GIS三维分析.docx

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GIS三维分析

GIS三维分析

（2）TIN的显示

将TIN图层局部放大，认真理解TIN的存储模式及显示方式：

1.2由TIN建立DEM

【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【Conversion】-【FromTIN】-【TINtoRaster】，分别选择tin_Elevpt和tin_Elev生成Grid格式的DEM，并比较结果；

1.3由矢量数据建立DEM

【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterInterpolation】选择Elevpt.shp，利用IDW、Kriging、NaturalNeighbor、Spline数据内插方法生成Grid格式的DEM；

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DEM分析利用【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】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，当坡度角接近直角（90度）时，高程增量百分比开始接近无穷大。

具体的方法步骤如下:

【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】选择grid_Elev；可重新调整坡度分级：

（2）坡向Aspect

坡向指坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角。

在ArcGIS中Aspect表示每个栅格与它相邻的栅格之间沿坡面向下最陡的方向。

具体方法步骤如下:

【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Aspect】选择grid_Elev；

（3）平面曲率

平面曲率指地面任意一点地表坡向的变化率，反映等高线弯曲程度的指标，可以反映地表所有的山脊线和山谷线。

根据其定义，平面曲率就是对先提取DEM坡向，再对这个坡向取坡度。

步骤：

【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】选择Aspect_grid；

（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”slopeofslope”；具体的方法步骤如下:

【ArcToolbox】-【3DAnalysisTools】-【RasterSurface】-【Slope】选择Slope_grid；

（5）地形剖面图的制作

在工程方面（如在公路、铁路、管线等的设计过程中），常常需要制作剖面图。

剖面图的制作是以制作区域的DEM数据（Grid数据）或表面数据（TIN数据）为基础的。

剖面图的制作方法如下：

1.激活grid_Elev，单击3D工具条上的InterpolateLine按纽

；

2.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ProfileGraph工具，生成剖面图；

3.右键点击剖面图，通过“属性”或“高级属性”可以更改剖面图的图表类型，编辑图名和图表样式等；

4.可以通过“添加至布局”，将其与地图一起显示和输出；

5.还可以通过“复制为图形”，将其以图形方式输出至Word等软件。

（5）测量面积和体积

使用三维分析可以测量表面面积和体积。

表面面积是沿表面的坡度进行测量，并将高度考虑在内，计算出的面积总要大于二维平面测量的面积。

体积是计算TIN表面和位于任何指定高程的水平面间的立体空间，可以是平面之上的，也可以是平面之下。

测量体积在实际应用中一般用来计算土方量。

1、ArcToolbox→3DAnalyst工具→功能性表面→表面体积（如下图）；

2、选择grid_elev数据，指定要测量的是平面上还是平面下的面积和容积；

3、输入一个基础高程，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。

（6）山顶点和山谷点的计算——邻域分析

邻域分析的计算是以待计算栅格为中心，向其周围扩展一定范围，基于这些扩展栅格数据进行函数运算，从而得到此栅格的值。

ArcGIS中的邻域分析提供了十种统计方法：

Maximum最大值、Minimum最小值、Range范围值（即最大值减去最小值）、Sum数值和、Mean平均值、StandardDeviation标准差、Majority频数最大的值、Minority频数最小的值等等。

①通过邻域计算出50*50范围内的邻域Maximum最大值，如下图

②通过栅格计算器，计算grid_elev-Maximum=0，得到山顶点（红色）

③同理，邻域计算50*50范围内的Minimum，并计算grid_elev-Minimum=0，得到山谷（红色）。

2.2提取等高线：

（1）提取等间隔等高线

1、ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→等值线（如下图）

2、选择grid_elev数据，输入等高线间距（等高距Contourinterval）和起始等高线的值BaseContours，默认值为DEM最低高程。

3、生成shape线层数据，如下图左图：

（2）提取任意高程等高线

①ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→等值线序列（如下图）

②选择grid_elev数据，依次输入等高线高程，生成新的shape线层数据，如上图中图：

③点击工具条上

，再点击DEM可生成经过该点的等高线，如上图右中图。

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±180°

太阳高度角:

太阳高度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°

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：

①ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→山体阴影（如下图）

②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：

（2）可视性分析

①通视性分析：

计算两点之间的视线是否可见

Ⅰ.ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→视点分析（如下图）

Ⅱ.选择grid_elev数据，点击3D分析工具条上

，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，即两点之间的通视线，点击

生成通视线上的通视剖面图，如下图：

②可视区分析：

计算现有观察点能看到的区域范围

I.ArcToolbox→3DAnalyst工具→栅格表面→视域（如下图）；

II.添加一个点层：

移动基站.shp作为观测点，选择grid_elev为输入栅格；

如果不选中任何点，则对所有点进行计算，如下图：

Ⅲ、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；

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→程序→ArcGIS→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.shp

（3）右键点击grid_elev，选择属性→基本高度，选择grid_elev，输入拉伸系数;

（4）同样对等高线进行同样设置，并利用

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

一、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HydrologicFunctions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：

ArcGIS10

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，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HydrologicFunctions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。

以高程栅格数据或DEM作为主要输入数据，采用HydrologicFunctions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。

HydrologicFunctions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Fillsinks

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Fillsinks功能将洼地填充，使洼地成为水流能够通过的平坦区域。

●通过ArcToolbox→SpatialAnalyst→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FlowDirection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3×3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）

128（东北）

16（西）

x

1（东）

8（西南）

4（南）

2（东南）

●通过ArcToolbox→SpatialAnalyst→水文分析→流向，选择无洼地Dem，生成水流流向数据FlowDirection。

3.流水累积量FlowAccumulation

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→SpatialAnalyst→水文分析→流量，选择无洼地Dem，生成水流流量数据，显示了地面水系的分布状况。

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M>N，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。

●通过ArcToolbox→SpatialAnalyst→水文分析→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。

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水流特征，河流等级划分过细，导致直接矢量化会产生很多显示并不存在的毛细河网，同时也很难和地形图河流分布保持一致，故舍弃低等级的毛细河网，仅保留主要的部分。

为了实现这一目的，先将河网分级进行重分类操作，将1~4级河流赋值为“NoData”，其余等级进行反转，如下图：

●通过ArcToolbox→SpatialAnalyst→水文分析→栅格河网矢量化，选择河网分级数据和流向数据，生成矢量水系。

二、【综合应用实习】：

石河子南部山区水系提取

背景：

石河子市南临天山依连哈比尔尕山北部的前山地带，地形南高北低，由南向北依次为天山山区、山前丘陵区、山前倾斜平原、洪水冲积平原、风成沙漠区。

区域水文地质条件受大地构造所控制，高山融雪水通过河流从南向北排泄，与地貌条件相吻合。

水资源较为丰富，境内有宁家河、金沟河、大南沟河、巴音沟河和安集海河等五条河流，与玛纳斯河毗连。

河水年径流量15.3亿立方米，地下水可采量3亿立方米，另建有大中小型水库11座，蓄水总量4.33亿立方米。

由于石河子地处西北干旱区，水资源缺乏且分布不均。

随着近年石河子的人口迅速增加和工、农业的迅速发展，对水资源的需求日益增大，如何合理利用有限的水资源显得尤为重要和紧迫。

现要求科学合理的提取南部山区的水系分布，为水资源的利用和水土保持提供数据支持。

数据：

石河子1:

5万等高线图；

思路：

生成DEM，填洼、水流方向计算、栅格河网生成及其矢量化，即可得到矢量河网。