石大《GIS分析》實(shí)習(xí)指導(dǎo)04三維分析

第四章三維分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腄EM是對(duì)地形地貌的一種數(shù)字表達(dá)，是對(duì)地面特性進(jìn)行空間描述的一種數(shù)字方法、途徑，它的應(yīng)用可遍及整個(gè)地學(xué)領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)本實(shí)習(xí)，我們應(yīng)：加深對(duì)DEM建立過(guò)程的原理、方法的認(rèn)識(shí)；熟練掌握ARCGIS中建立DEM、TIN的技術(shù)方法。結(jié)合實(shí)際、掌握應(yīng)用DEM解決地學(xué)空間分析問(wèn)題的能力。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1、軟件準(zhǔn)備：ArcGIS2、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：Elev_clip.shp，Elevpt_clip.shp、Boundary.shp、移動(dòng)基站.shp;三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三維分析擴(kuò)展模塊的裝入：Customize→Extensions→3DAnalyst本實(shí)驗(yàn)中3D分析參數(shù)設(shè)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(jié)果；（2）TIN的顯示將TIN圖層局部放大，認(rèn)真理解TIN的存儲(chǔ)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(jié)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(yīng)用基于ArcGIS的地形因子的提取，均是基于DEM的基礎(chǔ)上的。由于由線生成的TIN再轉(zhuǎn)化得到的DEM（tin_elev）精度更高，故后續(xù)的DEM應(yīng)用均采用該數(shù)據(jù)進(jìn)行。ArcGIS中的DEM分析利用【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】完成；2.1地形指標(biāo)的提取（1）坡度Slope地面上某點(diǎn)的坡度表示了地表面在該點(diǎn)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(jì)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(dāng)角度為45度時(shí)（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(dāng)坡度角接近直角（90度）時(shí)，高程增量百分比開(kāi)始接近無(wú)窮大。具體的方法步驟如下:【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】選擇grid_Elev；可重新調(diào)整坡度分級(jí)：（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(gè)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(diǎn)地表坡向的變化率，反映等高線彎曲程度的指標(biāo)，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(duì)先提取DEM坡向，再對(duì)這個(gè)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(diǎn)位地表坡度的變化率，或者稱(chēng)為高程變化的二次導(dǎo)數(shù)。根據(jù)定義，剖面曲率的提取實(shí)際上是對(duì)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(shè)計(jì)過(guò)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(chǔ)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(biāo)畫(huà)一條線（直線或曲線均可），雙擊鼠標(biāo)左鍵畫(huà)線結(jié)束，單擊3D工具條上的ProfileGraph工具，生成剖面圖；右鍵點(diǎn)擊剖面圖，通過(guò)“屬性”或“高級(jí)屬性”可以更改剖面圖的圖表類(lèi)型，編輯圖名和圖表樣式等；可以通過(guò)“添加至布局”，將其與地圖一起顯示和輸出；還可以通過(guò)“復(fù)制為圖形”，將其以圖形方式輸出至Word等軟件。（5）測(cè)量面積和體積使用三維分析可以測(cè)量表面面積和體積。表面面積是沿表面的坡度進(jìn)行測(cè)量，并將高度考慮在內(nèi)，計(jì)算出的面積總要大于二維平面測(cè)量的面積。體積是計(jì)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(cè)量體積在實(shí)際應(yīng)用中一般用來(lái)計(jì)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(cè)量的是平面上還是平面下的面積和容積；輸入一個(gè)基礎(chǔ)高程，作為測(cè)量面積和容積的水平平面，確認(rèn)后則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，顯示二維面積、表面積及體積。（6）山頂點(diǎn)和山谷點(diǎn)的計(jì)算——鄰域分析鄰域分析的計(jì)算是以待計(jì)算柵格為中心，向其周?chē)鷶U(kuò)展一定范圍，基于這些擴(kuò)展柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)運(yùn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)差、Majority頻數(shù)最大的值、Minority頻數(shù)最小的值等等。①通過(guò)鄰域計(jì)算出50*50范圍內(nèi)的鄰域Maximum最大值，如下圖②通過(guò)柵格計(jì)算器，計(jì)算grid_elev-Maximum=0，得到山頂點(diǎn)（紅色）③同理，鄰域計(jì)算50*50范圍內(nèi)的Minimum，并計(jì)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(rèn)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(diǎn)擊工具條上，再點(diǎn)擊DEM可生成經(jīng)過(guò)該點(diǎn)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(cè)定研究區(qū)域中給定位置的太陽(yáng)方位Azimuth和太陽(yáng)高度角altitude，并且對(duì)實(shí)際地面進(jìn)行逼真的立體顯示，增強(qiáng)地面的起伏感。太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?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(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。方位角以正南方向?yàn)榱悖赡舷驏|向北為負(fù)，由南向西向北為正，如太陽(yáng)在正東方，方位角為-90°，在正東北方時(shí)，方位為-135°，在正西方時(shí)方位角為90°，在正北方時(shí)為±180°太陽(yáng)高度角:太陽(yáng)高度角指從太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，其值在0°到90°之間變化，日出日落時(shí)為零，太陽(yáng)在正天頂上為90°它的應(yīng)用有：生動(dòng)表示地形起伏，從而顯示不同土地利用類(lèi)型在地形上的分布情況。研究陽(yáng)光的照射位置與公路上發(fā)生的車(chē)禍?zhǔn)录l(fā)生率之間的相關(guān)性。Hillshade采用Dem或TIN數(shù)據(jù)計(jì)算，在Dem基礎(chǔ)上計(jì)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(jì)算兩點(diǎn)之間的視線是否可見(jiàn)Ⅰ.ArcToolbox→3DAnalyst工具→柵格表面→視點(diǎn)分析（如下圖）Ⅱ.選擇grid_elev數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊3D分析工具條上，按住鼠標(biāo)左鍵，屏幕上將會(huì)出現(xiàn)十字光標(biāo)，將光標(biāo)從觀察點(diǎn)S移向目標(biāo)點(diǎn)P，然后釋放光標(biāo)。在觀察點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間將會(huì)出現(xiàn)一條視線，即兩點(diǎn)之間的通視線，點(diǎn)擊生成通視線上的通視剖面圖，如下圖：②可視區(qū)分析：計(jì)算現(xiàn)有觀察點(diǎn)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(gè)點(diǎn)層：移動(dòng)基站.shp作為觀測(cè)點(diǎn)，選擇grid_elev為輸入柵格；如果不選中任何點(diǎn)，則對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，如下圖：Ⅲ、如果選中其中某個(gè)點(diǎn)，則只對(duì)選中的對(duì)象進(jìn)行可視域的計(jì)算，如下圖；Ⅳ、通過(guò)些柵格轉(zhuǎn)矢量的工具，可以得到山頂點(diǎn)、山谷的矢量數(shù)據(jù)。3.三維透視觀察（1）開(kāi)始→程序→ArcGIS→ArcScene（2）添加DEM數(shù)據(jù)grid_elev、線文件Elev_clip.shp，點(diǎn)文