GIS三维分析

三维分析一、目的DEM是对地形地貌的一种数字表达，是对地面特性进行空间描述的一种数字方法、途径，它的应用可遍及整个地学领域。通过对本实习，我们应：1、加深对DEM建立过程的原理、方法的认识；2、熟练掌握ARCGIS中建立DEM、TIN的技术方法。3、结合实际、掌握应用DEM解决地学空间分析问题的能力。二、实验准备1、软件准备：ArcGIS2、数据准备：Elev_clip.shp，Elevpt_clip.shp、Boundary.shp、移动基站.shp;三、实验内容三维分析扩展模块的装入：Customize→Extensions→3DAnalyst本实验中3D分析参数设置：21、DEM及TIN的建立1.1由矢量数据建立TIN（1）【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【DataManagement】-【TIN】-【CreateTIN】，分别选择Elevpt_clip.shp和Elev_clip.shp生成TIN，并比较结果；（2）TIN的显示3将TIN图层局部放大，认真理解TIN的存储模式及显示方式：1.2由TIN建立DEM【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【Conversion】-【FromTIN】-【TINtoRaster】，分别选择tin_Elevpt和tin_Elev生成Grid格式的DEM，并比较结果；41.3由矢量数据建立DEM【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterInterpolation】选择Elevpt.shp，利用IDW、Kriging、NaturalNeighbor、Spline数据内插方法生成Grid格式的DEM；52.DEM的应用基于ArcGIS的地形因子的提取，均是基于DEM的基础上的。由于由线生成的TIN再转化得到的DEM（tin_elev）精度更高，故后续的DEM应用均采用该数据进行。ArcGIS中的DEM分析利用【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】完成；2.1地形指标的提取（1）坡度Slope地面上某点的坡度表示了地表面在该点的倾斜程度，坡度定义为水平面与地形面之间夹角的正切值。在ArcGIS中Slope确定了中心栅格与四周相邻栅格高程值的最大变化率，既水平面与地形面之间夹角的正切值。输出坡度栅格可使用两种单位计算：度和百分比（高程增量百分比）。高程增量百分比为高程增量除以水平增量后再乘以100。当角度为45度时（三角形B），高程增量等于水平增量，所以高程增量百分比为100%。如三角形C所示，当坡度角接近直角（90度）时，高程增量百分比开始接近无穷大。具体的方法步骤如下:【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】选择grid_Elev；可重新调整坡度分级：6（2）坡向Aspect坡向指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。具体方法步骤如下:【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Aspect】选择grid_Elev；（3）平面曲率平面曲率指地面任意一点地表坡向的变化率，反映等高线弯曲程度的指标，可以反映地表所有的山脊线和山谷线。根据其定义，平面曲率就是对先提取DEM坡向，再对这个坡向取坡度。步骤：【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】选择Aspect_grid；7（4）剖面曲率剖面曲率是地面上任一点位地表坡度的变化率，或者称为高程变化的二次导数。根据定义，剖面曲率的提取实际上是对DEM层两次求坡度，即”slopeofslope”；具体的方法步骤如下:【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】选择Slope_grid；（5）地形剖面图的制作在工程方面（如在公路、铁路、管线等的设计过程中)，常常需要制作剖面图。剖面图的制作是以制作区域的DEM数据（Grid数据)或表面数据（TIN数据）为基础的。剖面图的制作方法如下：①.激活grid_Elev，单击3D工具条上的InterpolateLine按纽；②.用鼠标画一条线（直线或曲线均可），双击鼠标左键画线结束，单击3D工具条上的ProfileGraph工具，生成剖面图；8③.右键点击剖面图，通过“属性”或“高级属性”可以更改剖面图的图表类型，编辑图名和图表样式等；④.可以通过“添加至布局”，将其与地图一起显示和输出；⑤.还可以通过“复制为图形”，将其以图形方式输出至Word等软件。9（5）测量面积和体积使用三维分析可以测量表面面积和体积。表面面积是沿表面的坡度进行测量，并将高度考虑在内，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表面和位于任何指定高程的水平面间的立体空间，可以是平面之上的，也可以是平面之下。测量体积在实际应用中一般用来计算土方量。①、ArcToolbox→3DAnalyst工具→功能性表面→表面体积（如下图）；②、选择grid_elev数据，指定要测量的是平面上还是平面下的面积和容积；③、输入一个基础高程，作为测量面积和容积的水平平面，确认后则会出现一个对话框，显示二维面积、表面积及体积。10（6）山顶点和山谷点的计算——邻域分析邻域分析的计算是以待计算栅格为中心，向其周围扩展一定范围，基于这些扩展栅格数据进行函数运算，从而得到此栅格的值。ArcGIS中的邻域分析提供了十种统计方法：Maximum最大值、Minimum最小值、Range范围值（即最大值减去最小值）、Sum数值和、Mean平均值、StandardDeviation标准差、Majority频数最大的值、Minority频数最小的值等等。①通过邻域计算出50*50范围内的邻域Maximum最大值，如下图②通过栅格计算器，计算grid_elev-Maximum=0，得到山顶点（红色）11③同理，邻域计算50*50范围内的Minimum，并计算grid_elev-Minimum=0，得到山谷（红色）。122.2提取等高线：（1）提取等间隔等高线①、ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→等值线（如下图）②、选择grid_elev数据，输入等高线间距（等高距Contourinterval）和起始等高线的值BaseContours，默认值为DEM最低高程。③、生成shape线层数据，如下图左图：13（2）提取任意高程等高线①ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→等值线序列（如下图）②选择grid_elev数据，依次输入等高线高程，生成新的shape线层数据，如上图中图：③点击工具条上，再点击DEM可生成经过该点的等高线，如上图右中图。2.3可视分析：（1）地形表面的阴影图Hillshade14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方位Azimuth和太阳高度角altitude，并且对实际地面进行逼真的立体显示，增强地面的起伏感。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90°，在正东北方时，方位为-135°，在正西方时方位角为90°，在正北方时为±180°太阳高度角:太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在0°到90°之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为90°它的应用有：生动表示地形起伏，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。Hillshade采用Dem或TIN数据计算，在Dem基础上计算Hillshade的步骤如下：①ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→山体阴影（如下图）②选择grid_elev数据，依次输入等高线高程方位角和高度角，方位角和高度角值不同，生成的阴影效果也不同，如下图：15（2）可视性分析①通视性分析：计算两点之间的视线是否可见Ⅰ.ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→视点分析（如下图）Ⅱ.选择grid_elev数据，点击3D分析工具条上，按住鼠标左键，屏幕上将会出现十字光标，将光标从观察点S移向目标点P，然后释放光标。在观察点到目标点之间将会出现一条视线，即两点之间的通视线，点击生成通视线上的通视剖面图，如下图：16②可视区分析：计算现有观察点能看到的区域范围I.ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→视域（如下图）；II.添加一个点层：移动基站.shp作为观测点，选择grid_elev为输入栅格；如果不选中任何点，则对所有点进行计算，如下图：Ⅲ、如果选中其中某个点，则只对选中的对象进行可视域的计算，如下图；17Ⅳ、通过些栅格转矢量的工具，可以得到山顶点、山谷的矢量数据。3.三维透视观察（1）开始→程序→ArcGIS→ArcScene（2）添加DEM数据grid_elev、线文件Elev_clip.shp，点文件Elevpt_clip.shp、移动基站.shp（3）右键点击grid_elev，选择属性→基本高度，选择grid_elev，输入拉伸系数;18（4）同样对等高线进行同样设置，并利用工具进行三维观察；四、实验报告要求1、做出书面报告（手写），包括原理、主要过程和结果，将实习过程的主要截图放在PPT里：2、回答如下问题：（1）、如何才能实现地形表面的逼真再现？需要什么数据？（2）、ArcGIS的三维建模是否存在不足？19水文分析一、目的地形表面决定了水流怎样流经某一地区，空间分析中的水文分析HydrologicFunctions提供了这样一个功能用来研究与地表水流有关的地表的物理特性。通过对本次实习的学习，我们应：1.加深对DEM提取水文信息的原理和过程的理解；2.熟练掌握ArcGIS10中提取水文信息的技术方法。3.结合实际、掌握应用DEM解决地学空间分析问题的能力。二、实验准备1、软件准备：ArcGIS102、数据准备：dem;三、准备知识水文水系数据是地理科学数据的核心之一，作为地学领域数据的一个重要组成部分，是支撑相关地学研究的基础性数据。例如分析洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染影响的地区，以及预测当改变某一地区的地貌时对整个地区将造成的后果等。随着计算机在科研工作中的广泛应用，电子版的数据已经变得越来越重要，但目前采用的电子版水系大多却仍然来自于地形图和水系图纸。这种情况往往会导致工作效率低下，所以在信息技术的支持下提高基于DEM自动提取河网水系与流域边界及其分级方法的精度变得非常迫切。地形表面决定了水流怎样流经某一地区，空间分析中的水文分析HydrologicFunctions提供了这样一个功能用来研究与地表水流有关的地表的物理特性。以高程栅格数据或DEM作为主要输入数据，采用HydrologicFunctions生成集水流域和水流网络数据，并对其的影响因子进行量化。HydrologicFunctions应用于实验内容（一）原理验证20ArcGIS水文分析的基本步骤：填洼→流向→流量→河网分级→栅格河网矢量化1.洼地填充Fillsinks被较高高程区域围绕的洼地是进行水文分析的一大障碍，因此在确定水流方向以前，必须先将洼地填充。有些洼地是在DEM生成过程中带来的数据错误，但另外一些却表示了真实的地形如采石场或岩洞等。在ArcGIS中通过填洼Fillsinks功能将洼地填充，使洼地成为水流能够通过的平坦区域。通过ArcToolbox→SpatialAnalyst→水文分析→填洼，选择Dem，生成的无洼地Dem，既为填充