蘇建鋒

（1.中國地震局 第一監(jiān)測中心，天津 300180）

GIS技術(shù)在歷史地貌三維場景重建中的應(yīng)用

蘇建鋒1

（1.中國地震局 第一監(jiān)測中心，天津 300180）

通過對歷史地貌的復(fù)原研究，提出了一種重建歷史地貌三維場景的方法。以歷史地形圖為基礎(chǔ)研究資料，對其進(jìn)行整理、挖掘與分析，并結(jié)合GIS技術(shù)建立了DEM，生成了三維立體場景。利用該方法建立了百年前白洋淀碟形洼地的三維歷史地貌模型，對于該區(qū)域歷史環(huán)境和演化過程的研究具有重要的參考價(jià)值，也為歷史地貌重建的信息化發(fā)展提供了一種新的研究視角。

三維歷史地貌；碟形洼地；GIS；DEM

近年來，隨著地球空間信息學(xué)和對地觀測學(xué)的快速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、三維建模技術(shù)和可視化技術(shù)為代表的應(yīng)用研究日趨成熟；各種地理信息能以空間為基礎(chǔ)有機(jī)結(jié)合起來；借助計(jì)算機(jī)和三維可視化技術(shù)，可直接從三維立體空間的角度去理解和表達(dá)地體與地體環(huán)境。與傳統(tǒng)的二維平面相比，三維空間以其立體直觀、層次豐富等優(yōu)點(diǎn)在地形、地貌、地質(zhì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在對地貌形成發(fā)育歷史過程的研究中發(fā)揮了重要作用。歷史地貌場景重建已從傳統(tǒng)的二維歷史地理平面繪制，逐漸向含有地形地貌特征的三維可視化方向發(fā)展，為區(qū)域地貌發(fā)育及地貌類型和空間格局的創(chuàng)新研究奠定了基礎(chǔ)[1-2]。

運(yùn)用GIS技術(shù)重建含歷史地形地貌特征信息的三維場景，關(guān)鍵在于DEM的建立。而建模涉及到數(shù)據(jù)集成、空間數(shù)據(jù)模型、三維可視化等多項(xiàng)技術(shù)，本文以冀中平原白洋淀流域存在的特殊地貌單元——碟形洼地為例，詳細(xì)介紹了DEM建模的理論依據(jù)和相關(guān)技術(shù)流程。

1 DEM建模原理與方法

DEM是通過離散分布的高程數(shù)據(jù)對地球表面連續(xù)分布的地形地貌進(jìn)行的數(shù)字表達(dá)和模擬，是描述地表單元空間位置和地形屬性分布的有序集合，是表示實(shí)際地形特征的空間分布模型。DEM作為一種空間數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)都具有真正的三維坐標(biāo)，便于三維可視化和統(tǒng)計(jì)分析，是研究地表過程、構(gòu)造地貌的一種有效方法。

建模方法的具體步驟為：首先從歷史地形圖中提取地形高程及屬性信息，結(jié)合相關(guān)資料盡量完善上述地形信息，并進(jìn)行歷史地形地貌的復(fù)原；再利用相關(guān)的數(shù)學(xué)算法和GIS技術(shù)提取歷史地形的高程數(shù)據(jù)信息，設(shè)定抽稀、采樣等參數(shù)，構(gòu)建DEM；然后通過電子沙盤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)含地貌特征的三維歷史地貌圖的重建。

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)概況

白洋淀流域洼地位于河北省中部，太行山東麓永定河沖積扇與滹沱河沖積扇相夾持的低洼地區(qū)，為沖積平原洼地，面積約為4 500 km2，海拔為50～10 m，局部地區(qū)低于10 m，呈北東東向帶狀分布且由北向南集中，整體為橢圓形。在形態(tài)上，白洋淀流域洼地主要分為扇前洼地、古河床洼地、槽狀洼地和碟形洼地4 部分。碟形洼地因其形態(tài)特殊，成因復(fù)雜、觀點(diǎn)不一，分布密集、數(shù)量眾多等特點(diǎn)成為地理學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注的對象。白洋淀流域碟形洼地分布面積十分廣闊，為了更好地展示研究成果，本文采用碟形洼地中具有代表性的蠡縣附近地貌進(jìn)行研究。

2.2 三維場景重建

歷史地貌三維場景重建，即借助GIS技術(shù)對已經(jīng)逝去或模糊了的地理現(xiàn)象進(jìn)行模擬，最大化地還原本來面貌，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析探討，審視不同空間尺度下的歷史進(jìn)程。近幾十年，由于受到人類大開發(fā)的影響，白洋淀流域碟形洼地正逐漸模糊并逝去，為了重建這種地理現(xiàn)象，需選取人類活動(dòng)對碟形洼地影響較小且較準(zhǔn)確的研究素材作為基礎(chǔ)資料。順直地形圖是在我國現(xiàn)代大規(guī)模開發(fā)建設(shè)之前出版的地形圖，也是我國最早使用現(xiàn)代測量技術(shù)、按正規(guī)的大地測量規(guī)范出版的地形圖。以這個(gè)歷史時(shí)間點(diǎn)來構(gòu)建三維場景圖能更好地反映百年前白洋淀流域碟形洼地地貌的原始遺跡[3-4]。圖1為白洋淀流域蠡縣小百尺順直地形圖，碟形洼地在圖中表現(xiàn)為中部低洼且多為居民點(diǎn)，四周有環(huán)狀水塘和放射狀溝谷，形態(tài)酷似碟狀，等高線環(huán)形分布仍較清晰，這些圖件能較直觀地描繪碟形洼地的基本形態(tài)。

結(jié)合GIS技術(shù)，本文利用MapGIS為平臺，以1∶50 000順直地形圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，參照同期航、衛(wèi)片及相關(guān)數(shù)據(jù)資料構(gòu)建了三維場景，其技術(shù)流程如圖2所示。

圖1 蠡縣小百尺順直地形圖

圖2 三維重建技術(shù)流程圖

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是以具有空間坐標(biāo)系和高程屬性的高程數(shù)據(jù)來構(gòu)建研究目標(biāo)的DEM。首先對順直地形圖掃描的矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正和高程賦值，高程字段應(yīng)為雙精度類型，使其具有空間坐標(biāo)系和高程屬性；然后剔除現(xiàn)代和人工地物圖層，僅保留能代表原始自然地形的元素，最主要的是等高線和高程數(shù)據(jù)；最后參照航、衛(wèi)片及現(xiàn)場勘探數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，對數(shù)據(jù)的空白區(qū)進(jìn)行修補(bǔ)，并對得到的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)檢查，修改和剔除無效數(shù)據(jù)，使其滿足MapGIS平臺的數(shù)據(jù)格式要求。

2.2.2 三維場景的制作

1）DEM的建立。三維場景制作的關(guān)鍵是建立DEM。DEM的建立首先需要選擇DEM模型與網(wǎng)格化方法，設(shè)置參數(shù)等。DEM的表示模型和網(wǎng)格化方法較多，MapGIS平臺提供了兩種模型（表1）和4種網(wǎng)格化方法（表2）。由于白洋淀流域碟形洼地地形復(fù)雜，形態(tài)特殊，構(gòu)建的DEM要能反映這種特殊地形的細(xì)部特征，根據(jù)表1和表2對比結(jié)果，本文采用TIN模型和泛克里格法來構(gòu)建DEM[5-6]。

表1 GRD模型與TIN模型對比

表2 4種網(wǎng)格化方法對比

建模過程中還需對其他參數(shù)進(jìn)行抽稀采樣、網(wǎng)格間距、搜索方式和網(wǎng)格線數(shù)等設(shè)置。這些參數(shù)設(shè)置得合理與否也會影響模型的精度，而合理的參數(shù)需要視研究數(shù)據(jù)的特點(diǎn)來靈活設(shè)置，一般需要反復(fù)試驗(yàn)依據(jù)模型精度來調(diào)整模型參數(shù)，才能真正意義上完成建模，為后期研究打好基礎(chǔ)。

解決了上述問題后就可開始建模了，建模的基本步驟為：打開MapGIS平臺，選擇空間分析子系統(tǒng)下的DTM分析模塊，打開高程點(diǎn)/線文件，在菜單“處理點(diǎn)線”下進(jìn)行“線數(shù)據(jù)高程點(diǎn)提取”；再使用菜單“TIN模型”下的“快速生成三角剖分網(wǎng)”和“整理三角剖分網(wǎng)”，得到TIN文件；最后在菜單GRD模型下的“離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化”選項(xiàng)中處理TIN文件。網(wǎng)格化方法選擇泛克里格法，網(wǎng)格線設(shè)置為500，搜索類型為四方搜索。參數(shù)設(shè)置好后點(diǎn)擊確認(rèn)會輸出一個(gè)GRD文件，這樣就基本完成了DEM建模。

2）三維場景生成。三維場景主要是構(gòu)建DEM來顯示地形起伏情況，根據(jù)高程的不同賦予不同顏色值，可制作三維地形圖，用以表達(dá)不同的地形起伏變化情況。MapGIS平臺通過DTM分析模塊下的三維窗口和電子沙盤模塊生成三維場景。電子沙盤模塊是以DEM為基礎(chǔ)，通過三維交互地形可視化環(huán)境，具有漫游瀏覽、地形分析、數(shù)據(jù)疊加等功能，本文采用電子沙盤模塊生成三維場景。根據(jù)觀察研究的需要，對場景的顯示方式、效果以及觀察角度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，以增強(qiáng)三維場景繪制的逼真程度；再通過文件菜單中的“輸出三維場景”命令導(dǎo)出三維立體圖。通過該方法生成的白洋淀流域碟形洼地三維場景圖，可直觀清楚地顯示出白洋淀流域洼地平（剖）面形態(tài)酷似碟狀，四周隆起、環(huán)狀殘丘形態(tài)的個(gè)體特征以及碟形洼地分布廣、數(shù)量多的群體特征。

圖3顯示了蠡縣小百尺區(qū)域三維場景圖遺跡的形態(tài)，用GIS技術(shù)恢復(fù)洼地殘跡的面貌，可以清楚地看到洼地和四周隆起的形態(tài)和（坑唇和外圍拋射物）被侵蝕、改造后遺留的環(huán)狀殘丘。圖4顯示了蠡縣附近區(qū)域原始地貌狀況，重現(xiàn)了平原上分布有大量碟形洼地的景觀。這種分析直觀地描繪了洼地的基本形態(tài)，也反映了后期破壞、改造的結(jié)果，揭示了碟形洼地的真實(shí)面貌和演化過程[7-8]。

圖3 蠡縣小百尺地貌三維場景圖

圖4 蠡縣附近歷史地貌三維場景圖

綜合歷史文獻(xiàn)和GIS重建三維場景的研究成果，可以初步得出白洋淀流域碟形洼地的演化過程。白洋淀是全新世時(shí)期以來在自然和人為雙重因素綜合作用下形成的。經(jīng)過地表水沖蝕和人工改造等多種因素長時(shí)間的演變、構(gòu)造形成了一種獨(dú)特的地貌現(xiàn)象——碟形洼地。這種特殊的洼地大部分被地表水沖蝕所破壞，地勢較低的地方形成了積水洼地，而后逐漸演化成該地區(qū)人類的居住地，由于受地表水影響河床間的高地較少地保留了碟形洼地及其群體地貌。近年來，尤其是2000年以后隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對自然的改造力度和索取空前加強(qiáng)，這對白洋淀流域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大的不良影響，水源明顯減少，環(huán)境污染嚴(yán)重，濕地面積和湖泊水域大幅萎縮，導(dǎo)致碟形洼地急劇減少甚至面臨消失的危險(xiǎn)，目前以群體存在方式分布在各河流間的高地上，僅局部地區(qū)碟形洼地形態(tài)保留較好。白洋淀流域碟形洼地不僅是一部研究冀中平原、白洋淀流域地貌發(fā)展與演化的活歷史和教材，也對該流域的景觀、經(jīng)濟(jì)和社會產(chǎn)生了重要效應(yīng)，應(yīng)予以高度重視和保護(hù)。

運(yùn)用上述方法生成的三維場景圖，所蘊(yùn)含的有效信息量要明顯多于二維平面圖，能充分顯示白洋淀流域碟形洼地的細(xì)部變化，有較強(qiáng)的立體感和層次感，對研究區(qū)地貌有更加形象直觀地顯示，便于綜合各種有效地理信息進(jìn)行分析研究。該方法在三維可視化分析及制作各種專題地圖方面也具有很好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語

本文以二維平面順直地形圖為基礎(chǔ)資料，通過對相關(guān)資料的整理、挖掘與轉(zhuǎn)換，結(jié)合GIS技術(shù)，運(yùn)用MapGIS平臺提供的空間插值及三維顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了DEM的建立和三維場景的重建。結(jié)果表明，利用GIS技術(shù)復(fù)原歷史地貌三維場景是可行的，生成的模型清楚直觀地展現(xiàn)了百年前白洋淀流域碟形洼地的地貌特征，補(bǔ)充了研究區(qū)域地形地貌的相關(guān)信息和細(xì)節(jié)，為多角度研究目標(biāo)區(qū)域的歷史成因及其演化過程提供了有效途徑。

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P208

B

1672-4623（2017）07-0056-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.017

蘇建鋒，工程師，研究方向?yàn)樾巫儽O(jiān)測和GIS技術(shù)。

2016-10-19。

項(xiàng)目來源：科技部基礎(chǔ)工作專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2015FY210400）；中國地震局第一監(jiān)測中心科技創(chuàng)新主任基金資助項(xiàng)目（FMC2016006）；地震科技星火計(jì)劃資助項(xiàng)目（XH15062）。