论文部分内容阅读
摘要：地形剖面图在现代生产和科研方面都有着广泛的应用，地形剖面图能直观地描述沿特定方向的地形起伏变化，在地形地貌分析中具有重要的作用，在实际的地貌分析中剖面图能准确地反映出高程变化的统计特征，有助于地形与地貌之间空间关系的提取和分析。本文以江西省兴国县龙岗镇为例，通过对相关数据的采集分析处理建立该镇的DEM，利用ArcView软件实现剖面图的自动绘制，在绘制的剖面图上可以很直观地看出龙岗镇的地形为西北部和东南部地势较高而中间部分地势较为平坦。
关键词：DEM；ArcView；GIS；剖面图；龙岗镇
地形剖面图能直观地描述沿特定方向的地形起伏变化，在地形地貌分析中具有重要的作用。因而在建筑、地质勘探、填挖方量计算、管线铺设、军事等领域剖面图都有广泛的应用，传统的手工绘制剖面图的方式不仅速度慢精确度不高而且耗费的成本较大，在当前生产中已经逐步淘汰。随着软件技术的发展，利用功能强大的GIS软件便可快速准确高效的自动绘制剖面图，为生产和科研提供决策和技术支持。
目前，大部分GIS（地理信息系统）软件都提供了地形剖面图的绘制功能，如ArcGIS将其集成到3D分析模块中，MapGIS将其集成到空间分析子系统里。运用这些软件绘制出的地形剖面图能反映一条剖面线上的高程连续变化，描述线状地形的起伏特征。ArcView软件是国内外GIS工作者在进行GIS研究中常用软件，该软件功能强大，利用该软件可以进行地图显示、属性查询、空间查询、空间分析等功能。方世民、吴冲龙等人利用ArcView绘制武汉市喻家山地质图的图切剖面图来反映地下的地层和构造特征；阚瑷珂、朱利东、龚建辉、陈中林等人利用ArcView绘制青藏高原东部的带状剖面图来进行地貌分析，前人在分析云南纵向岭谷区的地貌形态特征时，通过对研究区域的不同纬度断面建立平行的地貌剖面来进行地势曲线图谱分析。国外的学者在进行地形地貌的分析时也是通过绘制剖面图来进行分析。本文拟在前人工作的基础上研究在ArcView平台上绘制剖面图的技术方法和具体的绘制步骤，结合具体的实例研究来充分体现出这种方法绘制剖面图的优越性。
1.研究區概况
兴国县隶属于江西省赣州市，位于江西省中南部，赣州市北部，东倚宁都县，东南邻于都县，南连赣县区，西邻万安县，西北接泰和县，北毗吉安市青原区、永丰县，连接吉泰盆地。在东西部地形的起伏较大，地势较高，而在中部地势相对较为平坦，地形起伏小。本文以此地区作为研究目标。
2.剖面图的制作思路和过程
2.1制作思路
地形剖面能够直观反映地势起伏变化大小及变化趋势，从几何上看剖面就是一个空间平面上的曲边梯形，地形剖面的研究主要研究平面与地形表面形成的交线即剖面线，从剖面线中研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、地表切割强度、内插高程值等。由剖面线就可绘制地形剖面图。
由于剖面线由起始点和终止点连线与一个平面的相交而成，求剖面实际上可转化为求剖面线与DEM网格交点的平面和高程坐标。所以在绘制特定区域的剖面图时首先应获取该区域的相关数据资料，如行政区划图，地形图，遥感影像图等，然后对获取的数据资料进行处理，以便能制作出该区域高精度的DEM模型，高精度的DEM模型是绘制精确地形剖面图的重要前提，DEM是运用地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，在GIS空间分析中通过建立高精度，高可靠性的DEM，能很好地反映出地形变化信息，作为空间分析基础。
地形剖面可全面体现地形变化特征，包括区域的地貌特征、轮廓形态、绝对高度和相对高度、地质构造、斜坡特征、地表切割强度和侵蚀因素等。ArcView软件具有强大的空间分析功能，在ArcView平台上利用其空间分析的扩展模块能快速准确的绘制某一区域沿特定方向的地形剖面图。
为了对某一特定的区域进行地形分析，直观反映出这一区域地形的高低起伏变化，从而推导出该地区的地貌形态，地形剖面的内插是绘制地形剖面图的关键，通过DEM格网与剖面线交点的平面位置和高程，计算剖面线上相邻点的水平距离和高程，调整水平和垂直比例尺即可绘出所需的地形剖面图，首先应建立该地区的DEM模型，利用ArcView软件的3Danalyst扩展模块利用该地区的DEM沿一定方向来绘制剖面图，提取该地区在选取方向上的高程特征。利用ArcView GIS软件的扩充模块ArcView 3D Analyst可快速准确绘制地形剖面图。绘制的方法和步骤如下：
（1）图形分析：分析工作底图的地形变化、地质构造、水系分布、植被分布等信息，根据研究目的选取选择剖面线位置和方向。
（2）绘制剖面线：将地形图的剖面线与地形等高线相交各点一一投影到相应标高的位置，按实际地形用曲线连接相邻点即得到地形剖面。
（3）完成剖面图绘制：按照制图的要求修改高程和水平距离的数值，表明单位。
（4）图件修整：按生产或研究需要整饰图面，添加所需要素。
本文中研究的是在ArcView平台上绘制地形剖面图，由ArcView本身的扩展模块很容易实现剖面图的绘制，在制作好特定区域的DEM图上根据生产需要或研究靶区需要，通过人机交互的方式，快速准确的绘制地形剖面图，输出电子图件或打印纸质图件
2.2剖面图的绘制过程
在ArcView平台上绘制剖面图的具体步骤为：
（1）数据采集，获取所要研究区域的行政区划图，地形图。为了保证所绘图形的准确性和现势性应该选取近期的行政区划图和地形图。
（2）数据处理，空间分析对底图格式要求必须为矢量格式，首先应将底图数据矢量化后导入ArcView软件中。
（3）制作DEM，利用底图数据在ArcView平台上绘制出所研究感兴区域的DEM。
（4）激活制图区域的GRID或TIN主题层。 （5）点击Interpolate Line的工具按钮。
（6）参考GRID或TIN主题的内容，沿特定方向绘制剖面线。
（7）新建一个新的Layout图层。
（8）点击Profile Graph工具。
（9）利用鼠标左键建立一个用于放置生成剖面线图的矩形区域。
（10）修改添加缺省设置，再点击OK，完成剖面图绘制。
（11）对于已经制作好的剖面图进行必要的修饰，最后打印输出。
为了使绘制的剖面图能够客观准确地反映所研究区域的地形高低起伏的变化特征，在以上各个步骤中非常关键的一步就是建立精确度很高的DEM模型，这就需要在建模的过程中考虑到能够影响DEM模型精度的各个因素，从而对DEM模型的精度有一个很好的控制，影响DEM模型精度的因素有很多，比如：原始数据的精度，DEM原始数据的获取有影像图，地形图，地面本身及其他数据源，这些数据的获取方式一般有地面测量、摄影测量、立体遥感、GPS、手扶跟踪数字化、地形图扫描、激光扫描干涉雷达等，无论通过何种方式获取数据建立DEM，同时获取地形点特征点和等高线或规则格网点可以提高工作效率和DEM精度，建模方法的选取也在一定程度上影响DEM质量。
DEM数据质量的控制可以从以下几个方面入手：首先应减少数据采集时的误差引入；其次对采集到的数据作误差处理以提高可靠性；最后减少表面建模时的误差引入。在本文中采用的数据是地形图，用等高线地形图生成DEM的方法已十分成熟。为了提高DEM模型的质量，应选用比例尺较大，等高距较小，等高线密度较大的地形图。
生成DEM时，可以有两种生成格式——TIN格式和Grid格式，本文选用的是TIN格式，因为TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面，获得龙岗镇的地形图，通过描绘等高线和加载高程点数据，等高线数据和高程点数据的密度越高分部越均匀，生成的DEM模型就越逼真。可打开ArcView软件，加载了3D Analyst扩展模块，在菜单Surface/Create TIN from Features…（从要素生成不规则三角网络），随即进行相应的设置，即可得到研究区域的DEM模型。
3.结果与讨论
3.1龙岗镇A—B剖面图的实现
（1）做出研究區的DEM图，格网距离为10m，从DEM上可以较为直观看出研究区的地形变化特征。
（2）做出的研究区的剖面线，从A点到B点（图1）在这里应该注意绘制剖面线时的起点和终点应表明，否则绘制的剖面图会有很大误差。
（3）做出的剖面图（图1）。
从绘制的坡面图中可以很直观地看出龙岗镇的地形是东西高中间低，最高点的高程是780m而最低点的高程是244.6m，山体的落差较大。在东西部都是山丘且东部山丘的海拔比西部的要高，在东西部地形的起伏较大，地势较高，而在中部地势相对较为平坦，地形起伏小。
3.2作用及意义
该方法的应用，利用了平台的自身功能，利用DEM图直接绘制出沿某一方向的剖面图，制作容易，方法简便，缩减了时间，降低了成本，适用于时间紧任务急的应用项目，尤其适用于那些无法进行实地考察地区。利用ArcView平台作图，图形精度高，制作简单快速，为在ArcView平台下制作剖面图提供了一种可选择的途径。通过绘制的剖面图高程变化特征可以很清楚地看到沿特定剖面线走向的地形高低起伏的变化特征，反映该区域的地貌起伏的总体趋势，对于分析该地区的地貌提供很直观的信息。例如，当要在某个地区修筑一条铁路或是公路，为了节省资源和资金，减小施工的难度，首先要对这一区域的地形进行分析，我们通过绘制的剖面图来分析该区域的地形起伏情况，选择可以施工的最佳路径；当需要在某一区域安置一个哨所或是无线电信号发射塔，这时需要选择一个安置点，使得这个视野的覆盖范围最大，这时通过剖面图的绘制可以清楚地看到在一条剖面线上高程值最大的点，另外剖面图在建筑、地质勘探、填挖方量计算、管线铺设、军事等领域都有广泛的应用。
4.结论
通过绘制的剖面图高程变化特征可以很清楚地看到沿特定剖面线走向的地形高低起伏的变化特征，反映该区域的地貌起伏的总体趋势，对于分析该地区的地貌提供很直观的信息。但是利用这种方法绘制的现状剖面图只能定性的描述某一区域沿某一方向上地形的起伏变化特征，描述得只是现状地形的起伏特征，无法定量描述缺少统计分析的功能。尤其是研究区域后期的地质构造运动或后期人工活动所导致的微地貌变化，在很大程度上影响了地形剖面图分析地形变化的精度，因此怎样利用统计学方法进行地貌分析还需要进一步的研究和探讨。
参考文献：
[1]王春范.基于ArcGIS环境地形剖面图制作方法[J].城市勘测， 2018（06）：124-127.
[2]阚瑷珂，朱利东，龚建辉，等.基于ArcView的带状剖面工具开发及在地貌分析中的应用[J].成都理工大学学报（自然科学版）， 2006， 33（01）：64-69.
[3]李丽，周美玉.基于ArcView实现地形可视化[J].铁路地理信息系统专集， 2001（02）：34-36.
[4]方世明，吴冲龙，刘刚，等.基于GIS的地质图切剖面计算机辅助编绘[J].中国地质， 2002， 29（04）：441-444.
[5]范斌，张霖鑫.基于ArcGIS矢量分析的地埋管地源热泵适宜性分区——以兰州新区为例[J].西部资源， 2019（06）：187-189.
[6]李志林，朱庆.数字高程模型[M].湖北：武汉大学出版社， 2000.
[7]杜世宏，樊红.基于ArcView的多媒体电子地图的制作[J].测绘通报， 2000， 28（09）：33-34.
[8]周侗，龙毅，汤国安，等.面向DEM地形复杂度分析的分形方法研究[J].地理与地理信息科学， 2006， 22（01）：26-29.
[9]李满春，任建武，陈刚，等. GIS设计与实现[M].北京：科学出版社， 2003.
[10]陈秋计，张洪波，党熙凯，等.基于ArcView 3D Analyst的土地复垦三维景观模拟[J].金属矿山. 2005（04）：67-68.
关键词：DEM；ArcView；GIS；剖面图；龙岗镇
地形剖面图能直观地描述沿特定方向的地形起伏变化，在地形地貌分析中具有重要的作用。因而在建筑、地质勘探、填挖方量计算、管线铺设、军事等领域剖面图都有广泛的应用，传统的手工绘制剖面图的方式不仅速度慢精确度不高而且耗费的成本较大，在当前生产中已经逐步淘汰。随着软件技术的发展，利用功能强大的GIS软件便可快速准确高效的自动绘制剖面图，为生产和科研提供决策和技术支持。
目前，大部分GIS（地理信息系统）软件都提供了地形剖面图的绘制功能，如ArcGIS将其集成到3D分析模块中，MapGIS将其集成到空间分析子系统里。运用这些软件绘制出的地形剖面图能反映一条剖面线上的高程连续变化，描述线状地形的起伏特征。ArcView软件是国内外GIS工作者在进行GIS研究中常用软件，该软件功能强大，利用该软件可以进行地图显示、属性查询、空间查询、空间分析等功能。方世民、吴冲龙等人利用ArcView绘制武汉市喻家山地质图的图切剖面图来反映地下的地层和构造特征；阚瑷珂、朱利东、龚建辉、陈中林等人利用ArcView绘制青藏高原东部的带状剖面图来进行地貌分析，前人在分析云南纵向岭谷区的地貌形态特征时，通过对研究区域的不同纬度断面建立平行的地貌剖面来进行地势曲线图谱分析。国外的学者在进行地形地貌的分析时也是通过绘制剖面图来进行分析。本文拟在前人工作的基础上研究在ArcView平台上绘制剖面图的技术方法和具体的绘制步骤，结合具体的实例研究来充分体现出这种方法绘制剖面图的优越性。
1.研究區概况
兴国县隶属于江西省赣州市，位于江西省中南部，赣州市北部，东倚宁都县，东南邻于都县，南连赣县区，西邻万安县，西北接泰和县，北毗吉安市青原区、永丰县，连接吉泰盆地。在东西部地形的起伏较大，地势较高，而在中部地势相对较为平坦，地形起伏小。本文以此地区作为研究目标。
2.剖面图的制作思路和过程
2.1制作思路
地形剖面能够直观反映地势起伏变化大小及变化趋势，从几何上看剖面就是一个空间平面上的曲边梯形，地形剖面的研究主要研究平面与地形表面形成的交线即剖面线，从剖面线中研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、地表切割强度、内插高程值等。由剖面线就可绘制地形剖面图。
由于剖面线由起始点和终止点连线与一个平面的相交而成，求剖面实际上可转化为求剖面线与DEM网格交点的平面和高程坐标。所以在绘制特定区域的剖面图时首先应获取该区域的相关数据资料，如行政区划图，地形图，遥感影像图等，然后对获取的数据资料进行处理，以便能制作出该区域高精度的DEM模型，高精度的DEM模型是绘制精确地形剖面图的重要前提，DEM是运用地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，在GIS空间分析中通过建立高精度，高可靠性的DEM，能很好地反映出地形变化信息，作为空间分析基础。
地形剖面可全面体现地形变化特征，包括区域的地貌特征、轮廓形态、绝对高度和相对高度、地质构造、斜坡特征、地表切割强度和侵蚀因素等。ArcView软件具有强大的空间分析功能，在ArcView平台上利用其空间分析的扩展模块能快速准确的绘制某一区域沿特定方向的地形剖面图。
为了对某一特定的区域进行地形分析，直观反映出这一区域地形的高低起伏变化，从而推导出该地区的地貌形态，地形剖面的内插是绘制地形剖面图的关键，通过DEM格网与剖面线交点的平面位置和高程，计算剖面线上相邻点的水平距离和高程，调整水平和垂直比例尺即可绘出所需的地形剖面图，首先应建立该地区的DEM模型，利用ArcView软件的3Danalyst扩展模块利用该地区的DEM沿一定方向来绘制剖面图，提取该地区在选取方向上的高程特征。利用ArcView GIS软件的扩充模块ArcView 3D Analyst可快速准确绘制地形剖面图。绘制的方法和步骤如下：
（1）图形分析：分析工作底图的地形变化、地质构造、水系分布、植被分布等信息，根据研究目的选取选择剖面线位置和方向。
（2）绘制剖面线：将地形图的剖面线与地形等高线相交各点一一投影到相应标高的位置，按实际地形用曲线连接相邻点即得到地形剖面。
（3）完成剖面图绘制：按照制图的要求修改高程和水平距离的数值，表明单位。
（4）图件修整：按生产或研究需要整饰图面，添加所需要素。
本文中研究的是在ArcView平台上绘制地形剖面图，由ArcView本身的扩展模块很容易实现剖面图的绘制，在制作好特定区域的DEM图上根据生产需要或研究靶区需要，通过人机交互的方式，快速准确的绘制地形剖面图，输出电子图件或打印纸质图件
2.2剖面图的绘制过程
在ArcView平台上绘制剖面图的具体步骤为：
（1）数据采集，获取所要研究区域的行政区划图，地形图。为了保证所绘图形的准确性和现势性应该选取近期的行政区划图和地形图。
（2）数据处理，空间分析对底图格式要求必须为矢量格式，首先应将底图数据矢量化后导入ArcView软件中。
（3）制作DEM，利用底图数据在ArcView平台上绘制出所研究感兴区域的DEM。
（4）激活制图区域的GRID或TIN主题层。 （5）点击Interpolate Line的工具按钮。
（6）参考GRID或TIN主题的内容，沿特定方向绘制剖面线。
（7）新建一个新的Layout图层。
（8）点击Profile Graph工具。
（9）利用鼠标左键建立一个用于放置生成剖面线图的矩形区域。
（10）修改添加缺省设置，再点击OK，完成剖面图绘制。
（11）对于已经制作好的剖面图进行必要的修饰，最后打印输出。
为了使绘制的剖面图能够客观准确地反映所研究区域的地形高低起伏的变化特征，在以上各个步骤中非常关键的一步就是建立精确度很高的DEM模型，这就需要在建模的过程中考虑到能够影响DEM模型精度的各个因素，从而对DEM模型的精度有一个很好的控制，影响DEM模型精度的因素有很多，比如：原始数据的精度，DEM原始数据的获取有影像图，地形图，地面本身及其他数据源，这些数据的获取方式一般有地面测量、摄影测量、立体遥感、GPS、手扶跟踪数字化、地形图扫描、激光扫描干涉雷达等，无论通过何种方式获取数据建立DEM，同时获取地形点特征点和等高线或规则格网点可以提高工作效率和DEM精度，建模方法的选取也在一定程度上影响DEM质量。
DEM数据质量的控制可以从以下几个方面入手：首先应减少数据采集时的误差引入；其次对采集到的数据作误差处理以提高可靠性；最后减少表面建模时的误差引入。在本文中采用的数据是地形图，用等高线地形图生成DEM的方法已十分成熟。为了提高DEM模型的质量，应选用比例尺较大，等高距较小，等高线密度较大的地形图。
生成DEM时，可以有两种生成格式——TIN格式和Grid格式，本文选用的是TIN格式，因为TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面，获得龙岗镇的地形图，通过描绘等高线和加载高程点数据，等高线数据和高程点数据的密度越高分部越均匀，生成的DEM模型就越逼真。可打开ArcView软件，加载了3D Analyst扩展模块，在菜单Surface/Create TIN from Features…（从要素生成不规则三角网络），随即进行相应的设置，即可得到研究区域的DEM模型。
3.结果与讨论
3.1龙岗镇A—B剖面图的实现
（1）做出研究區的DEM图，格网距离为10m，从DEM上可以较为直观看出研究区的地形变化特征。
（2）做出的研究区的剖面线，从A点到B点（图1）在这里应该注意绘制剖面线时的起点和终点应表明，否则绘制的剖面图会有很大误差。
（3）做出的剖面图（图1）。
从绘制的坡面图中可以很直观地看出龙岗镇的地形是东西高中间低，最高点的高程是780m而最低点的高程是244.6m，山体的落差较大。在东西部都是山丘且东部山丘的海拔比西部的要高，在东西部地形的起伏较大，地势较高，而在中部地势相对较为平坦，地形起伏小。
3.2作用及意义
该方法的应用，利用了平台的自身功能，利用DEM图直接绘制出沿某一方向的剖面图，制作容易，方法简便，缩减了时间，降低了成本，适用于时间紧任务急的应用项目，尤其适用于那些无法进行实地考察地区。利用ArcView平台作图，图形精度高，制作简单快速，为在ArcView平台下制作剖面图提供了一种可选择的途径。通过绘制的剖面图高程变化特征可以很清楚地看到沿特定剖面线走向的地形高低起伏的变化特征，反映该区域的地貌起伏的总体趋势，对于分析该地区的地貌提供很直观的信息。例如，当要在某个地区修筑一条铁路或是公路，为了节省资源和资金，减小施工的难度，首先要对这一区域的地形进行分析，我们通过绘制的剖面图来分析该区域的地形起伏情况，选择可以施工的最佳路径；当需要在某一区域安置一个哨所或是无线电信号发射塔，这时需要选择一个安置点，使得这个视野的覆盖范围最大，这时通过剖面图的绘制可以清楚地看到在一条剖面线上高程值最大的点，另外剖面图在建筑、地质勘探、填挖方量计算、管线铺设、军事等领域都有广泛的应用。
4.结论
通过绘制的剖面图高程变化特征可以很清楚地看到沿特定剖面线走向的地形高低起伏的变化特征，反映该区域的地貌起伏的总体趋势，对于分析该地区的地貌提供很直观的信息。但是利用这种方法绘制的现状剖面图只能定性的描述某一区域沿某一方向上地形的起伏变化特征，描述得只是现状地形的起伏特征，无法定量描述缺少统计分析的功能。尤其是研究区域后期的地质构造运动或后期人工活动所导致的微地貌变化，在很大程度上影响了地形剖面图分析地形变化的精度，因此怎样利用统计学方法进行地貌分析还需要进一步的研究和探讨。
参考文献：
[1]王春范.基于ArcGIS环境地形剖面图制作方法[J].城市勘测， 2018（06）：124-127.
[2]阚瑷珂，朱利东，龚建辉，等.基于ArcView的带状剖面工具开发及在地貌分析中的应用[J].成都理工大学学报（自然科学版）， 2006， 33（01）：64-69.
[3]李丽，周美玉.基于ArcView实现地形可视化[J].铁路地理信息系统专集， 2001（02）：34-36.
[4]方世明，吴冲龙，刘刚，等.基于GIS的地质图切剖面计算机辅助编绘[J].中国地质， 2002， 29（04）：441-444.
[5]范斌，张霖鑫.基于ArcGIS矢量分析的地埋管地源热泵适宜性分区——以兰州新区为例[J].西部资源， 2019（06）：187-189.
[6]李志林，朱庆.数字高程模型[M].湖北：武汉大学出版社， 2000.
[7]杜世宏，樊红.基于ArcView的多媒体电子地图的制作[J].测绘通报， 2000， 28（09）：33-34.
[8]周侗，龙毅，汤国安，等.面向DEM地形复杂度分析的分形方法研究[J].地理与地理信息科学， 2006， 22（01）：26-29.
[9]李满春，任建武，陈刚，等. GIS设计与实现[M].北京：科学出版社， 2003.
[10]陈秋计，张洪波，党熙凯，等.基于ArcView 3D Analyst的土地复垦三维景观模拟[J].金属矿山. 2005（04）：67-68.