7_数字高程模型分析-发布版
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地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)
实验七 数字高程模型分析
1 实习目的
理解数字高程模型不同表达方法的特点和应用领域， 了解 DEM 数据采集、 建立的一般方法和过程， 掌握 DEM 常见的分析方法和应用，具体实习内容如下： (1) 了解常见的 DEM 栅格表面生成方法，掌握由离散点生成 DEM 栅格表面的方法； (2) 了解常见的 TIN 表面生成方法，掌握由离散点生成 TIN 表面的方法； (3) 掌握常见的 DEM 分析方法，包括坡度、坡向计算和图形生成、可视性分析方法、DEM 阴影 渲染、基于格网或 TIN 数据的等值线生成等。
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图 8-3 由高程点创建 TIN 的工具对话框及生成 TIN 的结果 -2-
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据创建 TIN，也可以利用 Grid 格式的栅格表面转换生成 TIN。由离散点矢量数据生成 TIN 的方法如下 （3.2 部分实验数据位于 Exercise1 文件夹） 。 (1) 确认矢量格式的高程点数据已经添加至当前文档。 (2) 在 ArcToolbox 中展开选择 【3D Analyst Tools】 【Data Management】 【TIN】 【Create TIN】 ， 。 弹出 CreateTIN 对话框（图 8-3 左） (3) 在“Output TIN”部分选择设置输出结果 TIN 的文件名和存储路径。 (4) 在“Input Feature Class”部分选择用于创建 TIN 的高程点数据。 (5) 选择参与运算的高程点数据，点击 Height_Field 为生成的 TIN 数据指定高程信息来源字段 （ELEV）等。 (6) 点击 OK 按钮，完成 TIN 表面的生成，图 8-3 的右图为离散高程点数据生成 TIN 的结果。
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实验方法
利用 ArcGIS 三维分析模块可以从现有数 据集中创建新的表面，它允许以规则空间格网 （栅格模型）或不规则三角网（TIN 模型）两 图 8-1 基于反距离权重插值法由点数据生成栅格对话框 种形式来创建表面以适合于某些特定的数据分 析。ArcGIS 还可以实现栅格表面和 TIN 表面之间的格式转换。 3.1 栅格表面的生成
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实验七 数字高程模型分析
图 8-10 视域分析结果与原栅格表面叠加显示效果（结果栅格中将 Not Visible 不设颜色，Visible 设置为深绿色）
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地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)
3.3.4
山体阴影渲染
3.3.5
等值线生成
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(1) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】【Raster Surface】【Contour】 ，弹出等高 线生成设置对话框，如图 8-13 所示。 (2) 在“Input surface”下拉列表框中选择用于生成等高线的栅格表面。 (3) 在“Output polyline features”文本框中指定输出路径及文件名。 (4) 设置拟生成的等高线的参数设置： “ Contour interval ”文本框用于设置等高线间距、 “ Base contour”文本框用于设置等高线基准高程、 “Z factor”文本框设置高程转换系数。 (5) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的等高线生成运算。 图 8-14 为生成的等高线 与原始栅格的叠合图。
(3) 在 “Input surface” 下拉列 表框中选择用于视域分析的栅格 表面 (4) 在 “Input point or polyline observer features”部分的下拉列表 中选择存储有观测点的要素类图 层（观察点） ，该要素类可以包含 单个观察点，也可以包含多点。 (5) 在“ Output raster ”文本 框中指定输出路径及文件名。 (6) 在 “Z factor” 文本框中设 定高程变换系数。 (7) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的视域分 析计算，图 8-10 是视域分析结果 与栅格图像叠加显示后的效果。
图 8-12 计算生成的部分区域阴影表面
图 8-14 生成的等高线与原始栅格叠合图
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(1) 在 ArcToolbox 中展开并选择 【3D Analyst Tools】 【Raster Surface】 【Hillshade】 ， 打开 Hillshade 分析设置对话框，如图 8-11 所示。 (2) 在“Input surface”下拉列表框中选择用于生成阴影的 DEM 表面。 (3) 在“Output raster”文本框中指定输出路径及文件名。 (4) 在“Altitude” 、 “Azimth”两个文本框中分别设置太阳高度角与方位角。 (5) 在“Z factor”文本框部分设定高程转换系数。 (6) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的阴影渲染分析结果， 图 8-12 为计算生成的 表面阴影。
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图 8-9 用于分析的栅格高程表面及观察点（左） ，Viewshed 分析工具对话框（右） -4-
图 8-8 视线瞄准线工具对话框及绘制的瞄准线
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ArcGIS 支持利用离散点插值生成栅格表面。由点数据插值生成栅格面的方法包括：反距离权重、 克里金、邻域法、样条函数法等，每种方法有其适用的前提条件（3.1 实验数据位于 Exercise1 文件夹） 。 基于离散高程点数据采用反距离权重插值 （Inverse Distance Weighted， IDW） 生成栅格表面的方法： (1) 在 ArcMap 中新建地图文档，通过 Catalog View 将高程点数据添加到当前地图文档。 (2) 在 ArcToolbox 中展开【3D Analyst Tools】【Raster Interpolate】【IDW】 ，弹出反距离权重 插值对话框（图 8-1） 。 (3) 选择用于生成栅格表面的离散高程点数据集（本实验可选择“高程点” ） 。 (4) 为运算过程设置系列参数： 例如， 在 “Z value field” 部分的下拉组合框中选择高程字段 （ELEV） ； 在“Output raster”文本框中设置输出栅格存放位置及文件名；在“Output cell size（optional） ”部分设 置输出栅格单元大小；在 “ Power （ optional ） ”文本框 中设置反距离权重指数等。 (5) 点击 OK 按钮即可完 成栅格表面的生成。图 8-2 为 离散高程点数据及其插值生 成的结果栅格表面。 3.2 TIN 表面的生成 在 ArcGIS 中，可以利用 等高线、 离散高程点等矢量数
图 8-13 等高线生成设置对话框
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自主练习
利用练习中提供的河北省某区域 DEM 数据，生成该区域的坡度、坡向分布图，尝试在实验六中的
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图 8-11 阴影渲染设置对话框
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实验七 数字高程模型分析
(2) 在视线瞄准线对话框中设置观察点和目标点的 点位偏移量（观测点或目标点相对于表面的高度偏移值） ， “ Observer offset ”文本中输入观察点偏移量， “ Target offset”文本框中输入目标点偏移量。 (3) 在表面上用鼠标拉出橡皮线，确定观测点位置和 目标点。 (4) 系统运算，得到观测点和目标点的视线瞄准线， 其中红色线条表示不可视， 绿色线条表示可视 （图 8-8 下） 。 视域（Viewshed）分析用于计算栅格表面任意位置相 对于一系列观察点的可见状态。分析流程如下： (1) 将用于视域分析的栅格表面数据和观察点数据 （自己新建观察点文件“观察点.shp” ，并添加某个位置上 。 的观察点）添加到当前地图文档中（图 8-9 左） (2) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】 【Visibility】【Viewshed】 ，打开视域分析工具对话框 （图 8-9 右） 。
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实验环境与数据准备
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实验七 数字高程模型分析
3.3 基于栅格的 DEM 分析
本部分实验数据位于 Exercise2 文件。 3.3.1 坡度计算流程
(1) 在 ArcMap 中新建地图文档，通过 Catalog View 将 ohio 州 DEM 数据添加到当前地图文档。 (2) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】【Raster Surface】【Slope】 ，弹出坡度 分析计算对话框（图 8-4） 。 (3) 在“Input surface”下拉列表框中选择用来 生成坡度图的栅格表面。 (4) 在“Output raster”文本框中指定输出坡度 栅格存放路径及文件名。 图 8-4 坡度运算设置对话框 (5) 在“Output measurement”部分，选择输出 结果的坡度单位：DEGREE（度）或 PERCENT_RISE（百分数） 。 (6) 如果高程单位和 XY 坐标单位不一致，可以在“Z factor”部分设定高程转换系数。 (7) 设置完毕点击 OK 按钮，完成基于栅格 DEM 数据的坡度计算。参与运算的原始栅格表面及生 成的坡度图如图 8-5。
图 8-2 基于离散高程点数据（左）利用反距离权重插值生成的栅格表面（右）
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(1) 软 件 准 备 ： ArcMap 、 ArcCatalog 、 ArcToolbox ，启用空间分析扩展模块 Spatial Analyst、3D Analyst。 (2) 数据准备：河北省某区域离散高程点 数据、 河北省某区域格网 DEM 数据、 美国 Ohio 州局部区域格网 DEM 数据。
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图 8-5 原始 DEM 栅格数据（左） ，以度表示的坡度图分析结果（右） 图 8-6 坡向分析计算工具对话框及其生成的坡向分布结果栅格数据
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图 8-7 视线瞄准线的形态解释
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3.3.3
可视性分析计算
ArcGIS 中的可视性分析可以实现两点之间的通视曲 线绘制，也可以计算一个或多个观察点在整个计算域中的 可视状态。 工具是用以表示沿该线视 视线瞄准线 （Line of Sight） 线的遮挡情况（原理如图 8-7） ，创建流程如下： (1) 启用 【3D Analyst】 工具条， 单击工具条上的 视 线瞄准线工具（Create Line of Sight） ，打开创建视线瞄准 线对话框（图 8-8 上） 。
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3.3.2
坡向计算流程：
(1) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】【Raster Surface】【Aspect】 ，弹出坡向 计算对话框。 (2) 在“Input surface”下拉列表框中选择用来生成坡度图的栅格表面。 (3) 在“Output raster”文本框中指定输出坡度栅格存放路径及文件名。 (4) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的坡向计算。 图 8-10 为坡向分析计算工具对 话框中的参数设置情况及其生成的坡向分布结果栅格数据图。
实验七 数字高程模型分析
1 实习目的
理解数字高程模型不同表达方法的特点和应用领域， 了解 DEM 数据采集、 建立的一般方法和过程， 掌握 DEM 常见的分析方法和应用，具体实习内容如下： (1) 了解常见的 DEM 栅格表面生成方法，掌握由离散点生成 DEM 栅格表面的方法； (2) 了解常见的 TIN 表面生成方法，掌握由离散点生成 TIN 表面的方法； (3) 掌握常见的 DEM 分析方法，包括坡度、坡向计算和图形生成、可视性分析方法、DEM 阴影 渲染、基于格网或 TIN 数据的等值线生成等。
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图 8-3 由高程点创建 TIN 的工具对话框及生成 TIN 的结果 -2-
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据创建 TIN，也可以利用 Grid 格式的栅格表面转换生成 TIN。由离散点矢量数据生成 TIN 的方法如下 （3.2 部分实验数据位于 Exercise1 文件夹） 。 (1) 确认矢量格式的高程点数据已经添加至当前文档。 (2) 在 ArcToolbox 中展开选择 【3D Analyst Tools】 【Data Management】 【TIN】 【Create TIN】 ， 。 弹出 CreateTIN 对话框（图 8-3 左） (3) 在“Output TIN”部分选择设置输出结果 TIN 的文件名和存储路径。 (4) 在“Input Feature Class”部分选择用于创建 TIN 的高程点数据。 (5) 选择参与运算的高程点数据，点击 Height_Field 为生成的 TIN 数据指定高程信息来源字段 （ELEV）等。 (6) 点击 OK 按钮，完成 TIN 表面的生成，图 8-3 的右图为离散高程点数据生成 TIN 的结果。
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实验方法
利用 ArcGIS 三维分析模块可以从现有数 据集中创建新的表面，它允许以规则空间格网 （栅格模型）或不规则三角网（TIN 模型）两 图 8-1 基于反距离权重插值法由点数据生成栅格对话框 种形式来创建表面以适合于某些特定的数据分 析。ArcGIS 还可以实现栅格表面和 TIN 表面之间的格式转换。 3.1 栅格表面的生成
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图 8-10 视域分析结果与原栅格表面叠加显示效果（结果栅格中将 Not Visible 不设颜色，Visible 设置为深绿色）
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地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)
3.3.4
山体阴影渲染
3.3.5
等值线生成
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(1) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】【Raster Surface】【Contour】 ，弹出等高 线生成设置对话框，如图 8-13 所示。 (2) 在“Input surface”下拉列表框中选择用于生成等高线的栅格表面。 (3) 在“Output polyline features”文本框中指定输出路径及文件名。 (4) 设置拟生成的等高线的参数设置： “ Contour interval ”文本框用于设置等高线间距、 “ Base contour”文本框用于设置等高线基准高程、 “Z factor”文本框设置高程转换系数。 (5) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的等高线生成运算。 图 8-14 为生成的等高线 与原始栅格的叠合图。
(3) 在 “Input surface” 下拉列 表框中选择用于视域分析的栅格 表面 (4) 在 “Input point or polyline observer features”部分的下拉列表 中选择存储有观测点的要素类图 层（观察点） ，该要素类可以包含 单个观察点，也可以包含多点。 (5) 在“ Output raster ”文本 框中指定输出路径及文件名。 (6) 在 “Z factor” 文本框中设 定高程变换系数。 (7) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的视域分 析计算，图 8-10 是视域分析结果 与栅格图像叠加显示后的效果。
图 8-12 计算生成的部分区域阴影表面
图 8-14 生成的等高线与原始栅格叠合图
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(1) 在 ArcToolbox 中展开并选择 【3D Analyst Tools】 【Raster Surface】 【Hillshade】 ， 打开 Hillshade 分析设置对话框，如图 8-11 所示。 (2) 在“Input surface”下拉列表框中选择用于生成阴影的 DEM 表面。 (3) 在“Output raster”文本框中指定输出路径及文件名。 (4) 在“Altitude” 、 “Azimth”两个文本框中分别设置太阳高度角与方位角。 (5) 在“Z factor”文本框部分设定高程转换系数。 (6) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的阴影渲染分析结果， 图 8-12 为计算生成的 表面阴影。
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图 8-9 用于分析的栅格高程表面及观察点（左） ，Viewshed 分析工具对话框（右） -4-
图 8-8 视线瞄准线工具对话框及绘制的瞄准线
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ArcGIS 支持利用离散点插值生成栅格表面。由点数据插值生成栅格面的方法包括：反距离权重、 克里金、邻域法、样条函数法等，每种方法有其适用的前提条件（3.1 实验数据位于 Exercise1 文件夹） 。 基于离散高程点数据采用反距离权重插值 （Inverse Distance Weighted， IDW） 生成栅格表面的方法： (1) 在 ArcMap 中新建地图文档，通过 Catalog View 将高程点数据添加到当前地图文档。 (2) 在 ArcToolbox 中展开【3D Analyst Tools】【Raster Interpolate】【IDW】 ，弹出反距离权重 插值对话框（图 8-1） 。 (3) 选择用于生成栅格表面的离散高程点数据集（本实验可选择“高程点” ） 。 (4) 为运算过程设置系列参数： 例如， 在 “Z value field” 部分的下拉组合框中选择高程字段 （ELEV） ； 在“Output raster”文本框中设置输出栅格存放位置及文件名；在“Output cell size（optional） ”部分设 置输出栅格单元大小；在 “ Power （ optional ） ”文本框 中设置反距离权重指数等。 (5) 点击 OK 按钮即可完 成栅格表面的生成。图 8-2 为 离散高程点数据及其插值生 成的结果栅格表面。 3.2 TIN 表面的生成 在 ArcGIS 中，可以利用 等高线、 离散高程点等矢量数
图 8-13 等高线生成设置对话框
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自主练习
利用练习中提供的河北省某区域 DEM 数据，生成该区域的坡度、坡向分布图，尝试在实验六中的
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图 8-11 阴影渲染设置对话框
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(2) 在视线瞄准线对话框中设置观察点和目标点的 点位偏移量（观测点或目标点相对于表面的高度偏移值） ， “ Observer offset ”文本中输入观察点偏移量， “ Target offset”文本框中输入目标点偏移量。 (3) 在表面上用鼠标拉出橡皮线，确定观测点位置和 目标点。 (4) 系统运算，得到观测点和目标点的视线瞄准线， 其中红色线条表示不可视， 绿色线条表示可视 （图 8-8 下） 。 视域（Viewshed）分析用于计算栅格表面任意位置相 对于一系列观察点的可见状态。分析流程如下： (1) 将用于视域分析的栅格表面数据和观察点数据 （自己新建观察点文件“观察点.shp” ，并添加某个位置上 。 的观察点）添加到当前地图文档中（图 8-9 左） (2) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】 【Visibility】【Viewshed】 ，打开视域分析工具对话框 （图 8-9 右） 。
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3.3 基于栅格的 DEM 分析
本部分实验数据位于 Exercise2 文件。 3.3.1 坡度计算流程
(1) 在 ArcMap 中新建地图文档，通过 Catalog View 将 ohio 州 DEM 数据添加到当前地图文档。 (2) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】【Raster Surface】【Slope】 ，弹出坡度 分析计算对话框（图 8-4） 。 (3) 在“Input surface”下拉列表框中选择用来 生成坡度图的栅格表面。 (4) 在“Output raster”文本框中指定输出坡度 栅格存放路径及文件名。 图 8-4 坡度运算设置对话框 (5) 在“Output measurement”部分，选择输出 结果的坡度单位：DEGREE（度）或 PERCENT_RISE（百分数） 。 (6) 如果高程单位和 XY 坐标单位不一致，可以在“Z factor”部分设定高程转换系数。 (7) 设置完毕点击 OK 按钮，完成基于栅格 DEM 数据的坡度计算。参与运算的原始栅格表面及生 成的坡度图如图 8-5。
图 8-2 基于离散高程点数据（左）利用反距离权重插值生成的栅格表面（右）
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(1) 软 件 准 备 ： ArcMap 、 ArcCatalog 、 ArcToolbox ，启用空间分析扩展模块 Spatial Analyst、3D Analyst。 (2) 数据准备：河北省某区域离散高程点 数据、 河北省某区域格网 DEM 数据、 美国 Ohio 州局部区域格网 DEM 数据。
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图 8-5 原始 DEM 栅格数据（左） ，以度表示的坡度图分析结果（右） 图 8-6 坡向分析计算工具对话框及其生成的坡向分布结果栅格数据
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3.3.3
可视性分析计算
ArcGIS 中的可视性分析可以实现两点之间的通视曲 线绘制，也可以计算一个或多个观察点在整个计算域中的 可视状态。 工具是用以表示沿该线视 视线瞄准线 （Line of Sight） 线的遮挡情况（原理如图 8-7） ，创建流程如下： (1) 启用 【3D Analyst】 工具条， 单击工具条上的 视 线瞄准线工具（Create Line of Sight） ，打开创建视线瞄准 线对话框（图 8-8 上） 。
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地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)
3.3.2
坡向计算流程：
(1) 在 ArcToolbox 中展开并选择【3D Analyst Tools】【Raster Surface】【Aspect】 ，弹出坡向 计算对话框。 (2) 在“Input surface”下拉列表框中选择用来生成坡度图的栅格表面。 (3) 在“Output raster”文本框中指定输出坡度栅格存放路径及文件名。 (4) 设置完毕点击 OK 按钮， 完成基于栅格 DEM 数据的坡向计算。 图 8-10 为坡向分析计算工具对 话框中的参数设置情况及其生成的坡向分布结果栅格数据图。