高敏欽

摘 要： 地理信息系統(tǒng)（GIS）具有強(qiáng)大的圖形編輯分析和數(shù)據(jù)處理功能，Photoshop圖像處理軟件廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，二者在制作立體圖形方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。以洋口港為例，綜合GIS軟件和Photoshop軟件制作了DEM分層設(shè)色立體圖，使成圖立體效果更加直觀，整體效果更加清晰，地形表達(dá)更加準(zhǔn)確。該成果直接運(yùn)用于沿海開發(fā)與港口建設(shè)工作，具有重要科學(xué)價(jià)值。

關(guān)鍵詞： GIS； Photoshop； DEM； 洋口港

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）10-14-03

Integrated application research of Photoshop and GIS

Gao Minqin

（Dept.of Information technology，F(xiàn)ujian Vocational College of Agriculture， Fuzhou， Fujian 350000， China）

Abstract： GIS has powerful graphics editing analysis and data processing function. Photoshop image processing software is widely used in various fields. They both have advantages and disadvantages in terms of making 3d graphics. GIS software and Photoshop software are integrated to make DEM layered 3d graph. The figure 3d effect is more intuitive， the overall effect is more clear. The terrain is expressed more accurate. The research results has been directly applied to coastal development and port construction， which has important scientific value.

Key words： GIS； Photoshop； DEM； Yangkou port

0 引言

Photoshop圖像處理軟件已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，它能夠?qū)D像和圖形進(jìn)行合理科學(xué)的處理，操作簡(jiǎn)單易懂，性能良好，為用戶的操作使用提供了便利，大大提高圖像處理效率，且效果顯著[1]。地理信息系統(tǒng)（GIS）是具有多層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，多功能綜合分析能力的空間型信息系統(tǒng)[2]。計(jì)算機(jī)和GIS技術(shù)的快速發(fā)展使GIS軟件具有了強(qiáng)大的圖形編輯分析和數(shù)據(jù)處理功能，水下地形圖數(shù)字化和數(shù)字高程模型 （DEM） 的生成與疊合分析成為水下地形分析的一種趨勢(shì)[3-6]。

應(yīng)用GIS軟件的空間數(shù)據(jù)處理與分析功能，將海圖資料數(shù)字化后建立DEM，可以直觀地展示洋口港的地形、地貌，同時(shí)為各種地形特征的定量、定性分析以及不同類型專題圖的制作提供基本數(shù)據(jù)。由于海圖測(cè)量資料存在一定的誤差，以及空間數(shù)據(jù)內(nèi)插方法誤差的影響[7]，DEM在地形信息精度方面存在一定的誤差，在不同程度上影響洋口港地形分析的精度，因此，僅由地理信息相關(guān)軟件插值生成的DEM不能完整、準(zhǔn)確地表達(dá)出洋口港的地形、地貌等特征。為了能夠更加直觀、清晰準(zhǔn)確地表示洋口港的地形變化特征，本文在使用GIS軟件插值生成DEM并按地形、地貌特點(diǎn)分層設(shè)色后，結(jié)合Photoshop圖形處理軟件制作洋口港區(qū)域的立體效果圖。應(yīng)用此方法制作而成的立體效果圖不僅可以更加清晰地表現(xiàn)出洋口港區(qū)域的地形變化特點(diǎn)，其制作過程較之常規(guī)的立體圖制作方法也更加的簡(jiǎn)便。

1 研究區(qū)域概況

洋口港位于江蘇省南通市如東縣東部沿海地區(qū)，是中國(guó)沿海中部惟一一個(gè)能建20萬噸級(jí)的天然深水良港。上世紀(jì)80年代初期，南京大學(xué)等科研單位對(duì)江蘇海岸帶進(jìn)行資源綜合調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一條天然深水航道，這是三萬年前古長(zhǎng)江的入海通道，這就是如東爛沙洋水道[8]。爛沙洋水道自然條件優(yōu)越，是天然的從外海伸向沿岸淺灘的深水通道，可直通太平洋國(guó)際主航道。水道附近有一面積近6平方公里的半潛式沙洲，當(dāng)?shù)胤Q為西太陽沙。西太陽沙可構(gòu)筑人工島，建設(shè)港口倉儲(chǔ)區(qū)和堆場(chǎng)，依托人工島可建設(shè)大型深水碼頭。西太陽沙附近水道寬闊，自然形成了一個(gè)面積近10平方公里，水深在17-25米，可供10-30萬噸以上海輪進(jìn)出天然港池[9]。水道兩側(cè)有天然沙洲掩護(hù)，外海的波浪經(jīng)過沙洲后自然消減，無需再建防波堤。以上要素，構(gòu)成了洋口港不可多得的自然稟賦。長(zhǎng)期多項(xiàng)研究表明，爛沙洋不受淤積阻塞，深水航道穩(wěn)定，在西太陽沙建設(shè)人工島也是穩(wěn)定的[10]。洋口港區(qū)域示意圖如圖1所示。

圖1 洋口港地形圖（根據(jù)2006年水深資料）

2 數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)建

2.1 數(shù)字高程模型（DEM）介紹

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，紙質(zhì)地圖已無法滿足工程中自動(dòng)化設(shè)計(jì)的要求，制約了地圖制圖自動(dòng)化以及3S技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程。DEM（Digital Elevation Model）是3S（GIS，GPS，RS）技術(shù)應(yīng)用成果主要產(chǎn)品之一，它是一定區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)平面坐標(biāo)及其高程的數(shù)據(jù)集或者是經(jīng)度、緯度和海拔的數(shù)據(jù)集[11]。該數(shù)據(jù)集從數(shù)學(xué)上描述了區(qū)域的地貌形態(tài)空間分布，通過計(jì)算機(jī)的算法，可以很方便地將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為等高線圖、坡度圖、暈渲圖等各種專題圖產(chǎn)品；也可按用戶需求計(jì)算出體積、空間距離、表面覆蓋面積等工程數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過DEM還可進(jìn)一步產(chǎn)生坡度、坡向、溝谷、山脊、地表粗糙度等十多個(gè)地形要素。通過利用這些地表信息與植被、土壤、人文要素的相關(guān)性，可以建立不同的地學(xué)應(yīng)用模型[12]。

2.2 數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)建

數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)建流程如圖2所示。

[海圖掃描及預(yù)處][創(chuàng)建Personal Geodatabase][創(chuàng)建等深線及水深點(diǎn)shapefile文件][等深線屏幕跟蹤矢量化][對(duì)水深點(diǎn)進(jìn)行屏幕跟蹤矢量][等深線標(biāo)賦深度值][對(duì)水深點(diǎn)標(biāo)賦深度值][創(chuàng)建數(shù)據(jù)集][接邊及查錯(cuò)][導(dǎo)入shapefile文件至數(shù)據(jù)集中][TIN表面][柵格表面][DEM模型]

圖2 數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)建流程圖

2.2.1 紙質(zhì)海掃描與預(yù)處理

紙質(zhì)海圖掃描是為了獲得數(shù)字化的柵格底圖文件，掃描時(shí)要兼顧采樣精度和微處理能力?；诂F(xiàn)有海圖的質(zhì)量以及等深線的密集程度，用專業(yè)掃描儀掃描成柵格圖，以.TIF格式存儲(chǔ)。地形圖在矢量化之前必須進(jìn)行幾何精度校正，以避免產(chǎn)生數(shù)字化的結(jié)果與原有地形圖位置不相重合的問題。預(yù)處理主要是處理網(wǎng)紋和亮度、對(duì)比度以及色彩調(diào)整等簡(jiǎn)單處理工作。

2.2.2 創(chuàng)建Shapefile文件和Geodatabase數(shù)據(jù)庫

Shapefile和Geodatabase是ArcGIS的數(shù)據(jù)組織的兩種方式。Shapefile文件由存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的shape文件、存儲(chǔ)屬性數(shù)據(jù)的dBase表以及存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)系的.shx文件這三大類文件組成；Geodatabase是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，能夠表示要素的自然行為與要素之間的關(guān)系，并按照層次型的數(shù)據(jù)對(duì)象來組織地理數(shù)據(jù)，主要包括對(duì)象類、要素類和要素?cái)?shù)據(jù)集[13]。

本文中矢量化工作主要包括以下幾個(gè)方面：①等深線屏幕矢量化；②等深線標(biāo)賦深度值；③水深點(diǎn)屏幕矢量化；④水深點(diǎn)標(biāo)賦深度值。矢量化過程是以柵格圖為底圖，用GIS軟件對(duì)底圖上的等深線及水深點(diǎn)等要素進(jìn)行矢量化工作。對(duì)等深線過于密集的區(qū)域可以采用簡(jiǎn)化等深線的方式進(jìn)行矢量化，即只勾繪能夠反映地形變化的等深線或者每隔數(shù)條矢量化一條等深線。矢量化后結(jié)合原有海圖對(duì)數(shù)字化結(jié)果賦以正確的屬性值。

2.2.3 數(shù)字高程模型（DEM）的生成

通過以下步驟生成所需要的DEM模型數(shù)據(jù)。①以包含等深線和水深點(diǎn)的數(shù)據(jù)集作為矢量數(shù)據(jù)源進(jìn)行TIN表面創(chuàng)建。通過ARC/INFO的Create Tin命令來創(chuàng)建TIN表面，使整個(gè)研究區(qū)域都含有深度值。②將TIN表面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格（grid）表面數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步檢查，以減少誤差。最終生成的DEM數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步檢查，即將DEM數(shù)據(jù)內(nèi)插生成的等深線與海圖掃描影像進(jìn)行分色疊合顯示，檢查有無偏移或超限。若有不合格的地方，需檢查原因并修改直至無誤。

3 應(yīng)用Photoshop軟件呈現(xiàn)數(shù)字高程模型的立體效果

前人已嘗試了多種方式來實(shí)現(xiàn)利用平面圖形表示三維立體的視覺效果，如地貌暈渲制圖法、等高線分層設(shè)色法、明暗等高線法以及粗細(xì)等高線法等，但這些方法都存在一定的缺點(diǎn)：地貌暈渲制圖法雖然可以形成較好的視覺立體效果，直觀生動(dòng)，但無法定量地表現(xiàn)地形起伏特征；等高線法雖能詳細(xì)刻畫地貌特征、便于圖上測(cè)量等，但它所表示的地形立體感不強(qiáng)；等高線分層設(shè)色法又往往干擾對(duì)其他要素的表示，在應(yīng)用中也有一定的限制[14～15]；明暗等高線法和粗細(xì)等高線法雖然克服了以上兩個(gè)缺點(diǎn)，但制作過程較為繁瑣，不夠簡(jiǎn)便。本文結(jié)合圖像處理軟件Photoshop實(shí)現(xiàn)的立體效果，在較好的視覺立體效果基礎(chǔ)上，定量地表現(xiàn)出地形的起伏特征，同時(shí)不干擾其他要素的表示，它的缺點(diǎn)是立體效果不能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，只能以固定的量值表示地形變化。雖然如此，經(jīng)過不斷的比較，在制作區(qū)域效果圖時(shí)，結(jié)合photoshop軟件制作而成的立體圖仍然比以往幾個(gè)方法制作而成的效果更為理想，更便于使用。

數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)建后，疊加根據(jù)海圖資料矢量化后的等深線數(shù)據(jù)，提取水深0m、5m、10m、15m、20m、25m的等深線，根據(jù)洋口港區(qū)域的地形變化特點(diǎn)分層設(shè)色，保存為Photoshop中可識(shí)別的圖片格式。首先應(yīng)用Photoshop軟件的色彩范圍命令，分別提取水深0m、5m、10m、15m、20m、25m各層色彩，并分別存儲(chǔ)為圖層；接著用圖層樣式中的斜面和浮雕命令，初步實(shí)現(xiàn)圖層的立體效果；最后分別疊加所有斜面和浮雕效果后的圖層，即可實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域的立體效果圖。為了更好地展現(xiàn)洋口港的區(qū)域特點(diǎn)，筆者疊加了部分江蘇省沿海行政區(qū)域范圍，最終效果圖如圖3所示。

圖3 洋口港區(qū)域立體效果圖

4 研究意義

圖形數(shù)據(jù)采集與編輯以及各種專題圖的制作是地理信息系統(tǒng)的主要功能之一，從制圖技術(shù)角度而言，在圖形數(shù)據(jù)采集、數(shù)字地形模型制作以及圖像管理等方面，應(yīng)用GIS軟件制圖具有其他制圖軟件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于軟件過于專業(yè)，不適合普通用戶操作，具有一定的專業(yè)局限性。相比而言，Photoshop作為圖形圖像處理領(lǐng)域的專業(yè)軟件，其強(qiáng)大的功能為用戶提供了非常廣闊的創(chuàng)作空間，用戶可通過界面上的工具及命令直接對(duì)圖像進(jìn)行繪制、編輯修復(fù)以及效果顯示等操作，在界面操作方面更加直觀、簡(jiǎn)便，普通用戶均可操作，專業(yè)局限性較小。綜合二者的優(yōu)缺點(diǎn)，本文以洋口港為例，結(jié)合GIS軟件以及Photoshop軟件來制作DEM分層設(shè)色立體圖，由此制作而成的地形圖立體效果更加明顯，整體地形更加直觀，地形表達(dá)更加準(zhǔn)確。

應(yīng)用成果表明，綜合運(yùn)用Photoshop軟件和GIS軟件來制作立體地形圖制圖方法簡(jiǎn)便、立體成圖效果顯著、地形表達(dá)準(zhǔn)確，熟練掌握該制圖方法可批量制作各種立體地形圖，應(yīng)用性強(qiáng)。該制圖方法可直接應(yīng)用于沿海開發(fā)與港口建設(shè)工作，同時(shí)還可制作其他各種專題地形立體圖，具有重要的科學(xué)價(jià)值。不足之處在于GIS軟件專業(yè)性較強(qiáng)，普通用戶使用會(huì)受到專業(yè)局限。

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