怎样解决真三维世界中的问题——使用ArcGIS10的3D分析技术

怎样解决真三维世界中的问题——使用ArcGIS10的3D分析
技术
请观看激发本文写作灵感的原始动画。

防空炮威胁范围示意图：防空炮的点要素符号化为表示两个威胁范围的半球图层 - 一个半径为5,500米，另一个半径为8,000米
用可视体剪切防空炮的威胁半球。

3D飞行路线根据其通过的威胁体进行相交和分类。

分析结果可以用图表的形式展示。

本例中图表（A）表示综合的风险情况，另一图表（B）用直方图来表示飞行路线的危害程度。

某些地理问题只能用3D解答。

比如，建筑物中的哪些办公室靠近存放有危险材料的区域？山谷中可以蓄多少水？新建筑物完工后，我家后院的日照是否一去不返？
ArcGIS 10中的 ArcGIS 3D Analyst扩展模块新增了Intersect 3D、Inside 3D和Skyline Barrier等分析工具，专门用于处理真实体空间的GIS数据。

本文通过两个具体实例步骤说明了如何使用这些新工具来解决3D GIS问题。

这两个示例展示了共同的关键点，即3D GIS工具是通用的工具，可用于解决多种类型的问题。

正如Buffer工具有很多应用一样，Intersect 3D、Skyline和 Skyline Barrier 工具也可用于解决各种不同类型的问题。

例1：避开危险的空域
在我们使用3D分析工具之前需要知道的第一个问题是：飞机穿越危险空域时的风险有多大？这显然是个军事方面的例子，但是不难想象，分析飞机穿越危险空域时使用的技术也可用于分析其他的问题，比如如何才能将地下管线敷设在拟进行地下钻探以外的区域，或评估拟建地铁的震动对周边房屋内居民的潜在影响。

当然，飞行员不想成为靶子，他们努力避免可能有防空炮向他们开火的路线。

任务的成败可能取决于是否可以确定拟用路线中哪些是处于危险区域内。

这本质上是个3D问题，因为计算出的武器范围通常基于直接的3D距离。

分析这个问题时，需要一些基准数据：高程面、拟用的飞行路线、威胁点的位置以及不同威胁点的有效范围信息。

用GIS术语来描述这些需求的话，就是说您需要一个高程平面（一个栅格数字高程模型（DEM）、一个不规则三角网（TIN）或terrain dataset（地形数据集））；一个描述拟用路线的3D线要素类；和一个包含威胁属性的2D（或3D）点要素类。

本例使用了5米栅格数字高程模型（DEM）.
在第一步中，2D点要素被转换为可量化的威胁半球。

本例中有三个防空炮位置。

各防空炮因有无雷达辅助，拥有不同的有效范围。

外区（需要雷达协助的区域）没有内区危险，因为飞机本身的对抗措施更为有效。

利用点属性，可以将该信息转换为威胁半球（这更容易理解），并通过下列流程，更有效地构筑威胁半球的要素。

1.在3D Analyst的ArcScene 应用程序中，添加两次点要素类，这样在TOC内容列表中显示了两个点要素图层。

2.将每个图层的符号设置为Simple Marker Symbol > Sphere
（球体）。

3.将一个图层的Advanced （高级）> Size（尺寸）值设置为字段[InnerThreatDistance]，另一个图层设置为字段[OuterThreatDistance]。

4.使用Layer 3D To Feature Class 地理处理工具将这些符号化的图层转换为体，并将它们作为多面体(multipatch) 要素存储在两个新的要素类中。

利用层透明度和层渲染优先级的设置，用于从三维视图查看这些嵌套的/重叠的威胁半球。

虽然威胁半球比较有用，但是它们没有将保护飞机躲避高炮炮火时最有用的因素 - 地形考虑在内。

橘色和红色的体表明了蓝色飞行区域内的危险空域。

如果要将建筑物隐匿在蓝色的观察点之外，那么在橘色区域内可以矗立多高的建筑物？
使用Skyline 和Skyline Barrier工具计算在各观察点处分离地面和天空的障碍或扇。

Skyline 和Skyline Barrier 工具可帮助我们在分析中纳入地形信息。

Skyline工具生成各威胁点的可见地平线，然后Skyline Barrier工具可有效地将该地平线投射到天空中，将结果显示为各威胁点上空的可视空域的体来表示。

最后将这些体与纯基于距离的威胁球体相交，便可生成结合可视化和致死范围的危险区域。

为确定拟用路线中哪部分与3D危险区域相交，可使用Intersect Line With Multipatch工具。

它将路线分为低、中和高风险部分。

而各部分的3D距离可轻松得到，可以通过Calculate Geometry option 或Add Z Information工具计算出来，结果以图表的形式展示。

例如，使用一个图表汇总总体风险，而另一个图表用直方图来表示飞行路线的危害程度。

重复执行相同的分析，然后比较结果图表，这样就有助于我们选择最佳路线。

高级用户可通过将这条无限细的飞行路线转换成用体表现的飞行区域，从而拓展这种分析方法。

简便的办法就是将飞行路线做缓冲区分析得到一个多边形，然后按照最低和最高高度拉伸该多边形，再使用基于体的Intersect 3D地理处理工具（而不是基于线的Intersection 工具），可以得出飞行区域内的所有威胁体。

这种方法还为评估飞行安全提供了更多的选项。

例如，飞行区域北侧可能比南侧更安全。

同时，对于飞行区域的危险情况还提供了更为全面的汇总信息。

注：3D体分析工具能够创建超乎想象的复杂几何结构，其中包含成百上千个三角面片，结果可能导致三角面片的数量超过程序的运行能力。

然而，随着底层的计算几何算法库（CGAL）功能越来越强大，有望放松这种限制。

示例2：隐藏高层建筑物
我们思考的第二个问题是，怎么才能将这些建筑物藏匿在附近主干道的视线之外？这是真实的城市建设案例，因为许多国家的法律中都有这样的规定。

而且，相同的流程也可用于其他场景，比如，如何把采矿钻塔安装在人们视线之外的地方，如何找出军用车辆可用的隐蔽位置，或是如何找出森林中可以砍伐的区域，并尽量降低对周围乡村景观的影响？
该场景就跟我们小时候玩捉迷藏一样--找个别人很难看到的地方躲起来。

这个问题看似简单，但如果用软件来解决的话，却有点棘手。

然而，经过创造性的思考后，我们发现可以使用三维工具找出可以隐藏三维GIS要素的位置。

在这个例子中，这些拟建建筑物要在主干道上不可见。

同上个问题一样，第一步是获取合适的数据，这也是最重要的一步。

在本例中，数据是高程表面，感兴趣区域的2D数据和观察点位置的数据。

用GIS数据概念来说，这等同于一个高程表面（一个栅格DEM、TIN或terrain数据集），一个包含感兴趣区域的2D多边形要素类和一个描述观察位置的2D（或3D）点要素类。

在本例中，高程数据将来源于TIN.
因为感兴趣区域位于山脊后，所以第一件事就是创建一个屏障（或扇），它定义了各观察点处天空和地面之间的分界线。

在本例中，仅使用了高程平面来生成天际线要素。

如果临近区域内存在建筑物，则也可将这些建筑筑物包含在计算中。

本例的流程如下：
1.运行Skyline工具，使用观察点和高程平面创建天际线要素。

2.为了获取更好的性能，对每个观察点设置要素属性，限制计算的范围。

3.运行Skyline Barrier工具，使用天际线要素和观察点创建天际线扇。

完成可视平面计算后，下一步就是计算这些平面和感兴趣区域之间的3D空间。

虽然我们可以用多种方法进行这种分析，但是本例中采用了可以随意扩展的简便方法（因为它不需要进行可能较复杂和繁琐的几何学计算），那就是用垂直线对感兴趣区域建模，然后用天际线障碍物扇切分垂直线，具体流程如下：
1.运行Create Random Points，用多个点要素填充多边形。

2.使用图层属性，拉伸刚刚创建的点要素为垂直线。

3.运行Layer 3D To Feature Class工具，把垂直线转换成3D垂直线要素。

4.运行 Intersect 3D Line With Multipatch 工具，用天际线扇切分3D垂直线。

用天际线扇切分感兴趣区域内的垂直线。

虚拟线说明了从道路上不能看到的一部分高度。

各虚拟线的顶部节点展现为点要素。

绿色区域内可建20米高的建筑物，且该建筑物在道路上不可见。

在用扇切分完所有的垂直线后，留下的区域代表所有观察点处无法看到的高度。

这些3D垂直线可以转换成最大高度建筑区域。

可使用Create TIN 和Edit TIN工具用这些顶点创建新的TIN面。

该表面定义了隐藏的三维物体的顶部。

使用Surface Difference工具对比该平面和基准高程面，可得到一个栅格，栅格中的每个单元值表示该区域隐藏的建筑物的高度。

使用简便的分级的渲染器展示该输出栅格，完成问题的分析解决。

该图层可以在3D视图中查看，也可复制在ArcMap中，作为2D地图共享。

利用该图层，可方便地确定一定高度的建筑物的建设区域，在这个区域内，该构筑物处于道路的视线之外。

结论
本文回答的两个问题都比较复杂。

在获取正确的解决方案过程中，3D GIS是不可缺少的部分。

在解决两个问题的过程中，我们使用了标准的GIS技术，比如属性驱动的符号渲染、要素交集和表面生成。

这说明了ArcGIS 10发布后，用3D GIS可以完成更多的工作。

虽然您可能不需要驾驶战斗机，或设计高层建筑，但是通过本文中的例子，您可以了解如何灵活地应用这些3D技术来解决您面临的问题。

第二个例子中的可视性分析作为Working with 3D GIS Using ArcGIS </gateway/index.cfm?fa=catalog.courseDetail&
amp;CourseID=50121636_10.x>培训课程的一部分进行了详细讲解。

关于该课程的详细信息，请访问。

作者简介
Nathan Shephard 拥有西澳大利亚科廷大学计算机科学(GIS)学士学位。

在1999年加入Esri Redlands之前，他在Esri澳大利亚公司工作了三年。

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