视域分析-转载

ArcGIS可视域分析在瞭望台管理中的应用  

王佳璆，张贵，肖化顺 ( 中南林学院 湖南 株洲 412006 )

[摘 要] 利用ArcGIS地理信息系统平台，结合空间分析的建模理论，以广州市白云山SPOT卫星影像图和全要素数字图数据为材料，阐述了可视域分析的过程，得出了遥感影像和数字化地形图相结合进行可视域分析的方法，输出的通视图清晰直观，为广州市森林防火信息系统瞭望台管理提供了可靠的基础决策信息。

[关键词] 可视域分析； 空间分析； 数字高程模型（DEM）

The Applications of ArcGIS Analyzing Visibility in lookout management

WANG Jiaqiu ，ZHANG Gui，XIAO Huashun

（Central South Forestry University，Zhuzhou 412006，Hunan，China）

Abstract :Making use of ArcGIS geographic information system as flat roof ，based on modeling theory of geographic information system in Spatial Analysis， and according to SPOT satellite image of BaiYun Mountain of Guangzhou City and entire element digital map data as material ，the paper discusses the process of analyzing visibility and educes the method of analyzing visibility how to associate remote sensing image with digital topographical map。exporting of visibility map is legible and intuitionistic，and it also can provide lookout management of Forest Fire Management Information System of Guangzhou City with basic decision-making information。

Key words : analyzing visibility；spatial analysis；digital elevation model

1、引言

可视域分析，即通视分析，是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。可视域分析有着广泛的应用前景，如森林中火灾监测点的设定，观察哨所的设定，无线发射塔的设定等。有时还可能对不可见区域进行分析，如低空侦察飞机在飞行时，要尽可能躲避敌方雷达的捕捉，飞行显然要选择雷达盲区飞行[1]。可视域分析在地理信息系统中属于空间分析的范畴。空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。空间分析是GIS的核心部分之一，在地理数据的应用中发挥着举足轻重的作用。数字高程模型(Digital Elevation Model )是用于描述地形表面起伏特征的表面几何模型，它是通过地形表面上一组有限的高程采样点来进行描述的。数字高程模型一般是根据构成模型的基本面元类型和数据结构特征来划分的[2]。数字高程模型作为地球空间框架数据的基本内容和其它各种地理信息的载体，是各种地学分析的基础数据，也是GIS的基本内容[3]。本文着重研究森林火灾监测点瞭望台的设定。通过空间分析中的地形分析生成广州市白云山数字高程模型，进行可视域分析。ArcGIS 的Spatial Analyst扩展模块，提供了强大的分析和处理栅格数据的工具和平台。在此基础之上，结合空间分析的建模理论，对广州市白云山的可视域问题建立模型，以理解、简化和解决可视域分析问题。

2、软、硬件环境的配置

此研究的顺利完成离不开相应的软、硬件支持，在做研究的时候考虑到要用到卫星影像数据和全要素数字地形图数据，数据量很大，所以采用了有TB级容量的磁盘阵列，进行海量数据的存储。采用Client/Server结构方式工作，用ArcSDE空间数据引擎在服务器端集中存贮和管理空间数据，用ArcGIS桌面应用程序在客户端对数据进行分析处理操作。客户端采用一台IBM高性能图形工作站完成对卫星影像数据和全要素数字地形图数据的图形加工处理工作，主要配置为PIV2.0G的CPU，内存512M，显存为128M，配有48速DVD-RW，100M网卡。空间数据服务器为美国Sun Microsystems公司生产的高性能V480小型机，主要配置为两个UltraSparc III 900M的CPU，内存8192MB，内置硬盘72G，配有DVD-ROM驱动器、100M网卡及20inch的带有真彩色显示卡的大屏幕显示器等。

软件系统设备为：客户端操作系统为Windows XP Professional、服务器操作系统为Solaris9，数据库软件采用Oracle enterprise 9i，地理信息系统平台为ArcGIS8.3，使用ArcSDE for Solaris9 空间数据引擎，实现对数据的跨平台操作和统一管理。

3、研究区概况与研究材料

3.1研究区概况

广州市位于珠江三角洲北缘，濒临南海，毗邻香港和澳门，东经113°17′—113°20′，北纬23°8′—23°12′，白云山位于广州市北郊，总面积20.98平方公里，主峰“摩星岭”海拔382米。广州市属于亚热带季风气候，四季如春，繁花似锦。光热资源充足，市区年降雨量为1600mm以上，平均相对湿度77%，年平均日照时数为1875.1～1959.9h，年平均气温为21.4～21.8℃，日均气温０℃以上。无霜期北部290d，南部346d。植物种类达数千种，野生动物约有210多种，旅游资源丰富，但白云山树种结构单一，森林火险级高，森林覆盖率大，防火任务重，需要在山上建立瞭望台以监测火点，以作为卫星监测火点的辅助手段。

3.2研究区材料

本研究使用的遥感数据为法国SPOT卫星影像图，分辨率为2.5m，成像期为2004年3月21日，卫星影像对应的地面位置为广州市白云山、市区一带。

全要素数字地形图数据。包括河流、水系、道路、建筑物、居民地、高程点、等高线、社会经济、标注等数据层。

林相图。提供森林资源分布和可燃物类型分布。

属性数据。瞭望台数据、扑火队伍、救火设施、防火隔离带

4 建模及实现过程

4.1可视域分析建模

空间分析建模，由于是建立在对图层数据的操作上的，又称为 “地图建模” （Cartographic Modeling）[4]。它是通过组合空间分析命令操作以回答有关空间现象问题的过程，更形式化一些的定义是通过作用于原始数据和派生数据的一组顺序的、交互的空间分析操作命令，对一个空间决策过程进行的模拟。地图建模的结果得到一个“地图模型”，它是对空间分析过程及其数据的一种图形或符号表示，目的是帮助分析人员组织和规划所要完成的分析过程，并逐步指定完成这一分析过程所需的数据。地图模型也可用于研究说明文档，作为分析研究的参考和素材。地图建模是一个空间分析流程的逆过程，即从分析的最终结果开始，反向一步步分析为得到最终结果，哪些数据是必须的，并确定每一步要输入的数据以及这些数据是如何派生而来，按以上步骤分析得到的地图模型可以用下面的形式表示：

表1：广州市森林防火可视域分析模型

步骤

操作命令

找出所有森林地区
1 为林地 ， 0 为非林地

分类

合并森林分类图属性相同的相邻多边形的边界

归组

生成有林地区等高线图层

拓扑叠加分析

生成数字高程模型（格网 DEM ）

空间插值

进行表面分析生成阴影图

表面分析

生成 DEM 通视图

可视域分析

载入 SPOT 卫星影像图，找出控制点

坐标配准

生成森林防火可视域效果图

视觉叠加分析

4.2实现过程

4.2.1 数据安装

首先创建一个名为Visibility的文件夹，子文件夹If_analysis 还包含多个子文件夹。Results文件夹用来存储所有分析步骤的结果。

4.2.2 定义研究区域

定义研究区域必须使用ArcGIS 空间分析的Options 对话框保存处理数据时的步骤。栅格数据分析会生产大量新的grid。grid是ArcGIS存贮栅格数据的一种格式，是一些文件的集合。必须指定新的grid 的像元大小和地图范围。不用单独为每个grid 指定这些值，你可以在Options 对话框里设置一个缺省的像元大小和地图范围。这也可以保持你创建的数据的一致性。

(1)打开ArcMap。激活空间分析扩展模块。选择Tools>Extensions，选中Spatial Analyst。 接下来，从View>Toolbars 选中Spatial Analyst，显示工具条。

(2)打开Visibility\If_analysis\下的Analysis_visibility.mxd。从空间分析工具条，选择Options。 在Options 对话框，点击General 标签，将工作空间设置为Visibility\If_analysis\analysis。

(3)分析环境是为所有grid 操作设置x,y 坐标范围。尽管可以用另一图层、图层的交集或并集以及手动输入来设置，分析范围始终是一个矩形。但是，分析掩膜可以用图层的真实形状来替代矩形范围。我们将会使用一个分析掩膜。在General 标签，从下拉列表中选择zj_polygon作为分析掩膜。

(4)点击Extent 标签。选择Same as Layer zj_polygon。点击Cell Size 标签，选择As Specified Below，输入1000。

4.2.3 数据准备

准备步骤如下：

(1)点击工具条上的Add Data ，选中zj_polygon图层，右键点击Label Features，显示出广州市行政区划。

(2)点击工具条上的Add Data ，选中lxt_polygon图层，右键点击Label Features，显示出广州市有林地。

(3)打开菜单栏。选择Tools->GeoProcessing->Merge Layers Together，点击要合并的图层，合并森林分类图属性相同的相邻多边形的边界。如图所示：

图1：白云山森林分类图

(4)点击工具条上的Add Data ，选中dgx_polyline等高线图层，选择Tools->GeoProcessing->Merge Layers Together，点击要合并的图层，生成有林地等高线图层，把新生成的图层名字定义为yld_dgx_polyline。

4.2.4 生成数字高程模型

数字高程模型有两种类型，分别是栅格模型和TIN模型，栅格模型是通常所说的格网grid数据，ArcGIS空间分析工具用格网数据来进行可视域分析。生成格网要对等高线进行空间插值，空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法。ArcGIS Spatial Analysis提供了距离倒数插值(Inverse Distance Weighted）、样条函数插值（Spline）和克里金插值（Kriging）三种插值方法。

(1)点击Spatial Analysis工具条，选中Interpolate to Raster->Kriging

(2)点击yld_dgx_polyline作为输入点数据集。保持其它参数为默认值，定义输出目录为esults\yld_DEM。

(3)按确定按钮，得到生成的数字高程模型。如图所示：

图2：白云山格网模型

(4)使高程图层可视。在空间分析工具条上，选择Surface Analysis->Hillshade。将输入表面设置为yld_DEM，输出测量为Degree。接受其它的缺省设置。生成一个新的图层yld_HillShade。如图所示：

图3：阴影图

4.2.4 可视域分析

生成的格网DEM进行可视域分析。

(1)首先建立观察点Shape文件。打开ArcCatalog，进入Visibility\If_analysis目录，右键点击new->Shapefile，在Name处输入Observation，在Feature Type下拉框选择Point要素。

(2)选择坐标系。在Spatial Reference中先择Edit，在Coordinate System中选择WGS-84坐标系，按确定退出ArcCatalog，此时已生成了观察点图层。

(3)选择要分析的观察点。打开ArcMap，加载观察点Observation和格网yld_DEM图层，也可载入地名等其它图层以帮助定位，在Editor工具条中选择Start Editing，选择一个观察点，点击Stop Editing，保存退出，

(4)进行分析。点击Spatial Analysis->Surface Analysis->Viewshed，在Input Surface项选择yld_DEM图层，在Observer Point项选择Observation图层，生成的图层输出到Visibility\Results\Viewshed文件，再载入yld_HillShade图层，显示分析结果如图所示：

图4: 通视图

黄色表示观察点，红色为不可见区域，绿色为可见区域。

(5)载入广州市SPOT卫星影像图，选择WGS-84为其坐标系，选择控制点进行配准， 然后与可视域分析的Viewshed图层进行视觉叠加，生成森林防火可视域效果图，如图所示：

图5：红色部分为可见区域

由于广州市SPOT卫星影像图植被为绿色，为便于区分，把可见区域改为红色。将结果保存为Analysis_viewshed.mxd文件，以便再次调用。