利用地理信息系统(GIS)绘制地形图并实现地形图数据可视化外文翻译资料

 2022-02-25 10:02

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附录1 译文

利用地理信息系统(GIS)绘制地形图并实现地形图数据可视化

作者：Ndidi Felix Nkeki1 amp; Monday Ohi Asikhia1

摘要：

地形设置的映射和可视化对于理解和管理物理环境至关重要。在此基础上，必须采用复杂的方法产生准确的结果，以确保在规划过程中做出正确的决策。GIS技术已被证明是一种可持续发展的力量，这就是为什么世界各地的研究人员经常在他们的调查中使用它的程序。地理信息系统在景观制图和可视化方面的应用提高了人们对当代制图成果的信心。然而，本文的主要目的是演示如何通过在江户州应用各种制图技术，利用GIS方法来模拟地形数据。将研究区域基于dem的地形数据输入各种GIS软件和算法中，进行地形特征的处理和提取。逐渐地，重要的地形特征被自动提取和生成，这些特征被用来构建gis辅助地形数据库，包括该区域的河流网络、河流集水区、等高线和点高度、坡度和地形起伏方向等物理特征。从这个数据库中，我们发现了该地区可疑的景观结构。这些数字衍生品对于了解该区域的景观非常重要，以便进行进一步的调查、规划和决策。

关键字：地理可视化、地理信息系统、DEM、景观剖面、地形学、地理空间学、GIS

1.介绍

地理信息系统(GIS)允许物理地理学家和其他景观研究者研究地球表面数据中的空间模式，并了解物理环境和人类活动之间存在的关系。在空间格局评价中不能排除可视化的力量，这是GIS的基本特征之一。最初，制图人员在绘制地形图和以与精确度和覆盖率有关的方式显示前面的结果时遇到了困难。制图学通常被定义为制作地图的艺术、科学和技术(ICA, 1973)，后者必须以更吸引人的格式呈现，以帮助解释和理解。否则，艺术、科学和制作这样一张地图的整个过程将毫无意义。这是因为毫无疑问，制图师依赖视觉工具来完成他们的任务(Brewer, 2006)。

地理信息系统的出现及其相关技术的最新进展彻底改变了测绘和可视化地形数据的整个过程。地理信息系统和诸如遥感等与信息技术有关的技术的适当结合开辟了经常被称为“地理空间”的新疆域，到目前为止证明这有助于解决地理问题和确定地理位置。地理空间是指用于确定地理位置和探索其问题的数据和技术。本文中的“地理位置”概念，一般包括国家、州和地方政府等界定明确的正式区域;流域、山脉、山谷等自然区域，有时可以根据其可观测的特征正式定义;以及不明确的社会文化区域，比如社区。

在GIS技术引入之前，制图员主要依靠传统测量数据来绘制地形图，地形图大部分用等高线插值，手工绘制山阴影图(Alpha amp; Winter, 1971;Imhof, 1965)。这种粗糙的方法因其单调、低成本、时间消耗和准确性较差而受到贬低(Collier, 2002;Ozah amp; Kufoniyi, 2008)。

手工绘制地形图和可视化方法已不能满足现代规划对空间信息质量和数量的要求。然而，地形图在国家发展中所起的巨大作用已被世界上许多发达国家所承认。这基本上就是在数据收集、操作和地球可视化技术方面投入巨资的原因。因此，这促使这些国家的研究人员定期使用最新的空间数据集和复杂的技术进行新鲜的地形测绘(Ehsani amp; Quiel, 2009; Yokoyama et al., 2002; Wu et al., 2007; Hirano et al., 2003; Lindsay amp; Creed, 2006)。

在发展中国家，大部分此类国家缺乏可靠的地形数据，这通常阻碍了地形测绘和建模(Valeriano et al.，2006)。这种不足在尼日利亚等非洲国家很常见，这些国家在地理空间信息方面的贫穷和技术进步不足导致这些国家无法定期绘制新的地貌图，特别是在更大的范围内(Ozah amp; Kufoniyi,2008)。重要的是，因为地形信息是各种环境规划和资源管理的基础(Ehsani amp; Quiel,2009; Ludwig et al.,2000;Ludwig amp; Schneider,2006)这些国家大多利用现有的地形图，这是非常古老和过时的。更重要的是，这些映射使用映射表进行存储和可视化，这常常限制了进一步的操作和集成。

在尼日利亚，这一领域的大量文献致力于使用现有的基本地图(等高线)进行地形图修订，在某些情况下，使用航空照片、卫星图像和GPS (Okpala-Okaka amp; Igbokwe,2010; Ufuah,2002, 2003; Obot,2005; Petrie,1997; Adesina,2007; Ajayi,1992; Atilola,1990; Olaore,2007)。这种制作新地形图的方法(通常是将现有地形图与航空照片、卫星图像的空间数据相结合)由于基图和新数据集之间存在差异，常常很麻烦、耗时和容易出错。例如，大多数手动导出的等高线地图的间隔与卫星导出的数据集有很大不同。这是因为传统制作的等高线地图具有高度的普遍性，在印刷、扫描和数字化的过程中可能丢失了内在的浮雕信息。

复杂的GIS软件的使用地图和可视化高分辨率空间派生数据,如航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)数字高程模型(DEM)将大大减少与地形图修订相关的问题,降低生产成本的地形图,提高准确性和水平更好的可视化平台。此外，这项技术无疑将通过其地理可视化平台简化复杂的地形数据，为规划人员和决策者提供方便。

地理信息系统(GIS)技术使地形图和地球可视化更加精确、更具吸引力，而且可以在更短的时间内绘制大面积的地图。它允许用户动态集成多个数据源，不受格式、比例和坐标系统的限制，从而能够可视化地理数据。此外，GIS技术对来自不同来源的空间和非空间信息进行可视化和分析的能力，使其成为一个强大的多层次决策平台，因此更应该重视其地理可视化能力。它们可以将大量的地理数据汇总成一幅地图，这无疑有助于快速的视觉解释(Nkeki, 2013a)。本文从二维角度研究了GIS技术，即利用基于传感器的空间卫星设备采集的空间数据，用于制作DEM等地形图，以及利用GIS软件和算法等对DEM数据进行处理和地理可视化。地理可视化(Geovisualization, geographic visualization)是指为快速可视化解释而显示地理数据的技术和过程。目前，这种可视化地理数据集的方法正在迅速取代繁琐的纸质地形图。它能够可视化多个空间数据，并在地图和用户之间提供友好的界面。

然而，GIS最初被松散地理解为一组用于制作地图的计算机工具。Clarke等人(1996)从其功能能力的角度将其定义为一种工具，可以将解决问题和分析所需的元素组合在一起。地理信息系统实际上是一项复杂而强大的最先进技术，从相机、数字化设备或扫描仪捕捉的景观自动建模开始。在先进的情况下，这些模型可以通过卫星传输，在计算机系统的帮助下，它们可以被操纵、增强、分析、可视化和存储为参考地球的数据(Nkeki, 2010)。

空间卫星设备上的传感器能够生成极其详细的地球表面三维模型。DEM数据彻底改变了地形图生成的过程和质量(Ozah amp; Kufoniyi, 2008)。正确的GIS算法处理DEM数据，不仅可以显示景观的三维(X、Y、Z)属性和非属性数据，还可以显示河网、节点、流域、流向等众多地形水文特征。

DEM在景观制图和可视化方面的应用已成为世界各大洲科研人员的重要工具((e.g., Jordan et al., 2003; Ganas et al., 2001; Michetti et al., 2001; Vysotsky et al., 2002)。与地面或传统的测量方法相比，利用地理信息系统(GIS)技术测绘和地理可视化地形数据的根本优点是，它看起来不那么单调乏味;更精确(因为它提供了插值和校正的平台);覆盖面更广(可以在世界范围内收集数据，即使是在最偏远和崎岖的地形地区);它提供了集成和比较多维数据的机会(Valeriano et al,2006 ;Asikhia amp; Nkeki, 2013;Ozah amp; Kufoniyi, 2008)。

本文从根本上利用GIS环境下基于dem的网格数据模拟江户州的景观。此外，利用强大的GIS算法、软件和地理可视化工具对河流网络、流域等地形特征进行提取和映射。这些特性用于为该区域创建地形地理数据库。这样的数据库，可以在空间规划方面发挥至关重要的作用，特别是无障碍相关(道路、管道和铁路网建设)。GIS派生数据库的置信度很高，这与它的空间框架和方法有关。它能够利用从真实世界收集的相应数据对真实世界场景进行建模，这使得它的输出和结果在经验上是可行的，并且对于进一步的科学研究是可靠的(Nkeki, 2013b)。

2.研究区域

研究区为江户州，位于尼日利亚西南部，北纬5°44′60′N至7°33′45′N之间，东经5°05′45′E至6°38′18′E(图1)，面积约19853 平方千米。国家由18个地方政府区域(LGAs)组成，总人口为3,233,366人(根据2006年全国人口普查)。该地区地势较低，约16992平方公里，地势较高，约1586平方公里(Fabiyi et al.， 2012)。基本上，这个州的地形是由北部延伸到该地区中部的高低不平的高地组成的。这片高地被一个宽阔的山谷分割开来，山谷从东部的尼日尔河泛滥平原一直延伸到该州的西部边缘。在南部，地形是一个平缓的倾斜平面，延伸到三角洲状态。

图1所示 研究区域的位置

3.数据

利用地球观测系统技术和GIS平台已经成为地理分析中一个集成的、发展良好的、可靠的方法(Nkeki et al.，2013)。因此，本文利用SRTM生成的90 m空间分辨率DEM。SRTM数字高程数据最初由美国国家航空航天局(NASA)生产，是数字地形测绘领域的一项重大进展，为研究人员提供了免费、方便的高质量高程数据。这个数字数据集可以从美国地质调查局的EROS数据中心的网站上下载。

地形制图中使用的SRTM高分辨率DEM是由若干块覆盖研究区域的地形图拼接而成的，拼接时间为3弧秒(90 m分辨率)，拼接面积为1度times;1度的地形图。DEM数据集被拼接成无缝的近全球覆盖(南北60度)，并转换为各种栅格格式。该数据集经过预处理，利用辅助数据源，以地理坐标系WGS84 datum提出改进的补孔算法，填补了4.1版本中的空洞。SRTM使用双天线，单通干涉合成孔径雷达(INSAR)，工作波长5.6 cm (c波段)，已经产生了最精确的近全球DEM覆盖大部分陆地和邻近近海海域(Farr amp; Kobrick, 2000; Rabus et al., 2003; Carabajal amp; Harding, 2006)。

4.材料和方法

为了确保地形图和大地可视化的最大精度，我们使用了各种复杂和最新的GIS软件和算法。它们包括ESRI ArcGIS 版本10.1、Global mapper 版本13.0(由Blue Marble Geographics开发)、Surfer surface mapping system 版本11.0.6(由Golden software Inc开发)、ESRI Arc hydro 版本 1.4、HEC-Geo Dozer 版本 1.0和HEC-Geo HMS 版本5.0。HEC-Geo推土机和HEC-Geo HMS是美国陆军工程兵团水文工程中心为Arcmap扩展而设计的算法。这些工具是专门为编辑地形数据和改进河流和分水岭轮廓而设计的。

为分析创建DEM需要将SRTM DEM块合并到一个栅格网格实体(马赛克栅格组件)中。逐步地，瓦片进入ArcMap-ArcInfo平台进行处理。使用HEC-Geo推土机的民主党组装工具,瓷砖高程数据合并成一个地形特征,然后重新取样来创建一个复合光栅水电民主党地区(图2)。虽然它是可以只使用一个5度单瓦覆盖的全部范围研究区域,采用1度瓷砖为了捕捉的浅浮雕特征区域,以实现最大的可视化结果的能力。生成的水文DEM由地理坐标系转换为投影坐标系(即从gss -WGS1984到WGS1984 World Mercator)。

地理信息系统的地形制图方法要求DEM在空间上进行校正。这种修正后的地形模型是一种所有洼地都被填满的模型(HEC-Geo Dozer, 2009)。采用填充槽算法对高程值进行修改，保证被高程单元包围的单元内的水被释放并允许流动。利用Arcmap空间分析工具框中的mask工具提取，将网格格式的重新采样DEM裁剪为研究区域的实际形状和大小(图2)。

5.结果与讨论

针对本文的研究目的，利用GIS算法对常用的地形图数据进行制图，自动提取SRTM网格DEM的地形图特征。这些方法包括等高线和高程、阴影地形、坡向和坡向、断面剖面、河流网络、流域和区域地形的三维模拟模型。

5.1等高线和光斑高度

在基于dem的数据出现之前，利用等高线和点高来绘制地形特征图是最有效和被广泛接受的表示地形起伏的方法。同时表示高程和景观坡度。坡度是由等高线沿条线的密度或空间聚类决定的。高程由海拔高度表示，海拔高度主要以米为单位。等高线在绘制精细地形和平坦表面时往往存在不足。为了得到详细的表示，等高线通常与点的高度相结合。这是因为用于制作等高线地图的基于地面的采集数据的测量方法是高度插值和一般化的。基于DEM生成等高线图更加准确、生成过程自动化的鲜明现实，利用DEM生成等高线图正迅速得到普及和广泛的应用。点高是给定地形内某一特定点的高程值，它被合并到等高线地图中，以提高地图的精度。

图2 SRTM掩模对江户州DEM进行重采样

图3为研究区域的等高线和点高程图。该地区北部和中部等高线的密度表明该地区景观的粗犷。粗略地看一下这张地图，就地形的高度和地形的坚固程度而言，大体上是有层次的。南方通常是低地，而北方基本上是高地。中间类别位于地图的中心

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