基于ArcView剖面圖的繪制

趙官正

摘要：地形剖面圖在現(xiàn)代生產(chǎn)和科研方面都有著廣泛的應(yīng)用，地形剖面圖能直觀地描述沿特定方向的地形起伏變化，在地形地貌分析中具有重要的作用，在實(shí)際的地貌分析中剖面圖能準(zhǔn)確地反映出高程變化的統(tǒng)計(jì)特征，有助于地形與地貌之間空間關(guān)系的提取和分析。本文以江西省興國(guó)縣龍崗鎮(zhèn)為例，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集分析處理建立該鎮(zhèn)的DEM，利用ArcView軟件實(shí)現(xiàn)剖面圖的自動(dòng)繪制，在繪制的剖面圖上可以很直觀地看出龍崗鎮(zhèn)的地形為西北部和東南部地勢(shì)較高而中間部分地勢(shì)較為平坦。

關(guān)鍵詞：DEM；ArcView；GIS；剖面圖；龍崗鎮(zhèn)

地形剖面圖能直觀地描述沿特定方向的地形起伏變化，在地形地貌分析中具有重要的作用。因而在建筑、地質(zhì)勘探、填挖方量計(jì)算、管線鋪設(shè)、軍事等領(lǐng)域剖面圖都有廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的手工繪制剖面圖的方式不僅速度慢精確度不高而且耗費(fèi)的成本較大，在當(dāng)前生產(chǎn)中已經(jīng)逐步淘汰。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，利用功能強(qiáng)大的GIS軟件便可快速準(zhǔn)確高效的自動(dòng)繪制剖面圖，為生產(chǎn)和科研提供決策和技術(shù)支持。

目前，大部分GIS（地理信息系統(tǒng)）軟件都提供了地形剖面圖的繪制功能，如ArcGIS將其集成到3D分析模塊中，MapGIS將其集成到空間分析子系統(tǒng)里。運(yùn)用這些軟件繪制出的地形剖面圖能反映一條剖面線上的高程連續(xù)變化，描述線狀地形的起伏特征。ArcView軟件是國(guó)內(nèi)外GIS工作者在進(jìn)行GIS研究中常用軟件，該軟件功能強(qiáng)大，利用該軟件可以進(jìn)行地圖顯示、屬性查詢、空間查詢、空間分析等功能。方世民、吳沖龍等人利用ArcView繪制武漢市喻家山地質(zhì)圖的圖切剖面圖來反映地下的地層和構(gòu)造特征；闞璦珂、朱利東、龔建輝、陳中林等人利用ArcView繪制青藏高原東部的帶狀剖面圖來進(jìn)行地貌分析，前人在分析云南縱向嶺谷區(qū)的地貌形態(tài)特征時(shí)，通過對(duì)研究區(qū)域的不同緯度斷面建立平行的地貌剖面來進(jìn)行地勢(shì)曲線圖譜分析。國(guó)外的學(xué)者在進(jìn)行地形地貌的分析時(shí)也是通過繪制剖面圖來進(jìn)行分析。本文擬在前人工作的基礎(chǔ)上研究在ArcView平臺(tái)上繪制剖面圖的技術(shù)方法和具體的繪制步驟，結(jié)合具體的實(shí)例研究來充分體現(xiàn)出這種方法繪制剖面圖的優(yōu)越性。

1.研究區(qū)概況

興國(guó)縣隸屬于江西省贛州市，位于江西省中南部，贛州市北部，東倚寧都縣，東南鄰于都縣，南連贛縣區(qū)，西鄰萬安縣，西北接泰和縣，北毗吉安市青原區(qū)、永豐縣，連接吉泰盆地。在東西部地形的起伏較大，地勢(shì)較高，而在中部地勢(shì)相對(duì)較為平坦，地形起伏小。本文以此地區(qū)作為研究目標(biāo)。

2.剖面圖的制作思路和過程

2.1制作思路

地形剖面能夠直觀反映地勢(shì)起伏變化大小及變化趨勢(shì)，從幾何上看剖面就是一個(gè)空間平面上的曲邊梯形，地形剖面的研究主要研究平面與地形表面形成的交線即剖面線，從剖面線中研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢(shì)變化、地質(zhì)構(gòu)造、地表切割強(qiáng)度、內(nèi)插高程值等。由剖面線就可繪制地形剖面圖。

由于剖面線由起始點(diǎn)和終止點(diǎn)連線與一個(gè)平面的相交而成，求剖面實(shí)際上可轉(zhuǎn)化為求剖面線與DEM網(wǎng)格交點(diǎn)的平面和高程坐標(biāo)。所以在繪制特定區(qū)域的剖面圖時(shí)首先應(yīng)獲取該區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，如行政區(qū)劃圖，地形圖，遙感影像圖等，然后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理，以便能制作出該區(qū)域高精度的DEM模型，高精度的DEM模型是繪制精確地形剖面圖的重要前提，DEM是運(yùn)用地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬，在GIS空間分析中通過建立高精度，高可靠性的DEM，能很好地反映出地形變化信息，作為空間分析基礎(chǔ)。

地形剖面可全面體現(xiàn)地形變化特征，包括區(qū)域的地貌特征、輪廓形態(tài)、絕對(duì)高度和相對(duì)高度、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度和侵蝕因素等。ArcView軟件具有強(qiáng)大的空間分析功能，在ArcView平臺(tái)上利用其空間分析的擴(kuò)展模塊能快速準(zhǔn)確的繪制某一區(qū)域沿特定方向的地形剖面圖。

為了對(duì)某一特定的區(qū)域進(jìn)行地形分析，直觀反映出這一區(qū)域地形的高低起伏變化，從而推導(dǎo)出該地區(qū)的地貌形態(tài)，地形剖面的內(nèi)插是繪制地形剖面圖的關(guān)鍵，通過DEM格網(wǎng)與剖面線交點(diǎn)的平面位置和高程，計(jì)算剖面線上相鄰點(diǎn)的水平距離和高程，調(diào)整水平和垂直比例尺即可繪出所需的地形剖面圖，首先應(yīng)建立該地區(qū)的DEM模型，利用ArcView軟件的3Danalyst擴(kuò)展模塊利用該地區(qū)的DEM沿一定方向來繪制剖面圖，提取該地區(qū)在選取方向上的高程特征。利用ArcView GIS軟件的擴(kuò)充模塊ArcView 3D Analyst可快速準(zhǔn)確繪制地形剖面圖。繪制的方法和步驟如下：

（1）圖形分析：分析工作底圖的地形變化、地質(zhì)構(gòu)造、水系分布、植被分布等信息，根據(jù)研究目的選取選擇剖面線位置和方向。

（2）繪制剖面線：將地形圖的剖面線與地形等高線相交各點(diǎn)一一投影到相應(yīng)標(biāo)高的位置，按實(shí)際地形用曲線連接相鄰點(diǎn)即得到地形剖面。

（3）完成剖面圖繪制：按照制圖的要求修改高程和水平距離的數(shù)值，表明單位。

（4）圖件修整：按生產(chǎn)或研究需要整飾圖面，添加所需要素。

本文中研究的是在ArcView平臺(tái)上繪制地形剖面圖，由ArcView本身的擴(kuò)展模塊很容易實(shí)現(xiàn)剖面圖的繪制，在制作好特定區(qū)域的DEM圖上根據(jù)生產(chǎn)需要或研究靶區(qū)需要，通過人機(jī)交互的方式，快速準(zhǔn)確的繪制地形剖面圖，輸出電子圖件或打印紙質(zhì)圖件

2.2剖面圖的繪制過程

在ArcView平臺(tái)上繪制剖面圖的具體步驟為：

（1）數(shù)據(jù)采集，獲取所要研究區(qū)域的行政區(qū)劃圖，地形圖。為了保證所繪圖形的準(zhǔn)確性和現(xiàn)勢(shì)性應(yīng)該選取近期的行政區(qū)劃圖和地形圖。

（2）數(shù)據(jù)處理，空間分析對(duì)底圖格式要求必須為矢量格式，首先應(yīng)將底圖數(shù)據(jù)矢量化后導(dǎo)入ArcView軟件中。

（3）制作DEM，利用底圖數(shù)據(jù)在ArcView平臺(tái)上繪制出所研究感興區(qū)域的DEM。

（4）激活制圖區(qū)域的GRID或TIN主題層。

（5）點(diǎn)擊Interpolate Line的工具按鈕。

（6）參考GRID或TIN主題的內(nèi)容，沿特定方向繪制剖面線。

（7）新建一個(gè)新的Layout圖層。

（8）點(diǎn)擊Profile Graph工具。

（9）利用鼠標(biāo)左鍵建立一個(gè)用于放置生成剖面線圖的矩形區(qū)域。

（10）修改添加缺省設(shè)置，再點(diǎn)擊OK，完成剖面圖繪制。

（11）對(duì)于已經(jīng)制作好的剖面圖進(jìn)行必要的修飾，最后打印輸出。

為了使繪制的剖面圖能夠客觀準(zhǔn)確地反映所研究區(qū)域的地形高低起伏的變化特征，在以上各個(gè)步驟中非常關(guān)鍵的一步就是建立精確度很高的DEM模型，這就需要在建模的過程中考慮到能夠影響DEM模型精度的各個(gè)因素，從而對(duì)DEM模型的精度有一個(gè)很好的控制，影響DEM模型精度的因素有很多，比如：原始數(shù)據(jù)的精度，DEM原始數(shù)據(jù)的獲取有影像圖，地形圖，地面本身及其他數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)的獲取方式一般有地面測(cè)量、攝影測(cè)量、立體遙感、GPS、手扶跟蹤數(shù)字化、地形圖掃描、激光掃描干涉雷達(dá)等，無論通過何種方式獲取數(shù)據(jù)建立DEM，同時(shí)獲取地形點(diǎn)特征點(diǎn)和等高線或規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)可以提高工作效率和DEM精度，建模方法的選取也在一定程度上影響DEM質(zhì)量。

DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制可以從以下幾個(gè)方面入手：首先應(yīng)減少數(shù)據(jù)采集時(shí)的誤差引入；其次對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作誤差處理以提高可靠性；最后減少表面建模時(shí)的誤差引入。在本文中采用的數(shù)據(jù)是地形圖，用等高線地形圖生成DEM的方法已十分成熟。為了提高DEM模型的質(zhì)量，應(yīng)選用比例尺較大，等高距較小，等高線密度較大的地形圖。

生成DEM時(shí)，可以有兩種生成格式——TIN格式和Grid格式，本文選用的是TIN格式，因?yàn)門IN模型在某一特定分辨率下能用更少的空間和時(shí)間更精確地表示更加復(fù)雜的表面，獲得龍崗鎮(zhèn)的地形圖，通過描繪等高線和加載高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，等高線數(shù)據(jù)和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的密度越高分部越均勻，生成的DEM模型就越逼真?？纱蜷_ArcView軟件，加載了3D Analyst擴(kuò)展模塊，在菜單Surface/Create TIN from Features…（從要素生成不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)），隨即進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，即可得到研究區(qū)域的DEM模型。

3.結(jié)果與討論

3.1龍崗鎮(zhèn)A—B剖面圖的實(shí)現(xiàn)

（1）做出研究區(qū)的DEM圖，格網(wǎng)距離為10m，從DEM上可以較為直觀看出研究區(qū)的地形變化特征。

（2）做出的研究區(qū)的剖面線，從A點(diǎn)到B點(diǎn)（圖1）在這里應(yīng)該注意繪制剖面線時(shí)的起點(diǎn)和終點(diǎn)應(yīng)表明，否則繪制的剖面圖會(huì)有很大誤差。

（3）做出的剖面圖（圖1）。

從繪制的坡面圖中可以很直觀地看出龍崗鎮(zhèn)的地形是東西高中間低，最高點(diǎn)的高程是780m而最低點(diǎn)的高程是244.6m，山體的落差較大。在東西部都是山丘且東部山丘的海拔比西部的要高，在東西部地形的起伏較大，地勢(shì)較高，而在中部地勢(shì)相對(duì)較為平坦，地形起伏小。

3.2作用及意義

該方法的應(yīng)用，利用了平臺(tái)的自身功能，利用DEM圖直接繪制出沿某一方向的剖面圖，制作容易，方法簡(jiǎn)便，縮減了時(shí)間，降低了成本，適用于時(shí)間緊任務(wù)急的應(yīng)用項(xiàng)目，尤其適用于那些無法進(jìn)行實(shí)地考察地區(qū)。利用ArcView平臺(tái)作圖，圖形精度高，制作簡(jiǎn)單快速，為在ArcView平臺(tái)下制作剖面圖提供了一種可選擇的途徑。通過繪制的剖面圖高程變化特征可以很清楚地看到沿特定剖面線走向的地形高低起伏的變化特征，反映該區(qū)域的地貌起伏的總體趨勢(shì)，對(duì)于分析該地區(qū)的地貌提供很直觀的信息。例如，當(dāng)要在某個(gè)地區(qū)修筑一條鐵路或是公路，為了節(jié)省資源和資金，減小施工的難度，首先要對(duì)這一區(qū)域的地形進(jìn)行分析，我們通過繪制的剖面圖來分析該區(qū)域的地形起伏情況，選擇可以施工的最佳路徑；當(dāng)需要在某一區(qū)域安置一個(gè)哨所或是無線電信號(hào)發(fā)射塔，這時(shí)需要選擇一個(gè)安置點(diǎn)，使得這個(gè)視野的覆蓋范圍最大，這時(shí)通過剖面圖的繪制可以清楚地看到在一條剖面線上高程值最大的點(diǎn)，另外剖面圖在建筑、地質(zhì)勘探、填挖方量計(jì)算、管線鋪設(shè)、軍事等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

4.結(jié)論

通過繪制的剖面圖高程變化特征可以很清楚地看到沿特定剖面線走向的地形高低起伏的變化特征，反映該區(qū)域的地貌起伏的總體趨勢(shì)，對(duì)于分析該地區(qū)的地貌提供很直觀的信息。但是利用這種方法繪制的現(xiàn)狀剖面圖只能定性的描述某一區(qū)域沿某一方向上地形的起伏變化特征，描述得只是現(xiàn)狀地形的起伏特征，無法定量描述缺少統(tǒng)計(jì)分析的功能。尤其是研究區(qū)域后期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或后期人工活動(dòng)所導(dǎo)致的微地貌變化，在很大程度上影響了地形剖面圖分析地形變化的精度，因此怎樣利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行地貌分析還需要進(jìn)一步的研究和探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春范.基于ArcGIS環(huán)境地形剖面圖制作方法[J].城市勘測(cè)， 2018（06）：124-127.

[2]闞璦珂，朱利東，龔建輝，等.基于ArcView的帶狀剖面工具開發(fā)及在地貌分析中的應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2006， 33（01）：64-69.

[3]李麗，周美玉.基于ArcView實(shí)現(xiàn)地形可視化[J].鐵路地理信息系統(tǒng)專集， 2001（02）：34-36.

[4]方世明，吳沖龍，劉剛，等.基于GIS的地質(zhì)圖切剖面計(jì)算機(jī)輔助編繪[J].中國(guó)地質(zhì)， 2002， 29（04）：441-444.

[5]范斌，張霖鑫.基于ArcGIS矢量分析的地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)——以蘭州新區(qū)為例[J].西部資源， 2019（06）：187-189.

[6]李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].湖北：武漢大學(xué)出版社， 2000.

[7]杜世宏，樊紅.基于ArcView的多媒體電子地圖的制作[J].測(cè)繪通報(bào)， 2000， 28（09）：33-34.

[8]周侗，龍毅，湯國(guó)安，等.面向DEM地形復(fù)雜度分析的分形方法研究[J].地理與地理信息科學(xué)， 2006， 22（01）：26-29.

[9]李滿春，任建武，陳剛，等. GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社， 2003.

[10]陳秋計(jì)，張洪波，黨熙凱，等.基于ArcView 3D Analyst的土地復(fù)墾三維景觀模擬[J].金屬礦山. 2005（04）：67-68.