地理信息系统应用：第六讲 三维分析.ppt

第六讲 三维分析,基于第三维(Z)的三维分析主要包括三维几何参数计算、地形因子提取、地表类型分类、通视性分析、地形剖面图绘制、地形三维可视化分析第三维可以是高程、降雨量、温度、地价、房价，所有随空间位置发生变化的变量ArcGIS三维分析软件体系,三维数据转换、插值生成表面 ArcCatalog/ArcMap/ArcToolbox+3D Analyst扩展模块、三维分析（表面分析、其他特征分析） ArcMap+3D Analyst扩展模块三维可视化（设置、分析） ArcScene+3D Analyst扩展模块三维浏览 ArcGlobe,创建表面,1.Raster表面由点插值生成栅格面，方法有：IDWKrigingNeighbor(邻域法）SplineTopo（拓扑纠正表面）Trend(趋势法）由Tin生成栅格(Tin to Raster),2.Tin表面的创建由矢量要素创建(Create Tin from Features) Features including points、lines and polygons.由栅格创建（Raster to Tin),1）计算表面积与体积2）坡度与坡向的计算3）可视性分析4）提取断面（剖面分析）5）表面阴影与等高线创建6）表面长度计算,表面分析,1）计算坡度Slope,地面上某点的坡度表示了地表在该点的倾斜程度坡度与坡向的计算通常在33的DEM栅格窗口（如图）中进行坡度有两种表示方法：度或百分比,坡度的应用非常广泛，例如：根据坡度起伏变化，确定崩塌、泥石流区域或严重的土壤侵蚀区，作为灾害防治与水土保持工作的基础。

提取平坦区域，为大型商业中心或房屋建筑选址坡度可在DEM或TIN的基础上提取坡度应用,根据DEM计算得到的坡度栅格,2）计算坡向Aspect,坡向定义为坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角在ArcGIS中Aspect表示每个栅格与它相邻的栅格之间沿坡面向下最陡的方向在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为0度，正东方向为90度，以次类推在一个区域内提取所有朝南的坡面，为房地产建设选址提供最佳位置计算研究区域内的每一点的太阳光照量，从而测定每一点的生物量坡向可在数字高程模型DEM或TIN数据的基础上提取坡向应用,基于DEM计算坡向分布图，坡向栅格单元中的值表示当前栅格相对正北方向的的坡向（从0-360变化）,3）计算山体阴影HillShade,分析或模拟地面的光照情况，产生地形表面的阴影图Hillshade 可测定研究区域中给定位置的太阳光强度和光照时间，并且对实际地面进行逼真的立体显示，增强地面的起伏感要计算山影，需要给定太阳方位角和太阳高度角,对地形起伏进行生动的表示，从而显示不同土地利用类型在地形上的分布情况研究阳光的照射位置与公路上发生的车祸事件发生率之间的相关性分析农作物与太阳光照的关系,山体阴影应用,根据DEM计算得到的山影图,4）创建等值线Contours,在ArcGIS中Contours功能生成一个新的矢量图层，每条线表示了具有相同高度、数量或者浓度的连续的位置的集合。

生成的等值线经过平滑处理，真实地再现了表面等值线有三种方法：（1）将DEM或Tin生成为线要素矢量主题（2）创建一个新的线主题 ，并从Dem主题或Tin中提取等值线，提取的等值线成为新主题中的要素（3）提取单条等值线,五）制作地形剖面图,在工程方面(如在公路、铁路、管线等的设计过程中)，常常需要制作剖面图剖面图的制作是以DEM数据(GRID数据)或TIN数据为基础的 基于DEM数据进行“线插值” ，得到一条具有高程值的线段计算具有高程值的线段的剖面图,6）测量表面面积和体积,使用三维分析可以测量表面面积和体积，同时还可以测量两个表面之间容积的差异-进行开挖、填埋分析表面面积是沿表面的曲面进行测量，计算出的面积总要大于二维平面测量的面积体积是计算TIN表面和某一指定高程所在的水平面之间的立体空间，可以是平面之上的，也可以是平面之下的测量体积，在实际应用中一般用来计算土石方量,给定一条等高线，计算其上或以下的的表面面积和体积,7）挖填分析,通过分析比较两个表面模型前后的变化，还可以计算填埋及挖掘土石方量可视性分析实质上属于对地形进行最优化处理的范畴例如：设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航等、移动基站选址，在军事上如布设阵地（炮兵阵地、电子对抗阵地）、设置观察哨所、铺架通信线路等。

主要的两可视性分析：通视性分析，通过此功能可以显示两点之间的通视情况，从而判断从一个观察点是否可以看到目标物，回答了“从这里可以看到哪个目标？” 可视域分析，确定了从一个或多个观察点可以观测到的区域回答了“从这里可以看到什么”的问题,8）可视性分析,通视性分析,两点间的可视情况,在输出的Viewshed数据中，属性Value表示了对于一个可视位置，有多少观察点可以看到此位置可视域分析,三维可视化,要素的立体显示通过属性设置基准高程使用表面设置基准高程要素突出表达(Extrusion),设置场景属性(Scene Properties)场景坐标系统垂直拉伸 使用动画旋转,飞行动画动画制作编辑和管理动画保存动画Fly,数据转换,二维要素三维化 从表面获取现有要素的高程值 通过要素属性获取高程值 以某一常量作为高程属性表面数据的矢量转换 Raster to Features Tin to Features,基于dem栅格提取地形特征信息,山顶点peak/凹陷点pit山脊线/山谷线脊点ridge/鞍点pass/谷点channel,基于DEM提取山顶点,1）领域分析：对DEM邻域分析-焦点统计Max，得到Maxpoint栅格2）栅格计算：SD=Maxpoint-DEM=0，提取山顶点区域3）栅格重分类：对SD重分类，值为1的即为山顶点4）栅格转矢量：转换工具-由栅格转出-栅格转点,基于DEM提取山脊线,方法1：SOA法 SOA法原理：山谷线和山脊线实质是平面曲率发生突变的地方，所以用SOA来近似平面曲率，提取其中变化大的就是山谷线和山脊线，其中山谷线对应的是负地形中SOA较大的值，山脊线对应的是正地形中SOA较大的值。

实现路线：1）加载数据并求DEM数据的坡向变率SOA12）求原始数据的反DEM数据，并求反DEM数据的坡向变率SOA23）通过栅格计算器求出没有误差的DEM的坡向变率SOA从理论可知，SOA1和SOA2应该是相同的，故通过下面的表达式可以消除误差 SOA = (SOA1+SOA2)-Abs(SOA1-SOA2)/24）通过正负地形和SOA求解山谷线和山脊线山脊线对应的是正地形且SOA较大值，表达式如下：DEM-meandem0&SOA70 山谷线对应的是负地形且SOA较大值，表达式如下： DEM-meandem70,方法2：水文分析法原理：提取山谷线可以等效与提取河流，所以先进行填洼，然后计算水流方向和汇流量，最后提取的河流就是山谷线了，提取山脊线时只需求反DEM数据的山谷线即可再次要说明一下，因为水是向下流的，所以要fill，虽然山谷线没有这要求，可是不填充就得不到连续的线，所以也要fill实现路线：1）加载DEM数据，并对其进行填充对填充后的DEM数据作流水方向分析，记为f2流向2）对f2流向作累积汇流量分析，记为f2汇流量3）对f2汇流量做重分类，把分类值为1的不显示得到山谷线4）山脊线即求反DEM的山谷线。

方法3：几何形态分析与水文分析相结合 原理：对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，所以对于山脊线上的栅格是水源的起源点，通过地表径流模拟后这些栅格应该汇流累积量为0所以通过对零值的汇流累积值的栅格的提取就可以得到山脊线山谷线的提取就是提取反DEM的山脊线实现路线：1）加载DEM数据并生成其反DEM数据2）对反DEM数据和方法2中一样作流向和汇流量分析，得到的数据分别记为f3流向和f3汇流3）对原始DEM数据做邻域分析，得到meandem4）在栅格计算器中写如下表达式即求出山谷线DEM-meandem0&f3汇流=05）对原始DEM数据做同样的分析得到山脊线其中需要把DEM-meandem改成大于零。