空间数据三维可视化及三维分析

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三维显示对象的位置
• 通常用于显示地球表面的地形，也可以 显示一些现象的三维特征，如温度、大 气污染等。
• 用于三维显示对象位置的数据可以是矢 量数据，也可以是栅格数据。其中，矢 量数据可以是以记录作为对象，也可以 记录中的顶点作为对象；对栅格数据， 对象是以栅格作为对象。
• 对象的Z值可以通过以下方式确定：
• 利用工具在DEM上点击观测点和目标点，将产 生视线，用绿色和红色显示哪些部分是可见的， 哪些部分是不可见的。
• 可视区域分析是分析可以被一个或多个 观测点（或线）所观测到的区域。其中， 线是以端点和顶点作为观测点。
• 输出的栅格有一个字段记录每个观测点 可以观测到的栅格数。
• 点击Surface Analysis下的Viewshed，将显 示计算可视区域对话框，选择DEM和包 含观测点的要素类，并可定义输出栅格 的大小和保存位置。
产生阴影图
• 阴影图（hillshade）根据假设的太阳光入 射角和高度角以及DEM，计算每个栅格 的光照情况，并用不同的色调或颜色显 示，以显示地形起伏情况。缺省情况下， 阳面以浅色调显示，阴面以深色调显示。
• 太阳的入射角（azimuth）是以顺时针方 向计算；太阳的高度角（altitude）是以 地平面向上计算。
• 在ArcGIS中提供了两种产生DEM的方法：
– 对具有高程信息的点图层进行空间内插，产 生grid数据。
– 根据具有高程信息的点、线、面数据产生 TIN数据。
产生TIN数据
• 可以利用包含高程信息的点、线和多边 形要素类产生TIN数据，即首先产生点集 （所有点要素以及线和多边形的顶点）， 然后根据点集产生三角面格网。
1 产生数字高程模型（DEM）
• DEM是地形三维显示的基础数据。 • DEM数据形式主要有两种：规则格网和不规则
三角网。
– 规则格网（grid），通常是正方形，也可以是矩形、 三角形等规则格网。规则格网将区域空间切分为规 则的格网单元，每个格网单元对应一个值。
– 不规则三角网（TIN，Triangulated Irregular Network） 根据区域有限个点集，将区域划分为相连的三角面 格网，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测 点位置和密度。
多边形填充符号，其它均为专业的三维 点符号。
• 在符号选择对话框中，点击More Symbols，将显示可利用的符号集，在需 要利用的符号集前打勾，该符号集中的 所有符号将增加到左边的符号显示窗口 中，提供用户使用。
• 如果我们需要对符号进行编辑或利用其 它三维符号，可打开符号属性编辑器进 行操作。
可视分析
• 可视分析包括视线（Line of sight）分析 和可视区域（Viewshed）分析。
• 视线分析是分析观测点和目标点连线上 哪些部分是可见的、哪些部分是不可见 的。可见部分通常用绿色表示，不可见 部分通常用红色表示。
• 点击产生视线工具 ，在弹出的对话框中可以 设置观测点的高度偏移和目标点的高度偏移。
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数据转换
• Features to 3D：转换成Shape字段包含Z 值的要素类。
• Raster to Features：Raster数据转换成 Shape字段包含Z值的要素类。
• Raster to TIN：Raster数据转换成TIN数据。
• TIN to Raster：TIN数据转换Raster数据。
• 对grid形式的DEM数据，可以计算每个 栅格与相邻的8个栅格的坡度；对TIN形 式的DEM数据，可以计算每个三角形三 个顶点相互之间的坡度。
• 坡度的单位可以是度，也可以是百分比。
Degre源自文库 arctan h d
Percent h *100 d
• 点击Surface Analysis下的Slope，将显 示产生坡度对话框，在对话框中，用 户可以定义输出栅格的尺寸及输出栅 格的存放位置。
– Fly：空间数据沿某个方向以某个速度自动 飞行，鼠标移动，空间数据将以相反方向飞 行；点击鼠标右键和左键将改变移动速度。
– Zoom In/Out：按住某点，鼠标向右或向下， 数据放大；向左或向上，则数据缩小。
– Center on Target：鼠标点击的目标居中显示。
– Zoom to Target：鼠标点击的目标居中并放大 显示。
• 三维显示基本概念 • ArcScene环境下的三维显示 • 三维分析
• ArcGIS Desktop中的3D Analyst集成了常 用的3D分析功能，包括产生数字高程模 型（DEM）、数据转换、表面分析等。
• 在ArcMap环境下，增加3D Analyst工具 条，并在Extentions对话框中打勾。
• ArcScene主要是以透视（Perspective）的形式 对空间数据进行三维显示。与ArcMap中的工具 条比较， ArcScene的工具条增加了6个新的工 具。
– Navigate：对空间数据进行旋转，按住某一 点，鼠标向右移动，则数据逆时针方向旋转； 向左移动，则顺时针方向旋转。向上移动， 则向后翻动；向下移动，则向前翻动。
• 在产生TIN数据时，还可以通过多边形来 定义数据处理的区域及设置区域的高程 和属性值。
– Clip：只产生多边形范围内TIN数据。
– Erase：不产生多边形范围内TIN数据。
– Replace：多边形范围的TIN数据赋予相同高 程值，如同一湖泊的高程。
– Fill：多边形内的所有三角面赋予一个整型 属性值。
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对象拉伸显示
• 打开选中图层的属性对话框，点击 Extrusion选项卡，可以设置对象的拉伸
值。
• 拉伸值通常是利用某个字段值，如建筑 物的高度，也可以是表达式，如只有建 筑物层数字段，则拉伸值可以是层数字 段乘上3。如拉伸效果不明显，可以乘上 一个系数增加垂直显示比例。
• 如一个对象（线和多边形）的基底高程 不是水平的，需要确定拉伸值是加到最 小高程上，还是加到最大高程上，或是 加到某个高程。
• 在产生TIN数据时，可以在TIN表面上添 加线要素（或多边形边界线）。添加的 线有两种类型：hard line和soft line。
– hard line将根据线的高程信息改变TIN表面， 如道路、水系等。
– soft line只是把线的信息叠加到TIN表面，不 改变TIN表面，如行政区划界线。
符号的设计尺寸。在小比例尺情况下，有些符 号会显示不出，需要改变尺寸。
• 演示
– 利用已有的三维点符号显示建筑物、独立树 和汽车。
– 导入Creator创建的三维模型（flt）显示点要 素。
– 以简单三维线符号（圆柱）显示水管。 – 以多边形填充符号（Grass3）显示草地。
以多边形填充符号（Grass3）显示草地，Dimensions 越小，纹理越细，越大，纹理越粗。
八、三维显示及三维分析
• 三维显示基本概念 • ArcScene环境下的三维显示 • 三维分析
• 三维显示是以三维空间显示空间数据的 分布情况，与二维的平面显示相比，三 维显示更加直观和生动。
• 三维显示包括两方面内容：
– 三维显示对象的位置。根据对象的X、Y、Z 坐标将对象显示在三维空间中。
– 三维显示对象形状。根据对象的长度、宽度 和高度信息显示三维显示对象形状。
• TIN to features：TIN数据转换成Shape字 段包含Z值的要素类。
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表面分析
• 产生坡度图 • 产生坡向图 • 产生等高线 • 可视分析 • 产生阴影图 • 产生高度剖面图 • 产生最陡的路径 • 计算面积和体积 • 计算挖方/填方量
产生坡度图
• 地面上的一个点可以根据其与相邻点的 高差和距离计算出坡度，通常是指最大 的坡度作为该点的坡度。
• 根据对象的高度进行拉伸显示，即点拉 伸为线、线拉伸为面、面拉伸为体。利
用该方法很容易对对象进行三维显示， 但显示形式比较简单。
• Multipatch是ArcGIS 9.0后推出的一种新 的Geometry类型，是一个3D的体模型， 由一系列三维表面的集合组成。
Multipatch不仅记录3D的坐标信息，而且 还可以记录表面的纹理信息。
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三维符号
• 在ArcGIS中，三维符号有多种类型，其 中三维点符号包括简单三维点符号（如 立方体、圆锥等）、三维字符符号以及 其它三维建模软件产生的三维符号；三 维线符号包括简单三维线符号（如管 子）、纹理线符号；三维多边形符号包 括纹理填充符号。
• 在ArcGIS中，已有多个三维符号集，包 括3D Basic、3D Building、3D Industrial、 3D Residential、3D Street Furniture、3D Trees以及3D Vehicles，其中， 3D Basic 包括基本的三维点符号、线填充符号、
产生坡向图
• 坡向是指坡度的朝向，是以顺时针方向 测量，单位为度（0—360度）。
• 点击Surface Analysis下的Aspect，将显示 产生坡向对话框，在对话框中，用户可
以定义输出栅格的尺寸及输出栅格的存 放位置。
产生等高线
• 等高线（或等值线）是指同一条线上的 点具有相同的值（高程或其它属性值）。
• 三维符号是二维符号特性的扩展，除了 XY方向上的特性外，还具有Z方向的特 性。如二维的点符号类似于三维球的符
号，二维的线符号类似于三维的管状符
号，二维的正方形符号类似于三维立方 体符号。
• 三维显示基本概念 • ArcScene环境下的三维显示 • 三维分析
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ArcScene环境
• ArcScene是ArcGIS Desktop的一个应用程序， 用于对空间数据进行三维显示。
• 利用符号属性编辑器，可以：
– 调用三维字符符号（点）。
– 导入三维模型作为点符号（目前支持的三维 模型格式包括3ds、flt、skp和wrl）。
– 调用简单三维线符号。
– 对符号进行编辑，包括设置符号的颜色、尺 寸（dimensions）等。
导入flt三维模型作为点符号
• 已有的符号是按照一定的尺寸设计的。选择 World units，并点击Set Actual Size，将显示该
根据城市人口进行点拉伸显示（[POP1990] *0.00001）
根据建筑物的高程进行面拉伸显示
4 创建Multipatch要素类
• 目前的ArcGIS Desktop可以新建 Multipatch要素类，但不能直接在ArcMap 环境下进行编辑，只能通过AO编程的方 法对Multipatch要素类进行编辑。也可以 通过编程的方法把其它软件所建立的三 维模型转换成Multipatch要素。
– Set Observer：以鼠标点击的目标为观测点、 以观测点与中心点的连线为观测方向进行显 示。
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设置对象的Z值
• 打开选中图层的属性对话框，点击Base Heights选项卡，可以设置对象的Z值。
• Z值的设置包括利用表达式、利用数字高 程模型以及利用shape字段的Z坐标值 （如图层包含Z坐标值）。
– 常数或字段表达式 – DEM数据中对应位置的高程值。 – Shape字段的Z坐标值
2 三维显示对象形状
• 用于显示建筑物、独立树、市政设施等。 • 三维显示对象形状有几种方式：
– 根据对象的高度进行拉伸显示； – 把对象的geometry类型定义为multipatch，并
根据对象形状构建multipatch ； – 利用三维符号表示对象。
• 由于Z值的变化范围与XY坐标的变化范 围相比通常很小，为了能反映Z值的变化， 可以对Z值乘上一个系数，以夸大垂直方 向的显示比例，增强高程起伏程度。
• 对Z值，还可以设置一个偏移值。
利用常数值（5）对美国地图进行垂直拉伸显示
遥感图像根据DEM数据进行三维显示（垂直比例系数3）
根据Z值进行三维显示
• 利用DEM产生等高线是根据已有的高程 数据通过内插的方法跟踪产生某个高程 值的等高线。
• 点击Surface Analysis 下的Contour，将显 示产生等高线对话 框，在对话框中， 用户可以定义起始 等高线、等高线间 距等参数。
• 还可以利用产生等高线工具 ，在DEM 上点击某一点，将以该点的高程产生等 高线图形。