基于ArcGIS的DEM信息提取及应用分析

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：http://pan.baidu.com/s/1GGzT2）
        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,2010,29（4）：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,2009,7（5）：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.

不错的方法。简明扼要。

不错