基于ArcGIS的DEM生成方法及应用基于Ar
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基于ArcGIS的DEM生成方法及应用
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ArcGIS地形分析--TIN及DEM的生成,TIN的显示练习数据
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3秒自动关闭窗口基于ArcGIS的DEM信息提取及应用分析
作者：陈思旭&&|&&发表于：
摘要：DEM（数字高程模型）包含了丰富的地形、地貌等信息，能够反映不同空间分辨率下的地形特征。本文通过矢量数据，利用ArcGIS的3D&Analyst模块生成DEM数据，并应用spatial&analyst模块对生成的DEM数据进行坡度、坡向等地形特征的应用分析。关键词：ArcGIS；DEM；应用分析1.引言&&&&&&&&DEM（Digital&Elevation&Model,&简写DEM）数字高程模型描述了地面信息，可以详尽地表达多种地面信息，在测绘、水文、气象、地质、地貌、土壤等自然科学领域，甚至是军事和国民经济领域都有着广泛的应用。如工程建设，可用于土方量的计算；自然灾害抗洪，可进行水文分析譬如汇水区、水系网络、降雨分析、侵蚀潜在分析等；无线通讯，可应用蜂窝电话的基站建设分析等。&&&&&&&&DEM是一定范围内规则格网点的平面坐标（X,Y）及高程（Z）的数据集，是数字地形模型（Digital&Terrain&Model,&DTM）的一个重要分支。DTM数据主要描述包括了高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向等，而DEM是单纯地描述高程信息的模型，其他的地貌信息（如坡度、坡向等）可以通过计算DEM数据进行派生。建立DEM的主要方式有：（1）直接总地面测量，例如GPS、全站仪、野外测量等。（2）根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测、数字摄影测量等。（3）从现有的地形图采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集，然后通过内插生成DEM。DEM内插的方法多样，有分块内插、部分内插和单点移面内插等。通常可通过等高线和高程点建立不规则的三角网（Triangular&Irregular&Network,&TIN），在TIN的基础上通过线性和双线性内插建立DEM。&&&&&&&&传统方法对高程、坡度、坡向等进行统计和分析，耗时长、工作量大、精度低。尤其是坡度组成的计算，用人工方法的精度低、效率低，为解决这些弊端，可应用地理信息系统软件对DEM数字高程模型进行数字化处理，得到的数据信息准确、合理、多样，简便。ArcGIS是美国ERSI公司的商用地理信息系统软件，为一个或多个用户在桌面、服务器、web和野外移动设备上使用GIS提供了完整，可伸缩的框架。ArcGIS可以用来创建和使用地图、编辑地理数据、管理数据库中的地理信息、分析地理信息、共享和显示地理信息、在一系列应用程序中使用地图和地理信息。结合计算机的ArcGIS为地理信息的提取和相关应用提供了快捷高效的方式，对处理DEM模型提供了众多模块和相应的数学模型。2.研究材料与原理&&&&&&&&实验数据：矢量图层：高程点Elevpt_Clip.shp，高程Elev_Clip.shp，边界Boundary.shp，洱海Erhai.shp。（下载地址：）&&&&&&&&DEM是对地形地貌的一种离散的数学表达，是对地面特性进行空间描述的一种数学方法、途径，其应用遍布整个地学领域。本文应用ArcGIS&desktop&9.3——ArcMAP对数据材料的矢量图层生成相关的TIN和DEM数据，应用模块为3D&Analyst。3.研究方法3.1&DEM生成方法&&&&&&&&利用ArcGIS加载3D&Analyst模块，对已经下载准备好的高程点、等高线等矢量数据，生成TIN，再由TIN转成DEM数据。3.2坡度、坡向等应用分析&&&&&&&&利用ArcGIS加载Spatial&Analyst（空间分析模块），由3.1的方法生成的DEM，由slope提取出坡度，可以对坡度进行重分类，然后对该数据层的属性数据进行统计和分析；利用Aspect对DEM数据进行坡向的提取。4.研究实例4.1&DEM生成操作流程（1）勾选Tools→Extensions→Spatial&Analyst和3D&Analyst模块，为DEM的生成和派生应用作准备。（2）在ArcMAP里加载矢量图层：高程点Elevpt_Clip.shp，高程Elev_Clip.shp，边界Boundary.shp，洱海Erhai.shp。如图4-1。图4-&1&矢量数据图层加载（3）打开ArcToolBox，3D&Analyst&Tools→TIN&Creation→Create&TIN，创建一个新的TIN图层，此图层没有属性；再利用edit&TIN结合四个矢量文件，最终形成有属性的TIN。如图4-2。图4-&2&生成TIN数据（4）3D&Analyst&Tools→Conversion→From&TIN→TIN&to&Raster。将TIN转换成Raster，即转成DEM文件，保存DEM文件的路径和Raster分辨率的大小，本文设置为50*50。如图4-3。至此TIN和DEM数据都已经生产完毕，余下操作可对TIN进行拓展显示，本文不做相关介绍。图4-&3&生成DEM数据4.2坡度、坡向等应用操作流程（1）由于已经加载好了Spatial&Analyst空间分析模块，可以鼠标右击ArcMAP窗口调出空间分析模块的快捷工具栏，也可以在ArcToolBox中的Spatial&Analyst&Tools→Surface→slope（Aspect）。（2）对生成的DEM数据进行坡度计算，因为坡度有百分比坡度和度数坡度，因此本文选择了度数坡度进行相关计算，空间单元大小，即分辨率设置为50*50。如图4-4。图4-&4&生成坡度图（3）对生成的DEM进行坡向计算，按照坡向计算的原理（2.研究材料与原理中的解释），可以知道north（0~22.5°，337.5~360°），northeast（22.5~67.5°），East（67.5~112.5°），Southeast（112.5~157.5°），south（157.5~202.5°），southwest（202.5~247.5°），west（247.5~292.5°），Northwest（292.5~337.5°）。如图4-5。图4-&5&生成坡向图（4）坡度的重分类和相关统计。运行Spatial&Analyst&Tools→Reclass→Reclassify，对生成的坡度进行重新分类，便于观察和统计。将坡度图输入成GRID格式文件，采用Reclassify工具，按照六类：1（0~5°），2（5~8°），3（8~15°），4（15~25°），5（25~35°），6(&35°)进行重采样。将重采样后的栅格属性导出.dbf为Excel表，并对坡度分级进行统计。见表4-1，如图4-6。表4-&1&坡度分级表图4-&6&坡度重采样5.研究结语&&&&&&&&ArcGIS的空间拓展模块，与传统方法相比较能快捷地、方便地生产出DEM数据和基于DEM数据的派生计算，并由此可以带来丰富的计算成果。其优点如下：1.分析结果误差减少。分析结果可以满足用户的对精度（分辨率）、尺度的要求，减少了分析结果的随机性、多样性所产生的误差，减少了主观人为因素的影响。2.工作效率很高。计算和分析过程都是由计算机处理，效率高、速度快、结论精确合理，可用性较强，减少了人为因素对数据分析造成的误差影响。&&&&&&&&ArcGIS对空间数据的处理和分析、查询、统计、出图以及计算等具有较为强大的功能支持，为DEM数据的应用提供了方便快捷的方法。参考文献[1]李刚等,ArcGIS环境下基于DEM的信息提取及应用[J],吉林地质,）：163-167.[2]刘志平等,基于ArcGIS的DEM生成方法及应用[J]，地理空间信息,）：69-70.[3]劳黑炭,ArcGIS地形分析——TIN及DEM的生成、TIN的显示,百度经验.[4]劳黑炭,&ArcGIS教程之DEM的应用（坡度坡向、提取等高线等）,百度经验.&您的位置： &
利用ArcGis生成DEM并制作坡度图的方法→ 数字高程模型（DEM）的构建及其在城市规划中的应用
&&共有<b style="color:#ff人关注过本帖主题：数字高程模型（DEM）的构建及其在城市规划中的应用
精度很高，但效率较低、成本较高，不易更新
应用于小范围区域，特别的工程项目或内插DEM的检测
地形图数字化
精度取决于地形图比例尺，效率较高、成本较低，但数据更新具有周期性
应用于中小比例尺DEM的制作
精度较高，效率较高，但成本较高，数据更新具有周期性
应用于国家乃至全球范围的数据采集
立体遥感（spot等）
数据更新快，精度较低，效率较高，成本较低
国家乃至全球范围内的数据采集
激光扫描、干涉雷达
数据更新很快，精度很高，效率较高，但成本较高
高分辨率的各种应用
2.2 DEM生成方法
&&& 通常在城市规划中收集到的资料是AutoCAD格式的矢量地形图。利用GIS软件可以从地形图中提取出标高点、等高线、河流、水库等信息。根据提取的信息和应用方向的不同，选择不同的插值方法生成DEM。
1）由高程点直接插值成规则格网DEM
当地形图中等高线较破碎或者等高线的高程属性数据与高程标注不一致时，可以将高程标注点转为点图层，从点图层直接插值成DEM，ArcGIS的空间分析模块和3D模块都提供了由高程点插值成栅格图的方法，包括反距离加权插值法（IDW）、样条插值法（spline）和克里格插值法（kriging）等。当采样点足够密集，能够表现区域地形变化情况时可以选用反距离加权插值法；样条插值法采用一种数学函数来估计高程值，它会最小化表面的曲率，生成精确通过采样点的一个平滑渐变的曲面，但估计值可能会超出采样点的高程值范围；克里格插值法则适合于采样点中有着距离或方向上的空间相关性时使用[3]。在具体工作过程中，要根据数据情况选择合适的插值方法生成DEM数据。
2）由高程点、等高线等插值成不规则三角网（TIN），再转为规则格网DEM
ArcGIS的3D模块中提供了由点、线、面等共同插值成TIN的方法。将等高线和高程点作为mass points，水系作为硬断线（hard line），用create tin命令生成不规则三角网，再由tin to raster命令将TIN转换为规则格网DEM。该方法生成的DEM的插值数据不会超出采样点的高程值范围，是目前生成DEM的常用方法。
3）使用topogrid命令，由高程点、等高线、湖泊、河流等插值成规则格网DEM
当将DEM用于水文分析时，使用上述方法常会出现伪下陷区域，且生成的汇水区盆地较碎，而使用ArcGIS的topogrid命令生成的DEM数据能够较好的反映区域的流域特征。将高程点、等高线、河流沟渠、湖泊水库等作为初始条件输入，系统将使用有限次重复内插技术，生成输入图层边界范围内以Lake作为最低高程的DEM。
3 DEM在城市规划中的应用
&&& DEM数据是城市规划重要的基础数据，利用GIS的分析功能，对DEM数据进行各种空间分析，可以应用于城市规划的多个方面，如用地评定、水源保护区划分、水系规划、景观规划以及规划方案的三维效果显示等等。
3.1 地形分析
&&& 利用ArcGIS的空间分析功能，可以对DEM数据进行表面特征提取，如等高线提取、坡度提取、坡向提取等。对提取出的坡度特征，可以用于分析规划区的水土流失敏感性、城市建设的适宜性；提取的等高线和坡度分布信息，可以作为规划道路选线的依据；提取的坡向信息，可以作为城市建设用地布局以及人工林草建设的参考依据。
在《大连城市发展规划环境影响评价》中，大连市市域范围内分布着很多山地，其地貌高程和坡度条件是城市开发建设的主要限制条件之一。根据建设用地和水土保持等方面的要求将土地按坡度划分适宜性等级；结合大连市现状和发展规划中用地分布情况及地貌高程情况，将土地按高程划分适宜性等级；再与水文气象、工程地质、自然保护区、土地利用现状、基本农田保护区等因子共同叠加计算，得到大连市建设用地的综合生态适宜性分级图，以此作为评价大连城市发展规划用地布局的依据之一。
此主题相关图片如下：图1 大连市土地建设适宜性分级图.jpg
图1 大连市土地建设适宜性分级图
3.2 汇水分析
&&& 利用ArcGIS的水文分析模型，对Dem数据进行流向（flowdirection）、汇水区盆地（basin）和流域范围（watershed）的提取，从而得到一级水源保护区和二级水源保护区的划定界线；利用水文分析模型，还可以提取规划区的水系（stream），作为水系规划的参考。
&&& 在《库车城乡发展战略研究》中，库车县城内仅城市外围有两条河流，城区内部缺少公园水景，需营造一定面积的水体景观，以调节当地小气候，提高人们的生活舒适度。根据已有的高程点和渠系数据，使用Arc下的topogrid命令建立DEM数据，在生成DEM的同时输出水系数据（stream polyline feature），从而得到规划区内现有河流以及地势上可能形成的河流，然后根据规划区内水系现状、大气污染分析和地下水位分析，结合路网、绿化带确定营造水系水景的位置。
此主题相关图片如下：图2图3.jpg
图2 库车县城汇水网络与水系分区图
图3 库车县城绿地水系示意图
3.3 洪水淹没区分析
&&& 根据DEM高程及河流的水文监测数据，可以分析不同频率洪水的淹没范围；结合防洪堤建设情况，可以对拆建防洪堤的洪水淹没情况进行情景模拟，以此指导防洪规划和城市的用地布局。
&&& 在《南昌经济技术开发区总体规划》（）中，南昌经济技术开发区位于赣江西岸，赣江流域水量丰富，径流年内分配很不均匀，流域内水涝灾害较为严重，因此，防洪工程非常重要。根据南昌站测得的各频率洪水位情况以及现有防洪堤情况，通过DEM数据叠加分析，得到不同频率洪水出现时的淹没情况（如图4所示），以此判断，当遇到10年一遇洪水时，基本不会对城市构成威胁，当遇到20年一遇（或更低频率）洪水时，将有部分地区被淹，因此，被淹地区不应布置重点工程，或者应加强防洪堤建设。
此主题相关图片如下：图4图5.jpg
图4 南昌经济技术开发区防洪图
图5 马坡东北区可视区分析图
3.4可视性分析
&&& 可视性分析包括两种，一种是可视区分析（Viewshed Analysis），用以确定从一个或多个观察点可以观测到的区域；另一种是通视性分析（Line of Sight），判断从一个观察点是否可以看到目标物。可视区分析可用于景观规划中观景台、服务设施等建筑物的选址，消防规划中了望塔的选址，以及城市详规中搂层高度的确定等。通视性分析应用于城市规划中的道路规划等。
&&& 《马坡城市详细规划》中，根据规划后的建筑物、公路等标高构建DEM图，分析不同位置不同搂层的可视区，以此判断规划的合理性以及规划后不同区位的景观效果。
3.5 三维分析
&&& DEM数据是虚拟现实的重要的基础数据。用生成的DEM数据，可以直接拟合真实地形，与规划区的遥感数据叠加时，可以直观显现当地的地貌特征，与规划道路、用地布局等叠加时，则可以直接体现城市规划的效果。
此主题相关图片如下：图6 北京市房山区规划效果图.jpg
图6 北京市房山区规划效果图
&&& DEM数据含有丰富的地形、地貌和水文等信息，通过构建DEM数据，利用GIS软件的相关分析功能，从 DEM中提取各种信息。可以用于城市规划中的用地评定、水源保护区划分、水系规划、景观设施选址等方面的工作。另外，将DEM与其他数据进行叠加，能够在三维视图下更加形象生动的展现规划成果。
参考文献：
[1]邬伦等. 地理信息系统－原理、方法和应用. 北京. 科学出版社. 2001.
[2]李志林. 朱庆. 数字高程模型. 武汉. 武汉测绘科技大学出版社. 2000.
[3]孙朝阳. ArcGIS空间分析教程. ArcGIS地理信息系统培训系统丛书. 2002.
作者简介：
吕春英，女，北京清华城市规划设计研究院环境与市政研究所
佟庆远，男，北京清华城市规划设计研究院环境与市政研究所所长
李王锋，男，北京清华城市规划设计研究院环境与市政研究所
赵冬泉，男，清华大学环境系博士，北京清华城市规划设计研究院环境与市政研究所
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