM＋2赋予绿色，ETM＋1赋予蓝色。深绿色区域反映出植被信息，蓝色区域反映出水体分布状况，浅白色区域反映出人造地物类型，但其视觉分辨效果较差。太原市标准假彩色图像组合波段依次为ETM＋4赋予红色，ETM＋3赋予绿色，ETM＋2赋予蓝色（图3-b)，地物颜色呈现出显著差异，视觉分辨状况较好。红色区域反映出植被类型和分布，蓝色区域反映出水体信息和人类活动聚居地地物特征。

ETM＋波段5、波段4和波段3组合形成的近自然彩色合成图像（图3-c)既能体现出不同地物类型的色彩反差，又能够反映出比较接近真实地物颜色的效果，适用于非遥感应用专业人员使用。绿色区域为植被分布，粉红色区域反映出植物含水量和地表土壤湿度状况，蓝紫色区域则是人类活动比较集中的体现。考虑到人眼最敏感的颜色是绿色，其次是红色、蓝色，将绿色赋予方差最大的波段。故而，将波段4、波段5、波段1分别赋予红色、绿色、蓝色合成的图像色彩反差明显，层次丰富，而且各类地物的色彩显示规律与常规合成片相似，符合过去常规片的目视判读习惯，反映出的地表信息量最为丰 富（图3-d)。

图3 太原市多波段卫星影像（ETM＋)合成图

3.3 三维地表可视化

综合考虑三维地表模拟图像质量和视角评价（图1)，选取标准假彩色和近自然彩色合成图像进行太原市三维地表实景模拟（图4)。可以看出，叠加了地形高度信息的ETM＋卫星影像更加形象、直观地反映了太原市辖区域自然地形地貌、水体植被的分布状况；同时，不同时期三维影像实景图像清晰地反映出了人地关系的激烈化——城市化进程的空间范围和时间效应。对太原市三维地表模拟图的进一步分析，可为城市宏观发展、人口迁移模拟、经济政策制定、区域旅游规划提供决策支持。

4 结论

地理信息系统（GIS)及三维可视化技术的发展为区域三维地形景观构建与模拟提供成熟、可行、简便的操作平台。基于DEM二维模型和具有空间属性的ETM＋卫星影像，在ArcScene环境下构建太原市三维地表实景模拟图，其视觉效果良好，可为进一步图像处理与数据挖掘提供基础。二维地形模拟主要用于地表要素的空间分析、运算与表达，三维地形实景则是地表事物定量运算的形象化反映，为计算机运算与人类判读提供良好的互动效果。

图4 太原市三维地表实景模拟图

本文试图对比不同波段组合影像的三维地表视觉效果，受到数据来源、空间分辨率差异、GIS软件模型误差等因素的影响，缺乏定量化的地物信息提取与对比。此外，三维实景动态漫游与快速生成也是ArcScene软件的重要组成部分，二维地图与三维场景的交互与数据管理有待进一步研究。

［1］郑著彬，任静丽.基于ETM＋遥感影像的三维地形可视化实现［J］.计算机与数字工程，2010，38（5)：119-121.

［2］肖海红.基于 ArcScene的三维地形可视化及其应用［J］.工程地质计算机应用，2007（3)：12-16.

［3］侯欢欢，姚宏伟，杨方廷.基于 ArcGIS的三维地景动态生成方法［J］.太原理工大学学报，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］党安荣，王晓东，张建宝.ERDAS Imagine遥感图像处理方法［M］.北京：清华大学出版社，2009：59-63.

［9］汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］.北京：科学出版社，2006：183-193.