DEM分析与可视化

一.软件平台ArcGIS或MapGIS（软件测试部分）：
（1）数据处理：拓扑构建、误差校正、地图投影
（2）数据管理：属性表创建、属性表关联、图形与属性数据挂接、属性表导出
（3）空间分析：查询检索、叠加分析、缓冲区分析
（4）数字高程模型：GRID及TIN模型创建，DEM分析（包括坡度、坡向、粗糙度、可视性、洪水淹没、流域地貌等分析）（5）数据转换：ArcGIS、MapGIS、MapInfo、AutoCAD等数据间格式转换
实验四基于ArcGIS的DEM分析与可视化
一、实验目的
1、掌握利用ArcGIS三维分析模块进行创建表面的基本方法
2、掌握地形特征信息的提取方法，能利用ArcGIS软件基于DEM对山脊线和山谷线的提取，显示粗糙度
3、掌握三维场景中表面及矢量要素的立体显示其原理与方法，熟练掌握ArcGIS软件表面及矢量要素杂场景中的三维显示及其叠加显示
4、熟练掌握ArcScene三维场景中要素、表面的多种可视化方法。

二、主要实验器材（软硬件、实验数据等）
计算机硬件：性能较高的PC；计算机软件：ArcGIS9.3软件；实验数据：《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》随书光盘或其他中
三、实验内容与要求
1、地形特征信息提取
实验数据：dem
要求：利用所给区域DEM数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。

具体操作：
1.打开arcmap，添加dem数据，点击DEM数据，打开Arctoolbox，使用Spatial Analysis tools\Surface Analysis\Aspect工具，提取DEM的坡向数据层，命名为A。

2.点击数据层A，使用Spatial Analysis tools\Surface Analysis\Slope工具，提取数据层A的坡度数据，命名为SOA1。

（地面坡向变率，是指在地表的坡向提取基础之上，进行对坡向变化率值的二次提取，亦即坡向之坡度（Slope of Aspect, SOA）。

它可以很好的反映等高线弯曲程度。

）
3.求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H；使用空间分析工具集中的栅格计算器（Raster Calculator），公式为（H—DEM），得到与原来地形相反的数据层，即反地形DEM 数据。

记为“-DEM”。

4.基于“-DEM”数据，使用Spatial Analysis tools\Surface Analysis\Aspect工具，提取-DEM的坡向数据层，命名为-A。

5. 点击数据层-A，使用Spatial Analysis tools\Surface Analysis\Slope工具，提取反地形的坡向变率，记为SOA2。

6.使用空间分析工具集中的栅格计算器（Raster Calculator），公式为SOA=(([SOA1]+[SOA2])-Abs([SOA1]+[SOA2]))/2，这样就可以求出没有误差的DEM的坡向变
率SOA。

7.再次点击初始DEM数据，点击Spatial Analyst---->Neighborhood Statistics（栅格邻域计算工具），打开对话框，设置统计类型（Statistic type）为平均值（Mean），邻域的类型为矩形（也可以为圆），领域的大小为11×11（这个值也可以根据自己的需要进行改变），则可得到一个邻域为11×11的矩形的平均值数据层，记为B，各项设置如图4-1所示。

8.使用空间分析工具集中的栅格计算器（Raster Calculator），公式为C=[DEM]-[B]，即可求出正负地形分布区域，如图4-2所示。

图4-1 栅格邻域计算对话框图4-2正负地形分别示意图
9.使用空间分析工具集中的栅格计算器（Raster Calculator），公式为shanji=[C]>0&SOA>70，即可求出山脊线，如图4-3所示。

10.同理，在栅格计算器（Raster Calculator）中，键入公式为shangu=[C]<0&SOA>70，即可求出山谷线，如图4-4所示。

图4-3 山脊线的界面图4-4 山谷线的
界面
11.地面粗糙度：
地面粗糙度是指在一个特定的区域内，地球表面积与其投影面积之比。

它也是反映地表形态的一个宏观指标。

根据地面粗糙度的定义，求每个栅格单元的表面积与其投影面积之比，
可以用如下方法来完成。

如图 8，假如 ABC 是一个栅格单元的纵剖面，α为此栅格单元的坡度，则 AB 面的面积为
此栅格的表面积，AC 面为此栅格的投影面积（也既是此栅格的面积），根据公式：Cosα=AC/AB
则可得出此栅格单元的地面粗糙度 M 为：M =“AB 面的面积”/“AC 栅格单元的面积”= （AC * AB ）/ （AC * AC） = 1 / Cosα
地面粗糙度的提取步骤如下：
1) 激活 DEM 主题，选择 Spatial Analysis － Surface Analysis － Slope 命令，提取 DEM 主题的坡度，得到主题 Slope of DEM；
2) 激活主题 Slope of DEM，在 Spatial Analysis 下使用栅格计算器 Calculator，公式为:1 / Cos（[Slope of DEM]*3.14159/180）
即可得到地面粗糙度的层面，如下图。

2、表面创建及景观图制作
实验数据具体见《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》随书光盘\ch9\EX3。

要求：
（1）利用所给等高线数据建立景区栅格表面；
（2）在ArcScene三维场景中，实现表面与其它要素叠加三维显示；
（3）设计各要素如道路、水系等的符号化显示；
（4）综合考虑表面及各要素，生成美观大方的区域景观图；
具体操作：
思路是利用原有图层创建区域TIN表面，然后建立地表的平面景观，在生成三维景观图。

第一，创建区域TIN表面
1、启动ArcScence,打开数据,在3D Analyst工具栏中选择Create/Modify TIN中的Create TIN From Features...打开Create TIN From Features对话框，在对话框中设置目
标图层，参数设置如图4-6，单击OK即可，得到的区域TIN表面，在这里我们可以点击工具栏的View/scene properties，调整扩大垂直显示比例，结果如图4-7。

图4-6 Create TIN From Features对话框图4-7 区域TIN表面
第二、创建栅格表面：
打开在3D Analyst工具栏中选择Convert的TIN to Raser...打开Convert TIN to Raser 对话框，在对话框中设置目标图层，参数设置如图4-9，单击OK即可，得到的栅格表面，如图4-10。

图4-9 Convert TIN to Raser对话框图4-10 得到的栅格表面第三、三维景观图的建立
主要也是通过3D Analyst工具实现河流和道路及其栅格表面的三维化，进行叠加即可。

在3D Analyst工具栏中选择Convert的Features to 3D...,打开Convert Features to 3D 对话框，在对话框中设置目标图层，参数设置如图4-13，单击OK即可，得到的三维景观图，如图4-14。

图4-13 Convert Features to 3D对话框界面
图4-14 三维景观图
3、污染物在蓄水层中的可视化
实验数据具体见《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》随书光盘\ch9\EX4。

要求：
利用所给数据，实现污染物状况的三维可视化显示，点状水井矢量要素的突出显示，污染源的符号化突出显示。

具体操作：
思路是先弄清楚污染物的体积与污染程度，然后再了解一下污染物与水井的位置关系，在进一步确定需要优先清理的污染源，在场景中进行三维显示。

首先，得出污染物的面积及污染程度：
1、打开场景Chp9\Ex4\Exercised4.sxd，可以看到所需实验数据已经加载，如图4-15所示。

2、显示污染物的体积与污染程度。

将污染物浓度的栅格图层叠加到污染空间表面上，可以显示蓄水层中污染物的体积与污染物程度，即要打开污染物浓度图层contamination 的属性对话框，选择其空间TIN表面（c_tin）为基准高程，同时设置Z值转换系数为200，如图4-16所示。

3、在Symbology选项卡中选择一合适渐变色系。

4、在内容列表中取消TIN表面的显示，此时可以在三维空间中察看污染物空间的形状及其受污染的强度，如图4-17所示。

图4-15 工作环境
图4-16 contamination数据层属性对话框
图4-17 污染物的体积与污染程度界面
其次，显示污染物空间与水井的关系。

从数据中可以看出一些水井位于污染物空间中。

可以通过水井的深度属性对其进行突出显示，即可查找出那些水井与污染物空间相交，受污染较严重。

1.打开水井数据层属性对话框并选择Extrusion选项卡。

2.计算突出表达式为其深度属性字段Depth，同时选择将表达式应用为各个要素的基准高程，水井的深度以负值表示，使其向下突出。

关闭C-TIN数据层的显示。

此时，可以直观地察看与污染物空间相交或相邻的水井，如图4-18所示。

图4-18 污染源与水井的位置关系
另外，优先显示需要清理的污染源。

1.打开污染源facility数据层属性对话框并选择extrusion对话框。

2.计算突出表达式为Priority*100。

3.在Symbology选项卡中设置符号为渐变色（Graduated colors），选择值域（Value）为PRIORIYT1，将符号分为5级显示，如图4-19。

此时，工业设施根据其优先级按比例突出显示。

场景中可以看得出污染的形状及强度、水井与污染物的空间关系，以及为阻止地下水进一步污染而需要进行清理的污染源，如图4-19 。

图4-18 污染源的分级界面
图4-19 污染源的等级，共分5级。