關于ArcGIS 的地形圖空間管理技術研究

陳浩欽

（城鄉院＜廣州＞有限公司 廣東 廣州 511300）

0 引言

地形圖空間管理技術是地理信息系統（geographic information system，GIS）領域中的一個重要研究方向，旨在利用ArcGIS 平臺提供的豐富功能和工具，進行地形數據的分析、建模、渲染和可視化等方面的研究。 本文將介紹ArcGIS 的概念與功能，以及地形圖空間管理技術類型，包括空間分析與拓展、地形數據模型生成轉換、地形因子提取、地形云渲染圖制作、柵格數據裁剪等方面的技術。 同時，本文將結合實踐案例，探討空間管理技術在地形圖領域的應用和效果評價。

1 ArcGIS 概念與功能

ArcGIS（arc geographic information system）是一個功能強大的構建應用平臺，它可以將來自多個來源的空間數據和屬性數據合成到一個統一的地理視圖中，并提供各種操作來滿足用戶的需求。 常規條件下，ArcGIS 可以提供信息輸入、存儲、處理、輸出、共享五個方面的功能［1］。 可以認為，ArcGIS 涵蓋了信息的輸入、存儲、處理、輸出和共享等多個方面，可以幫助用戶收集、組織、管理、分析、交流和發布地理信息，從而更好地滿足各種需求。

2 ArcGIS 地形圖空間管理技術類型

2.1 空間分析與拓展

ArcGIS 地形圖空間管理技術是一種利用ArcGIS 軟件對地形數據進行輸入、存儲、處理、輸出和共享的技術，空間分析則是通過利用空間數據的位置、形狀和關系等特征，解決實際問題的一種分析方法。 在ArcGIS 中，空間分析功能較為豐富，包括緩沖區、空間聚合、空間過濾器、豐富數據、計算密度、計算密度比等，有助于進行空間分析和決策。

除了空間分析功能之外，ArcGIS 還提供了許多高級工具和方法，以進行更復雜和深入的空間分析。 例如，使用空間統計數據的預測建?？梢詭椭脩纛A測未來的空間變化趨勢，從而為決策提供參考［2］。

2.2 地形數據模型生成轉換

ArcGIS 地形圖空間管理技術是一種利用掃描的地形圖進行數字化、配準、制作三維模型和地形分析的方法。地形數據模型用于表示地表高程變化，包括數字高程模型（digital elevation model，DEM）、數字地形模型（digital terrain model，DTM）和數字表面模型（digital surface model，DSM）等。 在ArcGIS 中，生成和轉換地形數據模型較為重要。 其中，DEM 用于表示地表高程數據，DTM 加入地形要素信息，DSM 表示地表和地面之間的高程變化。 生成離散的三角網模型（triangulated irregular network，TIN）和DEM 是將點云數據轉換為數字高程模型的過程。 地形分析利用地形數據模型進行空間分析和決策。 制作等高線和等高面將地形數據模型轉換為可視化結果，用于展示和分析地形數據。 進行地形數據模型的生成和轉換時，需要進行數據格式和類型的轉換，可以使用ArcGIS 工具和方法進行轉換［3］。

2.3 地形因子提取

ArcGIS 地形圖空間管理的地形因子提取技術是一種利用數字高程模型來生成和分析地形指標的重要技術，這些地形指標可以提供關于地形形態、特征和變化的信息，對于多個領域的研究和應用具有重要作用。 首先，生成TIN 和DEM 數據是地形因子提取技術的第一步，TIN 是一種離散的三角網模型，可以通過高程點、等高線等數據生成。 DEM 是一種柵格數據，可以通過TIN 轉換或其他方法生成。 這些數據可以提供地形高程信息，為后續分析提供基礎數據。 接下來，為了提高分析效率和精度，需要對DEM 數據進行裁切。 使用掩膜工具或其他工具，根據研究區域的范圍進行裁切，可以提高分析效率和精度［4］。 地形指標的提取是地形因子提取技術的核心內容。 使用空間分析工具或3D 分析工具，對DEM 數據進行坡度、坡向、地形起伏度、地面粗糙度等指標的提取，可以根據需要設置參數和分類方法。 這些指標提供了關于地形的多維度信息，有助于進一步研究和應用。 最后，制作地貌暈渲圖是地形因子提取技術的重要應用之一。 使用山體陰影工具或其他工具，對DEM 數據進行暈渲處理，可以生成具有立體感的地貌暈渲圖。 通過調整顏色和透明度等屬性，可以更加直觀地展示地形特征和變化。

2.4 地形云渲染圖制作

地形云渲染圖制作技術是利用數字高程模型生成具有立體感和色彩變化的地圖的技術。 它可以反映地形的高低起伏和暈渲效果，增強地圖的美觀性和可讀性，用于各種專題圖的底圖。 制作地形云渲染圖的主要步驟包括下載或導入DEM 數據、對DEM 數據進行分級設色、生成山體陰影數據和疊加山體陰影數據等。 首先，獲取DEM數據并設置好空間投影。 其次，對DEM 數據進行分級設色，選擇合適的色帶并根據需要自定義顏色和間隔。 再次，生成山體陰影數據，設置參數影響立體效果和明暗對比。 最后，將山體陰影數據疊加在分級設色的DEM 數據之上，并設置透明度，得到地形云渲染圖。 該技術在地形分析、水土流失、土地利用、土地資源評價、城市規劃等方面具有重要的作用，相關步驟與示例見表1［5］。

表1 制作步驟表格

2.5 柵格數據裁剪

在GIS 應用中，數據處理是十分重要的一環。 特別是在涉及大量數據集的情況下，數據處理可以大大提高數據管理和分析的效率。 ArcGIS 作為一款成熟的GIS 軟件，提供了各種數據處理工具，其中柵格數據裁剪技術是一種實用的工具。 在ArcGIS 中，柵格數據裁剪技術可以將柵格數據集的一部分提取出來，生成新的柵格數據集。 這項技術可以用于很多場景，例如，用戶只關注特定區域的數據、數據集太大需要減少數據量以提高效率等等。 同時，裁剪柵格工具還支持多種裁剪方式，例如使用矩形范圍、輸出范圍文件或要素類作為裁剪范圍，并支持設置裁剪方法和格式、重采樣類型和NoData 值等參數［6］。 通過使用ArcGIS 地形圖空間管理的柵格數據裁剪技術，用戶可以輕松地將DEM 數據集裁剪成所需的范圍，提高數據管理和分析的效率。

3 空間管理技術實踐應用案例

3.1 案例簡介

隨著城市化進程的不斷推進，城市規劃與生態保護問題日益凸顯。 如何實現城市發展與生態保護的平衡是一個亟待解決的問題。 為此，某城市規劃局采用了ArcGIS地形圖空間管理技術，對城市的發展潛力和生態脆弱性進行了綜合分析，制定出了科學合理的規劃方案。 這項技術的運用為城市規劃提供了重要支持。

3.2 空間管理技術處理

規劃局利用ArcGIS 地形圖空間管理技術，對地形、地貌、坡度、坡向等特征進行了分析。 團隊首先獲取了某市的高程點、等高線和柵格數據，然后使用ArcGIS 的3D Analyst 工具，生成TIN （見圖1）和DEM（見圖2）模型，對地形進行可視化和量化。 其次，利用ArcGIS 的各種工具，對原始的DEM 數據進行了重采樣、投影轉換、裁剪、掩膜等操作，以適應不同的分析目的和尺度。 同時，也利用ArcGIS 的空間統計和空間插值功能，對高程點數據進行了探索性分析和表面建模，以補充和優化DEM 數據。

圖1 TIN 模型（以廣州市增城區蕉石嶺區級森林自然公園某區域為例）

圖2 DEM 模型（以廣州市增城區蕉石嶺區級森林自然公園某區域為例）

在實踐過程中，團隊使用ArcGIS 的Spatial Analyst 工具，對原始的DEM 數據進行了重采樣、投影轉換、裁剪等操作，以適應不同的分析目的和尺度。 同時，團隊還利用ArcGIS 的空間統計和空間插值功能，對高程點數據進行了探索性分析和表面建模，以補充和優化DEM 數據。 在地形數據模型生成轉換階段，團隊使用ArcGIS 的3D Analyst 工具，對高程點和等高線數據進行了TIN 模型的生成，得出基于三角網格的地形表達方式。 在轉換過程中，使用了ArcGIS 的轉換工具，將TIN 模型轉換為DEM模型，得出基于柵格的地形表達方式。 團隊比較了兩種模型的優缺點和適用場景，并根據需要選擇了合適的模型，以進行后續分析。

在提取地形因子時，團隊使用了ArcGIS 的Terrain 工具，對DEM 模型進行了坡度、坡向、曲率等地形因子的提取，得到了一系列反映地形特征和變化的柵格圖層。 團隊還應用了ArcGIS 的Focal Statistics 工具，對DEM 模型進行了起伏度、粗糙度等地形因子的提取，得到了一系列反映地形復雜度和差異性的柵格圖層。 通過應用Hillshade工具，團隊成功實現了DEM 模型的山體陰影生成，得出模擬太陽光照效果的柵格圖層。 除此之外，團隊還使用ArcGIS 的Raster Calculator 工具，將DEM 模型和山體陰影圖層進行了疊加和透明度調整，得出具有立體感和真實感的地形云渲染圖。 最后，在柵格數據裁剪過程中，團隊借助Clip 工具，對DEM 模型和各種地形因子圖層進行了裁剪，以去除無關區域和邊緣噪聲，并保持數據一致性。 隨后，在Mask 工具的支持下，根據不同的專題數據和分析需求，對裁剪后的柵格數據進行了進一步的掩膜處理，提取了感興趣的區域或特定的地物信息，實現了理想的分析管理目標。

通過以上步驟，規劃局有效地利用了多源數據，進行了全面深入的地形分析，并制作出高質量的地形圖。 這些成果為某市城市規劃提供了科學依據和可視化支持。

3.3 效果評價

本案例使用了ArcGIS 地形圖空間管理技術，對某市的地形進行了多方面的分析和制圖，得到了一套符合某市城市發展和生態保護要求的規劃方案。

首先，該案例應用了高精度的DEM 數據，如12.5 m分辨率的ALOS 數據，能夠更好地反映地形的細節和變化。 同時，也利用了高程點、等高線等數據，進行了TIN 和DEM 模型的生成和轉換，提高了數據的完整性和一致性。

其次，該案例充分利用了ArcGIS 的各種工具，對原始的DEM 數據進行了重采樣、投影轉換、裁剪、掩膜等操作，以適應不同的分析目的和尺度。 同時，也對生成的等高線數據進行了簡化、平滑、去除碎部等操作，提高了數據的美觀性和可讀性。 再次，這個案例使用了ArcGIS 的Terrain工具和Spatial Analyst 工具，對DEM 數據進行了坡度、坡向、曲率、起伏度、粗糙度等地形因子的提取，得到了一系列反映地形特征和變化的柵格圖層。

最后，該案例使用了ArcGIS 的Hillshade 工具和Raster Calculator 工具，對DEM 數據進行了山體陰影的生成和地形云渲染圖的制作，得出具有立體感和真實感的地形表達方式。 此外，案例還利用了ArcGIS 的Layout View工具，對生成的各種地形圖和評價圖進行了布局設計和注記添加，得到了一套完整的地形分析與規劃報告圖集。 綜合分析，這個案例有效地利用了多源數據，進行了全面深入的地形分析，并制作出高質量的地形圖。 因此，該技術的實施能夠為城市規劃提供科學依據和可視化支持。

4 結語

綜上所述，本文介紹了ArcGIS 的概念和功能，以及地形圖空間管理技術的類型，包括空間分析與拓展、地形數據模型生成轉換、地形因子提取、地形云渲染圖制作和柵格數據裁剪等。 結合實踐案例說明ArcGIS 地形圖空間管理技術在城市規劃與生態保護中的實際應用和效果評價。研究結果表明，ArcGIS 地形圖空間管理技術能夠有效地利用多源數據，進行全面深入的地形分析，并制作出高質量的地形圖。 該技術為地理信息系統的發展和應用提供了有力的支持，并為城市規劃與生態保護提供了科學依據和可視化支持。 本研究也存在一些不足之處，例如數據來源的局限性、數據處理的復雜性、數據分析的主觀性等，需要在今后的研究中進一步改進和優化。