· 简介
一、概述
1. 要求：
对等高线地形图扫描件在ArcMap中进行地理配准、地理要素矢量化、拓扑检查、等高线平滑、附高程值、生成TIN、在TIN间拉伸操作，在ArcScene中进行叠加遥感影像、浮动于自定义表面操作，最终得到一幅三维地形图。
2. 最终效果：
图1 矢量化结果
图2 三维显示结果
· 操作步骤
二、新建数据
1. 新建.mxd和GDB
打开ArcMap，新建空白地图文档和文件地理数据库。
图3 新建空白地图文档
注：地图文档建议使用相对路径储存模式，便于多人分工合作。单击菜单栏，【文件】→【地图文档属性】，勾选【存储数据源的相对路径名】。
图4 新建文件地理数据库
注：不要新建个人地理数据库，因个人地理数据库最大容量为2GB，进行后面空间分析操作时缓存或结果文件的容量可能会超出容量，导致空间分析操作失败。
2. 添加数据框属性
单击工具栏中【视图】→【数据框属性】，根据地形图的投影方式、比例尺大小和经纬度选择对应的投影坐标系。
国家基本比例尺地图1:100万比例尺采用兰勃特（Lambert）投影方式，1:50万~1:2.5万比例尺采用高斯-克吕格（Gauss Kruger）6度分带投影方式，1:1万~1:500采用高斯-克吕格3度投影方式。
根据经度计算带号方法：
6度分带带号 = [ ( 经度 + 6 ) / 6 ]
3度分带带号 = [ ( 经度 + 1.5 ) / 3 ]
注：[ x ] 代表取数x的整数部分。
博主使用的地形图是1954年北京坐标系，1:5万，经度109°00′E~109°15′E，纬度36°00′~36°15′。由上述可知数据框坐标系选择“投影坐标系→Gauss Kruger→Beijing 1954→Beijing_1954_GK_Zone_19N”，如图5所示。
注：GK_CM代表3度分带，GK_ZONE代表6度分带；19N代表北纬19带（19代表南纬19带）。
图5 选择数据框坐标系
3. 创建要素类
由地形图中的地物可知，至少要创建如下要素类：
点要素：山顶点（属性：高程[浮点型]）
线要素：等高线（属性：高程[浮点型]）
面要素：水系、居民地、底图（属性：高程[浮点型]）
注：
① 要素类的投影坐标系需和数据框坐标系一致。
图6 设置要素类投影坐标系
② 高程字段属性数据类型为浮点型。
图7 设置高程属性字段
③ 水系、居民地要素类不需要设置属性字段。
三、地理配准
1. 打开地理配准工具条
右单击工具栏空白处，勾选【地理配准】。
图8 勾选地理配准
2. 选择需要配准的地形图
图9 选择地形图
3. 取消勾选【自动校正】
图10 取消勾选自动校正
注：【自动校正】默认启用，每输入一个控制点的坐标或经纬度后，系统会自动计算匹配结果，图像会自动移动至该控制点的位置，有时会超出显示范围，需要多次寻找图像，较为繁琐。不勾选【自动校正】，图像在输入控制点时不会发生位移，所有控制点输入完成后，单击【更新地理配准】统一进行更新。
4. 读图获取方里网或经纬网交点坐标
将待配准的图像添加至图层，提示创建金字塔，点【确定】。
图11 创建金字塔
放大图像，查看外图廓和内图廓，查看方里网和经纬网。
图12 方里网和经纬网交点
读图可知，红色框内为方里网交点，其通用坐标为X=4005000，Y=19 321000。
其中19表示该地形图位于6度分带的第19带；
321表示该点横坐标，即距纵坐标轴（中央经线向西位移500Km所得）321Km；
4005表示该点纵坐标，即距横坐标轴（赤道）4005Km。
蓝色框内为经纬网交点，经度为109°00′E，纬度为36°00′N。
注：
在1:1万~1:20万比例尺的地形图上，经纬线只以图廓线的形式直接表现出来，并在图角处注出相应度数，图面上没有经纬网，故无法在图面上精确选取控制点，不宜采取输入经纬度DMS的配准方式，宜采取输入XY坐标的配准方式。
我国的1:50万~1:100万地形图，在图面上直接绘出经纬线网，内图廓上也有供加密经纬线网的加密分划短线，两种配准方式均可采用。
5. 选取控制点并输入坐标
在地理配准工具条上，点击【添加控制点】按钮。
图13 添加控制点按钮
精确找到一个方里网交点，点击【左键】添加控制点，点击【右键】，选择【输入X和Y】，输入对应的坐标。
注：高斯投影平面直角坐标系的横轴为Y轴，纵轴为X轴；ArcGIS中为便于应用计算机算法，采用的是和算法中相同的数学平面直角坐标系，即笛卡尔坐标系，横轴为X轴，纵轴为Y轴。
所以在ArcGIS中输入坐标时需要将高斯坐标系的X/Y坐标互换。
图14 添加控制点并输入坐标
同理，在图面其他位置添加控制点，个数不少于4个，满幅均匀选取。
6. 查看残差及修正
控制点添加完成后，点击地理配准工具条的【查看链接表】按钮，变换方式选择【一阶多项式】（默认为一阶多项式，此时残差均为0，需要重新再选择一遍一阶多项式），查看残差。各控制点残差和RMS总误差控制在5以内，且越小越好。
如残差超限，应删除该控制点并重新选取控制点。
时间有限，博主并没有精确选取控制点，导致残差过大，结果仅供参考。
图15 查看残差
7. 校正及另存为
点击【地理配准】→【更新显示】，相当于“预览”配准后的结果。
图16 更新显示
如更新显示后效果正常，点击【校正】保存地理配准结果。
需注意的是，配准结果默认保存到地理数据库中，但地理数据库不能储存TIFF格式文件，会提示“保存栅格数据集失败”。
图17 配准结果默认保存到地理数据库
解决方法：① 点击【浏览】图标
图18 点击浏览
② 点击【向上一级】图标
图19 点击向上一级
③ 选择一个文件夹，点击【添加】，建议选择地理数据库所在的文件夹，方便查找。
图20 选择一个文件夹
此时即可保存为TIFF格式，重采样类型建议选择【双三次卷积】，采样效果最好，点击【保存】，将配准好的图保存为TIFF格式。
图21 保存为TIFF格式
四、创建地理要素
注：
① 如需多人分工，以上步骤由一人完成，再将配准后的地形图和地理数据库交于其他人即可，保证配准结果的一致性，避免合图时出现偏差。
② 分工技巧写在 五、矢量化结果处理 1. 分工及合图 部分，请跳转查看。
1. 线要素：等高线
方法一：ArcScan矢量化追踪
ArcScan可对二值化的栅格图像进行追踪，实现交互式（半自动）矢量化或全自动矢量化，实际上是对编辑器→创建要素功能的增强。由于博主使用的地形图要素密集、种类繁多、图面复杂，全自动矢量化效果很差，故使用半自动矢量化。
1）图像二值化
图像的二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果。
（1）传统方法：使用重分类工具
① 打开ArcToolbox工具箱，选择【Spatial Analyst工具】→【重分类】→【重分类】。
图22 选择重分类工具
② 输入栅格选择配准后输出的.tif文件，重分类字段保持默认，设置输出栅格名称及储存位置，点击【分类】。
图23 设置重分类参数
类别设置为【2】，点击【确定】。
图24 设置重分类类别
新值设置为【0】和【1】。
图25 设置新值
③ 右单击重分类生成的图层→属性→符号系统→已分类→色带，更改为图中样式。
图26 更改色带
④ 放大可知重分类二值化后只显示了较粗的线，等高线没有显示出，需要调整重分类的中断值，过于繁琐，不建议采用该方法。
图27 重分类效果
（2）特殊方法：使用蓝色波段直接二值化
① 直接将配准后的.tif文件的Band_3（蓝色波段）拖入ArcMap内容列表中（经实验该幅地形图蓝色波段二值化效果最好）。
图28 直接加载蓝色波段
② 右单击蓝色波段，选择【属性】→【符号系统】→【已分类】，会提示下图错误。
图29 提示无直方图
打开ArcToolbox工具箱，双击打开【数据管理工具】→【栅格】→【栅格属性】→【计算统计数据】，输入栅格数据集选择配准后图层（TIFF格式），点击确定。
图30 计算统计数据
③ 继续右单击蓝色波段，选择【属性】→【符号系统】→【已分类】，类别设置为2，色带如图设置。
图31 蓝色波段二值化
④ 二值化后效果较好，等高线均能较清晰显示。
图32 蓝色波段二值化效果
2）ArcScan配置（准备工作）
（1）激活ArcScan模块：单击菜单栏【自定义】→【扩展模块】→勾选ArcScan。
图33-1 激活ArcScan模块_1
图33-2 激活ArcScan模块_2
（2）加载【编辑器】和【ArcScan】工具条：右单击【工具栏】空白处→勾选【ArcScan】和【编辑器】。
图34 加载编辑器和ArcScan工具条
（3）捕捉设置
① 单击编辑器工具栏中【编辑器】→【选项】，在【常规】选项卡中勾选【使用经典捕捉】。
图35-1 编辑器选项
图35-2 使用经典捕捉
如不使用经典捕捉，编辑器→捕捉里第一个选项为捕捉工具条；使用经典捕捉为捕捉窗口。
图36-1 不使用经典捕捉
图36-2 使用经典捕捉
② 单击编辑器工具栏中【编辑器】→【开始编辑】，单击【捕捉】→【捕捉窗口】。
③ 如图所示勾选。
图37 捕捉设置
捕捉等高线端点，方便万一矢量化过程中断，继续矢量化同一根，避免出现伪结点错误。
捕捉栅格中心线和交点，利于保证半自动矢量化的精度。
3）开始编辑
① 单击编辑器工具栏【创建要素】图标。
图38 创建要素
② 选择【等高线】图层，构造工具选择【线】。
图39 选择构造工具
③ 点击ArcScan工具条的【矢量化追踪】图标，开始追踪。
图40 矢量化追踪
4）Tips
① 定期按【F2】保存编辑内容，退出软件时记得保存mxd。
② 矢量化追踪时按【C】键（英文输入法下）或按下（非滚动）【鼠标滚轮】，可以将【十字丝】切换成【平移】工具，方便移动图层。
③ 矢量化追踪时按住【S】键可以更改为【手动追踪】，适合等高线复杂和等高线与方里网或文字注记重叠处。
④ 矢量化时按【F8】键可打开【流编辑模式】，适合等高线曲率较大处。
⑤ 矢量化时可不显示二值化图层，只显示彩色图层，更清晰直观。
图41 显示彩色图层
⑥ 矢量化追踪遇到等高值注记或其他等高线断开处，按住【S】键切换到手动追踪进行连接后继续矢量化。
图42-1 等高线在注记处断开 图42-2 手动追踪连接
⑦ 尽量让矢量化追踪指示箭头沿等高线走向，出错较少。
图43 箭头沿等高线走向
⑧ 在等高线曲率大的部分小幅度前进，曲率小的部分可大幅度前进。
方法二：使用R2V半自动矢量化
1）在ArcMap中图层管理器只勾选配准好的TIFF格式图像，选择菜单栏，【文件】→【导出地图】，分辨率设置大于等于【1000dpi】，格式选择为【8位灰度】，点击【确定】导出图像。
注：R2V只能加载1，4，8位的图像，彩色TIFF是RGB色彩模式，为24位，不能加载，会提示下图错误。
图44-1 R2V报错
图44-2 分辨率≥1000dp
图44-3 导出为8位灰度图像
2）打开R2V，选择菜单栏，【打开】→【打开图像或方案】，加载TIFF格式的8位灰度地形图。
图45 R2V加载图像
3）选择菜单栏，【图像】→【设置图像阈值】，不同地形图阈值设置不同。
图46 设置阈值
4）使用线段编辑工具矢量化，操作类似于ArcScan追踪矢量化。
图47-1 线段编辑工具
图47-2 线段矢量化
方法三：使用SuperMap矢量化
http://blog.sina.com.cn/s/blog_80a9926b0101gghm.html
此篇博客叙述得很详细，在此不再赘述。
2. 点要素
单击编辑器工具栏中【编辑器】→【开始编辑】，单击【创建要素图标】，选择【山顶点】要素类，构造工具选择【点】，在地形图上对应的山顶点上点击即可创建。
图48 创建点要素
3. 面要素
1）水系、居民地
单击编辑器工具栏中【编辑器】→【开始编辑】，单击【创建要素图标】，选择对应的要素类，构造工具选择【面】，在地形图上沿对应地物的【边缘】勾勒出轮廓即可。
注：河流在现实中有宽度，且博主使用的地形图不属于小比例尺，故该地形图上的河流不能归于线要素。
2）底图
等高线、山顶点、水系、居民地均位于地表，但一副完整的三维地形图不应只有地表，还应有“地底”。这里的“地底”实际上是平均海平面，对于该图来说即1956年黄海高程坐标系基准面。
单击编辑器工具栏中【编辑器】→【开始编辑】，单击【创建要素图标】，选择【底图】要素类，构造工具选择【面】，在地形图内图廓4个角点（即经纬网角点）上依次点击，勾勒出底图面。
图49 创建底图
至此，创建地理要素完成。
五、矢量化结果处理
1. 分工及合图
1）分工
如需多人合作，需在创建地理要素之前分工，建议在配准后的地形图上创建【分工线】线要素，设置醒目颜色，线宽适当调大，捕捉窗口中设置捕捉【分工线-边】。可避免等高线绘制区域重叠，减少不必要的劳动，便于合图。
图50 创建分工线
2）合图
（1）合并所有人员的等高线数据
① 在目录窗口中，右单击一个要素类，选择【加载】→【加载数据】。
图51-1 加载数据
② 点击【浏览】图标依次选择待加载要素类，点击【添加】按钮将要素类添加至加载框中，所有参数保持默认，连点【下一步】按钮，最后点击【完成】按钮，将所有的等高线数据加载到一个要素类中。
图51-2 选择待加载数据
③ 观察分工线两侧等高线，如有重叠部分，使用编辑器工具条中的【分割工具】分割，选中多余部分右单击选择【删除】或按【Delete键】删除。拼接等高线时，可使用【编辑折点】工具或【整形要素工具】，将所有接茬处相分离的等高线拼接。
④ 把属于同一等高线的线段，合并成一根线要素，做到图面中间不要有线段端点。即每一条等高线，是一个完整的、中间没有断点的线要素。
2. 创建拓扑并修改错误
1）新建要素数据集：右单击地理数据库，选择【新建】→【要素数据集】，空间坐标系与要素类坐标系一致。
图52 新建要素数据集
2）导入要素类：右单击要素数据集，选择【导入】→【要素类(单个)】。
图53-1 导入要素类
设置输入输出要素类，点击【确定】导入。
图53-2 设置输入输出要素类
3）创建拓扑
（1）右单击要素数据集，选择【新建】→【拓扑】。
图54 新建拓扑
（2）拓扑规则设置为【不能相交】和【不能有伪结点】。
图55 拓扑规则
（3）新建拓扑并验证，红色处为拓扑错误，需改正。
图56 验证拓扑
（4）显示编辑器和拓扑工具条，点击【编辑器】→【开始编辑】，选择等高线要素。点击拓扑工具条中的【错误检查器】按钮，查看拓扑错误，使用拓扑工具条中的【拓扑编辑工具】、【修复拓扑错误工具】按钮和编辑器工具条中的【编辑折点】、【整型要素工具】、【分割工具】按钮修复拓扑错误，后使用拓扑工具条中的【验证当前范围内的拓扑】按钮验证是否已修复。
3. 等高线平滑
半自动和手动矢量化出的等高线是折线，而现实中地物边缘不像折线那样尖锐，拐点尖锐的等高线生成的三维地形图观感欠佳，所以需要进行平滑处理。
（1）打开ArcToolbox工具箱，选择【制图工具】→【制图综合】→【平滑线】。
图57 平滑线工具
（2）设置输入要素和输出要素类，平滑容差需要根据矢量化的精细程度和等高线的等高距反复调试，点击【确定】进行平滑操作。
图58 平滑线参数设置
（3）平滑后效果
平滑容差博主设置的是50m，效果较好，图中黑线是平滑前，红线是平滑后。
图59 平滑操作结果
六、赋属性值
1. 线要素
方法一：通过属性表手动赋值
打开编辑器工具栏中的【编辑器】→【开始编辑】，右单击目录窗口中的等高线要素类，选择【打开属性表】，右单击每一条字段，选择【缩放至】，查看高程值，然后手动录入。
方法二：通过R2V等高线标注工具标注
① 在ArcMap中将等高线要素类导出成 .shp文件：
在目录窗口中右单击等高线要素类，选择【数据】→【导出数据】。
图60-1 导出要素类
点击【浏览】图标，选择输出路径。
图60-2 选择输出路径
选择保存类型，点击【确定】保存。
图60-3 选择保存类型
② 将 .shp导入R2V：
打开R2V，加载8位灰度图，选择菜单栏，【文件】→【输入矢量】，选择 .shp文件，点击【打开】加载。
图61 R2V导入shp
③ 使用【等高线标注】工具为等高线批量附属性值：
先点击工具栏【线段编辑】按钮（蓝色框内），再点击【等高线标注】按钮（红色框内）。
图62-1 选择等高线标注工具
按住【鼠标左键】用光标横穿多条等高线以选中等高线。
图62-2 选择多条等高线
设置高程初始值和增加值，注意上一步横穿等高线的方向，如从高处向低处横穿，增加值为负。
图62-3 设置高程初始值和增加值
2. 点要素
山顶点赋高程值使用手动录入属性表方法即可，不再赘述。
3. 面要素
底图的高程值在属性表中手动录入为0。
七、生成TIN
TIN（Triangulated Irregular Network）为不规则三角网的缩写，当仅已知空间中几个点的坐标，试图求算其他点的坐标时，可采用生成TIN的方式进行插值，将已知坐标的点设为三角形的顶点，通过插值函数，可由已知的顶点坐标推算出三角形区域内任一点的坐标。
我们矢量化等高线和山顶点并赋以高程值，但是只有线上的点和山顶点的高程是准确已知的，等高线间大片区域的高程值只是介于两条等高线之间，但不能被准确获知。此时我们需要以已知准确高程的等高线和山顶点为基础，生成TIN，用空间插值的方法，解算出等高线间区域内点的近似高程值。换句话来说，就是用TIN来近似模拟出地表结构，TIN的精度越高，就越逼近真实地表。
1. 等高线和山顶点生成地表TIN
（1）打开ArcToolbox，选择【3D Analyst工具】→【数据管理】→【TIN】→【创建TIN】。
图63 选择创建TIN工具
（2）输入要素类选择【等高线_平滑】和【山顶点】，再选择输出TIN的名称及位置，坐标系保持默认，点击【确定】生成地表TIN。
图64-1 创建地表TIN
2. 底图生成地底TIN
创建方法同上，不再赘述。
图64-2 创建地底TIN
八、在两个TIN间拉伸
“地表”和“地底”已经得到了，中间夹的“地壳”如何表示呢？
使用TIN拉伸工具，可在两个TIN之间拉伸得到多面体，模拟出“地壳”。
1. 选择在两个TIN间拉伸工具
打开ArcToolbox，选择【3D Analyst工具】→【表面三角化】→【在两个TIN间拉伸】。
图65 选择在两个TIN间拉伸工具
2. 设置拉伸参数
选择输入TIN和输入要素类，设置输出要素类的名称及位置，点击【确定】。
注：输入要素类尽量选择面要素，拉伸出的结果更美观。
因等高线和山顶点分别是线要素和点要素，故选择底图作为输入要素类。
图66 设置TIN拉伸参数
九、地表TIN转DEM
TIN属于矢量数据，虽然质量好、精度高，但数据结构较复杂，对设备的负载较大，进行三维展示时不流畅；而DEM属于栅格数据，结构简单，对设备负载小，进行三维展示时效率很高。仅用于展示的三维地形图并不需要太高的精度，故采用DEM储存高程数据比TIN更合适。
1. 选择TIN转栅格工具
打开ArcToolbox，选择【3D Analyst工具】→【转换】→【由TIN转出】→【TIN转栅格】。
图67 选择TIN转栅格工具
2. 设置转换参数
设置输入TIN和输出栅格的名称及位置，点击【确定】。
图68 设置TIN转栅格参数
十、三维显示
1. 获取遥感影像
下载遥感影像的方法有很多种，博主使用的是“91卫图助手”这款软件。
（1）先将旧图幅号换算至新图幅号，在软件中搜索图幅号对应的遥感影像，双击蓝色区域下载，选择[影像级别]和[存储目录]；
（2）点击【导出设置】，选择坐标投影为[北京54坐标系高斯投影]，勾选[背景透明]；
（3）点击【参数设置】，分带方式选择[6度分带]，勾选[横坐标加投影带号19]；
（4）点击【确定】，下载。
图69 91卫图助手设置参数
2. 配准遥感影像
由于存在配准误差，下载的遥感影像一般不能和地形图正好吻合，或多或少会出现一些偏差，需要通过地理配准来与地形图吻合。
图70 遥感影像和地形图不能完全吻合
注：91卫图助手如未获取授权，不能将数据导出为北京54坐标系，会导致遥感影像与地形图有很大的偏差。可先将遥感影像的坐标系转换成北京54坐标系，在第（2）步创建控制点时分别将遥感影像和地形图缩放至图层，以添加控制点。最后校正所得结果一致。
（1）打开地理配准工具条，在下拉菜单中遥感影像为待配准图像。
图71 选择遥感影像为待配准图像
（2）选择【添加控制点】工具，先在待配准的【遥感影像】的角点上点击第一次，此时十字丝为绿色；然后在已配准的【地形图】对应内图廓角点上点击第二次，此时十字丝为红色，一对控制点创建完成。
图72 创建一对控制点
（3）以上述方法，分别在遥感影像和地形图的4个角点上分别创建4对控制点，点击【编辑器】→【更新显示】，此时遥感影像应基本与地形图内图廓完全吻合。
图73 遥感图像与地形图完全吻合
（4）点击【编辑器】→【校正】，重采样类型选择【双三次卷积】，选择输出位置，点击【保存】另存校正后的遥感影像。
图74 另存校正后遥感图像
3. ArcScene三维显示
（1）打开ArcScene，新建空白Scene，默认地理数据库选择新建地图文档时创建的地理数据库。
图75 新建空白Scene
（2）选择菜单栏，【视图】→【场景属性】→【坐标系】，选择与之前ArcMap相同的坐标系。
图76 设置场景坐标系
（3）将【遥感影像】、【水系】、【居民地】、【拉伸】、【等高线_DEM】加载进ArcScene窗口。
图77 ArcScene加载要素
（4）设置在自定义表面浮动和垂直夸大系数。
右单击【遥感影像】，选择【属性】→【基本高度】，选择在【自定义表面浮动】，参数设置为【等高线_DEM】；垂直夸大系数根据实际情况调整。
图78 设置在自定义表面上浮动
（5）同理，设置【水系】、【居民地】、【拉伸】要素类在等高线_DEM表面浮动，分别设置垂直夸大系数。
注：建议垂直夸大系数 拉伸＜遥感影像＜水系=居民地，博主分别设置的为5.05、5.30、5.35、5.35。
如都设置相同，拉伸要素会有部分穿透遥感影像，水系的居民地会有部分陷入遥感影像，显示效果较差，如下图所示。
图79 垂直夸大系数设置为相等
至此，数字栅格地图矢量化及三维显示全部完成。
· 卖点情怀
十一、写在最后
全文共8181字，95张配图，感谢各位读者的认真阅读。博主在做这项工作时苦于网络上没有一套系统的教程，只能各处查阅资料、教程，走了不少弯路。现用五天时间，特整理书写此教程，不仅步骤完整详实，还加入了个人对于此项工作的一些理解和体会，望能对广大GISer在矢量化及三维展示栅格地形图时能有所帮助。
然则博主只是一位普通一本GIS专业的普通学生，水平着实有限，错误与不妥之处肯定在所难免，万望各位GIS前辈、高人不吝斧正，学生不胜感激！
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