第九届全国大学生GIS应用技能大赛（A上午）

一、案例背景

  雷尼尔山国家公园是一座以雷尼尔山为中心的公园，雷尼尔山是美国最高的火山，拥有除了阿拉斯加以外最大的单一冰河以及最大的冰河系统。

   我们现在有一份雷尼尔山国家公园地形图的一部分扫描图。我们需要利用该扫描图制作三维模型用来分析和展示。

   任务一：使扫描图有正确的坐标值和坐标系。
   任务二：绘制冰川区域、等高线、高程点和河流数据。
   任务三：创建DEM 数据（20 米分辨率）并制作地形图。
   任务四：创建该地区三维模型。

二、数据说明

  1.topo_map.jpg：雷尼尔山国家公园的扫描地形图。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。雷尼尔山国家公园的经度范围在西经121度－西经122度之间。扫描图上的高程值单位是英尺，1英尺=0.3048米。

三、分析要求（100分）

  1、使扫描图有正确的坐标值和坐标系。（20分）
   1) 扫描图上的横线和竖线是方里格网，间隔是2km，左上角的交叉点坐标值是（596000, 5194000）。
   2) 请创建一份正确的扫描地形图数据，命名为“TopoMap”。
   3) 请在您提交的步骤文档中，一定要附上RMS 误差表。

  2、绘制冰川区域、等高线、高程点和河流数据（30分）
   请对地图进行数字化工作，绘制冰川区域、等高线、高程点和河流数据，具体要求如下：
   1) 冰川区域和河流不需要额外添加属性字段；
   2) 等高线只需要绘制计曲线（即加粗的等高线），请添加高程值属性字段；
   3) 高程点需添加高程值属性字段。

  3、创建DEM 数据并制作地形图（30分）
   1) 创建DEM 栅格数据，分辨率为20 米，像元值代表高程（米）。
   2) 使用创建好的矢量和栅格数据，重新制作地形图。
   ① 要求和扫描图尽可能一致，请仔细观察地图。
   ② 没有矢量化的露营点、首曲线、步道等矢量信息不需要体现；
   ③ 山峰、冰川和河流的名字需要在地图上显示出来。
   ④ 不需要排版出图，请您直接将地图截图放入提交的步骤文档当中。

  4、创建该地区的三维模型（20分）
   1) 请创建如下图所示的三维模型。请仔细观察，完全还原。
   2) 示例图中我们看到的表面是遥感影像，本试题请使用扫描地形图代替。

四、数据提交

  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下午文件夹重命名为“A上午+小组编号”，如“A上午0111”。

五、解题步骤

  要求一、使扫描图有正确的坐标值和坐标系。（20分）

   （一）定义投影

   (1) 将topo_map.jpg数据加载到数据框中；

   (2) 根据数据说明可知：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。雷尼尔山国家公园的经度范围在西经121度－西经122度之间。UTM 投影分带方法与高斯-克吕格投影相似，是自西经180度起每隔经差6度自西向东分带，将地球划分为60个投影带，如下图所示。

  由此可计算得：雷尼尔山国家公园对应的投影带号 = [(180 - 121) / 6] + 1 = 10，其对应的投影坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_10N。于是就可以使用ArcToolbox中的【数据管理工具】→【投影与变换】→【定义投影】给topo_map.jpg定义WGS_1984_UTM_Zone_10N投影坐标系。

  （二）地理配准

  (1) 加载【地理配准】工具条；

  (2) 由已知条件得：扫描图上的横线和竖线是方里格网，间隔是2km，左上角的交叉点坐标值是（596000, 5194000）。由此可推知：左下角的交叉点坐标值是（596000, 5192000），右上角交叉点的坐标值为（606000，5194000），右下角交叉点的坐标值为（606000，5192000），据此添加控制点（采用输入X，Y坐标的方法），将变换方法设置为【一阶多项式（仿射）】，配准结果如下：

  (3) 添加好控制点确认无误后，点击【地理校正】下拉框中的【校正】，将【重采样类型】设置为【双线性(用于连续数据)】，【名称】设置为TopoMap.tif，点击【保存】，输出配准结果。

  要求二、绘制冰川区域、等高线、高程点和河流数据（30分）

  （一）注意要点：

  (1) 结合题目要求，通过目视判读地形图可知：
   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，可知等高线计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）

   （二）数字化处理

   (1) 右键点击ArcMap目录中的文件夹新建一个文件地理数据库，右键点击文件地理数据库新建一个要素数据集，坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_10N。

   (2) 右键点击要素数据集新建所需的4个要素类，其分别为冰川区域（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）。

   (3) 加载【编辑器】工具条，点击【编辑器】下拉框中的【开始编辑】和【编辑窗口】→【创建要素】，矢量化冰川区域、河流、等高线和高程点，在等高线和高程点的属性表中，添加高程字段，将单位“米”转换为“英尺”。

   ① 对冰川区域进行矢量化，矢量化结果如下图所示：
   ② 对河流进行矢量化，矢量化结果如下图所示：

   ③ 对高程点进行矢量化，共计19个高程点，并在高程点的属性表中添加“高程英尺”和“高程米”字段，根据图上信息录入高程信息，再通过【字段计算器】将高程（英尺）转换为高程（米）。矢量化结果和字段添加结果如下：



   ④ 对等高线进行矢量化，共计51条等高线，并在等高线的属性表中添加“高程英尺”和“高程米”字段，根据图上信息录入高程信息，再通过【字段计算器】将高程（英尺）转换为高程（米）。矢量化结果和字段添加结果如下：


   要求三：创建DEM 数据并制作地形图（30分）

   （一）注意要点：

   (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”。

   （二）生成DEM：
   (1) 在ArcToolbox中，通过【3D Analyst 工具】→【数据管理】→【TIN】→【创建TIN】生成TIN（不规则三角网），生成结果如下：

   (2) 在ArcToolbox中，通过【3D Analyst 工具】→【转换】→【由TIN转出】→【TIN转栅格】生成DEM，生成结果如下：

   （三）制作地形图

   根据创建好的矢量和栅格数据，重新制作地形图。

   (1) 通过ArcMap的主菜单中的【插入】→【文本】给冰川、河流添加注记，在要素数据集下新建山峰点要素，依据原始数据进行山峰的矢量化，共计4处，使用上述同样的方法进行添加注记，同时尽量保证注记字体、旋转角度、字体大小与原始数据相同，添加注记结果如下：

   (2) 在原始数据中，冰川中的等高线以蓝色突显出来，与其他等高线不同，因此需要将冰川中的等高线提取出来。在ArcToolbox中，通过【分析工具】→【转换】→【叠加分析】→【相交】提取冰川中的等高线，然后为了避免注记重复，通过【分析工具】→【转换】→【叠加分析】→【擦除】擦除原矢量化等高线中位于冰川内部的等高线。在等高线数据的图层属性中设置标注样式，将放置属性设置为【在线上】，在最终生成的地形图如下：

   要求四、创建该地区的三维模型（20分）

   (1) 打开ArcScene软件，将生成的DEM数据加载到数据框中；

   (2) 右键点击DEM数据，选择【属性】进入【图层属性】对话框，选择【基本高度】，设置【在自定义表面上浮动】，结果如下：

   (3) 在ArcToolbox中，通过【3D Analyst 工具】→【转换】→【由栅格转出】→【栅格范围】提取DEM的边界线，提取结果如下：

   (4) 设置边界线的属性，对边界线进行拉伸，拉伸值输入一个合适的高度数值（这里将其设置为1000），拉伸方式选择为【将其用作要素的拉伸数值】，生成结果如下：

   (5) 在ArcToolbox中，通过【3D Analyst 工具】→【转换】→【由栅格转出】→【栅格范围】提取三维模型底面，提取结果如下：

   (6) 设置三维模型底面的属性，选择【基本高度】，将【添加常量高程偏移使用场景单位】设置为1000：

   (7) 将TopoMap扫描地形图添加到ArcScene中的数据框中，将其属性中的【基本高度】的【从表面获取的高程】设置为【在自定义表面上浮动】，即将扫描地形图叠加在DEM数据上，然后取消勾选DEM的显示，结果如下：

   数据分享（比赛数据）：
   链接：https://pan.baidu.com/s/168gwfHtzRkb0Zi0kbj6obg
   提取码：9pcm