地理信息系统应用技术——三维模型分析

第九章三维模型分析
教学目标
掌握D3M分析方法，掌握网络分析方法。

内容纲要
基于高程信息的三维分析主要包括三维几何参数计算、地形因子提取、地类分类、通视性分析、地形剖面图绘制、地形三维可视化等。

第三维信息也可以是如降雨量、温度等，进一步扩展了三维分析的应用领域。

三维模型分析实现如下功能：
1.网格化功能
2.数据插密功能
3.规则网数学计算及拼接功能
4.绘制等值线图功能
5.绘制彩色立体图功能
6.剖面分析、面积体积量算功能
7.专业分析功能--根据高程数据
8.TIN模型分析
第一节MAPGIS三维分析基础
MAPGIS三维分析的基础是数字地形模型（DTM）。

谈论数字地形模型时，必须首先要了解DEM。

DEM是数字高程模型（Digital Elevation Model）的简称，它是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字定量模型。

最基本的DEM模型是由一系列地面点的x，y坐标及与之相对应的高程z所组成，由于这一原因，高程模型又叫地形模型。

实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其他的地表形态属性，如坡度、坡向等。

数字地形模型（Digital Terrain Model）是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。

在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其他的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向。

对于DEM数据由于观测方法和获取途径不同，DEM数据分布规律、数据特征有明显的差异，按其空间特征可分为：格网数据和离散数据。

格网数据：把DEM覆盖区划分为规则网格，每个网格大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维空间定位，第三维为网格点的特征值，可以是高程和属性，网格大小代表数据精度。

离散数据：由于受观测手段的限制，无法得到所有地理位置上的观测值，一般也不可能按规则网来获得数据，离散数据DEM的平面二维地理空间定位由不规则分布的离散样点平面坐标实现，第三维仍为高程和属性特征值。

在MAPGIS中与DEM模型相关的数据格式有：
①*.DET：二维高程数据，是ASCII码的明码文件格式。

有“不规则网高程数据”、“规则网高程数据文件”两种。

这两者可通过文本编辑进行编辑。

②*.GRD：规则格网高程数据（二进制文件），是SURFER系统中的标准文件格式。

③*.TIN：三角剖分高程数据（二进制文件）。

是“DTM分析”子系统默认且最常用的内部文件形式，通常操作后的结果都以此方式进行保存。

④*.BDM：底图库用高程文件。

⑤*.BMP：位图文件。

⑥*.RAW：MAPGIS系统图像原格式文件。

第二节创建表面
在MAPGIS中可通过GRD和TIN两种方式创建DEM模型，构建相关对象的表面形态。

㈠当观测数据是等高线数据的时候，可选择使用下在几种流程形成高程数据文件：
⑴原始等高线数据→同“等值线高程栅格化”→直接形成规则网GRD高程文件；
⑵原始等高线＋特征线/点数据→由“高程点线栅格化”→直接形成规则网GRD高程文件；
⑶原始等高线数据→由“线数据提取高程点”→先形成离散高程点文件→再由“快速生成三角剖分”→形成三角网高程文件；
⑷原始等高线数据＋特征线/点数据→由“高程点线三角化”→形成三角网高程数据文件。

㈡当观测数据是离散点数据时，可选择使用下面的流程形成高程数据文件；
⑴离散点数据→由“快速生成三角剖分”→直接形成三角网高程文件；
⑵离散点数据→由“离散数据网格化”→直接形成规则网GRD高程文件。

一、GRD模型创建
在GRD模型中可以对输入的离散数据进行显示、交互式地修改、离散数据网格化、稀疏网格插密、绘制各种图形等各种分析操作。

要构建GRD必须首先将原始数据进行栅格化处理，而这一过程如前所述有两种情况：原始数据为等高线和原始数据直接是离散数据。

对原始数据为等高线情况总共有三种处理方式：等值线高程栅格化、高程点线栅格化、线数据提取高程点。

对于线数据提取高程点实际是先离散后栅格的处理方式，等值线高程栅格化和操作方式类似。

对于“线数据提取高程点”方式由于是先离散后栅格，所以在选择“线数据
提取高程点”选项后，设置对等高线的采样精度。

通过上述各种方式构建的GRD模型可依据实际情况进行进一步编辑处理，其涉及的编辑处理方式有：
1.格网插密或稀疏化
2.多波束数据网格化
3.未知点控制插值
4.有效点滤波处理
5.规则网拼接
6.规则网差值运算
7.规则网数学计算
8.函数生成GRD数据
9.方位变换
10.局部数据提取
11.局部数据无效化
12.重要点集提取
二、TIN模型创建
不规则三角网（TIN）也是DTM的一种表现形式。

所谓TIN模型，实质上是将原始离散数据点，按一定规则连接成Delaunay三角形，然后在此基础上进行分析。

与GRD模型相比,TIN模型可以不必对原始离散数据进行网格化处理，而是直接对这些非网格化数据直接建立三角剖分，进行分析。

要构建TIN同样必须首先将原始数据进行栅格化处理，而这一过程如前所述有两种情况：原始数据为等高线和原始数据直接是离散数据。

对原始数据为等高线情况总共有三种处理方式：高程点线三角化、线数据提取高程点。

对于“线数据提取高程点”实际是先离散后处理的方式，这里主要介绍“线数据提取高程点”方式。

在MAPGIS生成三角剖分网中还一种“生成约束三角剖分网”的方式，该方式是在指定了“约束特征码”的等值线的基础上，通过对等值线数据进行“线数据高程点提取”后，对这些离散高程点建立的三角剖分网。

在三角网的建立过程中，三角形的建立应考虑到地性线的骨架作用。

例如：连接沟谷线两端的高程点所建立的三角形将会“架空”于沟谷上，这与实际情况是不符的。

因此，通过指定这些地性线的“约束特征码”，在建立三角网时就会避免上述情况的发生。

它的操作步骤如下：
（1）打开一个等值线文件，增加短整型“约束特征码”字段。

每条线的“约束特征码”赋值应遵循：0 --->普通边界，1 --->外边界(取其内部三角形)，2 --->内边界(取其外部三角形)，3 ---> 类似沟谷、山脊、断层等特征约束线。

（2）对等值线数据进行“线数据高程点提取”操作；
对于所生成的三角剖分网，可根据实际需要进行编辑处理：
1.交换三角剖分网边
2.删除三角剖分网边
3.整理三角剖分网
4.删除无效三角形
5.重建邻接拓扑关系
6.产生离散点凸包线
第三节图件绘制
在MAPGIS中通过GRD模型可以绘制“网格立体图绘制”、“平面等值线图绘制”及“彩色等值立体图绘制”。

1.网格立体图绘制
2.平面等值线图绘制
3.彩色等值立体图绘制
第四节表面分析
一、计算表面积与体积
二、坡度与坡向的计算
三、可视性分析
在MAPGIS中可视分析包括可视性分析和可视域分析两大功能。

而在中也包括连线可视性分析和全局可视性分析。

1. 可视性分析
可视性分析包含连线可视性分析和全局可视性分析两种类型。

2.连线可视域分析
四、提取剖面
五、表面阴影
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。

六、表面长度计算
第五节电子沙盘
电子沙盘系统是一个32位专业图像软件。

它提供了强大的三维交互地形可视化环境，利用DEM数据与专业图像数据，可生成近实时的二维和三维透视景观。

其可用于：地形踏勘、野外作业设计、环境监测、可视化环境评估、工程设计、野外选址（电力线路设计及选址）、DEM数据质量评估等。

重点、难点：
MAPGIS三维分析基础， MAPGIS中剖面与立体彩色图生成。

教学设计
1、教学步骤：
1）总体介绍课程性质，总的要求
2）概述本次课的主要内容提纲
3）逐个教学要点讲解
4）综合本次内容，提出课后学习要求
按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，MAPGIS 三维分析基础作为一个小单元，MAPGIS中剖面与立体彩色图生成作为一个小单元。

教学方法以讲解和示例为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解系统机制和发展过程。

教学手段采用多媒体（计算机、投影仪）课件及相关软件演示结合的方式，一方面详细说明理论概念，一方面用于示例图表展示及相关软件结构的展示。

2、作业：
P240项目占地面积与地类统计
P258剖面与立体彩色图生成。