第十四章：ArcGIS三维分析

Posted 2020-12-06 su-peng

　　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“3D Analyst”,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模型。

一、ArcGIS三维分析概述

　　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。通过此模块可创建栅格表面、进行插值、生成TIN和进行表面分析等。

　　1.三维分析基础

　　　　地理空间系统的三维分析多是在数字高程模型（Digital Elevation Model简称DEM）上进行的。

　　　　　　①表面与表面模型

　　　　　　②栅格表面：栅格表面通常存储在格网（GRID）格式中。格网由一组大小均一、具有z值的矩形单元构成。栅格单元越小，格网表示的空间精度越高。

　　　　　　③TIN表面：不规则三角网（TIN）是表达表面的一种有效方法，它由不规则分布的数据点连成的三角网组成，三角形的形状和大小取决于不规则分布的观测点或称节点的密度和位置。

　　2.ArcGIS三维分析平台与模块简介

　　　　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——ArcScene和ArcGlobe来显示和表达三维数据或场景。

　　3.ArcGIS三维分析工具的激活与添加（工具-扩展-勾选3D Analyst）

　　　　一般默认情况下，在ArcMap、ArcCatalog和ArcScene中三维扩展分析工具都是出于未激活的状态。

　　　　　　①激活工具②添加工具

二、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，即利用有限目的样本点来估计未知样本点的值，从而形成整个表面。

　　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

　　2.TIN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TIN

　　　　　　②向TIN中添加要素

三、表面分析

　　表面（包含无数点的区域）通常蕴含了丰富的信息。用户可能会想简单的了解表面，也可能会对表面上某个感兴趣的特定区域进行详细研究。

　　1.等高线分析(3D分析-表面分析-等高线)

　　等高线是地图学的基本概念：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。等高距越小则图上等高线越密，地貌显示就越详细、确切；等高距越大则图上等高线就越稀，地貌显示就越粗略。

　　2.坡度分析(3D分析-表面分析-坡度)

　　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。

 　　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是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.

　　4.山影分析

　　①3D分析-表面分析-山影

　　②在“坡度”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，自动显示。

　　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。方法如下：

　　①3D分析-表面分析-视域

　　②在“视域”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，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，自动显示。

 　　6.填挖分析

　　填挖分析分为填方和挖方，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。

　　①3D分析-表面分析-填挖

　　②在“填挖”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，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，自动显示。

　　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和宽的乘积。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。

　　8.创建最陡路径

　　最陡路径的含义是沿着最大的坡度方向从山顶点到山底点路径。最陡路径往往是理论上的沿山体的最短路径。

　　9.生成通视线

　　当某人站在某个指点点时，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。三维分析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。

　　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。

四、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，广泛的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。它能够利用大量的数据，检查资料的连续性，辨明资料真伪，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。

　　1.三维数据在ArcCatalog中管理和预览

　　　　①三维数据的管理

　　　　②三维数据预览

　　　　③3D视图预览

　　2.三维数据在ArcMap中的显示

　　　　①三维数据的显示风格

　　　　②三维数据的光照调整

　　3.三维数据在ArcScene中的显示

　　ArcScene是三维分析（3D Analyst）添加的三维可视化应用程序之一。它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。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。

　　①ArcScene的用途简介

　　②ArcScene中的3D工具

　　③ArcGIS表面模型（GRID和TIN）的三维显示

　　④二维栅格数据的三维显示

　　⑤二维矢量数据的栅格显示