arcgis教程ArcGIS三维分析.ppt

第14章ArcGIS三维分析 ArcGIS具有一个能为三维可视化 三维分析以及表面生成提供高级分析功能的扩展模块 3DAnalyst 可以用它来创建动态三维模型和交互式地图 从而更好地实现地理数据的可视化和分析处理 使用上述ArcMap软件工具可以对ArcGIS中的矢量数据进行三维分析操作 本章主要介绍ArcMap软件工具的三维分析 并在此基础之上讲解如何进行具体的三维操作 14 1ArcGIS三维分析概述 作为桌面地理信息系统的最优秀代表之一 ArcGIS三维分析模块主要提供了基于表面高程数据的数据三维可视化和三维地理空间分析功能 ArcGIS三维分析模块也是ArcGIS软件体系的一个重要扩展模块 通过三维分析模块可以创建栅格表面 进行插值 生成TIN和进行表面分析等 14 1 1三维分析基础 空间中绝大多数的地理分析都与三维分析有关 通过三维模型的建立 从透视三维的角度对空间数据进行可视化观察 直观地显示和查询数据 实现对表面模型的分析 一般情况下 地理信息系统的三维分析多是在数字高程模型 DigitalElevationModel简称DEM 上进行的 一旦区域上生成所需密度和精度的DEM 内容丰富的各种三维分析是轻而易举的 其三维的可视化 真实场景和电子沙盘也迎刃而解 所以其具有十分广泛的应用 1 表面与表面模型2 栅格表面3 TIN表面 14 1 2ArcGIS三维分析平台与模块简介 在ArcGIS中进行三维分析 主要依靠ArcGIS的3DAnalyst模块 在ArcMap和ArcCatalog中都可以加入三维分析扩展模块 以便管理维护三维数据以及对三维数据进行相关的分析 使用ArcMap平台可以建立三维数据 包括建立创建和修改TIN数据 插值生成栅格数据等 也可以对数据进行表面查询 分析以及各种表面积或体积的计算等 还能对数据进行转换 重分类等等操作 使用ArcCatalog可以浏览并管理三维数据 另外 ArcGIS软件体系还有两种平台来显示和表达三维数据或场景 分别为ArcScene和ArcGlobe 14 1 3ArcGIS三维分析工具的激活与添加 一般在默认的情况下 在ArcMap ArcCatalog和ArcScene中三维扩展分析工具都是处于未激活的状态 在工具栏中也找不到相应的工具条 想使用其相关功能 必须首先激活分析工具 然后再将其添加到工具栏中 以方便使用 1 激活工具2 添加工具 14 2三维表面模型的建立 真实的表面是连续变化的 即表面包含无数个点 所以一般情况下 不可能对所有点的z值进行度量和记录 表面模型允许用户在GIS对表面信息进行存储 表面模型通过对表面上不同位置的点进行采样 进而对采样点进行插值 对表面进行模拟和近似的拟合 即利用有限数目的样本点来估计未知样本点的值 从而形成整个表面 14 2 1栅格表面的创建 一般情况下 不可能对研究区内的每个点的属性值都进行测量 所以选择一些离散的样本点进行测量 通过插值得出未采样点的值 采样点可以是随机选取 分层选取或规则选取 但应该保证这些点代表了区域的总体特征 1 距离权重倒数法2 样条函数法3 克里金方法4 自然近邻法 14 2 2TIN表面的创建 TIN表面一般由矢量数据生成 这些矢量数据可以是点 线 多边形要素或是混合的数据源 TIN表面的建立可以选择一个或多个这样的矢量数据 一般来讲 这些要素是要求具有Z值的 即要求有类似高度这样的信息 已经生成的TIN表面也可以继续加入一些要素或特征 以改变或提高TIN的表面以及精度 1 从要素生成TIN2 向TIN中添加要素 14 3表面分析 表面 包含无数点的区域 通常蕴含了丰富的信息 用户可能想简单地浏览表面 这是一个从总体上理解表面的好方式 或者用户可能会对表面上某个感兴趣的特定区域进行详细研究 例如 用户可能想知道表面上某一点处高度 温度 气压或杀虫剂浓度等信息的值 用户可能想知道是否在A点的观测者能够看到B点 或者一条规划的小路有多陡 用户可能对某个水库的库容或某条山脊的石方感兴趣 或者 用户可能对表面形状的整体信息感兴趣 这并不是通过对表面进行简单的观察就能立即得到的信息 例如 用户可能想知道哪些点在相同的高程 表面的哪些部分有着相同的朝向 哪里的化学污染的浓度最高或者地表下降得最厉害 14 3 1等高线分析 等高线是地图学中的基本概念 地面上高程相等的相邻各点连成的闭合曲线称为等高线 地形图上相邻两条高程不同的等高线之间的高差称为等高距 等高距愈小则图上等高线愈密 地貌显示就愈详细 确切 等高距愈大则图上等高线就愈稀 地貌显示就愈粗略 14 3 2坡度分析 坡度表示表面上某个位置的最陡的倾斜度 计算坡度时 将对TIN中的每个三角面或栅格中的每个单元进行计算 对于TIN而言 坡度是各个三角面之间最大的高程变化率 对于栅格而言 坡度是每个栅格单元与其相邻的8个栅格单元中最大的高程变化率 其计算示意图如图14 21所示 14 3 3坡向分析 坡向是指坡面的朝向 它表示表面某处最陡的倾斜方向 它可以被认为是山体所面向的坡的方向或指南针的方向 在计算坡向的过程中 对TIN表面的每个三角面或栅格图像的每一个像元进行计算 坡向以度为单位 按逆时针方向从0 从正北方向 到360 即绕完一圈以后的正北方向 来度量 坡向图中的每个栅格单元的值表明此栅格单元所在坡的朝向 水平的坡没有朝向 被赋值为 1 14 3 4山影分析 在ArcMap中进行山影分析方法如下 1 单击 3D分析 表面分析 山影 命令 弹出 山影 对话框 2 在 坡度 对话框中填写参数 包括输入表面 方位 高程 模拟阴影的选择 Z因子 输出像素大小和输出栅格等 如果输入文件和定义的Z单位不同 需要在Z因子中输入不同单位的转换系数 如果相同则默认为1 3 单击 确定 按钮 在ArcMap图形窗口会自动显示输出的山影分析图 14 3 5视域分析 视域分析广泛应用于GIS的各个方面 可判断三维表面上某点的可视区域 在ArcMap中进行视域分析方法如下 1 单击 3D分析 表面分析 视域 命令 弹出 视域 对话框 2 在 视域 对话框中填写参数 包括输入表面 观察点文件 Z因子 输出像素大小和输出栅格等 如果输入文件和定义的Z单位不同 要在Z因子中输入不同单位的转换系数 如果相同则默认为1 3 单击 确定 按钮 在ArcMap图形窗口会自动显示输出的视域分析图 14 3 6填挖分析 填挖方分为填方和挖方 由设计高程和现状高程相减而得到 一般结果中设计高程小于现状高程的为填方 设计高程大于现状高程的为挖方 在ArcMap中进行视域分析方法如下 1 单击 3D分析 表面分析 填挖 命令 弹出 填挖 对话框 如图14 30所示 2 在 填挖 对话框中填写参数 包括 填挖前后的表面 Z因子 输出像素大小和输出栅格等 如果输入文件和定义的Z单位不同 则需要在Z因子中输入不同单位的转换系数 如果相同则默认为1 3 单击 确定 按钮 在ArcMap图形窗口中 会自动显示输出的填挖分析图 如图14 31所示 14 3 7表面积与体积的计算 表面积是指某一要素能摸到的面的总面积 表面越粗糙 表面积越大 体积是指物体占有空间的量 使用表面积与体积统计工具计算二维的面积 表面面积和体积 所有这些统计全都是针对某个参考平面进行的 表面模型上的某个矩形的面积为其长与宽的乘积 表面面积是沿着表面的坡度进行计算的 考虑了表面高度的变化情况 除非表面为平坦的 表面面积通常要大于其二维的底面积 用户可以比较二维面积和对应的表面面积的值 了解表面的粗糙度或者表面的坡度 两者的差异越大 表面越粗糙或越陡 体积指表面与某指定高度的平面之间的空间大小 为地图单位的立方 14 3 8创建最陡路径 最陡路径的含义是沿着最大的坡降方向 即坡度最大的方向 从山顶点到山脚的路径 最陡路径往往是理论上的沿山体最短路径 在ArcMap中寻找最陡路径的方法如下 1 单击 3D分析 工具栏上的 创建最陡路径 按钮 2 在图形区单击某个点 此时自动生成从这个点到最低点的最陡路径 14 3 9生成通视线 当某人站在某个指定点时 地形表面的形状对其所能看到的表面范围有着很大的影响 某点所能见到的范围对决定其房地产价值是一个很重要的因素 对通信塔位置或军队的布置有着重要的影响 三维分析还允许用户决定表面上沿视觉瞄准线的点与点之间的可视性 或整个表面上的视线范围内的表面可视情况 14 3 10创建剖面图 剖面图即断面 表示沿表面上某条线前进时表面上高程变化的情况 在工程建设特别是交通工程中经常需要提取剖面图 14 4三维数据的管理与可视化 三维可视化是用于显示描述和理解地下及地面诸多地质现象特征的一种工具 广泛应用于地质和地球物理学的所有领域 三维可视是描绘和理解模型的一种手段 是数据体的一种表征形式 并非模拟技术 它能够利用大量数据 检查资料的连续性 辨认资料真伪 发现和提出有用异常 为分析 理解及重复数据提供了有用工具 对多学科的交流协作起到桥梁作用 对于三维数据的管理 要依靠ArcCatalog数据管理工具 在ArcCatalog中也可以对数据进行复制 移动 重命名和删除等操作 也可以对数据进行预览 对三维数据的显示 除了可以在ArcMap中进行显示 查询和分析等操作外 还可以在特有的平台ArcScene和ArcGlobe中数据的显示以及进行相关操作 14 4 1三维数据在ArcCatalog中管理和预览 在ArcCatalog中可以便捷管理三维数据 同时ArcCatalog提供两种预览方式预览三维数据 用户可以在ArcCatalog中使用与ArcScene中相同的浏览工具预览三维场景和数据 1 三维数据的管理2 地理图形预览3 3D视图预览 14 4 2三维数据在ArcMap中的显示 在ArcMap中加载三维数据后 其只能以平面的形式来显示 而不能以三维的形式任意改变视角 但在ArcMap中可以调整数据的显示方式和风格 并以此来突出显示三维数据 1 三维数据的显示风格2 三维数据的光照调整 14 4 3三维数据在ArcScene中的显示 ArcScene是三维分析 3DAnalyst 添加的三维可视化应用程序之一 它们扩展了ArcGISDesktop的功能 并且扩展了ArcCatalog和ArcMap的三维功能 ArcScene允许用户制作具有透视效果的场景 在这个场景中可以对地理信息系统数据进行浏览和交互 不仅如此 用户还可以在表面上叠加栅格和矢量数据 并从矢量数据源创建线 面和体 用户也可以使用ArcScene中的三维分析工具创建和分析表面 1 ArcScene的用途简介2 ArcScene中的3D工具3 ArcGIS表面模型 GRID和TIN 的三维显示4 二维栅格数据的三维显示5 二维矢量数据的三维显示 14 4 4三维数据在ArcGlobe中的显示 ArcGlobe提供在标准计算机硬件上对巨型三维栅格 地形和矢量数据集进行实时漫游和缩放 在此过程中基本不会感觉到速度上的问题 这主要是依靠一种新引入的索引和快速检索数据的方法实现的 1 ArcGlobe概述2 ArcGlobe启动与默认设置3 ArcGlobe数据加载与数据浏览 14 4 5三维飞行动画 动画由一个或多个轨迹组成 轨迹控制着对象属性 如文档的背景颜色 图层的可见性或摄影的位置 的动态变化 轨迹是由一系列的关键帧组成 关键帧是特定对象属性在某一时刻的快照 对象可以是场景或球体 图层或摄影 动画为三维文档提供了新的和创造性的方面 使用动画来自动显示某些过程 在这些过程中 可以演示那些只能以视觉动态来展示的关键部分 1 动画工具条2 捕获透视图创建动画3 创建画面帧4 生成组动画5 沿路径生成动画6 动画操作7 动画保存 装载和输出 14 5三维数据的转换 ArcGIS的三维分析模块提供了诸多数据转换工具 包括将二维要素转换为三维 栅格转换为要素 TIN表面与栅格表面之间的转换 以及由TIN转换为要素等 另外 在ArcToolbox中还提供了更多的数据转换工具 本节将就其中的二维要素到三维转换工具 Featuresto3D 栅格转换为要素工具 RastertoFeatures 及由TIN表面转换为矢量工具 TINtoFeatures 等做详细介绍 14 5 1三维数据转换 三维数据的转换工具在3D分析中 单击 3D分析 工具栏 选择 转换 命令 在转换中有5种三维数据转换方法 即要素转变为3D 栅格到要素 栅格转换到TIN TIN转换到栅格和TIN转换到矢量 14 5 2二维要素三维化 尽管可以通过设置某表面为基准高程对二维要素进行显示 但是很多时候具有三维几何的要素更有用 他们可以更快速地显示 并且可不依赖于表面数据独立显示 通常 有3种方法将现有的二维要素数据转换为三维数据 由某一表面获取要素的高程属性值 由要素的某一属性值作为高程值 将要素的高程属性值赋为某一常量 1 从表面获得现有要素的高程值2 通过要素属性获取要素高程值3 以某一常量作为要素高程属性 14 5 3表面数据的矢量转换 表面中可能会包含有一些有用的信息 而有时需要将其用于基于矢量的GIS操作中 本小节将介绍栅格数据转换为矢量数据的方法 通常 将栅格数据转换成所需的要素的步骤如下 1 将栅格表面数据转换成某种特定类别的数据 如高程 坡度和坡向等 2 将各类别转换成多边形 3 将多边形数据与其他矢量数据一起使用 选择符合某个标准的区域 14 5 4TIN数据的矢量转换 将TIN转换为矢量要素较为简单 在操作中 可以从TIN表面上直接提取坡度与坡向多边形 或将TIN的节点高程值提取为点要素类 TIN数据的矢量转换具体步骤如下 1 单击 3D分析 转换 TIN转换到矢量 命令 弹出 栅TIN转换到矢量 对话框 2 在 输入的TIN 中选择TIN及由其三角形顶点提取所得点要素 3 在 转化 中设置进行转换的类型 4 在 输出要素 指定输出路径及文件名 5 单击 确定 按钮 完成转换 14 6小结 本章介绍了在ArcMap ArcScene和ArcGlobe中使用三维数据的方法和应用 首先介绍了ArcGIS的重要扩展模块三维分析概述 内容包括三维分析基础 ArcGIS三维分析平台与模块简介 ArcGIS三维分析工具的激活与添加等 其次分别从栅格表面的4种创建方法 TIN表面的2种创建方法表述了三维表面模型的建立 最后介绍了表面分析的种类 原理和创建方法 最后表述了三维数据的管理与可视化以及三维数据之间的转换