GIS三维分析要点

1、三维分析 30 目的 DEM是对地形地貌的一种数字表达，是对地面特性进行空间描述的一种数 字方法、途径，它的应用可遍及整个地学领域。通过对本实习，我们应： 1、加深对DEM建立过程的原理、方法的认识； 2、熟练掌握ARCGIS中建立DEM、TIN的技术方法。 3、结合实际、掌握应用DEM解决地学空间分析问题的能力。 二、实验准备 1、软件准备：ArcGIS 2、 数据准备： Elev_clip.shp, Elevpt_clip.shp、Boundary.shp 移动基站.shp; 三、实验内容 三维分析扩展模块的装入：Customize Exte nsio ns 3D An alyst Out

2、put Coordinates Output Coordinate System Same as Layer f，elevjlip Kr asflvsky_f 940_Tr ansvere_ Environment Settings 本实验中3D分析参数设置： 令 Add Toolbox. 瓦 EnvironmerrtSH. 7 Hide Locked Tools Save Settings Top 2S53345 500032 Eight 644193 S749E8 Left 596193.596701 Load Settings Bottom 2613969,552910 Snap Ras

3、ter Cell Sira Mask Cancel Boimidary Show Help 1、 DEM及TIN的建立 1.1由矢量数据建立 TIN (1) 【ArcToolbox-【3D Analysis Tools-【Data Managemen】-【TIN -【Create TIN ,分别选择 Elevpt_clip.shp 和 Elev_clip.shp 生成 TIN，并比较结果; HN_UNE 371V 4CXX) 3422- 3711 3133- 3422 2844- 3133 2555- 2 grid_?ley Value i High ; 4000 Low : 1400 Inp

4、ut TIN TIN to Raster |tin_elevpt Output Raster MG応分析-刘析沖实习作图grid J吨t lutput Data. Type (optioniljl FLOAT Method Copti anal) UHEAR Sampling Ci stance optional) OBSEmTIOHS 250 7. f actor (optional) gridelevpt Value .High : 4014.65 Low: 1373.92 1.3由矢量数据建立 DEM 【ArcToolbox-【3D Analysis Tools-【Raster Inte

5、rpolation】选择 Elevpt.shp, 利用 IDW、Kriging、Natural Neighbor、Spline数据内插方法生成 Grid 格式的 DEM ; H H Idwelevpt 1,852- 2d094 2.094- 2,336 2,82V 3,053 3,063 - 3,305 3,305- 3,547 I 3,547 - 37S9 JJ89- 4r031 2.DEM的应用 基于ArcGIS的地形因子的提取，均是基于 DEM的基础上的。由于由线生成 的TIN再转化得到的DEM （tin_elev）精度更高，故后续的DEM应用均采用该 数据进行。 ArcGIS 中的 D

6、EM 分析利用【ArcToolbox】-【3D Analysis Tools】-【Raster Surface 完成； 2.1地形指标的提取 （1）坡度 Slope 地面上某点的坡度表示了地表面在该点的倾斜程度，坡度定义为水平面与地 形面之间夹角的正切值。在 ArcGIS中Slope确定了中心栅格与四周相邻栅格高 程值的最大变化率，既水平面与地形面之间夹角的正切值。 输出坡度栅格可使用两种单位计算：度和百分比（高程增量百分比）。高程 增量百分比为高程增量除以水平增量后再乘以100。当角度为45度时（三角形 B），高程增量等于水平增量，所以高程增量百分比为100%。如三角形C所示, 当坡度角接近

7、直角（90度）时，高程增量百分比开始接近无穷大 恢度百分出士 水平购屋 具体的方法步骤如下 ArcToolbox 】-【3D An alysis Tools- Raster Surface-Slope选择 grid_Elev ； 可重新调整坡度分级: Slope Input raster gridlelev Output raster 买习 作图 tempSlope gr i d Output meEurcment (cpti or X Slope- Input raster Apect gri d Output raster :分析挣实习 作图11 emp VSI op e Asp Outp

8、ut (optional) DEGREE V Z factor Gpti cnkL) 1 1亠 , -严 1 . （4）剖面曲率 剖面曲率是地面上任一点位地表坡度的变化率，或者称为高程变化的二次 导数。根据定义，剖面曲率的提取实际上是对DEM层两次求坡度，即” slopeof slope ；具体的方法步骤如下 【ArcToolbox-【3D Analysis Tools-【Raster Surface -Slope选择 Slope _ grid; （5）地形剖面图的制作 0 - J12 J13-315 ，316 - .495 496 - .636 .687 - ,899 .900- 1.14

9、1.15 - 1.43 144 - 1. .用鼠标画一条线（直线或曲线均可），双击鼠标左键画线结束，单击 3D工具 条上的Profile Graph工具，生成剖面图； 4 Profile Graph Point P 就 Terrain Profile Graph Make a profile graph of the selected 3D line. 4000 3, 900 3, 可以通过“添加至布局”，将其与地图一起显示和输出; . 识别0）. 打備 彌 系列 外观 SS/SCL）： * yew： 五宜辑 左（W S3（D： 戲報ISEW孟2示ffl報J 水刑： 匚病谧田汕皿 IS 、输入

10、一个基础高程，作为测量面积和容积的水平平面，确认后则会出 现一个对话框，显示二维面积、表面积及体积。 AircTeollox 1 表面低积1 % 邇視分祈 表面体积q 宽度: so- so E像元 MINIMIJM | V 叼在计算中超略NcBiU冋选） O地 单位: 蜿计类型冋选 0 cToolbox ArcToalbox 尊3D Analyst工具 Dat% Ini ar op eraLi G曲率 列 、生成shape线层数据，如下图左图: （2）提取任意咼程等咼线 ArcToolbox f 3D An alyst工具宀栅格表面宀等值线序列（如下图） 选择grid_elev数据，依次输入等

11、高线高程，生成新的shape线层数据, 如上图中图： ArcToolboz 、等值线序列 nl x ArcToolboxi 轴3D工具| 宙 3D要素 ffi Terrain 和 TTU 表 I 国Terrain管理 t岭TIN管理 由0功能性表面 +心冊格插值 旧乘删格表面| 1厂含障寵的等值线 气坡向 气埴挖方 、山体阴影 等值銭 7 等值线序列 输入册格 gri d_el4v 输出折线要素 E兀G审分折I作團W緬?忻 0吨_劭 制 等值銭值 1500 2000 3000 350C 3SOO 取消 詡严间的 环境 显示帮助 点击工具条上豳，再点击DEM可生成经过该点的等高线，如上图右中图

12、2.3可视分析： （1）地形表面的阴影图 Hillshade 分析或模拟地面的光照情况，产生地形表面的阴影图。Hillshade可测定研 究区域中给定位置的太阳方位 Azimuth和太阳高度角altitude，并且对实际地面 进行逼真的立体显示，增强地面的起伏感。 太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线 的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。 方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东 方，方位角为-90 ，在正东北方时，方位为-135,在正西方时方位角为90： 在正北方时为士 180 太阳高度角：太阳高度

13、角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的 夹角，其值在0到90之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为90 方位角匡）高度心i 预览方位菊0_ l高度U1 预览 它的应用有: 生动表示地形起伏，从而显示不同土地利用类型在地形上的分布情况。 研究阳光的照射位置与公路上发生的车祸事件发生率之间的相关性。 Hillshade采用Dem或TIN数据计算，在Dem基础上计算Hillshade的步骤如下: ArcToolbox宀3D An alyst工具宀栅格表面宀山体阴影（如下图） 选择grid_elev数据，依次输入等高线高程方位角和高度角，方位角和高 度角值不同，生成的阴影效果也不同，如下图：

14、 值 .咼: 2= 4C 回 sh 如果不选中任何点，则对所有点进行计算，如下图: 回可视域 口不可见 口可见 皿、如果选中其中某个点，则只对选中的对象进行可视域的计算，如下图; 0可视域3 J不可见 口可见 山眷 minSO 值 .咼: 一低： 血酬50 佰 |fi： life : 4( 2E grid_ele 咼:4( IV、通过些栅格转矢量的工具，可以得到山顶点、山谷的矢量数据。 3 三维透视观察 (1) 开始t程序t ArcGIS f ArcScene (2) 添加 DEM 数据 grid_elev、线文件 Elev_clip.shp，点文件 Elevpt_clip.shp、 移动基站

15、.shp (3)右键点击grid_elev,选择属性t基本高度，选择grid_elev,输入拉伸系数； 图层屋性 常规源 范圉显示 符号系统 基本咼愎 从表面誤取的高程 在自定义表面上浮动： 巳苗分析、作图I三维分析grid_elev v G| 跚格分辨率| 从要素孩取的高程 没有基于要素的高度 自定义 V 5.0000 使用图层要素中的高程值 用于将團层高程值转换为场累单位的系数: （4）同样对等高线进行同样设置，并利用刘工具进行三维观察; 四、实验报告要求 1、做出书面报告（手写），包括原理、主要过程和结果，将实习过程的主要截图 放在PPT里： 2、回答如下问题： （1）、如何才能实现地形

16、表面的逼真再现？需要什么数据？ （2）、ArcGIS的三维建模是否存在不足？ 水文分析 目的 地形表面决定了水流怎样流经某一地区，空间分析中的水文分析 Hydrologic Functions 提供了这样一个功能用来研究与地表水流有关的地表的物理特性。通 过对本次实习的学习，我们应： 1. 加深对 DEM 提取水文信息的原理和过程的理解； 2. 熟练掌握 ArcGIS10 中提取水文信息的技术方法。 3. 结合实际、掌握应用 DEM 解决地学空间分析问题的能力。 二、 实验准备 1、软件准备： ArcGIS 10 2、数据准备： dem; 三、 准备知识 水文水系数据是地理科学数据的核心之一，

17、 作为地学领域数据的一个重要组 成部分， 是支撑相关地学研究的基础性数据。 例如分析洪水水位及泛滥情况， 或 者划定受污染影响的地区， 以及预测当改变某一地区的地貌时对整个地区将造成 的后果等。 随着计算机在科研工作中的广泛应用， 电子版的数据已经变得越来越 重要，但目前采用的电子版水系大多却仍然来自于地形图和水系图纸。 这种情况 往往会导致工作效率低下，所以在信息技术的支持下提高基于 DEM 自动提取河 网水系与流域边界及其分级方法的精度变得非常迫切。 地形表面决定了水流怎样流经某一地区，空间分析中的水文分析 Hydrologic Functions 提供了这样一个功能用来研究与地表水流有关

18、的地表的物理特性。以 高程栅格数据或 DEM 作为主要输入数据，采用 Hydrologic Functions 生成集水流 域和水流网络数据，并对其的影响因子进行量化。 Hydrologic Functions 应用于 实验内容 （一）原理验证 ArcGIS水文分析的基本步骤： 填洼-流向-流量-河网分级-栅格河网矢量化 1.洼地填充Fill sinks 被较高高程区域围绕的洼地是进行水文分析的一大障碍，因此在确定水 流方向以前，必须先将洼地填充。有些洼地是在DEM生成过程中带来的数据 错误，但另外一些却表示了真实的地形如采石场或岩洞等。在ArcGIS中通过 填洼Fill sinks功能将洼地

19、填充，使洼地成为水流能够通过的平坦区域。 通过ArcToolbox Spatial Analyst水文分析填洼，选择 Dem，生成的无洼 地Dem，既为填充过洼地的Dem数据。 2流水方向Flow Direction计算 目前应用最广泛的单流向法是 D8法：假设单个网格中的水流只有 8种可能 的流向，即流入与之相邻的8个网格中。它用最陡坡度法来确定水流的方向，即 在3X 3的DEM网格上，计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差（即网格 中心点落差除以网格中心点之间的距离），取距离权落差最大的网格为中心网格 的流出网格，该方向即为中心网格的流向。水流流向编码如下： 32（西北） 64（北） 12

20、8（东北） 16（西） x 1陈） 8（西南） 4（南） 2（东南） 通过ArcToolbox f Spatial Analyst水文分析宀流向，选择无洼地 Dem，生成 水流流向数据Flow Direction。 乘水文分析 气分水岭 气埴洼 “捕捉倾馬点 *冊格河网矢; 气水涼长度 气汇 X河流藝接 “加可网分级 气流向 %流量 %墅域分析 乘表面分析 输入表面删格数据 尿建地DEM 输出疣向册格数据 3总| &心站分析1作图三維分析流向 二冯 强制所有边缘像元向外疣动 輸出下降率柵格数据商选） 1 2 & 8163264 口口 确定取消环境匸 3流水累积量 Flow Accumulati

21、on 区域流水累积量矩阵表示区域地形每点的流水累积量，它可以用区域地形 曲面的流水模拟方法获得。流水模拟可以用区域的数字地面高程模型区域的水流 方向数据矩阵来进行。其基本思想是，以规则格网表示的数字地面高程模型每点 处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形 的水流方向数字矩阵计算每点处所流过的水量数值，便可得到该区域水流累积数 字矩阵。 通过ArcToolbox f Spatial Analysf 水文分析f流量，选择无洼地 Dem，生成 &冰文分析I 二分水嶂 气埴洼 丿捕捉倾富点 x.栅格河网矢量化 气烯长度 气汇 *河流髓接 声.河网分级 输入流向删格数据

22、篩商 筍出蓄积册格数据 水流流量数据，显示了地面水系的分布状况 Z_LrJ E: IG站分析作图1三维分析流虽 输入权重册格数据冋逍 f习已| 输出数据类型冋选） FLOAT 向；：鳥潮值 流口口口石 4河网分级计算 流域水系河网自动分级技术有多种，其中较为流行的有Strahler法和Shreve 法，并且ArcGIS软件采用。水系网结构最基本的是分枝和汇合，具有一定的自 相似性。 Strahler的序列划分原则：在理想的树枝状的水系中，包括所有间歇性及永 久性的水道在内，只要它们具有十分明显的稳定性谷地，都可以根据序列的命名 原则，将其大小进行分级。凡是属于顶端末梢，不再分枝的而且具有明显的

23、槽床 者，称之第一级水道，凡是由两个以上的第一级水道汇合后组成的称之为第二级 水道，依此类推，直到把全部河槽划分完毕为止。但是，必须指出，第一级水道 可以汇入第二级水道，也可以汇入第三、第四、甚至更高级水道。水道的序列， 不仅反映水道大小上的差别，而且反映水文性质上的形态特征上的差别。 Shreve编码的序列划分：凡是属于顶端末梢，不再分枝的而且具有明显的槽 床者，称之为第一级水道，由两个第一级水道汇合后组成的称之为第二级水道， 由两个或者以上同一级别的水道 N汇合组成更高级别的水系 N+1级水道，如果 不同级别的水道汇合，M级水道与N级水道汇合，且MN，则形成的水道的级 别与原水道中级别较高的水道为同一级别，即为M级，依此类推，直到把全部 河槽划分完毕为止。 Shreve 码 通过ArcToolbox宀Spatial Analyst水文分析宀河网分级，选择生成的水流流 量数据和流向数据，生成地面水系的等级分布。 Z水左分析1 才分水岷 x埴洼 *捕捉倾每点 %制格祠网矢量化 A烯长度 气汇 河疣涪接 气I河网分级 TEAHLER |-| 河网分级 河网分级 .盆域分斬 5.栅格河网矢量化 在现实中矢量河网应用更为广泛，因此需要将栅格河网转化为矢量河网。 (1)栅格河网重分类 由于在河流分级中按照