ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程三維分析課件

1、第九章 三維分析主要內(nèi)容表面創(chuàng)建表面分析ArcScene三維可視化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一、表面創(chuàng)建1. 何謂表面 表面即連續(xù)的值域，該值域的變化可能涉及到無數(shù)個點 。圖9.1 表面示意圖一、表面創(chuàng)建（1） 柵格表面 柵格表面以網(wǎng)格的形式存儲，每個單元格內(nèi)具有唯一的Z值，單元尺寸越小,表面精度越高。圖9.2 柵格表面示意圖一、表面創(chuàng)建（2） TIN表面 由具有Z值的離散點兩兩聯(lián)接構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)圖9.3 TIN表面示意圖一、表面創(chuàng)建2. 表面創(chuàng)建創(chuàng)建表面模型主要有兩種方法：插值法和三角測量法。 （1） 柵格表面 常見的一個例子是利用采樣點生成柵格DEM圖9.4 柵格表面創(chuàng)建圖一、表面創(chuàng)建圖9.5 柵格表面創(chuàng)

2、建圖一、表面創(chuàng)建 圖9.6 三維立體表面創(chuàng)建圖一、表面創(chuàng)建1）可變半徑反距離權(quán)插值 所謂可變半徑插值，是指在輸出柵格單元最大搜索半徑范圍內(nèi)，找出最近的N個點作為插值的輸入點。 圖9.7 可變半徑反距離權(quán)插值操作選擇按鈕圖9.8 可變半徑反距離權(quán)插值操作對話框一、表面創(chuàng)建2）固定半徑反距離權(quán)插值 與可變半徑操作方法類似，不同之處在于選擇搜索半徑類型為固定（Fixed）。 需要注意的是，固定半徑插值時，使用指定搜索半徑內(nèi)所有的點作為輸入點。如果在搜索半徑內(nèi)沒有任何點，這時將自動增加?xùn)鸥駟卧乃阉靼霃?，直到達(dá)到指定的最少點數(shù)為止。 一、表面創(chuàng)建3）張力樣條插值 樣條插值是用表面擬合一組點的方法，要求

3、所有的點均處于生成的表面上。 圖9.9 張力樣條插值操作按鈕圖9.10 張力樣條插值操作對話框一、表面創(chuàng)建4）規(guī)則樣條插值 規(guī)則樣條允許控制表面的平滑度。 需要注意的是，規(guī)則樣條中的權(quán)重值用來控制表面的平滑度。權(quán)重指定三階導(dǎo)數(shù)的系數(shù)，以使表面的曲率最小。權(quán)重值越大，表面越平滑，一階導(dǎo)數(shù)（坡度）表面也越平滑。通常，權(quán)重值取00.5。 一、表面創(chuàng)建5）克里金插值 克里金方法又分為普通克里金和泛克里金兩種。普通克里金是應(yīng)用最普遍的，它假定均值是未知的常數(shù)。泛克里金用于已知數(shù)據(jù)趨勢的情況，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的判斷來描述它。 圖9.11 克里金插值操作按鈕圖9.12 克里金插值操作對話框一、表面創(chuàng)建通

4、過使用可變搜索半徑，在計算插值單元時，可以指定計算中使用的點數(shù)。這使得對于每個插值單元來說，其搜索半徑都是變化的。半徑的大小依賴于搜索到指定點數(shù)的輸入點時的距離。指定最大的搜索半徑，可以限制搜索半徑。如果在達(dá)到最大搜索半徑時，搜索到的點數(shù)還沒有達(dá)到指定的數(shù)目，此時將停止搜索，用已經(jīng)搜得的點計算插值單元。 一、表面創(chuàng)建6）鄰域法插值 鄰域插值將TIN的一些方法與柵格插值方法結(jié)合起來。柵格表面使用輸入數(shù)據(jù)點及其鄰近柵格單元進(jìn)行插值。圖9.13 鄰域插值操作按鈕圖9.14 鄰域插值操作對話框一、表面創(chuàng)建首先，為輸入數(shù)據(jù)點創(chuàng)建一個Delauney三角形，輸入的樣本數(shù)據(jù)點作為三角形的結(jié)點，并且每個三角形

5、的外接圓不能夠包含其它結(jié)點。 對每個樣本點，鄰域為其周圍相鄰多邊形形成的凸集中最小數(shù)目的結(jié)點。每個相鄰點的權(quán)重，通過評價其影響范圍的Thiessen/Voroni技術(shù)計算出來。 一、表面創(chuàng)建（2） TIN表面的創(chuàng)建 通常TIN是從多種矢量數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建的。可以用點、線與多邊形要素作為創(chuàng)建TIN的數(shù)據(jù)源。1）點集：它是TIN的基本輸入要素，決定了TIN表面的基本形狀。 圖9.15 點集圖一、表面創(chuàng)建 2）隔斷線 它可以是具有高度的線，也可以是沒有高度的線。在TIN中構(gòu)成一條或多條三角形的邊序列。隔斷線即可用來表示自然要素，如山脊線、溪流，也可以用來創(chuàng)建要素如道路。 圖9.16 隔斷線圖一、表面創(chuàng)建

6、 “硬”隔斷線用來表示表面上的不連續(xù)性。如溪流與河道可作為“硬”隔斷線加在TIN中以表示表面在其所在處的急劇變化，從而可以改進(jìn)TIN表面的顯示效果與分析功能。 圖9.17 “硬”隔斷線圖A 原始表面B 添加硬隔斷線后的表面一、表面創(chuàng)建 “軟”隔斷線即添加在TIN表面上用以表示線性要素但并不改變表面坡度的邊。比如，要標(biāo)出當(dāng)前分析區(qū)域的邊界，可以在TIN表面上用“軟”隔斷線表示出來，不會影響表面的形狀。 一、表面創(chuàng)建裁切多邊形：定義插值的邊界，處于裁切多邊形之外的輸入數(shù)據(jù)將不參與插值與分析操作。刪除多邊形：定義插值的邊界，與裁切多邊形的不同之處在于多邊形之內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)將不參與插值與分析操作。替換多

7、邊形：可對邊界與內(nèi)部高度設(shè)置相同值，可用來對湖泊或斜坡上地面為平面的開挖洞建模。填充多邊形：它的作用是對落在填充多邊形內(nèi)所有的三角形賦予整數(shù)屬性值。表面的高度不受影響，也不進(jìn)行裁切或刪除。 3）多邊形 用來表示具有一定面積的表面要素，如湖泊、水體，或用來表示分離區(qū)域的邊界。 一、表面創(chuàng)建 （4） ArcGIS中的實現(xiàn) 圖9.18 建TIN操作按鈕圖9.19 建TIN操作對話框二、表面分析表面創(chuàng)建好之后，通常可用來進(jìn)行進(jìn)一步分析 ，以獲取關(guān)于表面所在區(qū)域更多有價值的信息。二、表面分析1. 計算表面積與體積（）表面積的概念 與平面面積不同，表面積是沿表面的斜坡計算的，考慮到了表面高度的變化情況。除

8、非表面是平坦的，通常表面積總是大于其二維底面積。 圖9.20 表面積計算各參數(shù)示意圖二、表面分析（）體積的概念體積指表面與某指定高度的平面（參考平面）之間的空間大小，按照參考平面的上下關(guān)系分為兩部分，分別是平面之上的體積或平面之下的體積。 圖9.21 體積計算各參數(shù)示意圖二、表面分析（） ArcGIS中計算表面積與體積 圖9.23 表面積與體積計算操作對話框圖9.22 表面積和體積計算按鈕二、表面分析.坡度與坡向的計算（基于TIN表面） （1）坡度某點的坡度即為其所在三角面與水平面之間的夾角。XYZ坡度角圖9.24 坡度示意圖二、表面分析ArcGIS中坡度的計算：圖9.26 坡度計算操作對話框

9、圖9.25 坡度計算按鈕二、表面分析ArcGIS中坡度的計算結(jié)果：坡度高程圖9.27 TIN表面與計算所得坡度柵格圖像二、表面分析（）坡向某點的坡度即為其所在三角面與水平面之間的夾角。XYZ坡向角圖9.28 坡向示意圖二、表面分析ArcGIS中坡向的計算：圖9.30 坡向計算操作對話框圖9.29 坡向計算按鈕二、表面分析.可視性分析 （1） 視線瞄準(zhǔn)線視線瞄準(zhǔn)線是表面上兩點間的一條直線，用來表示觀察者從其所處位置觀察表面時，沿直線的表面是可見的還是遮擋的 AB圖9.32 可視性分析視線瞄準(zhǔn)線圖9.31 可視性分析參數(shù)設(shè)置二、表面分析（） 視場視場指可以被一個或多個觀察點看到的所有范圍。具體到柵

10、格數(shù)據(jù)來說，即所能看到的所有柵格單元。圖9.33 柵格數(shù)據(jù)視場的顯示結(jié)果 二、表面分析在ArcGIS中計算視場：圖9.35 視場計算操作對話框圖9.34 視場計算按鈕二、表面分析. 提取斷面 （1）剖面圖表示了沿表面上某條線前進(jìn)時表面上高程變化的情況，即斷面的情況。 圖9.36 實際地面的視線圖9.37 實際地面的視線對應(yīng)的斷面圖二、表面分析. 表面陰影表面陰影是根據(jù)假想的照明光源對高程柵格圖的每個柵格單元計算照明值。計算過程中包括三個重要參數(shù)：太陽方位角、太陽高度角、表面灰度值。 S（180）N（0）E（90）W（270）圖9.38 太陽方位角示意圖0度90度圖9.39 太陽高度角示意圖二、

11、表面分析ArcGIS中表面陰影的計算:圖9.41 表面陰影計算操作對話框圖9.40 表面陰影計算按鈕二、表面分析圖9.42 表面陰影的生成結(jié)果圖二、表面分析6. 表面長度所謂表面長度即一條或多條線在表面上的三維長度，即沿該線表面上剖面線的長度。三維長度大于等于線的平面長度，因為地表的起伏變化增加了三維線的長度。 圖9.43 表面長度示意圖二、表面分析ArcGIS中表面長度的計算： 圖9.44 表面長度計算對話框三、ArcScene三維可視化1. 要素的立體顯示在三維場景中顯示要素的先決條件是要素必須被以某種方式賦予高程值或其本身具有高程信息。兩種方式：具有三維幾何的要素，使用其自身高程屬性進(jìn)行

12、三維可視化；缺少高程值的要素，可以采用突出和疊加的方式進(jìn)行三維顯示。 三、ArcScene三維可視化等高線要素的三維顯示：圖9.45 等高線的三維顯示圖三、ArcScene三維可視化疊加：所謂疊加，即將要素所在區(qū)域的表面模型的值作為要素的高程值 圖9.46 三維疊加操作結(jié)果圖三、ArcScene三維可視化突出：所謂突出是指根據(jù)要素的某個屬性或任意值突出要素，如要想在三維場景中顯示建筑物要素，可以使用其高度或樓層數(shù)這樣的屬性來將其突出顯示 。圖9.47 三維突出操作結(jié)果圖三、ArcScene三維可視化ArcScene 中要素的立體顯示（設(shè)置基準(zhǔn)高程加載顯示與突出顯示兩種方式） 圖9.49 設(shè)置突

13、出顯示操作對話框圖9.48 設(shè)置基準(zhǔn)高程加載顯示操作對話框三、ArcScene三維可視化2. 設(shè)置場景屬性添加到場景中的圖層必須具有坐標(biāo)系統(tǒng)才能正確顯示；為更好地表示地表高低起伏的形態(tài)，有時需要進(jìn)行垂直拉伸，以免地形顯示地過于陡峭或平坦；為全面地了解區(qū)域地形地貌特征，可以進(jìn)行動畫旋轉(zhuǎn)；為增加場景真實感，需要設(shè)置合適的背景顏色；根據(jù)不同分析需求，設(shè)置不同的場景光照條件，包括入射方位角、入射高度角及表面陰影對比度；為提高運行效率，需要盡可能地減小場景范圍，去除一些不需要的信息。三、ArcScene三維可視化（1） 場景坐標(biāo)系統(tǒng)圖9.50 場景坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置對話框三、ArcScene三維可視化（） 垂

14、直拉伸圖9.51 垂直拉伸操作對話框圖9.52 垂直拉伸前的原圖圖9.53 垂直拉伸后的圖三、ArcScene三維可視化（3）使用動畫旋轉(zhuǎn):圖9.54 動畫旋轉(zhuǎn)操作對話框三、ArcScene三維可視化（4）改變場景的光照 圖9.55 場景光照設(shè)置對話框三、ArcScene三維可視化（5）改變場景范圍 圖9.56 場景范圍設(shè)置對話框三、ArcScene三維可視化. 飛行動畫動畫是由一條或多條軌跡組成，軌跡控制著對象屬性的動態(tài)改變，例如，場景背景顏色的變化，圖層視覺的變化或者觀察點的位置的變化。軌跡是由一系列幀組成，而每一幀是某一特定時間的對象屬性的快照，是動畫中最基本的元素。 三、ArcScen

15、e三維可視化生成動畫的五種方法：通過創(chuàng)建一系列幀組成軌跡來形成動畫；通過錄制導(dǎo)航動作或飛行創(chuàng)建動畫 ；通過捕捉不同視角，并自動平滑視角間過程創(chuàng)建動畫；通過改變一組圖層的可視化形成動畫效果 ；通過導(dǎo)入路徑的方法生成動畫 ；三、ArcScene三維可視化（1）創(chuàng)建一系列幀組成軌跡形成動畫；圖9.57 軌跡創(chuàng)建按鈕圖9.58 軌跡創(chuàng)建對話框三、ArcScene三維可視化（）創(chuàng)建一系列幀組成軌跡形成動畫；（）捕捉不同視角，并自動平滑視角間過程創(chuàng)建動畫； 圖9.59 動畫操作工具條三、ArcScene三維可視化（）改變一組圖層的可視化形成動畫效果 ；圖9.60 動畫效果創(chuàng)建按鈕圖9.61 動畫效果創(chuàng)建對

16、話框三、ArcScene三維可視化（）通過導(dǎo)入路徑的方法生成動畫 ；圖9.62 動畫生成按鈕圖9.63 動畫生成對話框四、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換1. 二維要素三維化通常，有三種方法將現(xiàn)有的二維要素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)：由某一表面獲取要素的高程屬性值；由要素的某一屬性值作為高程值；將要素的高程屬性值賦為某一常量。 四、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 （1）從表面獲得現(xiàn)有要素的高程值此方法由要素所在區(qū)域的表面模型獲取高程值賦予要素，將其轉(zhuǎn)換為三維要素。 圖9.64 從表面獲得高程值菜單按鈕圖9.65 從表面獲得高程值操作對話框四、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（）通過要素屬性獲取要素高程值 此方法將要素某一屬性字段作為高程值，從而實現(xiàn)將其轉(zhuǎn)換為三維要素。圖9.66 通過要素屬性獲取要素高程值操作對話框四、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（）以某一常量作為要素高程屬性 此方法將某一常量作為高程值賦予要素，使其轉(zhuǎn)換為三維要素。圖9.67常量作為要素高程屬性操作對話框四、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù) 欲將柵格表面所包含的信息用于基于矢量的數(shù)據(jù)分析，可將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的要素的步驟是： 1）將柵格表面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種特定類別的數(shù)據(jù)，如高程、坡度