第九届GIS技能应用大赛试题技术文档 -上午

1 项目概述

1.1 项目要求

    如图1.1-1所示为雷尼尔山国家公园 。根据题目要求，现有一份雷尼尔山国家公园地形图的一部分扫描图，需要利用该扫描图制作三维模型用来分析和展示。

图1.1-1 雷尼尔山国家公园 （1）具体任务要求如下，     ①任务一：使扫描图有正确的坐标值和坐标系；
    ②任务二：绘制冰川区域、等高线、高程点和河流数据；
    ③任务三：创建 DEM 数据（20 米分辨率）并制作地形图；
    ④任务四：创建该地区三维模型。
（2）已有数据说明如下，     如图1.1-2为雷尼尔山国家公园的扫描地形图topo_map.jpg，对该数据的解读如下，
    ①雷尼尔山国家公园位于美国华盛顿州，地理坐标系是WGS1984，投影是UTM分度带投影；
    ②雷尼尔山国家公园的经度范围在 西经121度-西经122度之间；
    ③扫描图上的高程值单位是英尺，1英尺=0.3048米。

图1.1-2 雷尼尔山国家公园地形扫描图 （3）数据提交要求如下，     ①提交所有中间数据、最终结果数据、工作文档，存放在\A上午\结果文件夹中；
    ②工作文档应包括解题思路、解题过程说明和结果等内容，解题过程说明中，关键步骤附图说明；
    ③请将A上午文件夹重命名为“A上午+小组编号”，如“A上午0111”。

1.2 项目分析

    根据题目要求、所给数据及其分析要求，对项目中的四个任务进行了详细分析，使用ArcGIS软件操作平台对数据进行分析处理，以解决各个目标任务。所作详细分析如下，     （1）数据预处理，使扫描图有正确的坐标值和坐标系。首先，结合已知地理坐标系信息、投影分带和纬度信息，计算知雷尼尔山国家公园地形图采用UTM投影，位于11号投影分带位置；其次，使用ArcMap的“数据管理工具-->投影和变换-->定义投影工具”，为扫描图定义坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_10N；再次，结合扫描图的方里格网和左上角交叉点坐标值信息，设定3个控制点并计算其坐标值，使用地理配准工具完成地形图的坐标值纠正过程；最后将处理完毕的扫描图导出，将其命名为TopMap，保存在GeoDataBase中。
    （2）数字化处理，主要是：绘制冰川区域、等高线、高程点和河流数据。首先，在GeoDataBase中建立dataSet要素数据集，并结合题意，在该要素数据集下为冰川区域、河流、等高线、高程点新建要素类；其次，为等高线和高程点添加“高程”字段，用于属性值录入；再次，使用“创建要素”工具，依次选中的要素模板，并使用构造工具完成地图的数字化。
    （3）DEM创建与地形图制作。首先，使用“3D Analyst工具-->数据管理-->TIN-->创建TIN工具”，将（2）中的数字化结果中“等高线和高程点”矢量数据作为输入要素，创建不规则三角网-TIN；其次，使用“3D Analyst工具-->转换-->由TIN转出-->TIN转栅格”，将创建好的TIN作为输入TIN，并将采样距离设置为CELLSIZE 20，创建得到分辨率为20米的DEM栅格数据；最后，根据已有的矢量数据和DEM栅格数据，配合文本标注、文本放置属性、文本掩膜设置、插入文本等工具，重新制作地形图，并使之与原始地形图进行保持一致，得到处理结果。
    （4）创建三维模型。首先，在ArcScene中加载创建好的DEM和TopoMap地形图，并将DEM图层的自定义浮动表面设置为其本身，使其；其次，使用“3D Analyst工具-->转换-->由栅格转出-->栅格范围”工具，提取栅格的以线要素和面要素表示的范围边界，并将线要素拉伸作为三维模型的侧面，将面要素的高程值设置为常量，使其作为三维模型的底面；再次，将TopoMap.jpg栅格的自定义浮动表面设置为DEM；最后得到雷尼尔山国家公园的三维模型。

2 技术路线

    详细的技术路线如图2-1所示。

图2-1 技术路线流程图

3 数据准备

    已有数据为如图1.1.-2所示的雷尼尔山国家公园的扫描地形图topo_map.jpg，其具体信息如下，
    ①雷尼尔山国家公园位于美国华盛顿州，地理坐标系是 WGS1984，投影是 UTM 分度带投影。
    ②雷尼尔山国家公园的经度范围在西经121度-西经122度之间。
    ③扫描图上的高程值单位是英尺，1英尺=0.3048米。
    ④该扫描图不包含空间参考信息，既无基准面，亦无XY坐标信息；波段数为3，像素类型为无符号整型、位深为8；像元大小为：7.1323752 * 7.125591。

4 项目实施

4.1 数据预处理

    此部分目标任务为：使扫描图有正确的坐标值和坐标系。

4.1.1 操作分析

    此部分操作所使用的软件为ArcMap。
    （1）已知雷尼尔山国家公园的地理坐标系是 WGS1984，投影是 UTM 分度带投影。雷尼尔山国家公园的经度范围在 西经 121 度-西经 122 度之间。因此，可推算该地区位于UTM-10号投影分带位置；
    （2）由于现有栅格数据不带有投影信息，故应使用定义投影工具为其定义投影坐标系：WGS_1984_UTM_Zone_10N；
    （3）由于扫描图上的方里格网间隔已知，为2km；左上角的交叉点坐标值已知，为（596000,5194000）；且当前数据框所使用显示单位为米（如图4.1.1-1所示）。故可由此推算用于地理配准的其它控制点的坐标值。

图4.1.1-1 数据框属性-显示单位

4.1.2 操作流程

    （1）为扫描图定义投影信息。由于该地形图空间参考信息未知，如图4.1.2-1所示，故使用ArcMap的“数据管理工具-->投影和变换-->定义投影工具”，将已有栅格数据top52o_map.jpg作为输入数据集，将坐标系设置为WGS_1984_UTM_Zone_10N，如图4.1.2-2所示。处理结果的空间参考信息如图4.1.2-3所示。

图4.1.2-1 定义投影前-空间参考信息

图4.1.2-1 定义投影

图4.1.2-3 定义投影后-空间参考信息

    （2）地理配准。首先，根据方里格网间隔值和左上角交叉点坐标值计算另外3个角的交叉点点的坐标值分别为：右上角交叉点坐标（606000，5194000）、左下角交叉点坐标（596000，5192000）、右下角交叉点坐标（606000，5192000），将这4个点都作为控制点；其次，点击地理配准工具条中的添加控制点工具，添加4个控制点并输入其坐标值，如图4.1.2-4所示；再次，点击更新显示工具，更新当前窗口，并打开链接表，使用一阶多项式变换，并查看RMS总误差，如图4.1.2-5所示。最后，点击地理配准工具条中的更新地理配准，将配准结果进行保存。

图4.1.2-4 添加控制点

图4.1.2-5 查看链接表-计算RMS总误差

    （3）导出正确的地形图数据。首先，在“D://GIS_Contest//上午//结果”路径下新建result.gdb数据库；其次，在图层列表中右键topo_map.jpg，使用“数据导出数据”工具，将名称设置为TopoMap.jpg，然后将经过地理配准的扫描图数据存储到result.gdb中。

图4.1.2-6 导出栅格数据

图4.1.2-7 导出结果

4.1.3 操作结果

    经过上述操作流程，得到了如图4.1.3-1所示的空间参考信息定义结果、如图4.1.3-2所示的地理配准结果，其中，地理配准时的RMS误差表信息如图4.1.3-3所示。

图4.1.3-1 空间信息定义结果

图4.1.3-2 地理配准结果

图4.1.3-3 地理配准-RMS误差表

4.2 数字化处理

    此部分目标任务为：绘制冰川区域、等高线、高程点和河流数据。

4.2.1 操作分析

    此部分操作所使用的软件为ArcMap。
    （1）结合题目要求，通过目视判读地形图可知，数字化过程中，
        ①冰川区域的几何类型为面；
        ②河流、等高线的几何类型为线；
        ③高程点的几何类型为点。
    （2）题目中对于地物数字化内容与结果属性信息的要求如下，
        ①冰川区域和河流不需要额外添加字段；
        ②等高线只需要绘制记曲线（即加粗的等高线），需要为其添加高程值属性；
        ③高程点需添加高程值属性字段。
    （3）通过目视判断，可知等高线记曲线之间的等高距为400米，该信息可用于计算未被标注高程值的等高线对应的高程值。
    （4）由于原始地形图中的高度单位为英尺，而地图文档中显示单位为米，因此在对高程值录入时，需要进行高度单位的换算。（1英尺=0.3048米）

4.2.2 操作流程

    （1）新建dataset要素数据集。在result.gdb数据库下新建要素数据集，名称为：dataSet，并将其投影坐标系设置为WGS_1984_UTM_Zone_10N，接受默认分辨率和属性域范围，完成要素数据集的创建。

图4.2.2-1 新建要素数据集-设置XY坐标系

    （2）创建要素类。在创建好的dataSet要素数据集下创建4个要素类，分别为：冰川区域（几何类型为面）、河流（几何类型为线）、等高线（几何类型为线）、高程点（几何类型为点），最终数据库的结构如图4.2.2-2所示。

图4.2.2-2 当前result.gdb数据库结构

    （3）手工矢量化。首先，点击编辑器工具中的开始编辑，使其处于编辑状态；其次，点击创建要素工具，依次选中如图4.2.2-3所示的4个要素模板，并使用构造工具完成其数字化工作；再次，根据录入的、以英尺为单位的高程点和等高线高程值，使用字段计算器计算以米为单位的高程值如图4.2.2-4所示（VB脚本计算公式为：“[高程英尺] *0.3048”）；最后，得到的数字化结果如图4.2.2-5-4.2.2-8所示。

图4.2.2-3 要素模板和构造工具

图4.2.2-4 高程值单位换算

图4.2.2-5 高程点-数字化结果

图4.2.2-6 河流-数字化结果

图4.2.2-7 冰川区域-数字化结果

图4.2.2-8 等高线-数字化结果

4.2.3 操作结果

    经过上述操作流程，得到了如图4.2.3-1、4.2.3-2所示的地图数字化结果，地图数字化完毕时result.gdb数据库的结构如图4.2.3-3所示。

图4.2.3-1 地图数字化结果-手工矢量化

图4.2.3-2 地图数字化结果-属性表信息

图4.2.3-3 数据库结构

4.3 DEM创建与地形图制作

    此部分目标任务为：创建DEM数据并制作地形图。

4.3.1 操作分析

    此部分操作所使用的软件为ArcMap。
    （1）创建DEM栅格数据的主要思路为：首先，根据已有的等高线和高程点矢量数据创建不规则三角网TIN；其次，由TIN转出栅格，得到分辨率为20米的DEM栅格数据。
    （2）在创建不规则三角网TIN时，可将等高线和高程点同时作为数据源，即：输入要素，同时需要设置相应的、以米为单位的高程字段；在由TIN转出栅格DEM数据时，需要将采样距离设置为CELLSIZE 20。
    （3）在根据已有矢量和栅格数据制作地形图时，①由于河流和冰川区域无额外添加的属性字段，因此需要使用插入文本的形式为其添加标注；②由于在数字化地形图时，山峰未被矢量化，因此，需要使用插入文本的形式将其标注到地图上；③由于等高线的文本标注位于线上，并产生了掩盖效果，因此，需要为标注的文本设置放置属性位置“在线上”，并添加掩膜效果为“晕圈”。

4.3.2 操作流程

    （1）创建DEM栅格数据。首先，使用“3D Analyst工具数据管理TIN创建TIN”工具，将坐标系设置为WGS_1984_UTM_Zone_10N，将处理好的等高线_Dissolve、高程点矢量图层作为输入要素，创建如图4.3.2-2所示的不规则三角网-TIN；其次，使用“3D Analyst工具转换由TIN转出TIN转栅格”工具，将已经生成的TIN作为输入TIN，使用默认输出数据类型和方法，将采样距离设置为CELLSIZE 20，参数设置如图4.3.2-3所示；最后，得到如图4.3.2-4所示的分辨率为20米的DEM。

图4.3.2-1 创建TIN

图4.3.2-2 TIN创建结果

图4.3.2-3 TIN转栅格-参数设置

图4.3.2-4 由TIN转出栅格结果-DEM

    （2）使用已有矢量和栅格数据，重新制作地形图。首先，通过“插入文本”工具，在原始栅格地形图上分别找到山峰的位置、冰川区域与河流的文本标注位置，以文本形式标注并设置其标注字体、放置属性，使其和原始地形图基本保持一致，如图4.3.2-5所示；其次，在图层属性窗口勾选“标注此图层中的要素”，为高程点和等高线设置标注字段为“高程英尺”；再次，在等高线的图层属性窗口中，设置标注文本的字体颜色为棕色，在放置属性窗口中设置文本标注位置为“在线上”，在符号选择器窗口中，为文本标注设置掩膜样式为晕圈，使得标注文本位于等高线上，并产生压盖效果；最后，修改DEM栅格数据的色带，得如图4.3.2-6所示的处理结果。

图4.3.2-5 山峰、冰川区域与河流的文本标注

图4.3.2-6 重制地形图结果

4.3.3 操作结果

    经过上述操作流程，得到了如图4.3.3-1所示的DEM栅格数据，如图4.3.3-2所示的地形图重制结果。

图4.3.3-1 DEM栅格数据

图4.3.3-2 地形图重制结果

4.4 创建三维模型

    此部分目标任务为：创建该地区的三维模型。示例结果如图4.4-1所示，其表面为遥感影像，本试题中使用扫描地形图代替。

图4.4-1 示例结果

4.4.1 操作分析

    此部分操作所使用的软件为ArcScene。
（1）由于为DEM设置自定义表面之后，并不包含侧面和底面部分，因此，可先使用“栅格范围”工具提取栅格的边界线和底面，再将线要素拉伸、为面要素指定高程常量值，即可得到如图4.4-1所示的结果。

4.4.2 操作流程

    （1）设置DEM基本高度属性。打开ArcScene，并加载4.3中创建好的DEM数据，在DEM的图层属性窗口中选择“基本高度”选项卡，将“从表面获取的高程”设置为：在自定义表面上浮动，并选择自定义表面为该DEM自身，点击应用，得到如图4.4.2-3所示的处理结果。

图4.4.2-1 加载DEM

图4.4.2-2 设置DEM的基本高度

图4.4.2-3 使DEM浮动在自定义表面

    （2）提取栅格范围并执行拉伸。首先，使用“3D Analyst工具–>转换–>由栅格转出–>栅格范围”工具，将DEM作为输入栅格，输出要素类型选择LINE，得到如图4.4.2-5所示的、使用图层要素中的高程值的线要素；其次，在其图层属性窗口中，勾选“拉伸图层中的要素”，并设置拉伸值为1000，设置拉伸方式为“将其用作要素拉伸的拉伸数值”，得到如图4.4。2-6所示的拉伸结果。

图4.4.2-4 栅格范围-参数设置

图4.4.2-5 栅格范围提取结果-线要素

图4.4.2-6 线要素拉伸结果

    （3）获取底部面要素。首先，使用“3D Analyst工具–>转换–>由栅格转出–>栅格范围”工具，将DEM作为输入栅格，输出要素类型选择POLYGON，得到和DEM高度保持一致的面要素；其次，在其图层属性窗口中，选择基本高度选项卡，并修改“从要素获取的高程”为常量值1000；再次，为该面要素和（2）中生成的墙面设置颜色属性；最后，得到如图4.4.2-7（a）（b）所示的效果图。

图4.4.2-7(a) 侧面图

图4.4.2-7(b) 底面图

    （4）叠加地形图。将TopoMap.jpg地形图添加到ArcScene中，在其图层属性窗口中，选择基本高度选项卡，设置自定义浮动表面为DEM。得到如图4.4.2-8所示的雷尼尔山国家公园三维模型。

图4.4.2-8 雷尼尔山国家公园三维模型

4.4.3 操作结果

    经过上述操作流程，得到了如图4.4.3-1所示的雷尼尔山国家公园三维模型。

图4.4.3-1 雷尼尔山国家公园三维模型

5 项目成果

    （1）数据预处理。经过定义投影、添加控制点、地理配准与更新地理配准等步骤，得到了具有正确的坐标值和坐标系的扫描图TopoMap，如图5-1所示。此外，在执行地理配准时的RMS误差表如图5-2所示。

图5-1 地理配准结果

图5-2 地理配准-RMS误差表

    （2）数字化处理。经过手工矢量化和属性表信息录入等步骤，得到了如图5-3、5-4所示的地图数字化结果。

图5-3 地形图数字化结果-手工矢量化

图5-4 地图数字化结果-属性表信息

    （3）DEM创建于地形图制作。经过创建TIN、TIN转栅格、图层属性设置等步骤，得到了如图5-5所示的DEM栅格数据，如图5-6所示的地形图重制结果。

图5-5 DEM栅格数据

图5-6 地形图重制结果

    （4）创建三维模型。经过提取栅格范围、自定义浮动表面等步骤，得到了如图5-7所示的雷尼尔山国家公园三维模型。

图5-7 雷尼尔山国家公园三维模型