基于ArcScene的侵蚀沟三维立体可视化数据库的建立

贾宇飞，高 洁

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.漳卫南运河沧州河务局，河北 沧州 061000)

东北黑土区粮食生产在全国占有举足轻重的地位，每年向国家提供商品粮占全国的1/3。然而坡耕地侵蚀沟的存在正严重威胁着该区域的粮食生产。此外，坡耕地侵蚀沟使得农机具不能通过，影响机械耕作，阻碍农业现代化进程。东北黑土区地形开阔，机械化作业水平较高，然而坡耕地侵蚀沟的存在使耕地支离破碎，大型农机具无法横穿耕地，只能在侵蚀沟两侧绕行；侵蚀沟两侧5 m 左右的土地由于崩塌、裂隙及车辆碾压，也无法耕作[1]。鉴于东北坡耕地侵蚀沟的巨大危害，《全国水土保持规划(2013—2020年)》将东北黑土区侵蚀沟治理列为了全国水土保持规划重点治理项目[2]。

侵蚀沟三维显示有助于侵蚀沟治理规划。传统的侵蚀沟治理规划时，多在平面图中将实测侵蚀沟与地形图直接叠加，难以从三维空间角度清晰表达侵蚀沟与汇水区的地形关系。此外，垄作是东北地区农业生产的特征之一。垄作方向改变了地表微地形，顺坡或横坡的垄向起到了加速或减缓地表径流集中冲刷的作用，影响侵蚀沟发育[3]。而上述传统的地形图与侵蚀沟叠加的方法无法表达垄向，不利于侵蚀沟治理规划。因此，有必要发展能够将侵蚀沟道、地形图与高清遥感影像同时三维显示的数据库，可在计算机前“身临其境”地实施侵蚀沟治理规划，从而提高侵蚀沟治理规划的效率及准确性。

ArcScene是ArcGIS的3D数据可视化组件，能够将二维的地图叠加到三维的地形图上，从而将平面的地图以立体的方式进行展示[4]。因此基于ArcScene建立侵蚀沟及所在汇水区数据库，并对其进行三维立体显示，是建立侵蚀沟治理三维立体可视化数据库的途径之一。本文以北安农场的所有实测侵蚀沟为例，论述如何基于ArcScene来建立侵蚀沟三维立体可视化数据库。

1 数据准备

北安农场(E126°35′～47′，N48°10′～21′)隶属黑龙江省农垦总局北安管理局，地处小兴安岭南缘丘陵地带，地形起伏多变，河流、荒沟纵横交错。该农场耕地23 340 hm2，90%以上耕地属于漫岗地形。自1955年建场，垦殖率已达71.4%。由于大面积地毁林、毁草开荒，自然植被遭到严重的破坏，水土流失加剧，侵蚀沟发展威胁着该农场的农业生产。

为了方便对本场的侵蚀沟进行统一治理，2014年该农场详细调查了所有的坡耕地侵蚀沟，共计520条，并为每条侵蚀沟建立了纸质档案。基于这些档案建立了北安农场侵蚀沟三维立体可视化数据库。

2 耕地侵蚀沟野外调查

野外调查时对耕地中每条侵蚀沟进行了详细测量并拍照，包括沟头、沟尾及转弯处的经纬度、沟宽、沟长、沟深、沟的发展类型，以及周围农田状况等。调查工具有GPS、皮尺、测距仪、数码相机、对讲机、背包和记录本夹等。具体调查和测量过程如下：确定田间欲调查的侵蚀沟后，用GPS定位沟头、沟中、转弯处和沟尾的空间位置，用测距仪测量沟深、沟宽等，详细记录沟型、植被类型、耕地的基本情况等。

3 数据库的建立

3.1 制作北安农场遥感影像及地形图

谷歌地球中北安农场遥感影像是拍摄于2018年6月分辨率为0.6 m的Quickbird影像，目视效果较好。将北安农场边界的矢量文件叠加到谷歌地球上，使用水经注软件下载北安农场的遥感影像。下载的影像自动配准了WGS84椭球体。水经注软件可下载多个历史时期的遥感影像，目前有十余期，可供分析侵蚀沟发展或周边土地利用变化过程。北安农场已经购置了2010年左右的1∶10 000地形图。将纸质地形图扫描后，在ArcMAP中将每幅中每条等高线进行数字化，并配准相应投影坐标系。将矢量化后的等高线shape文件生成TIN文件，并生成栅格DEM。

3.2 建立侵蚀沟电子档案

依据野外调查结果，对每条侵蚀沟单独建档。档案包括侵蚀沟沟头、沟尾GPS坐标，宽度、深度、长度、坡降、沟型、沟旁垄向、植被类型，以及防治措施等。根据侵蚀沟所在的位置，在地形图上提取每条侵蚀沟的汇水区，并计算汇水区的面积、平均坡度等。每条侵蚀沟单独制作一页word文档。

3.3 侵蚀沟矢量化及数据表链接

在ArcMAP中将所有的GPS点展开，根据野外记录，将每条侵蚀沟的沟头沟尾GPS点连接，形成每条侵蚀沟的线矢量文件。依据侵蚀沟word表，给每条侵蚀沟线添加属性。根据侵蚀沟发展阶段、所处位置、适宜的治理措施等，将所有侵蚀沟分类，以便于归类显示与分析。

3.4 侵蚀沟、汇水区等数据三维可视化

首先是实现侵蚀沟线文件与word文档的超链接，从而在单击某一条沟线时能够打开相应的word文档[5]。在ArcScene中添加遥感影像、地形TIN及侵蚀沟线文件。打开侵蚀沟线文件的属性表，在“Layer Properties”→“Display”→“Hyperlinks”→“Support Hyperlinks using field”前打勾，并在下拉框中选择存储word文档位置的属性列。本实例中选择的是“路径”属性列。然后设置三维可视化效果。在遥感影像的属性中，在“Base Height”的“Elevation from surfaces”中将基础高程选择为添加的地形TIN文件，并在“Rendering”的“Quality enhancement for raster images”中修改为最高。此时可以看到遥感影像已经以地形TIN文件为基础而显示出三维效果。按照同样的方法，将侵蚀沟线文件也做类似的处理，显示三维效果。ArcScene根据TIN的高程范围及面积大小自动计算显示比例；此外也可通过在“Scene Properties”→“General” →“Vertical Exaggeration”中输入适当的数值，以使得汇水区表现得平缓或陡峭。本示例中设置值为2∶3。设置好比例后，即可对侵蚀沟及汇水区的三维显示效果进行浏览。使用鼠标或导航功能可实现三维立体图的方向、缩小及转动等功能。侵蚀沟及汇水区的三维立体显示效果如图1。

图1 北安农场侵蚀沟三维立体效果

此时已经建立了侵蚀沟三维立体可视化数据库。目前的实例中的数据有侵蚀沟位置、沟体信息以及汇水区的三维信息，能够实现三维数据浏览、漫游及飞行等功能。此外，可将所有侵蚀沟根据侵蚀沟发展的时期划分为“稳定”、“半稳定”和“发展中”多个图层，或者根据东北黑土区侵蚀沟分类标准[3]，将侵蚀沟划分为大中小类型，从而分类显示、规划设计。目前在三维数据库中能够直接观察到侵蚀沟的自然侵蚀环境，如地形、坡度，以及人为侵蚀影响，如垄向、农田路等。

4 结 论

本文应用黑龙江省北安农场520条侵蚀沟及汇水区的实测数据、遥感及地形数据，建立了农场的侵蚀沟三维立体可视化数据库，从而为侵蚀沟的分类治理提供良好的规划平台，并总结了数据库的建立过程。随着侵蚀沟测量技术的发展，诸如无人机快速建模、三维激光扫描等，侵蚀沟三维立体可视化数据库中也可添加更多的数据类型，以及更高精度的侵蚀沟及汇水区地形数据。因此，以三维立体显示实地情形的侵蚀沟三维立体可视化数据库在侵蚀沟治理、展示等方面将会得到更广的应用。