mapgis第九章_三维模型分析

第九章三维模型分析教学目的：三维模型分析教学要求：了解GRD和TIN模型了解DEM构建及应用了解电子沙盘构建和使用教学目的与要求9.1MAPGIS三维分析基础9.2创建表面9.3图件绘制9.4表面分析9.5电子沙盘主要内容MAPGIS三维分析的基础是数字地形模型（DTM）。DEM是数字高程模型（DigitalElevationModel）的简称，它是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字定量模型。9.1MAPGIS三维分析基础最基本的DEM模型是由一系列地面点的x，y坐标及与之相对应的高程z所组成，由于这一原因，高程模型又叫地形模型。实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其他的地表形态属性，如坡度、坡向等。数字地形模型（DigitalTerrainModel）是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其他的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向。对于DEM数据由于观测方法和获取途径不同，DEM数据分布规律、数据特征有明显的差异，按其空间特征可分为：格网数据和离散数据。格网数据：把DEM覆盖区划分为规则网格，每个网格大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维空间定位，第三维为网格点的特征值，可以是高程和属性，网格大小代表数据精度。离散数据：由于受观测手段的限制，无法得到所有地理位置上的观测值，一般也不可能按规则网来获得数据，离散数据DEM的平面二维地理空间定位由不规则分布的离散样点平面坐标实现，第三维仍为高程和属性特征值。在MAPGIS中与DEM模型相关的数据格式有：①*.DET：二维高程数据，是ASCII码的明码文件格式。有“不规则网高程数据”、“规则网高程数据文件”两种。②*.GRD：规则格网高程数据（二进制文件），是SURFER系统中的标准文件格式。③*.TIN：三角剖分高程数据（二进制文件）。是“DTM分析”子系统默认且最常用的内部文件形式，通常操作后的结果都以此方式进行保存。④*.BDM：底图库用高程文件。⑤*.BMP：位图文件。⑥*.RAW：MAPGIS系统图像原格式文件。一、GRD模型创建GRD模型操作专门针对以栅格为基础的高程格网数据。在GRD模型中可以对输入的离散数据进行显示、交互式地修改、离散数据网格化、稀疏网格插密、绘制各种图形等各种分析操作。其中，除了“离散数据网格化”只针对非规则网数据进行操作以外，其它功能均针对于规则网数据进行操作；如果当前的数据格式不正确，系统会拒绝执行并给出相关信息。9.2创建表面构建的GRD模型可依据实际情况进行进一步编辑处理，其涉及的编辑处理方式有：1.格网插密或稀疏化2.多波束数据网格化3.未知点控制插值4.有效点滤波处理5.规则网拼接6.规则网差值运算7.规则网数学计算8.函数生成GRD数据9.方位变换10.局部数据提取11.局部数据无效化12.重要点集提取GRD模型创建不规则三角网（TIN）也是DTM的一种表现形式。所谓TIN模型，实质上是将原始离散数据点，按一定规则连接成Delaunay三角形，然后在此基础上进行分析。与GRD模型相比,TIN模型可以不必对原始离散数据进行网格化处理，而是直接对这些非网格化数据直接建立三角剖分，进行分析。要构建TIN同样必须首先将原始数据进行栅格化处理，而这一过程如前所述有两种情况：原始数据为等高线和原始数据直接是离散数据。二、TIN模型创建对于所生成的三角剖分网，可根据实际需要进行编辑处理：1.交换三角剖分网边选中本菜单项后，可以用鼠标选取任一条三角形边，如果共此边的两个三角形组成的四边形不是凹多边形，那末该三角边将被调整为多边形的另一对角边。2.删除三角剖分网边选中本菜单项后，可以用鼠标选取单条三角形边进行删除；也可以用鼠标拉出一个矩形区域，删除区域内的部分三角网边。注意：当需要保存时，应选择“压缩”存储方式。3.整理三角剖分网该功能是删除三角网边缘的一些满足条件的狭长的三角形。选中本菜单项后，系统将弹出图9-10所示的对话框。确认后，系统即进行整理工作。图9-10整理三角剖分网对话框4.删除无效三角形无效三角形是指三角形的三个顶点中至少有一个点是“未知点”。选中本菜单项后，系统即进行删除工作。若当前三角网中没有无效三角形，则系统会提示。5.重建邻接拓扑关系在进行本操作前必须先执行有关的三角剖分操作，选中菜单即可进行本操作。事实上，该功能是对已建的三角剖分重建邻接拓扑关系。6.产生离散点凸包线数据点凸包线是指整个三角网的最小外边界线。选中本菜单项后，结果将存放在MAPGIS线文件中。在MAPGIS中通过GRD模型可以绘制“网格立体图绘制”、“平面等值线图绘制”及“彩色等值立体图绘制”。此功能只能处理网格化的数据，值得注意的是若欲绘制上述三种图件时，在系统的工作区中若未装入网格化的数据或者将装入非网格化高程数据时，系统会弹出标准的文件名输入对话框，提请用户选择“*.2DM”或“*.GRD”供处理。9.3图件绘制1.网格立体图绘制2.平面等值线图绘制3.彩色等值立体图绘制一、计算表面积与体积启动“DTM分析”子系统，打开“文件”下拉菜单选择“打开三角剖分文件”或“装入三角剖分文件”选项，通过浏览窗口选择需载入的GRD或TIN文件。文件加载进窗口后，打开“模型应用”下拉菜单中的“蓄积量/表面积计算”选项，这时系统会弹出如图9-15所示对话框。9.4表面分析通过加载区文件的方式，确定计算区域此选项在鼠标确定位置后，系统会弹出坐标窗口，供进行修改，方便准确定位用鼠标确定点位，系统采用橡皮筋方式确保成一封闭区图9-15区域蓄积量/表面积计算设置对话框在此对话框设定区域选取方式后，点击“确认”按钮，若是选择“鼠标选取任意区域”方式的话会在窗口范围内出现小铲子，这时可采用点击鼠标的方式确定所需计算区域，结束选择后系统出现提示框，提示是否需保存所生成的计算区，进行选择后，系统会弹出如图9-16所示计算界面。计算表面积图9-16TIN蓄积量/表面各计算界面在上述界面中输入计算高程和物质密度信息，点击“计算”按钮，系统自动将计算结果显示于左面的显示窗口中。上述界面是对TIN文件进行计算的界面，如是GRD文件的其计算界面如图9-17所示。图9-17格网蓄积量/表面积计算界面与TIN不同之处在于其计算方法可采用网格计算法或三角剖分法，其余与TIN相同。二、坡度与坡向的计算对于坡度与坡向的计算采用GRD和TIN都能完成计算，其界面大致相同，下面采用GRD模型进行坡度与坡向的计算。在“GRD模型”下拉菜单中选择“坡度、坡向、粗糙度”选项，此功能先对原始稀疏数据加密，然后计算各单元的坡度、坡向或粗糙度，并将结果数据以“.BMP”或“.GRD”（其高程信息为高程点的坡度、坡向或粗糙度）格式保存到指定的文件中，供制图或分析时使用。如果想绘制坡度图，可以先用此功能产生坡度GRD文件，然后运用“平面等值线图绘制”功能就可以出坡度图了。可视性分析的目的是分析观察者在三维空间中发现目标的概率。确定土地景观中点与点之间的相互通视能力，对军事活动中的航路规划、微波通讯网的规划以及风景旅游点的研究都有着重要的意义。在MAPGIS中可视分析包括可视性分析和可视域分析两大功能。而在中也包括连线可视性分析和全局可视性分析。1.可视性分析可视性分析包含连线可视性分析和全局可视性分析两种类型。⑴连线可视性分析主要用于判断两点是否通视，可对三角网数据或格网数据进行。三、可视性分析⑵全局可视性分析是以观察点为中心、360度为视域角，对视域分析范围内的所有点进行连线可视性分析；并在此基础之上对其中所有的可视点进行编码，从而可以形成一幅可视域矢量图。2.连线可视域分析与全局可视性分析不同的是连线可视域分析是在指定视线的方向及视域的范围的条件下进行的。该功能允许观察与X-Y平面垂直的任意剖面的数据分布情况。使用时，选择“高程剖面分析”选项中的“交互造线”或“分析指定线”后，用鼠标左键选择剖面的始点，系统弹出编辑指定点位置对话框，供准确修改指定点位置。四、提取剖面表面阴影是根据假想的照明光源对高程栅格图的每个栅格单元计算照明值。计算过程中包括三个重要参数：太阳方位角、太阳高度角、表面灰度值。太阳方位角以正北方向为0度，按顺时针方向度量，如90度方向为正东方向。由于人眼的视觉习惯，通常默认方位角为315度，即西北方向。太阳高度角为光线与水平面之间的夹角，同样以度为单位。为符合人眼视觉习惯，通常默认为45度。默认情况下，光照产生的表面灰度值的范围为0-255。五、表面阴影表面长度即表面上沿某一方向的剖面线的长度。由于地表的起伏变化增加了三维线的长度，表面长度通常大于等于线的平面长度。在“处理点线”下拉菜单中选择“线表面长度计算”选项中的“手工造线”或“计算指定线”后，可用鼠标点击需计算表面长度的各点，在选择中可同时准确修改其坐标值，结束选择点击鼠标右键。六、表面长度计算电子沙盘系统是一个32位专业图像软件。它提供了强大的三维交互地形可视化环境，利用DEM数据与专业图像数据，可生成近实时的二维和三维透视景观。其可用于：地形踏勘、野外作业设计、环境监测、可视化环境评估、工程设计、野外选址（电力线路设计及选址）、DEM数据质量评估等。MAPGIS中电子沙盘操作流程为：打开高程文件→设置飞行路径及飞行方式→修改飞行参数→退出。9.5电子沙盘MAPGIS66默认高程文件为*.inf。此格式文件可通过“高程库管理”系统，将GRD文件转换为INF文件，在“高程库管理”系统载入GRD文件后，系统会弹出相应对话框，供进一步选择参数。具体操作可根据提示一步一步进行即可完成数据转换。在“电子沙盘”载入INF数据后，系统随即在窗口中显示依据此数据构建的三维彩色模型。这里可以对场景进行相应设置，同时可确定飞行路径及状态。这些相关操作可参阅MAPGIS使用手册。1.基本概念①网络网络是一个抽象的概念，同网线通过结点连接而成，可代表现实生活中的各种网，如交通网、电信网等。可通过指定网线和结点的图形参数来显示和输出直观的网络图，还可以赋予网线和结点各种属性进行网络数据管理。②网线和结点网络中的网线是现实中各种线路的抽象，是资源流动的路线。网络中的结点是网线的连接点，多条网线通过结点建立联系，结点可以表示道路交叉口、三通等。在MAPGIS的网络中，网线和结点可具有属性和图形参数。网线的图形参数就是MAPGIS的线参数，结点的图形参数是子图。一、MAPGIS网络分析基础③节点一条网线的形状和位置是由一个离散点序列确定的，相邻离散点间是以直线相连的，这些离散点就是该网线上的节点。④网线的子段网线中两节点间的部分称为网线的子段。⑤始结点和终结点网线的两端必然是结点，这两个结点分别处于网线第一个和最后一个节点的位置，这两个特殊的节点就称为始结点和终结点。⑥结点平差将多个网络结点结合并为一个结点，原来分别与各个结点相连的网线都转为与新结点相连。⑦捕捉精度在图上选择网线、结点或节点时允许有的误差，这里指的是图距离。2.网络模型网络是由若干线性实体互连而成的一个系统，资源经由网络传输，实体间的联络也经由网络来实现。网络数据模型（图8-17）是真实世界中网络系统（如交通网、煤气网等）的抽象表示。图8-17网络模型构成网络的最基本元素是网线和结点。网线构成网络的骨架，是资源传输或通信联络的通道。结点是网线的端点，也网线汇合点。除了上述基本网络元素之外，由于分析任务的不同，网络还可以有若干附属元素，包括：在路径分析中用来表示途径地点的可进行资源装卸的站点；在资源分配中用来表示资源发散地点的中心；对资源传输或通信联络起阻断作用的障碍。3.网络管理与分析流程在MAPGIS中进行网络管理和分析可按如下步骤进行：①装入底图库（也可不装）；②装入网络文件（或新建网络文件）；③编辑网络数据（包括网线、节点）；④指定附属元素，编辑元素数据（对于路径分析、资