GIS分析-第7章-三维分析

第七章三维分析师范学院地理系《GIS分析》主要内容三维分析ArcGIS的3D分析DEM的应用★

DTM与DEMDEM的表现形式

案例1.DTM与DEMDTM和DEM是GIS空间数据库中最重要的空间信息资料，是进行GIS三维分析的核心数据系统，其基本理论与数据处理方法全面反映了GIS空间分析的基本方法；1.1DTM(数字地面模型DigitalTerrainModels)定义：DTM是对某种或多种地面特性空间分布的数学描述，是叠加在二维地理空间上的地面特性向量空间，是对地表属性的三维特征的一种描述;Kp为第p个地面点（或地表单元）上的第k类地面特性信息的取值，是二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等地面特征；(up,vp)为第p个地面点的二维坐标，可以是平面坐标、经纬度、矩阵行列号;m为地面特性信息的数目，n为地面点的个数;1.1DTM

(DigitalTerrainModels)1.1DTM

(DigitalTerrainModels)1.2DEM(数字高程模型定义：当DTM中的地面属性信息仅有一种——海拔高程，那么此时的DTM就是DEM，它是地表单元上高程的集合;DEM是DTM的一个子集，也是DTM中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种数字表达;★DigitalElevationModels)DEM

(DigitalElevationModels)以地形图为数据源航空或航天遥感图像为数据源以地面实测记录为数据源1.2.1DEM的数据源利

用

RS图像

建

立DEM

全数字摄影测量左航片右航片DEM“嫦娥一号”搭载的CCD立体相机传回589张相片，由此制作出我国第一幅全月球影像图

三个视角影像形成的DEM正视影像与DEM生成MODMOD与DEM生成数字高程色彩编码地形图第一幅月面图像局部区域的假彩色地形图“嫦娥一号”三维成像离散数据DEM的二维平面空间定位由离散样点平面坐标实现，第三维为高程和属性值。每个离散数据的记录必须使用三项数据，分别记录其坐标值x，y和特性值z，故n个离散数据点的数据记录个数为3n个；用地面实测记录生成DEM资料来源于张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘沿断面采集随机采集沿等高线采集选点采集用地面实测记录生成DEM移动平均插值法IDW趋势面拟合技术样条函数插值法克里金插值法1.2.2DEM的内插方法IDW等高线法规则格网（Grid）不规则三角网（TIN）2.DEM的表现形式

2.1等高线法等高线通常被存储成有序的坐标点序列，是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段；等高线模型只表达区域的部分高程值，故需要通过插值方法来计算等高线以外其他点的高程；又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，故通常只要使用外包的两条等高线的高程进行插值；DEM的表现形式—等高线用一组大小相同的网格描述地形表面；DEM的表现形式—Grid2.2规则网格

(Grid)Grid把DEM表示成高程矩阵，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生;高程矩阵已成为DEM最通用的形式，特别有利于地形分析、绘制立体图等应用;缺点：地形简单地区存在大量冗余，如栅格过于粗略，不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区由于；DEM的表现形式—Grid,ColoradoGrid地形表面

DEM的表现形式—Grid将分散的地形点按照一定规则（Delaunay规则）构成一系列不相交的三角形，以拟合地形表面。DEM的表现形式—TIN2.3不规则三角网(TIN)TIN可根据地形复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，减少地形平坦地区的数据冗余;DEM的表现形式—TIN容易以多种形式显示地形信息：多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图；精度不会损失；容易实现自动化、实时化2.4DEM的特点作为国家地理信息的基础数据；生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等；派生以下产品：平面等高线图、立体等高线图、等坡度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色图等★3.DEM的应用水文、可视分析,不同地表的统计分析与比较作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖等，显示并与GIS联合进行空间分析虚拟现实景观设计与城市规划、交通路线、土木工程、矿山大坝工程的选址规划与设计为军事目的而进行的三维显示★3.DEM的应用高程数据地形因子：坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、地形起伏度、地表粗糙度、沟壑密度等；DEM的应用—信息提取3.1基于DEM的信息提取

3.1.1坡度（slope）定义：地表单元的法向量与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角;在计算出各地表单元的坡度后，可对不同的坡度设定不同的灰度级，可得到坡度图;DEM的应用—信息提取3.1.2坡向（Aspect）地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角；在计算出每个地表单元的坡向后可制作坡向图，通常把坡向分为东、南、西、北、东北、西北、东南、西南8类，再加上平地，共9类，用不同的色彩显示，即可得到坡向图；DEM的应用—坡向提取AspectDEM的应用—坡向提取DEM的应用—坡向提取3.1.3地表粗糙度（破碎度）~是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积与其水平面上的投影面积之比，可以用地表单元顶点连接的对角线中点的高差表示地面粗糙度；3.1.4高程变异分析包括平均高程、相对高程、高程标准差，高程变异；设地表单元格网4个顶点为pk（k=1，2，3，4），则高程平均值为若研究地区最低点高程为zmin，该地表单元的相对高程为高程变异是反映地表单元格网各顶点高程变化的指标，用格网单元顶点的标准差与平均高程的比值来表示：88.6%41.6%29.2%DEM的应用—信息提取DEM的应用—等值线3.2生成等值线等值线——表示具有相同高度、数量或浓度的连续的位置的集合。生成的等值线经过平滑处理，真实地再现表面等值线；三种方法：将DEM或Tin生成为线要素矢量主题；创建一个新的线主题，并从DEM主题或TIN中提取等值线，提取的等值线成为新主题中的要素;提取单条等值线；在格网DEM上自动绘制等高线主要包括两个步骤：等高线追踪：利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线点，并将这些等高线点排序；等高线光滑：进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。

DEM的应用—等值线TUDEM的应用—等值线石河子市DEM及其等值线DEM的应用—等值线阴影可视性分析模拟飞行DEM的应用—可视化分析计算表面面积和体积三维景观显示3.3基于DEM的可视化分析DEM的应用—可视化分析给定太阳高度角、太阳方位角、光强度、光照时间，可增强地面起伏感，进行逼真的立体显示;3.3.1阴影——渲染光源来自西北产生正立体光源来自东南产生反立体DEM的应用:可视化分析给定一个参考平面（指定高程），计算其上或以下的表面面积和体积；实际应用中一般用来计算土石方量（填、挖方）3.3.2计算表面面积和体积可交互式改变洪水的高度

水体积计算

淹没表面积计算洪水淹没分析DEM的应用:可视化分析—表面面积和体积通过分析比较两个表面模型前后的变化，还可以计算填埋及挖掘土石方量；侵蚀沉积3.3.3填挖方分析DEM的应用:可视化分析—填挖方分析净增净减剖面分析常常以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等；如果在地形剖面上叠加其它地理变量，例如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据；3.3.4剖面分析DEM的应用:可视化分析DEM的应用:可视化分析—剖面分析剖面图绘制：已知两点的坐标A(x1，y1)，B(x2，y2)，则可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内插交点上的高程以及各交点之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图；DEM的应用:可视化分析—剖面分析剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制；剖面图绘制：DEM的应用:可视化分析—剖面分析DEM的应用—可视性分析3.3.5可视性分析实质上属于对地形进行最优化处理的范畴;例如：设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航等、移动电话基站选址，在军事上如布设阵地（炮兵阵地、电子对抗阵地）、设置观察哨所、铺架通信线路等；分为：通视性分析和可视域分析通视性分析Lineofsight：通过此功能可显示两点之间的通视情况，从而判断从一个观察点是否可以看到目标物，回答了“从这里我可以看到哪个目标？”;可视域分析ViewshedAnalysis：确定从一个或多个观察点可以观测到的区域。回答了“从这里我可以看到什么？”的问题;DEM的应用—可视性分析通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。DEM的应用—可视性分析通视性分析可视域分析DEM的应用—可视性分析TUDEM的应用—可视性分析可视域分析显示了在一个区域内从一个或多个观察点可以观察到的区域范围;在输出的Viewshed数据中，属性Value表示对于一个可视位置，有多少观察点可以看到此位置;DEM的应用—可视性分析观察点不通视通视雷达盲区飞行可视域的三维显示DEM+卫星影像三维地形景观DEM的应用—可视化分析3.3.6三维景观表现杭州湾三维地形DEM的应用—可视化分析3.3.7模拟飞行DTM和DEM是数字形式的地形表面；DEM主要表现为Grid和TIN；DEM在现实中有着广泛应用。小结DTM还可以表现为什么表面？DEM在现实中还有哪些应用？思考ArcMap：桌面系统的核心应用程序，用于显示、查询、编辑和分析地图数据，具有地图制图的所有功能，ArcScene：浏览三维数据、创建表面、进行表面分析等；ArcCatalog：创建GIS数据图层并定义三维视图的基本属性、预览ArcScene场景等4.ArcGIS的3D分析高程点生成DEM从矢量点或线（等值线图）生成TIN从栅格DEM生成TIN4.1ArcGIS创建3D表面ArcGIS的3D分析（1）高程点生成栅格DEMArcGIS的3D分析Power指IDW中距离的指数，指数越大表面越光滑，常用范围为0.5~3；Searchradiustype有两个选项，其中Variable表示可变半径反距离加权插值法，Fixed表示固定半径反距离加权插值法；规则样条插值法张力样条插值法ArcGIS的3D分析普通克里格泛克里格半变异函数模型搜索半径类型：VariableFixed椭球球形指数高斯搜索半径包含的点数ArcGIS的3D分析自然邻域插值法(泰森多边形插值法的改进)比较简单，按照对话框提示可完成操作；

ArcGIS的3D分析（2）从矢量点或线(等值线图)生成TINArcGIS的3D分析ArcGIS的3D分析高程来源点层数据（3）从栅格DEM生成TINArcGIS的3D分析ArcGIS的3D分析从栅格DEM生成矢量(点、线、多边形)从栅格DEM生成TIN从TIN生成栅格DEM从TIN生成矢量(点、线、多边形)生成等值线坡度坡向山体阴影视域挖方和填充面积体积计算ArcGIS的3D分析4.2ArcGIS的表面分析GIS地形分析在云南丽江人居环境研究中的应用

研究目标研究内容研究结论三维分析案例人居环境概念研究区概况1.研究目标三维分析案例—人居环境适宜性分析人居环境是指与乡村、集镇、城市等所有人类居住形式相关的自然环境与人文环境、物质环境与精神环境、历史环境与现实环境、政治环境与经济环境等的有机结合。（1）人居环境三维分析案例—人居环境适宜性分析滇西北位于云南省西北部，包括四个地州、23个县市，面积9万平方公里。该区域地处横断山脉西北段，三江并流区域，山高谷深、地形复杂、生物多样。（2）研究区概况三维分析案例—人居环境适宜性分析地势变化分析坡度坡向分析居住分布分析2.研究内容三维分析案例—人居环境适宜性分析研究工作流程（1）

空间三角网模型坡度信息层ARC/INFO地形等高线坡向信息层坡度分级坡向分类坡度分级图行政区划图坡向分类图多边形融合空间叠加分析坡度分级统计表坡向分类统计表空间统计分析地形分析TIN三维地势图二维地势图三角变换处理高程分级表三维参数表地势分析坡度坡向分析居民点空间分布分析居民点用地居民点坡度分布ARC/INFO居民点分布居民点坡向分布居民点高程分布居民点行政等级缓冲区分析地势分析成果坡度坡向分析空间叠加分析居民点坡度分布统计居民点坡向分布统计居民点高程分布统计空间统计分析研究工作流程（2）二

维

地

势

分

析三维分析案例—人居环境适宜性分析三维地势分析三维分析案例—人居环境适宜性分析地势变化分析—丽江地区地势高度分级统计

高度分级平面面积平面面积比例地表面积地表面积比例5000~55008.040.0410.590.054500~500039.720.1950.460.224000~4500247.931.20281.821.253500~4000958.264.651065.844.723000~35003733.6418.134093.3918.132500~30006749.4932.777373.8432.652000~25004826.8723.435306.5923.501500~20002946.9014.313246.9214.371000~15001087.335.281154.285.11总计20598.18100.0022583.74100.00*面积单位：平方公里；比例单位：%。三维分析案例—人居环境适宜性分析坡

度

分

析三维分析案例—人居环境适宜性分析坡

向

分

析三维分析案例—人居环境适宜性分析坡度坡向分析—丽江地区土地面积坡度统计**面积单位：平方公里；比例单位：%。坡度分级丽江县533221永胜县533222华坪县533223宁浪县533224全区533200

面积比例面积比例面积比例面积比例面积比例<=51989.1326.601397.8128.19642.6529.771813.4130.215843.0028.375~15884.5711.83642.3212.95322.5514.94504.548.412353.9911.4315~251895.7825.351307.9826.38686.1631.781606.8826.775496.8026.6825~351625.7821.741034.7320.87358.7216.611383.1023.044402.3221.37>351083.1014.48575.6011.61148.956.90694.4211.572502.0712.15总计7478.36100.04958.44100.02159.03100.06002.35100.020598.18100.0三维分析案例—人居环境适宜性分析居住分布分析(1)—丽江地区居民点高程分布统计*

*面积单位：平方公里；比例单位：%。高程分带居民点总数总数比例市级居民县级居民点镇级居民点乡级居民点乡级比例村级居民点村级比例其它居民点1000~150027112.30-124619.2521411.2681500~200050522.92--57832.6440321.21192000~250069831.6812-6527.2062032.63102500~300056425.60--14619.2551026.8473000~35001567.08---41.671447.5883500~400090.41-----90.47-4000~4500----------总计2203100.0138239100.01900100.052三维分析案例—人居环境适宜性分析

*面积单位：平方公里；比例单位：%。方案方案一方案二方案三坡度分级面积比例面积比例面积比例<=52796.0733.141087.8940.34288.1551.485~151184.614.04445.116.5192.7616.5715~252228.6326.42638.0723.66108.2319.3425~351494.0117.71368.4813.6751.869.26>35733.288.69156.955.8218.763.35总计8436.59100.002696.49100.00559.76100.00居住分布分析(2)—丽江地区居民点坡度分布统计*

三维分析案例—人居环境适宜性分析

*面积单位：平方公里；比例单位：%。方案方案一方案二方案三坡度分级面积比例面积比例面积比例缓坡地3004.4035.611115.7441.38274.4049.02北坡298.853.5485.36973.1714.142.53东北坡513.746.09151.39815.6128.625.11东坡939.6111.14283.955310.5352.149.31东南坡818.619.70234.04638.6843.257.73南坡704.938.36211.00297.8343.707.81西南坡701.828.32203.06827.5337.656.73西坡762.149.03227.05228.4237.056.62西北坡692.478.21184.85766.8628.835.15总计8436.581002696.49100559.76100.00居住分布分析(3)—丽江地区居民点坡向分布统计*

三维分析案例—人居环境适宜性分析

三维分析案例—人居环境适宜性分析地势变化特征坡度坡向特征居住分布特征3.研究结论

三维分析案例—人居环境适宜性分析（1）地势变化特征丽江地区总的地势变化特征是西北高、西南低，山脉走向以南北向为主；全区的海拔高度均在1000米以上，其中海拔在2000~2500米和2500~3000米的区域分别占全区的23.43%和32.77%，有24.21%的地区海拔超过了3000米。

三维分析案例—人居环境适宜性分析（2）坡度变化特征从土地坡度组成来看：适宜于农业耕作和人类居住的平地与缓坡地(坡度<15)占全区的39.80%，可以部分用于农业生产的中坡地(15~25)占26.68%，而不适宜农业生产和人类居住的陡坡地(>25)占33.52%，其中有12.15%的土地坡度在35度以上；

三维分析案例—人居环境适宜性分析丽江地区居民点分布与高程的关系：1500以下占12.3%；1500~3000米：占80.20%；

其中：1500~2000米占22.92%；

2000~2500米占31.68%;

2500~3000米占25.60%；3000~4000米占7.49%；4000米以上没有居民点分布；（3）居住分布特征

三维分析案例—人居环境适宜性分析丽江地区居民点分布与坡度的关系居民点主要分布在小于5度的缓坡地(占33%以上)其次是15~25度的可利用坡地(占19%以上)5~15度的宜农坡地较少(占17%以下);（3）居住分布特征

三维分析案例—人居环境适宜性分析丽江地区居民点分布与坡向的关系居民点分布以缓坡地为主(占35%以上)，其次是东坡(占9%以上)、东南坡(占7%以上)，最少的是北坡(占4%以下)（3）居住分布特征

中国人居环境类型GIS研究三维分析案例三维分析案例

中国居住适宜性分区GIS研究三维分析案例

甘肃天祝藏族自治县公路选线天祝藏族自治县，是共和国成立后，周恩来总理亲自命名的全国第一个少数民族自治县。位于甘肃省武威市东南部。全县辖域面积7149平方公里，居住着藏、土、汉等16个民族，共