三维GIS与虚拟GIS的应用实践.docx

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三维GIS与虚拟GIS的应用实践

第4章三维GIS与虚拟GIS的应用实践

4.1三维GIS与计算机仿真和虚拟现实的关系

计算机仿真是指利用计算机建立、校验、运行实际系统的模型以得到模型的行为特征，从而达到分析、研究该实际系统之目的的一种技术。

这里的“系统”是广义的，它包括工程系统，如电气系统、计算机系统等，也包括非工程系统，如生态系统、经济系统等。

虚拟现实是一种由计算机生成的高技术模拟系统。

它构成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉等的综合可感知的环境，使演练者通过专门的设备，在这个人工环境中实现观察、操作、触摸和检测等实践，使其具有身临其境的感觉。

虚拟现实与一般的计算机图形显示技术相比有着显著的不同，在计算机图形系统中，用户是外部观察者，只能通过屏幕来观察由计算机生成的环境，而虚拟现实则通过多通道、多传感器，让用户称为虚拟环境中的一个内部的参与者。

计算机仿真和三维GIS的应用基本属于宏观决策范畴。

目前虚拟现实的应用均属于微观范畴，多数学者认为虚拟现实不太适用于宏观决策。

计算机仿真、虚拟现实和三维GIS的共同点在于都需要模拟实际环境。

从操作方式看，三维GIS更接近于计算机仿真。

但VR技术带来了人家交互的新概念、新内容、新方式和新方法，使得人机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自然、和谐。

VR技术虽然是多学科综合体，但其仍以计算机仿真为核心，可以被看成是一种类型的仿真系统，在仿真中虚拟现实可以被看作是三维仿真模型的高级用户界面。

而三维GIS主要体现在三维可视化的仿真技术应用上，可视化表达是三维GIS的核心内容。

计算机仿真中的环境仿真包括地形地貌、气象条件、大气、电磁干扰等环境的仿真。

其中，地形地貌的仿真又是三维GIS的核心内容。

仿真侧重于场景的模拟，而三维GIS处理除了表达地形环境外，还需要提供三维地形空间分析与操作等地理信息服务。

可以说，仿真是一种广义的概念，三维GIS可视化研究的内容属于计算机仿真的一个特定领域。

因此，地形仿真与三维可视化均是三维GIS和虚拟GIS的重要功能。

4.2基于ArcView的地形分析与三维可视化

4.2.1目的

DEM是对地形地貌的一种离散的数字表达，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。

通过对本次实习的学习，我们应：

加深对DEM建立过程的原理、方法的认识；熟练掌握ARCVIEW中建立DEM、TIN的技术方法。

结合实际、掌握应用DEM解决地学空间分析问题的能力。

4.2.2实验准备

软件准备：

Arcview

数据准备：

图层feapt-clip1，图层terlk-clip1，图层：

cal2

注意：

需要加载空间分析及3D分析模块

新建一个视图

4.2.3实验内容

1、DEM及TIN的建立

（1）由采样点数据建立表面

在视图目录表中添加并激活采样点图层feapt-clip1.shp。

执行菜单命令[Surface]>>[InterpolateGrid]。

在出现的OutputGridSpecification对话框中设定输出主题的范围、栅格单元大小及栅格行、列数。

接下来出现的InterpolateSurface对话框中，从Method列表中选择Spline（注意：

在菜单中只有IDW和Spline两种内插方法可以选择）。

在ZValueField列表中选择Elev（高程）字段，单击OK。

生成新的栅格主题Surfacefromfeapt-clip1.shp（如图1）。

将得到的结果图层与原始的DEM图层（Calc2）相减，得到结果图层（MapCalculation1）如图2所示：

由点、线数据生成TIN转为GRID

新建一个视图

添加并激活点要素图层feapt-clip1和线要素图层terlk-clip1。

（同时选中：

在点击的同时按住Shift），加载Grid数据：

Calc2

点击【Surface】菜单下的【CreateTINfromfeatures】；

在“CreateNewTIN”对话框中定义每个主题的数据使用方式；

在“CreateNewTIN”对话框中，指定每个主题中的一个字段作为高程源（HeightSource），设定表面特征输入（Inputas）方式，可以选定某一个值的字段作为属性信息（可以为None）。

（见图3）

确定生成文件的名称及其路径，生成新的图层tin-point。

（见图4）

点击【Theme】菜单下的【Converttogrid】，确定生成文件的名称及其路径，生成新的Grid图层。

（见图5）

网格大小选择为：

SaveAsCalc2

将新生成的Grid图层与原始的DEM图层（Calc2）相减，得到结果图层（MapCalculation1）如图6所示：

2、DEM的应用

地形指标的提取

坡度

具体的方法步骤如下:

添加Dem数据：

Calc2并激活它。

执行菜单命令[Surface]>>[DeriveSlope]

生成新的坡度主题slopeofCalc2。

双击左边的图例，在弹出的LegendEditor对话框中可重新调整坡度分级（如图7）。

坡向

具体的方法步骤如下:

在视图目录表中添加dem数据：

Calc2并激活它。

执行菜单命令：

[Surface]>>[DeriveAspect]。

显示并激活生成的坡向主题AspectofCalc2（如图8）。

平面曲率

激活坡向数据。

执行菜单命令：

[Surface]>>[DeriveSlope]。

生成平面曲率图层SlopeofAspectofCalc2。

（见图9）

剖面曲率

具体的方法步骤如下:

激活坡度数据。

执行菜单命令：

[Surface]>>[DeriveSlope]。

显示并激活生成的剖面曲率图层SlopeofSlopeofCalc2（如图10）。

提取等高线

具体的方法步骤如下:

在视图目录表中添加dem数据：

Calc2并激活它。

执行菜单命令：

[Surface]>>[CreateContours]。

在出现的ContoursParameters对话框中输入等高距Contourinterval和基础等高线的值BaseContours。

生成等高线主题ContoursofCalc2（如图11）。

地形表面的阴影图

具体的方法步骤如下:

在视图目录表中添加dem数据：

Calc2并激活它。

执行菜单命令：

[Surface]>>[ComputeHillshade]。

图12ComputeHillshade对话框

在ComputeHillshade对话框（如图12）中，输入计算Hillshade的参数值。

生成地表阴影主题HillshadeofCalc2（如图13）。

可视性分析

通视性分析

在Arcview中，进行通视性分析有两种具体操作

第一种操作：

例如：

分析某区域内S与P两点间的通视情况。

添加Dem或TIN主题作为通视性分析的地形表面并激活它（这里请添加DEM数据：

Calc2）。

从工具栏选择Lineofsight工具

。

在出现的LineofSight对话框中输入观察者Observer与目标物Target距地面的距离（如图14），单击OK。

图14Lineofsight对话框

按住鼠标左键，屏幕上将会出现十字光标，将光标从观察点S移向目标点P，然后释放光标。

在观察点到目标点之间将会出现一条视线，其中可视的部分为红色，不可视的部分为绿色。

并且，在Arcview窗口底部的状态栏显示了从观察点到目标点是否可视。

若不可视，在视线上将会用圆点表示第一个障碍物的位置，它的xy坐标将会在状态栏显示（如图15）。

第二种操作：

首先需要将C:

\ESRI\AV_GIS30\ARCVIEW\Samples\ext下的vistools.avx复制到C:

\ESRI\AV_GIS30\ARCVIEW\EXT32下。

执行菜单命令:

[File]>>[Extensions]。

在Extensions的对话框中选择VisibilityTools扩展模块。

加载DEM数据:

Calc2

在Arcview工具条中出现Lineofsight工具

。

选择此工具，在AvailableGrids对话框中选择栅格主题：

Calc2作为通视性分析的地形表面（如图16）。

在出现的SetVisibilityParameters对话框中输入观察者与目标物距地面的距离。

单击OK。

按住鼠标左键，将光标从观察点A移向目标点A′，然后释放光标。

在观察点到目标点之间将会出现一条视线，其中可视的部分为红色，不可视的部分为绿色（如图17）。

同时，Arcview

会自动绘出A—A′两点间的通视剖面图（如图18）。

图17

图18

可视区分析

具体操作如下：

在视图中，加载矢量数据Observer.shp和DEM数据：

Calc2

同时激活Observer和Calc2主题。

执行菜单命令:

[Surface]>>[CalculateViewshed]。

图19可视区分析

生成可视区栅格主题visibilityofObserver（如图19）。

4.3基于ArcGIS的地形分析与三维可视化

4.3.1实验目的

DEM是对地形地貌的一种离散的数字表达，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。

通过对本次实习的学习，我们应：

加深对TIN建立过程的原理、方法的认识；熟练掌握ArcGIS中建立DEM、TIN的技术方法。

掌握根据DEM或TIN计算坡度、坡向的方法。

结合实际，掌握应用DEM解决地学空间分析问题的能力。

4.3.2实验准备

软件准备：

ArcGISDesktop9.x---ArcMap（3D分析模块）

实验数据：

矢量图层：

高程点Elevpt_Clip.shp，高程Elev_Clip.shp，边界Boundary.shp，洱海Erhai.shp

4.3.3实验内容及步骤

1.TIN及DEM生成

1.1由高程点、等高线矢量数据生成TIN转为DEM

在ArcMap中新建一个地图文档

添加矢量数据：

Elevpt_Clip、Elev_Clip、Boundary、Erhai（同时选中：

在点击的同时按住Shift）

激活“3DAnalyst”扩展模块（执行菜单命令[工具]>>[扩展]，在出现的对话框中选中3D分析模块），在工具栏空白区域点右键打开[3D分析]工具栏

执行工具栏[3D分析]中的菜单命令[3D分析]>>[创建/修改TIN]>>[从要素生成TIN]；

在对话框[从要素生成TIN中]中定义每个图层的数据使用方式；

在[从要素生成TIN中]对话框中，在需要参与构造TIN的图层名称前的检查框上打上勾，指定每个图层中的一个字段作为高度源（HeightSource），设定三角网特征输入（Inputas）方式。

可以选定某一个值的字段作为属性信息（可以为None）。

在这里指定图层[Erhai]的参数：

[三角网作为：

]指定为[硬替换]，其它图层参数使用默认值即可。

确定生成文件的名称及其路径，生成新的图层tin，在TOC（内容列表）中关闭除[TIN]和[Erhai]之外的其它图层的显示，设置TIN的图层（符号）得到如下的效果。

执行工具栏[3D分析]中的命令[转换]>>[TIN转换到栅格]，指定相关参数：

属性：

[高程]，像素大小:

[50]，输出栅格的位置和名称:

[TinGrid]

确定后得到DEM数据：

TinGrid,其中，每个栅格单元表示50m×50m的区域

1.2TIN的显示及应用

在上一步操作的基础上进行，关闭除[TIN]之外的所有图层的显示，编辑图层[tin]的属性，在图层属性对话框中，点击[符号]选项页，将[边界类型]和[高程]前面检查框中的勾去掉;点击[添加]按钮

在[添加渲染]对话框中，将[所有边用同一符号进行渲染]和[所有点用同一符号进行渲染]这两项添加么TIN的显示列表中，

将TIN图层局部放大，认真理解TIN的存储模式及显示方式

TIN转换为坡度多边形

新建地图文档，加载图层[tin]，参考上一步操作，将[面坡度用颜色梯度表进行渲染]和[面坡向用颜色梯度进行渲染]这两项添加到TIN的显示列表中，

请参照上图进行设置

在上面的对话框中，选中Slope，点击[分类]按钮，在下面的对框中，将[类]指定为5，然后在[间隔值]列表中输入间隔值：

[8,15，25,35,90]，如下图所示

点击两次[确定]后关闭图层属性对话框，图层[tin]将根据指定的渲染方式进行渲染，效果如下图所示：

执行[3D分析]工具栏中的命令[转换]>>[TIN转换到矢量]，按下图所示指定各参数：

得到多边形形图层：

[tinSlopef]，它表示研究区内各类坡度的分布状况，结果是矢量格式，打开其属性表可以看到属性[SlopeCode]为数值[1,2,3,4,5]

查看矢量图层：

tinSlopef中要素属性表，其中属性[SlopeCode]1,2,3,4,5分别表示坡度范围（0-8）、（8-15）、（15-25）、（25-35）、（>35）

Eliminate合并破碎多边形（选做，需要8-10分钟）

新建地图文档，加载坡度多边形图层：

TinSlopef,打开TinSlopef的属性表，添加一个字段Area（类型为Double），通过[计算值]操作，计算各个多边形的面积：

选中高级，输入VBA代码到[Pre-LogicVBAScriptCode],输入变量[dblArea]到[Area=]下的输入框中。

以下的操作将会把面积小于10000平方米的多边形合并到周围与之有最长公共边的多边形中：

执行菜单命令[选择]>>[通过属性选择]，查询”Area”<=10000（平方米）的图斑

被选中的多边形以高亮方式显示，这些小的图斑将会被合并到与之相邻且有最大公共边的多边形。

当然也可以选择合并到相邻的面积最大的多边形。

打开Arctoolbox，执行[消除]命令

指定输入图层：

tinSlopef,输出要素类：

TinSlopef_Elminate.shp

Eliminate（合并破碎多边形）操作原理

原始多边形

合并后多边形，选中的（面积<=10000m2）多边形被合并到与之相邻的面积最大的多边形中

将地图适当放大，比较原始图层：

tinSlopef与合并后的图层：

tinSlopef_Eliminate

TIN转换为坡向多边形

参照以上第（4）步，得到坡向多边形图层

得到的坡向多边形中属性AspectCode的数值（-1,1,2,3,4,5,6,7,8,9）分别表示当前图斑的坡向（平坦、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北、北），其中1,9是相同的可以合并为1

2.DEM的应用

2.1坡度：

Slope

新建地图文档，加载[1.2（6）]中得到的DEM数据：

TINGrid

加载3D分析扩展模块，打开[3D分析]工具栏，执行菜单命令[3D分析]>>[表面分析]>>[坡度],参照下图所示，指定各参数

得到坡度栅格slopeofTinGrid：

坡度栅格中，栅格单元的值在[0-90]度间变化

右键点击图层[Slopeoftingrid]，执行[属性命令]，设置图层[符号]，重新调整坡度分级（参考[1.2（4）]中的步骤进行分类）

以下计算剖面曲率：

执行菜单命令：

[3D分析]>>[表面分析]>>[坡度]。

按如下所示，指定各参数：

得到剖面曲率栅格：

[SlopeofSlopeoftingrid]

2.2坡向：

Aspect

在上一步的基础上进行，关闭[Slopeoftingrid]的显示。

执行菜单命令：

[3D分析]>>[表面分析]>>[坡向]，按下图所示，指定各参数：

得到坡向栅格：

[Aspectoftingrid]

坡向栅格

以下计算平面曲率:

执行菜单命令：

[3D分析]>>[表面分析]>>[坡度]，按下图所示指定各参数：

生成平面曲率栅格：

[SlopeofAspectoftingrid]：

2.3提取等高线

新建地图文档，加载DEM数据：

[tingrid]。

〔在执行以下操作时确保，3D分析扩展模块已激活〕

打开Arctoolbox，执行命令：

[3DAnalystTools]>>[RasterSurface]>>[等高线]

按上图所示指定各参数

生成等高线矢量图层：

Contour_tingrid:

2.4计算地形表面的阴影图

在上一步基础上进行，打开[3D分析]工具栏

执行菜单命令：

[3D分析]>>[表面分析]>>[山影]，按下图所示指定各参数：

生成地表阴影栅格：

[HillshadeoftinGrid]:

DEM渲染：

如以下第2幅图所示，关闭除[tingrid]和[Hillshadeoftingrid]以外所有图层的显示，并将[tingrid]置于[Hillshadeoftirngrid]之上，右键点击[tingrid]，在出现的右键菜单中执行[属性]，在[图层属性]对话框中，参照下图所示设置[符号]选项页中颜色。

打开工具栏[效果]，如下图所示，设置栅格图层[tingrid]的透明度为：

[40%]左右。

2.5可视性分析

A.通视性分析

在上一步的基础上进行，打开[3D分析]工具栏，从工具栏选择[通视线]（Lineofsight）工具：

在出现的[通视线]LineofSight对话框中输入[观察者偏移量]和[目标偏移量],即距地面的距离，如图：

在地图显示区中从某点[A]沿不同方向绘制多条直线，可以得到观察点[A]到不同目标点的通视性：

绿色线段表示可视的部分，红色线段表示不可见部分

B.可视区分析：

移动发射基站信号覆盖分析

在上一步基础上进行，在内容列表区[TOC]中关闭除[tingrid]之外的所有图层，加载移动基站数据－矢量图层：

[移动基站.shp]

在[3D分析]工具栏中，执行菜单命令:

[3D分析]>>[表面分析]>>[视域]，按下图所示指定各参数：

生成可视区栅格：

[ViewShedof移动基站]：

其中绿色表示现有发射基站信号已覆盖的区域，淡红色表示，无法接收到手机信号的区域

2.6地形剖面

在上一步基础上进行，打开[3D分析]工具栏，点击[插入线]工具，跟踪一条线段，这条线段可以从DEM:

[TINGRID]中得到高程值，

点击[创建剖面图]按钮，得到上一步所生成的3D线段的剖面图：

4.3.4实验报告要求

结合此次实验所学内容设计一个算法求解如下的实际问题。

将所做工作以幻灯片形式做以汇报，内容包括原理、过程、结果。

问题：

某县决定坡度大于25的耕地要退耕还林，试设计一个算法计算每个乡可能退耕还林面积。

请写出在ArcView求解此问题的步骤并用框图表示处理过程。

原始数据用矩形表示，数据处理用椭圆表示、处理结果用圆角矩形表示。

数据：

DEM数据ynDem;乡镇界线：

Town.shp;耕地数据：

landuse.shp;

3D可视分析

4.3.5实验目的

（1）对地理数据进行透视观察、三维浏览；

（2）熟悉ArcScene用户界面;

（3）了解制作飞行动画基本操作。

（4）如何将图像作为纹理贴在地形表面；

4.3.6实验准备

预备知识：

ArcGlobe是ArcGIS桌面系统中3D分析扩展模块中的一个部分，提供了全球地理信息的连续、多分辨率的交互式浏览功能。

像ArcMap一样，ArcGlobe也是使用GIS数据层，显示geodatabase和所有支持的GIS数据格式中的信息。

ArcGlobe具有地理信息的动态3D视图。

将所有的GIS数据源整合到一个通用的全球的框架中。

它能处理数据的多分辨率显示，使数据集能够在适当的比例尺和详细程度上可见。

与ArcMap类似，ArcScene是ArcGISDesktop中专门用于显示三维数据的独立程序。

ArcScene的功能：

浏览三维数据、创建表面、进行表面分析、三维飞行模拟。

ArcScene可以看成是ArcGlobe的一个子集。

它们都依赖于ArcGIS的3D分析模块。

软件准备：

ArcGIS3DAnalyst扩展模块;ArcScene:

三维分析及三维建模环境。

实验数据：

图层（Roads,bldg,ortho.lan,dtm_tim），三维场景文件――Animation.sxd

4.3.7实验内容及步骤

1．GIS数据三维显示

运行程序:

[开始菜单]>>[所有程序]>>[ArcGIS]>>[ArcScene],打开ArcScene

在ArcScene中执行命令:

[工具]>>[扩展],选中[3DAnalyst]扩展模块,在ArcScene中点击[添加数据]按钮

（如下图红色前头所指）,将图层（Roads,bldg,ortho.lan,dtm_tim）添加到当前场景中。

关闭图层[dtm_tin]显示

在图层列表面板（TOC）中右键点击图层[ortho.lan],打开图层属性对话框,在[基表面高度]选项页中,将高度设置为:

[从表面为图层获取高度],并选择当前场景中的TIN数据图层:

[dtm_tin]（如下图所示）,在[Z单位转换]中设定高程的夸张系数为[2],高程将被夸大2倍。

点[确定]退出

以相同方法设置图层[Roads]、[bldg]的属性，夸张系数统一设置为[2]

对图层[bldg],还需要进一步设置[拉伸]选项和[符号]选项

通过设置拉伸表达式为[HEIGHT*2],建筑的高度将根据属性字段[HEIGHT]的数据确定

通过设置[符号]选项，为每不同的建筑赋不同的颜色

完成后的效果如下图所示：

可以点击[工具栏]上的查询按钮，查询每个建筑物的属性

通过操作，熟悉[工具]中各按钮的功能

其中[飞行]按钮

有两种状态，

表示停止飞行，

表示正在飞行状态，通过点击鼠标左键可以加快飞行速度，通过占击鼠标右键可以减慢飞行速度，直至停止，通过移动鼠标可以调整飞行方位、高度。

ArcScene中的三维场景可以导出为二维图片或三维VRML文件[.wrl]，VRML文件可以用GLView进行浏览或查看，普通的互联网浏览器也可以通过安装插件的方式进行浏览，因此导出为VRML的三维场景可以发布到因特网上

2.三维飞行动画制作

录制飞行过程生成动画：

在ArcScene打开三维场景文档[Animation.sxd]，在工具栏显示区点右键，打开[3D分析]、[动画]、[工具]这三个工具栏

点击[动画]工具栏中的[动画控制]按钮（下图

）,打开[动画控制]工具栏，

点击[动画控制]中的[录制]按钮（下图

）;

在[工具]中选择[飞行]工具

然后在地图显示区中沿