GIS技術在歷史地貌三維場景重建中的應用

蘇建鋒

（1.中國地震局 第一監測中心，天津 300180）

GIS技術在歷史地貌三維場景重建中的應用

蘇建鋒1

（1.中國地震局 第一監測中心，天津 300180）

通過對歷史地貌的復原研究，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研究資料，對其進行整理、挖掘與分析，并結合GIS技術建立了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，對于該區域歷史環境和演化過程的研究具有重要的參考價值，也為歷史地貌重建的信息化發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和對地觀測學的快速發展，以計算機圖形技術、三維建模技術和可視化技術為代表的應用研究日趨成熟；各種地理信息能以空間為基礎有機結合起來；借助計算機和三維可視化技術，可直接從三維立體空間的角度去理解和表達地體與地體環境。與傳統的二維平面相比，三維空間以其立體直觀、層次豐富等優點在地形、地貌、地質等領域得到廣泛應用，尤其是在對地貌形成發育歷史過程的研究中發揮了重要作用。歷史地貌場景重建已從傳統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展，為區域地貌發育及地貌類型和空間格局的創新研究奠定了基礎[1-2]。

運用GIS技術重建含歷史地形地貌特征信息的三維場景，關鍵在于DEM的建立。而建模涉及到數據集成、空間數據模型、三維可視化等多項技術，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，詳細介紹了DEM建模的理論依據和相關技術流程。

1 DEM建模原理與方法

DEM是通過離散分布的高程數據對地球表面連續分布的地形地貌進行的數字表達和模擬，是描述地表單元空間位置和地形屬性分布的有序集合，是表示實際地形特征的空間分布模型。DEM作為一種空間數據，每個點都具有真正的三維坐標，便于三維可視化和統計分析，是研究地表過程、構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，結合相關資料盡量完善上述地形信息，并進行歷史地形地貌的復原；再利用相關的數學算法和GIS技術提取歷史地形的高程數據信息，設定抽稀、采樣等參數，構建DEM；然后通過電子沙盤技術，實現含地貌特征的三維歷史地貌圖的重建。

2 實例研究

2.1 研究區概況

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，為沖積平原洼地，面積約為4 500 km2，海拔為50～10 m，局部地區低于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。碟形洼地因其形態特殊，成因復雜、觀點不一，分布密集、數量眾多等特點成為地理學術界重點關注的對象。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技術對已經逝去或模糊了的地理現象進行模擬，最大化地還原本來面貌，并在此基礎上進行分析探討，審視不同空間尺度下的歷史進程。近幾十年，由于受到人類大開發的影響，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象，需選取人類活動對碟形洼地影響較小且較準確的研究素材作為基礎資料。順直地形圖是在我國現代大規模開發建設之前出版的地形圖，也是我國最早使用現代測量技術、按正規的大地測量規范出版的地形圖。以這個歷史時間點來構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為中部低洼且多為居民點，四周有環狀水塘和放射狀溝谷，形態酷似碟狀，等高線環形分布仍較清晰，這些圖件能較直觀地描繪碟形洼地的基本形態。

結合GIS技術，本文利用MapGIS為平臺，以1∶50 000順直地形圖數據為基礎資料，參照同期航、衛片及相關數據資料構建了三維場景，其技術流程如圖2所示。

圖1 蠡縣小百尺順直地形圖

圖2 三維重建技術流程圖

2.2.1 數據預處理

數據預處理的目的是以具有空間坐標系和高程屬性的高程數據來構建研究目標的DEM。首先對順直地形圖掃描的矢量化數據進行誤差校正和高程賦值，高程字段應為雙精度類型，使其具有空間坐標系和高程屬性；然后剔除現代和人工地物圖層，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據；最后參照航、衛片及現場勘探數據和相關資料，對數據的空白區進行修補，并對得到的高程數據進行系統檢查，修改和剔除無效數據，使其滿足MapGIS平臺的數據格式要求。

2.2.2 三維場景的制作

1）DEM的建立。三維場景制作的關鍵是建立DEM。DEM的建立首先需要選擇DEM模型與網格化方法，設置參數等。DEM的表示模型和網格化方法較多，MapGIS平臺提供了兩種模型（表1）和4種網格化方法（表2）。由于白洋淀流域碟形洼地地形復雜，形態特殊，構建的DEM要能反映這種特殊地形的細部特征，根據表1和表2對比結果，本文采用TIN模型和泛克里格法來構建DEM[5-6]。

表1 GRD模型與TIN模型對比

表2 4種網格化方法對比

建模過程中還需對其他參數進行抽稀采樣、網格間距、搜索方式和網格線數等設置。這些參數設置得合理與否也會影響模型的精度，而合理的參數需要視研究數據的特點來靈活設置，一般需要反復試驗依據模型精度來調整模型參數，才能真正意義上完成建模，為后期研究打好基礎。

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下的DTM分析模塊，打開高程點/線文件，在菜單“處理點線”下進行“線數據高程點提取”；再使用菜單“TIN模型”下的“快速生成三角剖分網”和“整理三角剖分網”，得到TIN文件；最后在菜單GRD模型下的“離散數據網格化”選項中處理TIN文件。網格化方法選擇泛克里格法，網格線設置為500，搜索類型為四方搜索。參數設置好后點擊確認會輸出一個GRD文件，這樣就基本完成了DEM建模。

2）三維場景生成。三維場景主要是構建DEM來顯示地形起伏情況，根據高程的不同賦予不同顏色值，可制作三維地形圖，用以表達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，通過三維交互地形可視化環境，具有漫游瀏覽、地形分析、數據疊加等功能，本文采用電子沙盤模塊生成三維場景。根據觀察研究的需要，對場景的顯示方式、效果以及觀察角度等參數進行設置和調整，以增強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）面形態酷似碟狀，四周隆起、環狀殘丘形態的個體特征以及碟形洼地分布廣、數量多的群體特征。

圖3顯示了蠡縣小百尺區域三維場景圖遺跡的形態，用GIS技術恢復洼地殘跡的面貌，可以清楚地看到洼地和四周隆起的形態和（坑唇和外圍拋射物）被侵蝕、改造后遺留的環狀殘丘。圖4顯示了蠡縣附近區域原始地貌狀況，重現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，也反映了后期破壞、改造的結果，揭示了碟形洼地的真實面貌和演化過程[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。白洋淀是全新世時期以來在自然和人為雙重因素綜合作用下形成的。經過地表水沖蝕和人工改造等多種因素長時間的演變、構造形成了一種獨特的地貌現象——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濟的快速發展，人們對自然的改造力度和索取空前加強，這對白洋淀流域的生態環境產生了很大的不良影響，水源明顯減少，環境污染嚴重，濕地面積和湖泊水域大幅萎縮，導致碟形洼地急劇減少甚至面臨消失的危險，目前以群體存在方式分布在各河流間的高地上，僅局部地區碟形洼地形態保留較好。白洋淀流域碟形洼地不僅是一部研究冀中平原、白洋淀流域地貌發展與演化的活歷史和教材，也對該流域的景觀、經濟和社會產生了重要效應，應予以高度重視和保護。

運用上述方法生成的三維場景圖，所蘊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部變化，有較強的立體感和層次感，對研究區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用前景。

3 結 語

本文以二維平面順直地形圖為基礎資料，通過對相關資料的整理、挖掘與轉換，結合GIS技術，運用MapGIS平臺提供的空間插值及三維顯示等功能，實現了DEM的建立和三維場景的重建。結果表明，利用GIS技術復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了百年前白洋淀流域碟形洼地的地貌特征，補充了研究區域地形地貌的相關信息和細節，為多角度研究目標區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，研究方向為形變監測和GIS技術。

2016-10-19。

項目來源：科技部基礎工作專項資助項目（2015FY210400）；中國地震局第一監測中心科技創新主任基金資助項目（FMC2016006）；地震科技星火計劃資助項目（XH15062）。