石大《GIS分析》實習指導04三維分析

第四章三維分析一、實驗目的DEM是對地形地貌的一種數(shù)字表達，是對地面特性進行空間描述的一種數(shù)字方法、途徑，它的應用可遍及整個地學領域。通過對本實習，我們應：加深對DEM建立過程的原理、方法的認識；熟練掌握ARCGIS中建立DEM、TIN的技術方法。結合實際、掌握應用DEM解決地學空間分析問題的能力。二、實驗準備1、軟件準備：ArcGIS2、數(shù)據(jù)準備：Elev_clip.shp，Elevpt_clip.shp、Boundary.shp、移動基站.shp;三、實驗內(nèi)容三維分析擴展模塊的裝入：Customize→Extensions→3DAnalyst本實驗中3D分析參數(shù)設置：1、DEM及TIN的建立1.1由矢量數(shù)據(jù)建立TIN（1）【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【DataManagement】-【TIN】-【CreateTIN】，分別選擇Elevpt_clip.shp和Elev_clip.shp生成TIN，并比較結果；（2）TIN的顯示將TIN圖層局部放大，認真理解TIN的存儲模式及顯示方式：1.2由TIN建立DEM【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【Conversion】-【FromTIN】-【TINtoRaster】，分別選擇tin_Elevpt和tin_Elev生成Grid格式的DEM，并比較結果；1.3由矢量數(shù)據(jù)建立DEM【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterInterpolation】選擇Elevpt.shp，利用IDW、Kriging、NaturalNeighbor、Spline數(shù)據(jù)內(nèi)插方法生成Grid格式的DEM；2.DEM的應用基于ArcGIS的地形因子的提取，均是基于DEM的基礎上的。由于由線生成的TIN再轉化得到的DEM（tin_elev）精度更高，故后續(xù)的DEM應用均采用該數(shù)據(jù)進行。ArcGIS中的DEM分析利用【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】完成；2.1地形指標的提?。?）坡度Slope地面上某點的坡度表示了地表面在該點的傾斜程度，坡度定義為水平面與地形面之間夾角的正切值。在ArcGIS中Slope確定了中心柵格與四周相鄰柵格高程值的最大變化率，既水平面與地形面之間夾角的正切值。輸出坡度柵格可使用兩種單位計算：度和百分比（高程增量百分比）。高程增量百分比為高程增量除以水平增量后再乘以100。當角度為45度時（三角形B），高程增量等于水平增量，所以高程增量百分比為100%。如三角形C所示，當坡度角接近直角（90度）時，高程增量百分比開始接近無窮大。具體的方法步驟如下:【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】選擇grid_Elev；可重新調整坡度分級：（2）坡向Aspect坡向指坡面法線在水平面上的投影與正北方向的夾角。在ArcGIS中Aspect表示每個柵格與它相鄰的柵格之間沿坡面向下最陡的方向。具體方法步驟如下:【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Aspect】選擇grid_Elev；（3）平面曲率平面曲率指地面任意一點地表坡向的變化率，反映等高線彎曲程度的指標，可以反映地表所有的山脊線和山谷線。根據(jù)其定義，平面曲率就是對先提取DEM坡向，再對這個坡向取坡度。步驟：【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】選擇Aspect_grid；（4）剖面曲率剖面曲率是地面上任一點位地表坡度的變化率，或者稱為高程變化的二次導數(shù)。根據(jù)定義，剖面曲率的提取實際上是對DEM層兩次求坡度，即”slopeofslope”；具體的方法步驟如下:【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】選擇Slope_grid；（5）地形剖面圖的制作在工程方面（如在公路、鐵路、管線等的設計過程中)，常常需要制作剖面圖。剖面圖的制作是以制作區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)（Grid數(shù)據(jù))或表面數(shù)據(jù)（TIN數(shù)據(jù)）為基礎的。剖面圖的制作方法如下：激活grid_Elev，單擊3D工具條上的InterpolateLine按紐；用鼠標畫一條線（直線或曲線均可），雙擊鼠標左鍵畫線結束，單擊3D工具條上的ProfileGraph工具，生成剖面圖；右鍵點擊剖面圖，通過“屬性”或“高級屬性”可以更改剖面圖的圖表類型，編輯圖名和圖表樣式等；可以通過“添加至布局”，將其與地圖一起顯示和輸出；還可以通過“復制為圖形”，將其以圖形方式輸出至Word等軟件。（5）測量面積和體積使用三維分析可以測量表面面積和體積。表面面積是沿表面的坡度進行測量，并將高度考慮在內(nèi)，計算出的面積總要大于二維平面測量的面積。體積是計算TIN表面和位于任何指定高程的水平面間的立體空間，可以是平面之上的，也可以是平面之下。測量體積在實際應用中一般用來計算土方量。ArcToolbox→3DAnalyst工具→功能性表面→表面體積（如下圖）；選擇grid_elev數(shù)據(jù)，指定要測量的是平面上還是平面下的面積和容積；輸入一個基礎高程，作為測量面積和容積的水平平面，確認后則會出現(xiàn)一個對話框，顯示二維面積、表面積及體積。（6）山頂點和山谷點的計算——鄰域分析鄰域分析的計算是以待計算柵格為中心，向其周圍擴展一定范圍，基于這些擴展柵格數(shù)據(jù)進行函數(shù)運算，從而得到此柵格的值。ArcGIS中的鄰域分析提供了十種統(tǒng)計方法：Maximum最大值、Minimum最小值、Range范圍值（即最大值減去最小值）、Sum數(shù)值和、Mean平均值、StandardDeviation標準差、Majority頻數(shù)最大的值、Minority頻數(shù)最小的值等等。①通過鄰域計算出50*50范圍內(nèi)的鄰域Maximum最大值，如下圖②通過柵格計算器，計算grid_elev-Maximum=0，得到山頂點（紅色）③同理，鄰域計算50*50范圍內(nèi)的Minimum，并計算grid_elev-Minimum=0，得到山谷（紅色）。2.2提取等高線：（1）提取等間隔等高線ArcToolbox→3DAnalyst工具→柵格表面→等值線（如下圖）選擇grid_elev數(shù)據(jù)，輸入等高線間距（等高距Contourinterval）和起始等高線的值BaseContours，默認值為DEM最低高程。生成shape線層數(shù)據(jù)，如下圖左圖：（2）提取任意高程等高線①ArcToolbox→3DAnalyst工具→柵格表面→等值線序列（如下圖）②選擇grid_elev數(shù)據(jù)，依次輸入等高線高程，生成新的shape線層數(shù)據(jù)，如上圖中圖：③點擊工具條上，再點擊DEM可生成經(jīng)過該點的等高線，如上圖右中圖。2.3可視分析：（1）地形表面的陰影圖Hillshade分析或模擬地面的光照情況，產(chǎn)生地形表面的陰影圖。Hillshade可測定研究區(qū)域中給定位置的太陽方位Azimuth和太陽高度角altitude，并且對實際地面進行逼真的立體顯示，增強地面的起伏感。太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。方位角以正南方向為零，由南向東向北為負，由南向西向北為正，如太陽在正東方，方位角為-90°，在正東北方時，方位為-135°，在正西方時方位角為90°，在正北方時為±180°太陽高度角:太陽高度角指從太陽中心直射到當?shù)氐墓饩€與當?shù)厮矫娴膴A角，其值在0°到90°之間變化，日出日落時為零，太陽在正天頂上為90°它的應用有：生動表示地形起伏，從而顯示不同土地利用類型在地形上的分布情況。研究陽光的照射位置與公路上發(fā)生的車禍事件發(fā)生率之間的相關性。Hillshade采用Dem或TIN數(shù)據(jù)計算，在Dem基礎上計算Hillshade的步驟如下：①ArcToolbox→3DAnalyst工具→柵格表面→山體陰影（如下圖）②選擇grid_elev數(shù)據(jù)，依次輸入等高線高程方位角和高度角，方位角和高度角值不同，生成的陰影效果也不同，如下圖：（2）可視性分析①通視性分析：計算兩點之間的視線是否可見Ⅰ.ArcToolbox→3DAnalyst工具→柵格表面→視點分析（如下圖）Ⅱ.選擇grid_elev數(shù)據(jù)，點擊3D分析工具條上，按住鼠標左鍵，屏幕上將會出現(xiàn)十字光標，將光標從觀察點S移向目標點P，然后釋放光標。在觀察點到目標點之間將會出現(xiàn)一條視線，即兩點之間的通視線，點擊生成通視線上的通視剖面圖，如下圖：②可視區(qū)分析：計算現(xiàn)有觀察點能看到的區(qū)域范圍ArcToolbox→3DAnalyst工具→柵格表面→視域（如下圖）；添加一個點層：移動基站.shp作為觀測點，選擇grid_elev為輸入柵格；如果不選中任何點，則對所有點進行計算，如下圖：Ⅲ、如果選中其中某個點，則只對選中的對象進行可視域的計算，如下圖；Ⅳ、通過些柵格轉矢量的工具，可以得到山頂點、山谷的矢量數(shù)據(jù)。3.三維透視觀察（1）開始→程序→ArcGIS→ArcScene（2）添加DEM數(shù)據(jù)grid_elev、線文件Elev_clip.shp，點文