数字高程模型实验指导书.doc

数字地面模型实验指导书资源与环境学院编写人：华丽目 录一、课程性质、地位和任务4二、课程基本要求4三、教学内容及安排4实验一、DTM的创建与插值、DTM的转换6一、实验目的6二、实验准备6三、实验内容7四、实验步骤71、栅格插值72、栅格表面的创建123、TIN表面的创建18实验二、三维分析与可视化24一、实验目的24二、实验准备24三、实验内容24四、实验步骤241、地形因子的提取242、计算表面积与体积303、提取断面324、表面阴影335、三维可视化及飞行漫游356、飞行漫游动画44实验三、DTM应用49一、实验目的49二、实验准备49三、实验内容49四、实验步骤491、可视性分析492、水流方向提取523、洼地计算544、洼地深度计算555、洼地填充596、汇流累积量617、水流长度638、河网的提取659、河网的生成6510、stream link的生成6711、河网分级的生成6912、流域的分割7113、流域盆地的确定7214、汇水区出水口的确定7315、集水流域的生成74实验四、空间分析基本操作（一）75一、实验目的75二、实验准备75三、实验内容及步骤77空间分析模块771. 了解栅格数据782. 用任意多边形剪切栅格数据(矢量数据转换为栅格数据)793. 栅格重分类(Raster Reclassify)824. 栅格计算查询符合条件的栅格(Raster Calculator)835. 面积制表（Tabulate Area）846. 分区统计(Zonal Statistic)86四、实验报告要求88实验五、空间分析基本操作88一、实验目的88二、实验准备88三、实验内容及步骤89空间分析模块891. 了解栅格数据912. 用任意多边形剪切栅格数据(矢量数据转换为栅格数据)923. 栅格重分类(Raster Reclassify)954. 栅格计算查询符合条件的栅格(Raster Calculator)965. 面积制表（Tabulate Area）976. 分区统计(Zonal Statistic)997. 缓冲区分析(Buffer)1018. 空间关系查询1049. 采样数据的空间内插(Interpolate)10510. 栅格单元统计（Cell Statistic）10911. 邻域统计（Neighborhood）110四、实验报告要求113一、课程性质、地位和任务数字地面模型是地理信息系统专业的专业基础核心课。通过本课程的学习，使学生掌握数字地面模型技术的概念、数据采集、建模、管理、可视化、分析及应用等理论知识，掌握和运用这些知识，对综合解决土木工程、水利工程、环境工程、GIS与遥感等领域中的应用问题大有裨益。二、课程基本要求1 理解和掌握数字地面模型的概念和了解数据获取与采样方法。2 理解和掌握掌握数字地面模型的表面建模方法、内差方法与分类。3 理解数字地面模型数据的组织管理、尺度表达与可视化、地形分析等。理解并运用数字地面模型解决实际问题，并了解其在各个领域的应用与发展。三、教学内容及安排第1章 概述（2学时 掌握）本章重点和难点：重点是数字地形的表达、数字高程模型的概念。1.1数字地形表达 1.2数字地面模型1.3数字高程模型的概念1.4数字高程模型的实践1.5数字高程模型与其他学科的关系 第2章 数字高程模型的采样理论（2学时掌握）本章重点和难点：重点是地面采样的理论和数据采集策略及dem数据源的三大属性；难点是地面的复杂度描述。2.1地面形状的几何特征 2.2地面的复杂度描述 2.3地面的分类 2.4地面采样的理论基础 2.5数据采集策略 2.6数字高程模型源数据的三大属性 第3章 数字高程模型的数据获取方法（2学时 掌握）本章重点和难点：重点是数字高程模型数据采集方法和项目计划；难点是数字高程模型数据源对比。3.1数字高程模型的数据来源 3.2摄影测量数据采集方法 3.3利用干涉合成孔径雷达技术采集数据的方法 3.4机载激光扫描数据采集的方法 3.5从地形图采集数据的方法 3.6从地面直接采集数据的方法 3.7数字高程模型各种数据源对比 3.8数字高程模型之数据采集的项目计划 第4章 数字高程模型之表面建模（4学时）本章重点和难点：重点是建立数字地形表面模型的各种方法、三角和格网的生成；难点是三角网的生成方法。4.1表面建模的基本概念 （2学时 掌握）4.2建立数字地形表面模型的各种方法 4.3 三角网基本概念及生成方法 （2学时 掌握）4.4 格网的基本概念与生成方法 第5章 不规则三角网（TIN）生成的算法（2学时 理解）本章重点和难点：重点是TIN的生成算法；难点是带约束条件的狄洛尼三角网。5.1 三角网生长算法 5.2 数据逐点插入法 5.3带约束条件的狄洛尼三角网 5.4 基于栅格的三角网生成算法 第6章 数字高程模型内插 （2学时 理解）本章重点和难点：重点是分块内差和逐点内差；难点分块内差的多面叠加内插法、最小二乘配置法和逐点内插法的Voronoi图法。6.1内插方法的分类 6.2整体内插 6.3分块内插 6.4逐点内插法 6.5从DEM内插等高线 第7章 数字高程模型生产的质量控制与精度评定 （2学时 理解）本章重点和难点：重点是数字高程模型质量控制中粗差的监测与剔除，数字高程模型的精度评定。7.1 数字高程模型生产的质量控制：概念与策略 7.2粗差的监测与剔除 7.3数字高程模型的精度评定 第8章 数字高程模型的数据组织管理与可视化 （2学时 理解）本章重点和难点：重点是数字高程模型之数据库结构和数字高程模型数据库管理、多尺度表达。8.1数字高程模型的数据结构 8.2数字高程模型数据库管理 8.3数字高程模型的多尺度表达与可视化 第9章 数字地形分析 （4学时）本章重点和难点：重点是基本地形因子计算，可视性分析；难点是地形特征提取、水文分析。9.1基本地形因子计算 （2学时 掌握）9.2地形特征提取 9.3水文分析 （2学时 掌握）9.4可视性分析第10章 数字高程模型的应用 （2学时 了解）本章重点和难点：重点是数字高程模型在各个领域的应用10.1在工程中的应用 10.2在军事中的应用 10.3在遥感与制图中的应用 10.4在地理分析中的应用 10.5其它应用 实验一、DTM的创建与插值、DTM的转换一、实验目的 通过DTM的创建与插值、DTM的模型转化实验深入掌握数字地面模型的概念与建模方法。二、实验准备PC、ArcGIS软件三、实验内容内容：1、DTM的创建与插值：栅格插值、栅格表面的创建、TIN表面的创建、等值线绘制及他们之间的转换。四、实验步骤1、栅格插值栅格插值包括简单栅格表面的生成和栅格数据重采样。通过栅格插值运算生成栅格表面是栅格空间分析中很重要的一部分，很多操作都将基于离散点插值生成的表面来进行。（一）简单栅格表面的生成在ArcGIS 9 栅格分析模块中，通过栅格插值运算生成表面主要有三种实现方式：反距离权重插值，样条函数插值和克里格插值，如图8.24所示。下面以一组土壤元素PH值的插值来逐一说明在Spatial Analyst中三种表面生成插值的实现过程。1. 反距离权重插值（IDW） （1） 在Spatial Analyst下拉菜单中选择Interpolate to Raster，在弹出的下一级菜单中点击Inverse Distance Weighted命令, 弹出IDW对话框，如图8.25。（2） 在Input points的下拉菜单中选择被用来进行插值的离散点数据； （3） 在Z value field的下拉菜单中选择要加入的字段； （4） 在Power栏中填入进行插值计算的幂值；幂值就是距离的指数。如幂指数为2时则进行反向距离平方插值。幂指数是一个正实数，其缺省值为2。 （5） 在Search radius type 栏中选择一种搜索半径设置类型； 1) Variable：当选择此项时,搜索半径由下面两个量来控制，Number of points和Maximum distance。首先在Number of points中输入搜索的最近点的个数（缺省值为12），然后在Maximum distance中输入一个控制距离。如果最近点的个数超出控制距离，则将会以控制距离为限制来选取较少的点； 2) Fixed ：当选择此项时，搜索半径由下面两个量来控制，Distance和Minimum number of points。首先在Distance中输入搜索半径距离（缺省值是输出栅格大小的五倍），然后在Minimum number of points中输入控制插值点个数的最小整数值。如果搜索半径距离内的点个数小于插值点个数的最小整数值，则搜索半径自动增大。（6） Use barriers polyline为可选项，输入一个中断线文件。barriers是在插值中，如有某些地方出现异常，（如某些断裂带），而要求插值时考虑到这样的因素，所设置的选项。它是一个打断表面的线特征。这一线特征没有Z值。悬崖，峭壁，堤岸或某些障碍都是典型的barriers。barriers限制了插值计算，它使得计算只在线的两侧各自进行。而落在线上的点则会同时参与线两侧的计算。（7） Output cell size：指定输出结果的栅格大小；（8） Output raster：为输出结果指定目录及名称； （9） 点击OK按钮。生成结果如图8.26所示。2. 样条函数插值 样条函数插值采用两种不同的计算方法，Regularized和Tension。如选择Regularized,它将生成一个平滑、渐变的表面，得出的插值结果很可能会超出样本点的取值范围。如选择Tension，它会根据要生成的现象的特征生成一个比较坚硬的表面，得出结果的插值更接近限制在样本点的取值范围内。 同时，计算过程中，除了需要选择不同的计算方法，还需要在每种方法中设定一个合适的权重（weight）。选择Regularized时，他决定了表面最小曲率三次导的权重。权重越高表面越光滑。可能用到的典型值有：0、0.001、0.01、1和5。选择Tension时，他决定 了Tension的权重。权重越高，表面越粗糙。可能用到的典型值有：0、1、5和10。样条函数插值过程如下： （1） 在Spatial Analyst 下拉菜单中选择Interpolate to Raster, 在弹出的下一级菜单中点击Spline，出现Spline对话框，如图8.27，以下所有设置如图中所示。（2） 在Input points的下拉菜单中选择被用来进行插值的离散点数据；在Z value field的下拉菜单中选择要加入的字段； （3） 在Spline type中填入样条函数插值的类型；（4）在Weight栏中填入一个影响插值的特征函数；（5）在Number of points栏中输入每一个区域内用来估值点的个数。它的缺省值是12。（6）指定输出结果的栅格大小；（7） 为输出结果指定目录及名称；（8） 点击OK按钮。插值结果如图8.283. 克里格插值（Kriging）（1）在Spatial Analyst下拉菜单中选择Interpolate to Raster，在弹出的下一级菜单中点击Kriging，出现Kriging对话框，如图8.29，以下所有设置如图中所示。（2） 在Input points的下拉菜单中选择被用来进行插值的离散点数据；（3） 在Z value field的下拉菜单中选择要加入的字段； （4） 选择你所需要的克里格方法； （5） 在Semivariogram model的下拉菜单中选择你所需要的模型；（6） 点击Advanced Parameters按钮，如果知道可以指定这些参数，另外空间分析模块也将为你估算这些参数；（7） 在Search radius type 栏中选择一种搜索半径设置类型；（设置方法同IDW）（8） 指定输出结果的栅格大小； （9） 可选项，是否需要生成预测的标准误差； （10） 为输出结果指定目录及名称； （11） 点击OK按钮。结果如图8.30。（二）栅格数据重采样 栅格插值除了包括简单栅格表面的生成还包括栅格数据重采样。重采样是栅格数据空间分析中处理栅格分辨率匹配问题的常用数据处理方法。进行空间分析时，用来分析的数据资料由于来源不同，经常会出现栅格不同大小问题，这时为了便于分析，就需要将不同的栅格大小转化为同样栅格大小，这样的一个过程就是栅格数据的重采样过程。栅格数据的重采样主要基于三种方法：最邻近采样（NEAREST），双线性采样（BILINEAR）和三次卷积采样（CUBIC）。（1) 最邻近采样：此重采样法用输入栅格数据中最近栅格值做为输出值。因此，在重采样后的输出栅格中的每个栅格值， 都是输入栅格数据中真实存在而未加任何改变的值。这种方法简单易用，计算量小，重采样的速度最快。（2) 双线性采样：此重采样法取待采样点（x，y）点周维四个邻点，在y方向（或x方向）内插两次，再在x方向（或y方向）内插一次，得到（x，y）点的栅格值。（3) 三次卷积采样：这是进一步提高内插精度的一种方法。它的基本思想是增加邻点来获得最佳插值函数。取待计算点周围相邻的16个点，与双线性采样类似，可先在某一方向上内插，如先在x方向上，每四个值依次内插四次，再根据四次的计算结果在y方向上内插，最终得到内插结果。在ArcGIS中重采样功能是在ArcToolbox下来实现的。在ArcToolbox中，Data Management Tools下的Raster子菜单中，选择Resample命令（图8.31）。参数说明： （1) Input raster:选择输入栅格数据；（2) Output raster：设置输出栅格数据路径及名称；（3) Output cell size：设置输出栅格大小；（4) Resampling technique：选择重采样方法。 1） NEAREST:最邻近距离法；2） BILINEAR：双线性内插法； 3） CUBIC：立方体法。2、栅格表面的创建1. 由点创建栅格面 插值是利用有限数目的样本点来估计未知样本点的值，这种估值可用于高程、降雨量、化学污染程度、噪声等级、湖泊水质等级等连续表面。插值的前提是空间地物具有一定的空间相似性，距离较近的地物，其值更为接近，如气温、水质等。实际中，通常不可能对研究区内的每个点的属性值都进行测量。一般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，但必须保证这些点代表了区域的总体特征。例如某一地区的气象观测站，一般都是在该地区内具有一定控制意义的观测点，由它们采集所得到的温度、气压、大气污染指数等数据是在空间上离散的点，同时代表了该地区内这种指标的总体特征，因此可以插值生成连续且规则的栅格面。点插值的一个典型的例子是利用一组采样点来生成高程面，每个采样点高程值由某种测量手段得到，区域内其它点的高程通过插值得出（例见图9.2）。如前所述，由点数据插值生成栅格面的方法有很多，常用的有反距离权重、克里格、自然邻体法（邻域法）、样条函数法。每种方法进行预测估值时都有一定的前提假设，根据所要建模的现象及采样点的分布，每种方法有其适用的前提条件。但是，不论采用哪种方法，通常采样点数目越多，分布地越均匀，插值效果就会越好。 （1） 反距离权重法。这种方法的假设前提是每个采样点间都有局部影响，并且这种影响与距离大小成反比。则，离目标点近的点其权值就比远的点大。这种方法适用于变量影响随距离增大而减小的情况。如计算某一超市的消费者购买力权值，由于人们通常喜欢就近购买，所以距离越远权值越小。（2） 克里格方法。此方法的假设前提是采样点间的距离和方向可反映一定的空间关联，并用它们来解释空间变异。克里格利用一定的数学函数对特定点或是给定搜索半径内的所有点进行拟合来估计每个点的值。该方法适用于已知数据含距离和方向上的偏差的情况，常用于社会科学研究及地质学中。（3） 邻域法。类似于反距离权重法，是一种权平均算法。但是它并不利用所有的距离加权来计算插值点。邻域法对每个样本点做Delauney三角形，选择最近的点形成一个凸集，然后利用所占面积的比率来计算权重。该方法适用于样本点分布不均的情况，较为常用。（4） 样条函数法。它采用样本点拟合光滑曲线，且其曲率最小。通过一定的数学函数对采样点周围的特定点进行拟合，且结果通过所有采样点。该方法适用于渐变的表面属性，如高程、水深、污染聚集度等。不适合在短距离内属性值有较大变化的地区，那样估计结果会偏大。2. 栅格表面插值 关于各种插值方法原理详细的讲解可参考开头相关内容及其它文献资料，此处不再赘述。仅就ArcGIS三维分析模块所提供的几种插值方法的实现做一介绍。在采用这些方法从点数据创建新的栅格表面时，可以调整参数。（1） 可变半径的反距离加权插值可变半径插值，是指在输出栅格单元最大搜索半径范围内，找出最近的N个点作为插值的输入点。与之相反，固定半径插值使用指定搜索半径范围内的所有点作为插值的输入点。首先，选择三维分析模块的反距离权插值工具（图9.3）：计算步骤如下： 1） 选择输入的数据源（Input points）； 2） 选择用来插值的属性数据字段（Z value field）； 3） 设置幂数（Power）（幂即距离的指数。幂越大，点的距离对每个处理单元的影响越小。幂越小，表面越平滑。通常认为，幂的合理范围是0.53）； 4） 选择搜索半径类型为可变（Search radius type）； 5） 设置最大搜索半径内用作输入的点数（Number of points）； 6） 指定最大搜索半径（Maximumu distance）； 7） 如有用做插值障碍（某些线性要素类，如断层或悬崖，在其所在处高程发生突变，在对各个输入禅格单元插值时，可用来限制输入点的搜索）的要素类，可选中Use barier polylines复选框； 8） 指定输出栅格单元的大小（Output cell size）； 最后，指定输出路径及文件名即可。以上操作均在图9.4所示的对话框中实现。 （2） 固定半径的反距离加权插值与可变半径操作方法类似，不同之处在于选择搜索半径类型为固定（Fixed）。需要注意的是，固定半径插值时，使用指定搜索半径内所有的点作为输入点。如果在搜索半径内没有任何点，这时将自动增加栅格单元的搜索半径，直到达到指定的最少点数为止。（3） 张力样条插值样条插值是用表面拟合一组点的方法，要求所有的点均处于生成的表面上。 首先选择三维分析模块的样条插值工具（图9.5）： 插值过程如下： 1） 选择输入的点数据源及属性字段； 2） 选择样条类型（Spline type）为张力（Tension）； 3） 设置加权值（张力样条中的加权值，是用来调整表面弹力的值。当加权值为0时，为标准的薄板样条插值。加权值越大，表面弹性越大。典型的加权值为0、1、5和10）； 4） 指定输入栅格单元插值时使用的最少点数（Number of points）；在计算表面时，点数控制了各个区域中点的平均树木。区域指大小相等的矩形，区域的数目由输入数据集中点的总数除以点数。当数据不是均匀分布时，各个区域中所包含的点的个数与指定的点数会有所出入。如果某区域中包含的点数少于八个，区域将会扩张直至包含了八个点。 5） 指定输出栅格单元的大小； 最后，指定输出路径及文件名即可。以上操作均在图9.6所示的样条插值对话框中。（4） 规则样条插值规则样条允许用来控制表面的平滑度。一般需要计算插值表面的二阶导数时，使用规则样条。其实现过程与张力样条类似，不同之处在于选择样条类型时应选规则（Regularized）。需要注意的是，规则样条中的权重值用来控制表面的平滑度。权重指定三阶导数的系数，以使表面的曲率最小。权重值越大，表面越平滑，一阶导数（坡度）表面也越平滑。通常，权重值取00.5。（5） 克里格插值克里格方法又分为普通克里格和泛克里格两种。普通克里格是应用最普遍的，它假定均值是未知的常数。泛克里格用于已知数据趋势的情况，并能够对数据进行科学的判断来描述它。通过使用可变搜索半径，在计算插值单元时，可以指定计算中使用的点数。这使得对于每个插值单元来说，其搜索半径都是变化的。半径的大小依赖于搜索到指定点数的输入点时的距离。指定最大的搜索半径，可以限制搜索半径。如果在达到最大搜索半径时，搜索到的点数还没有达到指定的数目，此时将停止搜索，用已经搜得的点计算插值单元。1） 可变半径的克里格插值 首先选择三维分析模块的克里格插值工具（图9.7）步骤如下：A 选择输入的点数据源（Inputpoints）极其用来插值的属性字段；B 选择一种克里格插值方法；C 选择插值所使用的模型（Semivariogram model）D 设置为可变半径类型，根据需要选择点数及最大搜索半径E 指定输出栅格单元的大小。 最后，指定输出文件名即可，以上操作均在图9.8所示的对话框中实现 2） 固定半径的克里格插值 与可变半径操作方法类似，不同之处在于选择搜索半径类型为固定（Fixed），同时需要指定默认搜索半径。可以通过Tools工具条上的measure tool工具，测量点间的距离，根据实际需要估计使用的搜索半径的大小与点数。（6） 邻域法插值邻域插值将TIN的一些方法与栅格插值方法结合起来。栅格表面使用输入数据点及其邻近栅格单元进行插值。首先，为输入数据点创建一个Delauney三角形，输入的样本数据点作为三角形的结点，并且每个三角形的外接圆不能够包含其它结点。对每个样本点，邻域为其周围相邻多边形形成的凸集中最小数目的结点。每个相邻点的权重，通过评价其影响范围的Thiessen/Voroni技术计算出来。首先，选择三维分析模块的自然邻域插值工具（图9.9）：插值步骤如下： 1） 选择用来插值的点数据源及高程数据源； 2） 指定输出栅格单元大小。 最后，指定输出路径和文件名即可。以上操作在图9.10所示的对话框中实现。3、TIN表面的创建通常TIN是从多种矢量数据源中创建的。可以用点、线与多边形要素作为创建TIN的数据源。其中，不要求所有要素都具有Z值，但有一些要素必须有Z值。同时，这些用以创建TIN的输入要素还可以包含整数属性值，并且这些属性值也将在输出的TIN要素中保留。这些属性可以是不同输入数据源的相对精确度，或用来识别要素，如道路与湖泊等。1. 由矢量数据创建TIN的方法 在ARCGIS中，可以使用一种或多种输入数据一步创建TIN模型，也可以分步创建，并可以通过向已有TIN模型中添加要素实现对已有模型的改进。TIN表面模型可以从网格点、隔断线与多边形中生成。网格点用来提供高程，作为生成的三角网络中的结点。（1） 点集（图9.11）。它是TIN的基本输入要素，决定了TIN表面的基本形状。TIN表面可以有效地对异质表面建模型。在变化较大的地方，使用较多的点，对于较平坦的表面，使用较少的点。（2） 隔断线。它可以是具有高度的线，也可以是没有高度的线。在TIN中构成一条或多条三角形的边序列。隔断线即可用来表示自然要素，如山脊线、溪流，也可以用来创建要素如道路。隔断线有“软”隔断线和“硬”隔断线两种。“硬”隔断线用来表示表面上的不连续性。如溪流与河道可作为“硬”隔断线加在TIN中以表示表面在其所在处的突然变化，从而可以改进TIN表面的显示与分析。这一点具有十分重要且现实的意义。 “软”隔断线即添加在TIN表面上用以表示线性要素但并不改变表面坡度的边。比如，要标出当前分析区域的边界，可以在TIN表面上用“软”隔断线表示出来，不会影响表面的形状。（3） 多边形。它是用来表示具有一定面积的表面要素，如湖泊、水体，或用来表示分离区域的边界。边界可以是群岛中单个岛屿的海岸线或某特定研究区的边界。多边形表面要素有以下四种类型： 1） 裁切多边形：定义插值的边界，处于裁切多边形之外的输入数据将不参与插值与分析操作。2） 删除多边形：定义插值的边界，与裁切多边形的不同之处在于多边形之内的输入数据将不参与插值与分析操作。3） 替换多边形：可对边界与内部高度设置相同值，可用来对湖泊或斜坡上地面为平面的开挖洞建模。4） 填充多边形：它的作用是对落在填充多边形内所有的三角形赋予整数属性值。表面的高度不受影响，也不进行裁切或删除。在创建TIN的过程中，多边形要素被集成到三角形中，作为三条或更多的三角形边所组成的闭合序列。在TIN表面中使用隔断线与多边形，可以更好地控制TIN表面的形状。2. 创建TIN的操作 通常根据需要选择一组矢量数据来创建TIN，如点、线、多边形要素等均可作为TIN的数据源。如前所述，其中一些要素是必须具有Z值的。（1） 创建TIN表面首先选择三维分析模块的Create TIN From Features（由要素创建TIN）命令（图9.12）： 包括以下几个步骤： 1） 选择创建TIN所要使用的要素图层； 2） 选择要使用的其它要素类； 3） 对每个要素类，进行以下操作： A 选择几何字段（如果要素具有三维几何特征）； B 选择高程字段； C 选择要素合成方式，包括点集、隔断线或多边形； D 选择标志值字段（如需要以要素的值来标记TIN要素）； 4） 最后，设置输出路径及名称。以上操作均在由要素创建TIN（Create TIN From Features）对话框中实现（图9.13）。（2） 向TIN中添加要素首先选择三维分析模块的向TIN添加要素功能（图9.14）： 包括以下步骤： 1） 选择要添加到TIN中的要素图层及其它要素类（甚至可以是某要素类中已选种的若干要素）； 2） 对每个要素类，进行以下操作： A 如果要素具有三维几何特征，可以选择shape字段； B 选择高程字段； C 选择要素集成到TIN中的方式，包括点集、隔断线或多边形； D 选择标志值字段（如需要以要素的值来标记TIN要素）； 3） 最后选择将所做改动保存在原始TIN中或另存为新的TIN文件。以上操作均在向TIN中添加要素对话框中实现（图9.15）。3. 由栅格创建TIN 在表面建模或建模简化可视化过程中，经常需要将栅格表面转换成TIN表面。在由栅格转换到TIN的过程中，可以向原有栅格中添加原来没有的要素如溪流与道路，这样可以改进表面模型。在转换时，需指定输出TIN的垂直精度，以后的三维分析将选择达到此精度的点集的子集。首先选择三维分析模块的由栅格向TIN转换功能（图9.16） 包括以下步骤： （1） 选择来源栅格图层； （2） 设定TIN的垂直精度（垂直精度指输入栅格单元中心的高程与TIN表面间的最大差值。垂直精度的值越小，生成的TIN将越好地保持原有栅格表面的详尽程度；垂直精度的值越大，生成的表面越粗略）； （3） 设定限制加入到TIN中的点数（可选）； （4） 指定输出的路径和文件名，完成创建。以上操作均在将栅格转换为TIN（Convert raster to TIN）对话框中实现（图9.17）。4. 从TIN中创建栅格表面 在创建表面的过程中，有时需要将TIN转换成栅格表面，或者需要从TIN中提取坡度、坡向等地形因子。首先选择三维分析模块的将TIN转换为栅格功能（图9.18）： 包括以下步骤： （1） 选择来源TIN图层； （2） 选择要转到栅格中的TIN属性，可以是高程、坡向、以度为单位的坡度和以百分数为单位的坡度； （3） 设置高程转换系数（所谓高程系数系指当搞成坐标单位与平面坐标单位不一致时，将高程坐标单位转换到平面坐标单位时的常量）和输出栅格单元的大小（可选）；最后指定输出栅格的路径及文件名即可。以上操作均在将TIN转换为栅格（Convert TIN to Raster）对话框中实现（图9.19）。4、等值线绘制 等值线是将表面上相邻的具有相同值的点连接起来的线，如地图上的等高线、气温图上的等压线。等值线分布的疏密一定程度上表明了表面值的变化情况。值的变化越小的地方，等值线就越疏，反之越密。因此，通过研究等值线的疏密情况，可以获得对表面值变化的大致情况。ArcGIS中等值线的绘制方法如下：1. 在Spatial Analyst下拉菜单中选择Surface analysis, 在弹出的下一级菜单中点击Contour，出现Contour对话框，如图8.32，以下所有设置如图中所示。2. 在Input Surface的下拉菜单中选择用来生成等高线的表面； 3. 在Contour interval栏中设置等高线间距；4.在Base contour栏中指定等高线基准高程；5. 在Z factor栏中设定高程变换系数； 6. 在Output features栏中设定输出等高线的存放路径与文件名。 7. 点击OK按钮。图8.33为某区域的等高线图,背景为该地区的地形光照晕渲图。实验二、三维分析与可视化一、实验目的 掌握三维分析中的表面分析（地形因子的提取及各种指标的量算）及在ArcScene中进行数据的三维可视化。二、实验准备PC、ArcGIS软件三、实验内容1、 地形因子的提取：坡度、坡向、坡长、变坡率、地形粗糙度、起伏度、高程变异系数等。2、表面积体积计算、断面分析、表面阴影显示；3、三维可视化及飞行漫游。四、实验步骤1、地形因子的提取因子分析方法是GIS空间分析，尤其GIS数字地形分析常用的基本分析方法。不同的地形因子从不同侧面反映了地形特征性，实际应用人们提出了各种各样的地形因子。从其所描述的空间区域范围，常用的地形因子可以划分为微观地形因子与宏观地形因子两种基本类型（图8.34）。按照提取地形因子差分计算的阶数，又可将地形因子分为一阶地形因子、二阶地形因子和高阶地形因子（图8.35）。其中，坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率在ArcGIS中可直接提取，其它因子的提取则需要进行一系列的复合计算。后者的具体提取过程可以参阅相关资料，这里不作介绍。 1. 坡度的提取 地表面任一点的坡度（Slope）是指过该点的切平面与水平地面的夹角（图8.36）。坡度表示了地表面在该点的倾斜程度。实际应用中，坡度有两种表示方式方法： （1） 坡度(degree of slope)：既水平面与地形面之间夹角。（2） 坡度百分比（percent slope）：既高程增量与水平增量之比的百分数。（3） ArcGIS中坡度的提取过程为： （4） 在Spatial Analyst下拉菜单中选择Surface analysis, 在弹出的下一级菜单中点击Slope，出现Slope对话框，如图8.37，以下所有设置如图中所示。（5） 在Input Surface的下拉菜单中选择用来生成坡度的表面； （6） 选择一种坡度表示方法，在此分别用两种方法做了坡度。 （7） 在Z factor栏中设定高程变换系数； （8） 在Output cell size栏中设定栅格大小； （9） 在Output raster栏中指定输出坡度的存放路径与文件名。 （10） 点击OK按钮。坡度结果如图8.38所示，坡度百分比如图8.39所示：2. 坡向的提取 坡向指地表面上一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。对于地面任何一点来说，坡向表征了该点高程值改变量的最大变化方向。在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为0度，按顺时针方向计算，取值范围为0360。ArcGIS中坡向的提取过程为： （1） 在Spatial Analyst下拉菜单中选择Surface analysis, 在弹出的下一级菜单中点击Aspect，出现Aspect对话框，如图8.40，以下所有设置如图中所示。（2） 在Input Surface的下拉菜单中选择用来生成坡向的表面； （3） 在Output cell size栏中设定栅格大小； （4） 在Output raster栏中指定输出坡向的存放路径与文件名。 坡向结果如图8.41所示。3. 平面曲率、剖面曲率的提取地面曲率是对地形表面一点扭曲变化程度的定量化度量因子，地面曲率在垂直和水平两个方向上分量分别称为剖面曲率和平面曲率。剖面曲率是对地面坡度的沿最大坡降方向地面高程变化率的度量。平面曲率指在地形表面上，具体到任何一点，指用过该点的水平面沿水平方向切地形表面所得的曲线在该点的曲率值。平面曲率描述的是地表曲面沿水平方向的弯曲、变化情况，也就是该点所在的地面等高线的弯曲程度。下面以一幅DEM图来说明平面曲率、剖面曲率的提取过程为： （1） 打开ArcGIS的Toolbox，在Spatial Analyst Tools底下选择Surface,在Surface的下一级菜单中选择Curvature。打开Curvature对话框，如图8.42。 （2） 在Input raster的下拉菜单中选择用来计算曲率的栅格数据；（3） 在Output curvature raster栏中设定输出总曲率的存放路径与文件名；（4） 在Z factor栏中设定高程变换系数； （5） 在Output profile curve raster栏中指定输出剖面曲率的存放路径与文件名；（6） 在Output plan curve raster栏中指定输出平面曲率的存放路径与文件名。总曲率结果如图8.43，剖面曲率结果如图8.44，平面曲率结果如图8.45： 2、计算表面积与体积使用三维分析模块的Area and Volume工具，可以计算针对某个参考平面的二维面积、表面面积及体积。我们已知，平面上某矩形区的面积为其长与宽的乘积。与此不同，表面积是沿表面的斜坡计算的，考虑到了表面高度的变化情况。除非表面是平坦的，通常表面积总是大于其二维底面积。进一步分析，比较表面积与其二维底面积还可以获得表面糙率指数或表面的坡度，两者的差异越大，意味着表面越粗糙。体积指表面与某指定高度的平面（参考平面）之间的空间大小，按照表面与参考平面 的上下关系分为两种，分别是参考平面之上的体积和参考平面之下的体积，如某山体的土方量或某水库的库容就是最常见的例子： 首先打开面积与体积统计工具（Area and Volume Statistics）（图9.20） 包括以下步骤： 1. 选择输入表面（Input Surface）； 2. 设定参考平面的高程值； 3. 选择计算参考平面之上的体积还是之下的体积； 4. 设置高程转换系数，将高程坐标单位转换为平面坐标单位（可选）； 5. 根据需要，可选择Save/append statistics to text file 复选框，将计算结果保存到指定名称的文本文件中； 6. 进行运算（点击Calsulate statistics按钮），结果将显示在按钮之下，同时写入上步所指定的文本文件中。7. 如有需要，可重新设置参数，然后重新计算。 以上过程均在如图9.21所示的对话框中实现。3、提取断面在工程（如公路、铁路、管线工程等）设计过程中，常常需要提取地形断面，制作剖面图。例如，在规划某条铁路时需要考虑线路上高程变化的情况以评估在其上铺设轨道的可行性。剖面图表示了沿表面上某条线前进时表面上高程变化的情况。剖面图的制作可以采用该区域的栅格DEM或TIN表面。计算过程如下：1. 在ArcMap中添加数据，然后在3D Analyst工具条上选择该数据（图9.35）； 2. 使用Interpolate line工具创建线，以确定剖面线的起终点（图9.36）； 3. 使用Profile Graph工具生成剖面图（图9.37）； 4. 在生成的剖面图标题栏上点击右键，选择属性（Properties）项，进行布局调整与编辑（图9.38）； 4、表面阴影1. 表面阴影的原理 表面阴影是根据假想的照明光源对高程栅格图的每个栅格单元计算照明值。计算过程中包括三个重要参数：太阳方位角、太阳高度角、表面灰度值。 太阳方位角以正北方向为0度，按顺时针方向度量，如90度方向为正东方向（图9.39）。由于人眼的视觉习惯，通常默认方位角为315度，即西北方向。太阳高度角为光线与水平面之间的夹角，同样以度为单位（图9.40）。为符合人眼视觉习惯，通常默认为45度。 ArcGIS中，默认情况下，光照产生的灰度表面的值的范围为02552. 计算表面阴影 首先，选择表面分析中的阴影工具（图9.41）步骤如下：（1） 选择用来计算阴影的表面（InputSurface）；（2） 设置太阳高度角与方位角；（3） 设定高程转换系数； （4） 指定输出栅格单元大小（5） 指定输出路径及文件名。以上所有操作均在图9.42所示的计算阴影（Hill Shade）对话框中实现。图9.43为某区域设定入射方位角为315度，高度角为45度所生成的表面阴影栅格图像，可以看出阴影图很好地表达了地形的立体形态。3. 阴影化 通过阴影建模工具（在图9.42选中Model Shadows复选框）条件下区域内处于其它栅格单元阴影中的那一部分栅格，它们会被赋值为0。则通过空间分析的重分类（Reclassify）方法生成二值图像，阴影区和非阴影区分别赋值。图9.43所示区域经过上述处理后可得阴影二值图（图9.44）如下： 4. 高程数据与阴影图层的叠加显示 通过将阴影栅格图层设置一定的透明度与高程栅格数据叠加显示，可以得到更好的视觉效果以便于分析应用。设置透明度的方法是首先打开图层属性对话框，在显示（Display）选项卡中的Transparent选项设置，一般以50%的透明度为佳。叠加显示效果如图9.45： 5. 三维场景中表面阴影的建立在ArcScene三维场景中，设置栅格表面自身的高程值为其基准高程后，在属性对话框的Rendering选项卡中，选中Shade area features relative to the scenes light position复选框，使表面具有阴影显示。同时可以使用光滑工具（Use smooth shading if possible）使阴影表面更光滑。结果如图9.46所示：5、三维可视化及飞行漫游在三维场景中浏览数据更加直观和真实，对于同样的数据，三维可视化将使数据能够提供一些平面图上无法直接获得的信息。可以很直观地对区域地形起伏的形态及沟、谷、鞍部等基本地形形态进行判读，比二维图形如等高线图更容易为大部分读图者所接受。ArcScene是ArcGIS三维分析模块的一部分，通过在3D Analyst菜单条中点击按钮打开。它具有管理3D GIS数据、进行3D分析、编辑3D要素、创建3D图层以及把二维数据生成3D要素等功能。1.要素的立体显示有时需要将要素数据在三维场景中以透视图显示出来进行观察和分析。要素数据与表面数据的不同之处在于，要素数据描述的是离散的对象如点对象、线对象、面对象（多边形）等。它们通常具有一定的几何形状和属性。常见的点要素有通信塔台、泉眼等在地图上通常表现为点状符号；线状要素更为常见，如道路、水系、管线等等；多边形要素如湖泊、行政区及大比例尺地形图上的居民地等。在三维场景中显示要素的先决条件是要素必须被以某种方式赋予高程值或其本身具有高程信息。因此，要素的三维显示主要有两种方式：1）具有三维几何的要素，在其属性中存储有高程值，可以直接使用其要素几何中或属性中的高程值，实现三维显示；2）对于缺少高程值的要素，可以通过叠加或突出两种方式在三维场景中显示。所谓叠加，即将要素所在区域的表面模型的值作为要素的高程值，如将所在区域栅格表面的值作为一幅遥感影像的高程值，可以对其做立体显示；突出则是指根据要素的某个属性或任意值突出要素，如要想在三维场景中显示建筑物要素，可以使用其高度或楼层数这样的属性来将其突出显示（图9.50）。 另外，有时研究分析可能需要使用要素的非高程属性值作为三维Z值，在场景中显示要素。最常见的是在社会、经济领