第六章-三维数据的空间分析方法

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1、第六章 三维数据的空间分析方法2021/3/1111三维地形模型三维可视化三维空间查询三维空间特征量算常用的三维数据空间分析ArcGIS的三维数据空间分析工具主要内容234562021/3/1126.1 三维地形模型数字地面模型数字高程模型高度变化有可能引起：气候变化土壤、植被、地质变化地物变化其它数字地面模型 Digital Terrain Model, DTM DTM是指描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。在20世纪50年代由美国MIT摄影测量实验室主任米勒(C.L.Miller)首次提出，并利用这个模型成功地解决了道路工程中的土方估算等问题。德国的DHM（Digital He

2、ight Model）英国的DGM（Digital Ground Model）美国地质测量局的DTEM（Digital Terrain Elevation Model）DEM（Digital Elevation Model）DTM的涵义比DEM和DHM更广。数字地面模型 Digital Terrain Model, DTM 从数学的角度，可用如下二维函数系列取值的有序集合表示数字地面模型:Kp=fk(up, vp) (k=1,2,3,m; p=1,2,3,.,n) Kp: 第p号地面点(单一点或某点及其微小邻域所划定的一个地表面元)上的第K类地面特性信息的值；(up, vp): 第p号地面点的

3、二维坐标;m(m大于等于1): 地面特性信息类型的数目；n: 地面点的个数。数字地面模型 Digital Terrain Model, DTM 如假定将土壤类型作为第i类地面特征信息，则土壤类型的数字地面模型(数字地面模型的第i个组成部分)如下： Ip=fi(up, vp) (p=1,2,3,n) 1地貌信息：高程、坡度、坡向、坡面形态及描述地表起伏情况的更为复杂的地貌因子； 2基本地物信息：水系、交通网、居民点和工矿企业及境界线； 3主要的自然资源和环境信息：土壤、植被、地质、气候； 4主要的社会经济信息：人口、工农业产值、经济活动等。数字高程模型 Digital Elevation Mod

4、el, DEMKp=fk(up, vp) (k=1,2,3,m; p=1,2,3,.,n) 若m=1, f1为对地面高程的映射, (up, vp)为矩阵行列号时, DTM即为DEM 。DEM是DTM的一个特例或者子集DEM是DTM中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表达。数字高程模型 Digital Elevation Model, DEM测绘绘制等高线、坡度图、坡向图、立体透视图、立体景观图，制作正射影像图、立体匹配图、立体地形模型及地图的修测等。工程应用军事遥感环境与规划体积和面积的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计等。导航、通讯、作战任务的计划等。分类的辅助数据土地现状分

5、析、规划及洪水险情预报等 DEM的具体应用国家地理信息的基础数据：DEM是国家空间数据基础设施NSDI的框架数据组成部分，是“4D产品”之一。土木工程、景观建筑与矿山工程的规划与设计；军事目的(军事模拟等)的地表三维显示；景观设计与城市规划；水流路径分析、可视性分析；交通路线的规划与大坝的选址；不同地表的统计分析与比较；生成坡度图、坡向图、剖面图，辅助地貌分析，估计侵蚀和径流等；作为背景数据叠加各种专题信息，如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，便于显示与分析。 DEM的表示方法1、 数学方法整体拟合：将区域中所有高程点的数据用傅里叶高次多项式、随机布朗运动函数等统一拟合高程曲面。局部拟合：把地面

6、分成若干块，每一块用一种数学函数，如傅立叶级数高次多项式、随机布朗运动函数等，以连续的三维函数高平滑度地表示复杂曲面。 DEM的表示方法2、 图形法线模式：利用离散的地形特征模型表示地形起伏。如：等高线、山脊线、谷底线、海岸线和坡度变换线等。点模式：用离散采样数据点建立DEM，是最常用的生成DEM的方法之一点数据的采样方式：规则格网模式(Grid)、不规则模式(TIN)、根据山峰、洼坑等地形特征点有针对性地采样 DEM的表示方法 规则格网模型（Grid）格网类型：正方形、矩形、三角形格网0,00,10,20,n1,01,11,21,n2,02,12,22,nn,0n,1n,2n,n 规则格网模

7、型0,00,10,20,n1,01,11,21,n2,02,12,22,nn,0n,1n,2n,n数学上：规则格网可表示为一个矩阵，在计算机存储中则是一个二维数组。 DEM=Hij，i=1,2,m；j=1,2,n每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值（?）格网栅格的观点格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。 点栅格观点该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样需要用一种插值方法来计算每个点的高程。 规则格网模型优点：结构简单、易于计算机处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统 可以很容易地计算

8、等高线、坡度、坡向、山坡阴影和自动提取流域地形地形简单的地区存在大量冗余数据地形起伏差别大的地区无法适用对某些特殊计算(如视线计算)的格网轴线方向被夸大如栅格过于粗略，则不能精确表示地形的关键特征，如山峰、坑洼、山脊、山谷等缺点：不规则三角网（TIN）区域中任意点与三角面的位置关系(3种)：位于三角面的顶点；位于三角面的边：对顶点进行线性插值得到；位于三角面内：对顶点进行线性插值得到。优点：可根据地形的复杂程度确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，减少了地形较平坦地区的数据冗余。在显示速度及表示精度方面优于规则格网TIN是一种变精度表示方法：平坦地区数据点较少，地形起伏较大的地区数

9、据点密度较大。这种机制使得TIN数据可用较小的数据量实现较高的表达精度。不规则三角网（TIN）TIN方法的特点(与Grid相比)：从等高线数据中选取重要的点构成TIN，并生成规则格网，在两者数据量相同的情况下，TIN数据具有最小的中误差RMS；与数字正射影像(DOM)的叠加方面，基于TIN的地形图与影像的吻合程度比规则格网的地形图好；当采样数据点的数量减少时，规则格网模型的质量比TIN模型降低的速度快，但随着采样点或数据密度的增加，两者的差别会越来越小。从数据结构占用的数据量来看，在顶点个数相同的情况下，TIN的数据量要比规则格网的大(约310倍)。规则格网不规则三角网等高线数据结构1、坐标原

10、点2、坐标间隔和方向 1、坐标点2、坐标关系1、高程 点数 坐标点 主要数据源原始数据插值离散数据点地形图数字化建模的难易度难易易数据量随分辨率而变较大很小表示拓扑能力尚好很好差适合表示地形简单的平缓地形各种复杂地形简单的平缓地形适用的比例尺中小比例尺大比例尺各类比例尺三维显示方便较方便差图形法表示DEM的比较DEM在地图制图学与地学分析中的应用绘制等高线图 绘制地面晕渲图 DEM在地图制图学与地学分析中的应用绘制透视立体图 由栅格DEM构成的三维模型 由TIN构成的三维模型 DEM在地图制图学与地学分析中的应用绘制晕渲图 晕渲图：采用光线照射使地表产生反射的地面表示方法，用于表现地貌地势。用

11、DEM数据为信息源，以地面光照通量为依据，计算栅格输出的灰度值，由此得到晕渲图的立体效果，逼真程度很好。生成地面晕渲图的计算方法：首先根据DEM数据计算坡度和坡向；将坡向数据与光源方向比较：面向光源的斜坡得到浅色调灰度值；反方向得到深色调灰度值；两者之间得到中间灰值，中间灰值由坡度进一步确定。DEM在地图制图学与地学分析中的应用地面晕渲图与航片、卫片的区别：晕渲图不包括任何地面覆盖信息，仅仅是数字化的地表起伏显示；光源一般确定为西北45度方向，航片的阴影主要随太阳高度角变化；晕渲图都经过了平滑和综合处理，没有航片上显示出的丰富的地形细节。DEM在地图制图学与地学分析中的应用绘制透视立体图 立体

12、图可以生动逼真地描述制图对象在平面和空间上分布的形态特征和构造关系。分析立体图，可以了解地理模型表面的平缓起伏，可以分析各个断面的状况。可以了解研究区域的轮廓形态、变化规律以及内部结构。 DEM在地图制图学与地学分析中的应用 制作透视立体图的基本流程 DEM在地图制图学与地学分析中的应用理论基础是透视原理视点、视角不同，可以绘制方位、距离各异，形态各不相同的透视图，并制作动画三维可视化是三维GIS的基本功能。在进行三维分析时，数据的输入和对象的选择都涉及到三维对象的可视化。 三维可视化是运用计算机图形学和图像处理技术，将三维空间分布的复杂对象(如地形、模型等)或过程转换为图形或图像在屏幕上显示

13、并进行交互处理的技术和方法。6.2 三维可视化三维可视化的基本流程观察坐标系中的三维裁剪：人眼的观察范围是有一定角度和距离范围。在计算机实现三维可视化的时候，也有一定的观察范围，可用视景体(Frustum)来表示这个范围。视景体(Frustum)：由远、近、左、右、上、下6个平面确定。包括：平行投影视景体透视投影视景体三维可视化的基本流程投影方式三维可视化的基本流程平行投影透视投影投影中心到投影平面的距离无限远常用于工业制造和设计，城市三维景观中的二维表示(侧视图)等距离视点越远的物体投影后越小，反之越大常用于户外三维景观观察坐标系中的三维裁切 在三维图形显示过程中，将位于视景体范围外的物体裁

14、剪掉而不显示。通过判断对象与视景体中的6个裁剪面的关系可以确定对象是否位于视景体内部。用户还可以根据需要增加一个附加裁剪面，去掉与场景无关的目标。 视口变换视口是指屏幕窗口内制定的区域；视口变换是指经过坐标变换、几何裁剪、投影变换后的物体显示到视口区域。视口变换类似指定区域的缩放操作；视口的长宽比例应与视景体一致，否则会使视口内的投影图像发生变形。当视角增大，投影平面的面积增大，视口面积与投影平面面积的比值变小，但由于物体的投影尺寸不变，所以实际显示的物体变小。反之，视角变小时，显示物体变大。 1. 视图（视点）变换：把相机放在三角架上，并对准场景；2. 模型变换：对场景进行安排，使物体在照片

15、中位于你所希望的位置；3. 投影变换：选择相机的镜头，调整放大倍数；4. 视口变换：确定照片的大小。视口变换常用的开发包 三维可视化流程中的处理技术都可以用一些图形可视化开发包实现。常用的开发包包括：OpenGL、DirectX、QD3D、VTK、Java3D等，用户可以利用这些开发包提供的接口实现三维显示中的各种功能。 三维数据的空间查询是三维GIS的基本功能之一，是其它三维空间分析的基础。 三维空间查询的方式包括：基于属性数据的三维查询;基于图形数据的三维查询;图形属性的混合三维查询;模糊三维查询等。6.3 三维空间查询三维坐标查询 在获取三维坐标的过程中，由于屏幕上的三维模型的像点与三维

16、模型的大地坐标不是一一对应的，必须把鼠标捕捉到的二维屏幕坐标转换为三维的大地坐标，这实际上是透视投影的逆过程。三维坐标查询问题： 设I2是欧式平面上的整数集，R3是欧式三维空间上的实数集，P为计算机屏幕空间，T为地面三维空间， 。屏幕二维点到三维坐标点的转换 若P与T之间存在映射关系：TP，则对于任意元素 ， ，若满足tp，有t=tt1, t2, , tk， ，则p与模型上多个点(X, Y, Z)对应。 若有元素 ，使得 ，则tm为多个点中唯一的可见点，其中E为视点位置。三维坐标查询高程查询对TIN数据，用内插的方法求出任意一点的高程。一般使用线性内插。内插过程包括格网点定位和高程内插两个过程

17、。格网点定位计算该点到三角网点的距离，找出一个距离最短的点Q。然后把与Q相关的三角面都取出，判断P点落在其中的哪个三角面中。若P点不在P点相关联的所有三角面中，则找出与P点次最近的三角网点，重复上面的判断，直到找到为止。即： 高程内插 假设P点所在的三角面为 ，对应的坐标为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2) ，(x3,y3,z3) 。由其确定的平面方程为：令： 则P点的高程为： 高程查询6.4 三维空间特征量算表面积计算体积计算表面积计算1） 分块曲面拟合： 曲面表面积由分块曲面表面积之和给出。2）全局拟合的曲面： 将计算区域分成若干规则单元，先计算每个单元的面积，再累积计算总面积。

18、三角形格网表面积 正方形格网表面积 （1）三角形格网上的表面积计算 将曲面片转换成平面片，通过计算平面片的面积来计算曲面片的面积。P1P2P3构成的三角形曲面片；P1P2P3为使用一次多项式模型拟合得到的平面片；计算曲面片的面积其实就是计算拟合后的平面片的面积。 基于三角形格网的曲面插值一般使用一次多项式模型 Z=a0+a1X+a2Y。 a, b, c的长度必须根据数据点P1, P2, P3上的数据值h1, h2, h3以及P1P2P3的边长a, b, c计算： 利用海伦公式计算面积：（2）正方形格网上表面积的计算 正方形格网上的表面积计算方法包括两种方法： 曲面拟合重积分法分解为三角形的方法

19、1）曲面拟合重积分方法 根据数学分析，某定义域A上的空间单值曲面Z=f(x, y)的面积由以下重积分计算： 该式无法直接计算，常用的方法是近似计算。比较常用的方法是抛物线求积方法，亦称辛卜生方法。 这一方法的基本思想是先用二次抛物面逼近面积计算函数，进而将抛物面的表面积计算转换为函数值计算。2）分解为三角形的方法将正方形格网DEM的每个格网分解为三角形，利用计算三角形的表面积的计算公式，即海伦公式分别计算分解的三角形的面积，然后累加即得到正方形格网DEM的面积。 Di：第i对三角形两顶点之间的表面距离；S：三角形的表面积；P：三角形周长的一半。2021/3/1147基本思想： 以基底面积(三角

20、形或正方形)乘以格网点曲面高度的均值，区域总体积是这些基本格网体积之和。基于三角形格网的体积计算方法基于正方形格网的体积计算方法体积计算体积计算体积：指空间曲面与某基准平面之间的空间的体积基准平面是一水平面；基准平面的高度不同，当高度上升时，空间曲面的高度可能低于基准平面，出现负的体积；在对地形数据的处理中，体积为正示，工程中称之为“挖方”，体积为负时称之为“填方”。“挖方”和“填方”（1）基于三角形格网的体积计算SA是基底格网三角形A的面积，三角形格网的基本格网的体积计算公式为： （2）基于正方形格网的体积计算体积计算公式：6.5 三维空间分析坡度和坡向计算剖面分析谷脊特征分析水文分析可视性

21、分析缓冲区分析叠置分析阴影分析水淹分析坡度：某点在曲面上的法线方向与垂直方向的夹角，是地面特定点高度变化比率的度量。坡向：法线的正方向在平面上的投影与正北方向的夹角，即法方向水平投影向量的方位角。取值范围从零方向(正北方向)顺时针到360度。 坡度：反映斜坡的倾斜程度 坡向：反映斜坡所面对的方向坡度和坡向计算坡度：地形描述中常用的参数，是一个具有方向与大小的矢量。作为地形的一个特征信息，能间接表示地形的起伏形态，在交通、规划以及各类工程中有着很大的用途如农业土地开发中，坡度大于25的土地一般被认为是不宜开发的；例如，如果打算在山上建造一座房子，必须找比较平坦的地方；如果建滑雪娱乐场，则选择有不

22、同的坡度的区域。坡向：在植被分析、环境评价等领域具有重要意义。坡度和坡向计算基于规则格网DEM的坡度坡向计算基于不规则三角网(TIN)的坡度坡向计算基于等高线的坡度坡向计算（1）基于规则格网的坡度坡向计算 由单元标准矢量的倾斜方向和倾斜量，计算每个单元的坡度和坡向。标准矢量：指垂直于格网单元的有向直线。设标准矢量为(nx, ny, nz)，则该格网单元的坡度S为：格网单元的坡向D为：YZX( i, j ) ( i, j+1)( i+1,j ) ( i+1, j+1)n （1）基于规则格网的坡度坡向计算在实际计算时，通常是用33的移动窗口来计算中心单元的坡度和坡向（?）。计算时考虑邻接单元的影响

23、有不同方式，常用的方法：Ritter算法 Horn算法 Ritter算法：只考虑直接与中心点单元相邻的4个单元，图中中心点e的坡度为：ei：相邻单元值;d：单元大小;(e1-e3)：x方向的高差;(e4-e2)：y方向的高差。 中心点e的坡向为：Horn算法：考虑与中心单元相邻的8个相邻单元，直接邻接单元(e2, e4, e5, e7)的权值为2，其它4个单元 (e1, e3, e6, e8)的权值为1。 中心点e的坡度为： 中心单元e的坡向为： Horn算法被广泛应用于商业软件中，ArcGIS软件用Horn算法计算坡度坡向。（2）基于不规则三角网的坡度坡向计算使用双向标准矢量，该矢量垂直于三

24、角面。设三角面的三个节点坐标分别为, 则标准矢量为矢量 =(x2-x1, y2-y1, z2-z1) 和 =(x3-x1, y3-y1, z3-z1)的向量积。标准向量的三个分量为：带入以下两式可计算坡度和坡向（3）基于等高线的坡度坡向计算等高线计长法统计学计算方法等高线计长法 20世纪50年代原苏联著名的地图学家伏尔科夫提出，定义地表坡度为：h为等高距， 为测区等高线总长度，P为测区面积。等高线计长法求出的是一个区域内坡度的均值，前提是量测区域内的等高距相等。对于测区较大或等高距不等的情况计算出坡度有较大误差。利用等高线计算坡向： 基本思想：设置一个小窗口，首先计算小窗口内单根矢量等高线的坡

25、向 (等高线法线的倾角)，然后计算窗口内的最终坡向： ：窗口内的最终坡向，li：窗口内单根等高线的长度， ：窗口内等高线的总长度窗口内的坡向计算以单根等高线的长度为权值的。统计学计算方法 是等高线计长方法的变通方法，用于测区较大或等高距不等的情况。其基本逻辑：地形坡度越大等高线越密、坡度越小等高线越稀。将研究区域划分为mn个矩形子区域，计算各子区域内等高线的总长度；根据回归分析方法统计计算出单位面积内等高线长度值与坡度值之间的回归模型；将等高线的长度值转换成坡度值。 优点：可操作性强，不受数据量的限制，能处理海量数据。 以数字地形模型（DEM）为基础构造某一个方向的剖面，以线代面，概括研究区域

26、的地势、地质和水文特征； 可在地形剖面上叠加表示其它地理变量，如坡度、土壤、岩石抗蚀性、植被覆盖类型、土地利用现状等，可以作为提供土地侵蚀速度研究、农业生产布局的立体背景分析、土地利用规划，以及工程决策(例如工程选线和位置选择)等的参考依据。剖面分析剖面分析地形剖面线是剖面分析的基础地形剖面线根据所选剖面与数字地形图上地形表面的交点反应地形的起伏情况。地形剖面线的生成方法：基于规则格网(Grid)的方法基于不规则三角网(TIN)的方法基于规则格网的剖面线生成算法(1)确定剖面线的起止点。由坐标确定，或用鼠标在三维场景中选择决定；(2)计算剖面线与经过网格的所有交点，内插出各交点的坐标和高程，将

27、交点按离起始点的距离排序；(3)顺序连接相邻交点，得到剖面线；(4)选择一定的垂直比例尺和水平比例尺，以离起始点的距离为横坐标，以各点的高程值为纵坐标绘制剖面图。剖剖面面线线剖剖面面图图基于不规则三角网的剖面线生成方法：用剖面所在的直线与TIN中的三角面的交点得到剖面线。可先利用TIN中各三角形构建的拓扑关系快速找到与剖面线相交的三角面，再进行交点的计算，这样可以提高运算速度。最后，以距离起始点的距离为横坐标，以各点的高程值为纵坐标绘制剖面图。 基于DEM的谷脊分析是地形分析的重要内容，在地学中的水文分析中有重要应用。如地表径流分析首先要找出该区域的谷脊点。谷、脊是两个相对的概念。谷：地势中相

28、对最低点的集合脊：是地势相对最高点的集合谷脊分析基于栅格DEM数据判断谷点和脊点： 设hx为某点的高程值，则：当(hi,j-1-hi,j)(hi,j+1-hi,j)0时，若hi,j+1 hi,j，则VR(i,j)=-1；若hi,j+10时，若hi-1,j hi,j，则VR(i,j)=-1；若hi-1,j hi,j，则VR(i,j)=+1;其它情况下，VR(i,j)=0其他点。VR(i,j)=-1谷点VR(i,j)=+1脊点该方法只能提供概略结果。对谷脊特征作精确分析：由曲面拟合方程建立地表单元的曲面方程；确定曲面上各个插值点的极小值和极大值；当插值点在两个相互垂直的方向上分别为极大值或极小值时

29、，确定出谷点或脊点。 水文分析数据基础：无洼地的DEM关键步骤：流向分析 水文分析 水文分析使用DEM数据 派生 其它水文特征：提取河流网络、自动划分流域。这些是描述某一地区水文特征的重要因素。无洼地DEM的生成 DEM数据中存在误差；存在一些真实的低洼地形，如喀斯特地貌 在进行水流方向计算时，由于凹陷区域的存在，往往得到不合理的甚至错误的水流方向。流向分析 格网编码10141011100410191015100710251021 1012+1+4+11-4+8-10-6+3(a)(b)(c) 根据中心格网与邻域格网的最大距离权落差确定。距离权落差：中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离

30、。栅格间的距离与方向有关w方向数为1,4,16,64，距离为栅格单元边长的 倍w方向数为2,8,32,128，距离为栅格单元的边长2 2787269715849746756494650695344373848645855223124686147211619745334121112222448222448112484128 12812482214441111416326412816x1842ArcGIS 水流方向编码示例汇流累积矩阵的计算 汇流累积数值矩阵：表示区域地形每点的流水累 积量。可基于水流方向数据计算得到。 基本思想： 以规则格网表示的数字地面高程模型的每点都有一个单位水量，按照自然水

31、流从高处往低处流的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，计算得到该区域的汇流累积量。 326412816x1842示例水流长度的计算 水流长度：地面上一点沿水流方向到其流向起点(或终点)间的最大地面距离在水平面上的投影长度。 河网的生成基于流水累积量。设定阈值，思想是根据所设定的阈值对整个区域进行判断，其中汇流量大于阈值栅格，就是潜在的水流路径。河网提取方法：主要采用地表径流漫流模型。 流域的分割 流域又称集水区域，指流经其中的水流和/或其它物质从一个公共的出水口排出从而形成了一个集中的排水区域。流域显示每个流域汇水区域的大小。出水口(或出水点)是流域内水流的出口，是

32、整个流域的最低处。流域间的分界线是分水岭。分水岭包围的区域称为一条河流或水系的流域，流域分水线所包围的区域面积就是流域面积。 也称视线图分析，由于它描述通视情况，也称为通视分析。可视性分析实质上属于对地形进行最优化处理的范畴，比如：设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航等，在军事上，如布设阵地(炮兵阵地、电子对抗阵地)、设置观察哨所、铺设通信线路等。不可见区域分析：如低空侦察飞机在飞行时，要尽可能避免敌方雷达的捕捉，飞机需要选择雷达盲区飞行。可视性分析对军事活动、微波通讯网和旅游娱乐点的规划开发都有着重要的应用价值。 可视性分析 可视性分析包括：两点之间的可视性(intervisibi

33、lity)分析可视域(viewshed)分析 需注意的问题：DEM描述地面点的高程不包括地面物体(森林、建筑物等)的高度；当地物高度对分析结果有不可忽略的影响时，需考虑进行地物高度的因子修正，以正确地确定通视情况。两点之间的可视性分析在基于格网DEM的通视分析中，将格网点作为计算单位，把点对点的通视问题简化为DEM格网与某一地形剖面线(视线)的相交问题。设视点V的坐标为(x0,y0,z0)，目标点p的坐标为(xp,yp,zp)；DEM为二维数组Zmn，则V为(m0,n0,Zm0,n0)，P为(mp,np,Zmp,np)。两点间可视性分析的计算过程：生成V、P的连线到DEM的XY平面的投影点集x

34、k,yk, k=1,2,N)，得到投影点集xk, yk在DEM中对应的高程数据Zk，形成V到P的DEM剖面线。因V点和P点的高程值已知，根据三角学原理，内插出V、P连线上各点的高程值，计算公式如下： N为V到P的投影直线上离散点的数量。比较数组Hk与数组Zk中对应元素的值，如果 ，k 1, N，使得ZkHk，则V与P不可见；如果 ，k 1, N，使得ZkHk，则V与P可见。点对线的可视性求点对线上的每一点的可视性，是点对点的可视性的扩展。基于格网 DEM的点对线的通视性分析算法：设P点为一沿着DEM数据边缘顺时针移动的点，与计算点对点的通视类似，求出视点到P点的投影直线上的点集x,y，并求出相

35、应的地形剖面x, y,(x, y)；计算视点与P点连线上的高程值；利用类似于点对点的可视性分析同样的方法判断点P是否可视；移动P点，重复以上过程，判断目标线上的所有的点是否可视，算法结束。点对区域通视点对点算法的扩展。与点到线的通视问题相同，P点沿目标区域数据边缘顺时针移动，逐点检查视点至P点的直线上的点是否通视。改进算法思想：考虑到视点到P点的视线遮挡点，最有可能是地形剖面线上高程最大的点。因此，可以将剖面线上的点按高程值进行排序，按降序依次检查排序后每个点是否通视，只要有一个点不满足通视条件，其余点不再检查。考虑地物高度的可视性计算模型如计算建筑物A的顶层能看到的地面范围。设不可视部分的长

36、度为S，可视部分的长度为V ，根据相似三角形的原理得出可视部分长度S： S:不可视部分的长度；V:可视部分的长度；H:建筑物高度；h:中间障碍物的高度；t:中间障碍物的地面高度；O:被观察者的身高；tw:观察者所在位置的地面高程。可视性分析的基本用途：可视查询可视域计算水平可视计算等可视查询指对于给定的地形环境中的目标对象(或区域)，确定从某个观察点观察，该目标对象是全部可视还是某一部分可视。可视查询包括：点状目标可视查询：确定该点是否可视；线状目标可视查询：确定某一部分可视或不可视；面状目标可视查询：确定某一部分可视或不可视。 可视查询：观察点问题（1）设置观察点问题: 在地形环境中选择数量

37、最少的观察点，使得地形环境中的每一个点，至少有一个观察点与之可视。 如：配置哨位问题、设置炮兵观察哨、配置雷达站等问题。观察者从某一地点可以看到的范围：可见度分析。可视查询：典型的观察点问题（2）确定观察点的最大可视范围： 对给定的观察点数据(甚至给定观察点高程)，确定地形环境中可视的最大范围。 观察者不仅想知道从某点看到的范围，而且也要确定从另一个观察者的视点能看到多少，或者相互看到多少：相互可见度分析。可视查询：典型的观察点问题（2）确定观察点的最大可视范围： （3）与单个观察点相关的问题 确定能够通视整个地形环境的高程值最小的观察点，或者给定高程，查找能够通视整个地形环境的观察点。森林火

38、塔的定位电视塔的定位旅游塔的定位等地形可视结构计算：计算对于给定的观察点，地形环境中通视的区域及不通视的区域。地形环境中基本的可视结构就是可视域，它是构成地形模型中相对于某个观察点的所有通视的点的集合。利用可视域计算，可以将地形表面可视的区域表示出来，从而为可视查询提供丰富的信息。可视域计算的典型应用例子：视线通信问题。视线通信问题就是对于给定的两个或多个点，找到一个可视网络，使得可视网络中任意两个相邻的点之间可视。例如：对于给定的两个点A、B，确定在A、B之间设计至少多少个点可以保证A、B两点之间任意相邻点可视，这种形式一般称之为“通视图”问题。这类问题可以应用到微波站、广播电台、数字数据传

39、输站点等网络系统的设计方面。水平可视计算：是指对于地形环境给定的边界范围，确定围绕观察点所有射线方向上距离观察点最远的可视点。水平可视计算是地形可视结构计算的一种特殊形式，需要的存储空间很小。 表面路径问题：一个与可视域和水平可视计算都相关的应用问题。基本任务：解决地形环境中与通视相关的路径设置问题。对于给定的两点和预设的观察点，求出给定两点之间的路径中，从预设观察点观察，没有一个点可通视的最短路径。如隐蔽者设计的隐蔽路线。相反情况：寻找一个每一个点都通视的最短路径。如旅游风景点中旅游路线的设置。6.5 三维空间分析坡度和坡向计算剖面分析谷脊特征分析水文分析可视性分析缓冲区分析叠置分析阴影分析

40、水淹分析三维缓冲区分析缓冲区：利用邻近的概念，把地图分为两个区域。地图要素的指定距离范围之内缓冲区指定范围之外的区域 把二维缓冲区的概念扩展到三维空间，定义三维缓冲区范围。三维缓冲区分析应用更广泛：点缓冲区分析：如空中爆炸物影响范围的确定；线缓冲区分析：地下管网、水利管道的分析；面缓冲区分析：城市规划中的公园扩建。三维缓冲区分析三维缓冲区分析三维点目标缓冲区分析R 缓冲区是以该目标为球心，缓冲半径为半径的一个球状区域。三维缓冲区分析三维线目标缓冲区分析 缓冲区域是一个以该线目标为内核，缓冲半径为外缘的缆索状区域。R三维缓冲区分析三维面目标缓冲区分析 利用二维缓冲区方法生成一个面缓冲区多边形,以

41、该多边形为横断面，沿着Z轴上下延伸缓冲区半径大小范围，得到一个空间体范围。R三维叠置分析叠置分析：指在统一空间坐标参照系统下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。合成叠置分析 多重属性的综合统计叠置分析 提取特定专题的数量特征三维叠置分析（1）将二维要素图层与三维要素图层进行叠置二维规划用地类型图层与城市三维模型图层叠置，得到三维图层中某一建筑物所属的规划用地类型。（2）三维要素图层与三维要素图层的叠置三维隧道与三维DEM数据的三维叠置，分析三维隧道所穿越的三维目标，为三维隧道选线和日常维护提供基础。三维叠置分析线状地物和三

42、维图层叠置分析三维叠置分析三维图层间的叠置分析三维叠置分析三维图层间的叠置分析阴影分析什么是阴影分析？ 光源从某个特定角度照射地物表面时产生的阴影效果分析。最常用的是日照阴影分析，即以太阳为光源的阴影分析。城市建筑物的有效日照时间是城市规划中的热点问题。利用日照阴影分析可以为政府、相关规划部门及公众提供科学的日照效果参考。阴影分析阴影分析的原理根据日照的基本规律，首先根据地物所在位置的地理纬度、太阳赤纬角以及时角确定太阳运动轨迹;计算地物的日照时间、日照间距等。 太阳在天球上的运动轨迹主要由太阳高度角和方位角定义。阴影分析太阳高度角hs的计算公式太阳方位角As的计算公式为地理纬度； 为赤纬角；

43、t 为时角。 赤纬角阴影分析日照时间分析的关键：判断空间点是否被障碍物遮挡传统方法包括：日棒影图和日照圆锥面。 日照圆锥面的基本思路：地物地面所在高度上的水平面为阴影承影面；求地物在阴影承影面上的二维阴影多边形；通过分析目标点与二维阴影多边形的位置关系，分析目标点是否被障碍物遮挡。阴影分析阴影分析日照圆锥面分析的条件：待判读点在承影面上，当该条件不能满足时，会出现计算错误。克服缺点的办法：将二维算法扩展到三维空间，通过点与影域之间的关系判断点是否被遮阳。改进后算法：根据建筑物的不同面求相应的影域，分别对不同的影域进行分析，判断该点是否落在影域内；对所有面得到判断结果，只要该点落入建筑物的某个面

44、的影域内，就判断该点落在建筑物的影域内，即该点被遮阳，否则不被遮阳。阴影分析提高计算效率：先判断面是阳面还是阴面阴面：直接判读该点不在影域范围内阳面：进一步计算使计算量减少近一半。判读阴阳面的算法：计算多边形墙面的法向量Nw及太阳光向量Ns；计算Nw和Ns的夹角；若夹角大于 （即NwNs 0），则该面为阳面，否则为阴面。阴影分析 日照分析应用中最常用的是建筑物的日照时间分析。为了使得建筑物每天能得到规定的日照时间，要进行日照间距分析。 日照间距指前后两排南向房屋之间，为保证后排房屋在冬至日底层获得不低于二小时的满窗日照而保持的最小间隔距离。 以房屋长边向阳，朝阳向正南，正午太阳照到后排房屋底层

45、窗台为依据来进行计算阴影分析日照间距分析的基本步骤：（1）根据建筑物要求达到的全天最小日照时间计算所需时刻T：T= 12- min T （2）计算时刻T的太阳高度角Hs和太阳方位角As（3）计算日照间距系数（南向或南偏东西向）：Coefficient = ctan Hscos (As a ) （4）计算日照间距L：L = H Coefficient 根据全年任一天任意时刻具体的太阳方位角和高度角，计算某时刻太阳光对地物的日照情况，得到最终的日照阴影效果。地形的日照阴影建筑物的日照阴影阴影分析洪水淹没方式分为：漫堤式淹没和决堤式淹没。 漫堤式淹没：堤坝没有溃决，由于洪水水位过高导致的洪水从堤坝顶

46、部进入淹没区； 分析在特定水位条件下，洪水会导致多大的淹没范围和多高的水深分布。决堤式淹没：堤坝溃决，洪水从溃决处进入淹没区。 分析某一洪量条件下，洪水可能造成多大的淹没范围和水深分布。水淹分析水淹分析水淹分析是基于地形数据实现的。常用的地形数据包括：TIN数据：由于其存储和分析的复杂性，不利于水淹分析。GRID数据：水淹分析的主要数据源。水淹分析给定洪水水位的淹没分析：首先确定洪水水源入口;再根据给定的洪水水位，从水源处开始进行格网连通性分析，所有能够与入口处连通的格网单元就是洪水淹没的范围。计算淹没范围内格网的水深W，得到水深分布情况。 W=H-E H：洪水水位；E：格网单元高程值。水淹分

47、析水流方向：由高向低沿着坡度最陡的方向流动，可以根据该点的8个相邻格网的高程来判断。 具体算法： 1）首先从水平、垂直四个方向的格网(灰色部分)高程中找出最大高程点hmax1和最小高程点hmin1； 水淹分析2）从对角线的四个方向(白色部分)找出最大高程点hmax2和最小高程点hmin2；3）对hmax1和hmax2进行比较： d：DEM格网间距; h：DEM中当前点的高程。选出的点即当前点的上游点(入水点)。水淹分析4）对hmin1、hmin2进行比较选出的点为当前点的下游点(水流方向点)。101410111004101910151007102510211012100410151007102

48、510217.781015876水淹分析径流分析：能够形成地表径流的地貌形态：河流及洪水形成的山谷沟渠。河流和山谷都属于谷地地貌，可以通过山谷线来判断，山谷线的生成与谷点分布相关。进行径流分析前要先找出该区域的谷脊点。通过谷脊分析得到谷点和脊点后，可根据山谷线的特征获取山谷线，从而得到地表径流路径。水淹分析具体分析方法：每一条山谷线均由连续的局部极小值构成；对于某一条特定的山谷线，由其最高点(上游)往下游延伸的其它山谷线特征点的高程值应越来越小；山谷线的终止条件：连接另一条山谷线；汇入湖泊或海洋；到达DEM的边缘从谷点数组中找出高程最大的点作为当前山谷线的起始点，从该点沿水流方向向下游跟踪，直

49、至终止。水淹分析洼地连通分析：（1）河流沟谷本来就终止于该洼地 通过山谷线分析得到山谷线，再根据水流方向直接往下游追踪，最后得到与该沟谷(或河流)连接的洼地，得到两者的连通关系。（2）当被淹没的洼地水位到达一定程度时，水从洼地边缘漫出，流向其它较低地区。通过分析找到洼地边缘和溢口判断流水的溢出点及判断流水的流向（水流分析）水淹分析洼地边缘（射线法、扩散法）射线法从平行线和铅垂线两个方向扫描洼地边缘点。具体做法： 从洼地点数据集中取一个点，分别沿平行于X轴和Y轴的方向扫描，逐点判断所扫描的点的VR(i,j)的值；若VR(i,j)=1且为此方向扫描中的第一点，则该点为洼地边缘点。水淹分析洼地边缘（

50、射线法、扩散法）扩散法（子蔓延法） 将洼地底点中的一个点作为种子点，向周围相邻的8个方向扩散。扩散点中如果有VR(i,j)值为1，则停止扩散，将该点作为边缘点，反之作为种子点继续向外扩散。重复该过程，直至扫描完所有种子点。水淹分析洼地溢口 该洼地边缘点中高程值最小的点，从该点出发，根据水流方向进行分析，可以得到溢出水流的方向，从而得到洼地间连通性的分析结果。水淹分析给定洪量的淹没分析 依据洪量分析对应的淹没情况。给定洪水水位的淹没分析 水流方向、地表径流、洼地连通分析水淹分析给定洪量的淹没分析基本思想：计算给定水位条件下淹没区域的容积，将容积与洪量相比较；利用二分法等逼近算法，找出与洪量最接近

51、的容积，容积对应的淹没范围和水深分布即最后的分析结果。水淹分析给定洪量的淹没分析淹没区域的容积V和洪水水位H之间的关系： Ai：连通淹没区格网单元的面积；Ei：连通淹没区格网单元的高程；M：连通淹没区格网单元的个数，由连通性分析求得。水淹分析给定洪量的淹没分析定义一个淹没区域容积与洪量Q的逼近函数F(H)：使Q和V最接近，即求一个H使得F(H) 0F(H)：单调递减函数，函数变化趋势如下图：逼近函数F(H)变化趋势图水淹分析给定洪量的淹没分析用二分逼近算法加速求解过程；用变步长方法加速其收敛过程首先求一个水位H1，使得F(H1)0再利用二分法求F(H)在(H0, H1)范围内趋近零的HqHq对

52、应的淹没范围和水深就是给定洪量条件下的淹没范围和水深。Hq求解示意图水淹分析洪水淹没的三维显示 根据洪水分析结果，可将淹没范围与地形数据叠加，得水深分布静态效果图，还可利用动画模拟洪水淹没的动态过程。(1)静态水深分布显示原理 将淹没范围的数据与地形数据进行叠加，改变淹没区域中的数据格网单元的显示颜色。 为表现逼真的水淹效果，将结果数据与原始的地形数据分别显示。显示原始地形格网数据：根据地表纹理图案、光照角度及原始地形格网的高程值计算各格网的纹理坐标，绘制原始地形数据的效果图；设定一个和原始地形数据分辨率和范围相同的结果地形数据；设置结果地形数据中的高度值和节点颜色：被淹没区高度值为水位高度值

53、，颜色由水深和本色值共同决定；未淹没区高度值为原始地形数据中的高程值，颜色保留原始地形格网数据的显示颜色；将结果地形数据显示层与原始地形格网显示层进行叠加显示。水淹分析2021/3/11139水淹分析洪水淹没的三维显示(2)动态淹没显示原理 动态淹没显示主要依据洪水淹没过程中一个基本规律：当某个点的水位H2高于另一个点的水位H1时，水位H2条件下的淹没范围一定包括水位H1条件下的淹没范围。 6.6 ArcGIS的三维数据空间分析工具ArcCatalog 可以实现三维数据的管理和创建三维图层。主要功能包括：三维数据的浏览和导航三维图层的创建和预览三维视窗属性的设置三维数据的元数据创建三维特征集的

54、建立等ArcScene： 三维分析的重要平台，可以实现三维视图的导航和交互编辑功能。 主要功能包括：数据的可视化表面的创建各种表面分析功能：坡度坡向分析、表面积及体积计算、可视域分析、最陡路径分析等。与ArcMap实现的功能基本一致。ArcGlobe： ArcGIS最新推出的三维分析平台，能实现全球范围内的大容量三维数据的显示和分析。主要功能包括：多种格式数据的集成显示大容量数据的浏览和管理二维数据的三维扩展显示和分析三维飞行动画的创建三维叠置分析可视域分析三维缓冲区分析不同的图层效果的设置：透明度、光源、阴影等 多个透视图的同时显示，等ArcGIS创建表面的方式：基于规则空间格网数据(GRI

55、D数据)基于不规则三角格网数据(TIN数据)表面模型的创建u规则空间格网(GRID)数据的建立又称为基于栅格数据的方式，由一些有限点数据利用内插方法创建表面模型。内插：使用有限样本值去预测未知位置值，即由已知样本点数据来计算未知位置的值。内插原理：地学领域的距离相关原理，任何物体之间都是相关的，距离越近相关性越大内插精度：样本点数量及其分布的均匀程度采样点多、分布均匀插值效果好表面模型的创建常用的内插方法反距离权重法样条函数法克里金法自然领域法等ArcGIS三维分析中提供的插值方法：可变半径和固定半径的反距离加权插值张力样条和规则样条插值可变半径和固定半径的克里金插值自然邻域法插值表面模型的创

56、建可变半径和固定半径的反距离加权插值ArcGIS提供了两种方式实现反距离加权插值：可变半径反距离加权插值：在输出栅格单元最大搜索半径范围内，找出最近的N个点作为插值的输入点；固定半径的方法：使用指定搜索半径范围内的所有点作为插值的输入点。表面模型的创建具体操作方法： 3D Analyst模块的“Interpolate to Raster”菜单项的“Inverse Distance Weighted”方式。表面模型的创建反距离插值对话框：数据源(Input points)选择插值的属性字段(Z value field)设置幂指数(Power)：即距离指数，幂指数越大，点的距离对每个处理单元的影响

57、越小，一般取值范围为0.5到3设置搜索半径类型(Search radius type)：“Variable”可变方式，“Fixed”固定方式。表面模型的创建反距离插值对话框：设置最大搜索半径内用作输入的点数设置最大搜索半径设置隔断线指定输出栅格单元大小指定输出路径及文件名表面模型的创建张力样条和规则样条插值ArcGIS中：张力样条插值规则样条插值张力样条中的权值是用来调整表面弹力的值，加权值越大，表面弹性越大，权值为0时为标准薄板样条插值，除此以外，典型的加权值还有1、5、10等；规则样条的权值是用来控制表面的平滑度的，权值越大，表面越平滑，相应的坡度表面也越平滑，权值一般的取值范围为0-0.

58、5。表面模型的创建操作方法： 3D Analyst模块中“Interpolate to Raster”菜单项的“Spline”(样条)项，打开样条插值对话框并设置参数。 插值过程的输入参数包括：选择输入点数据源和用来插值的属性字段；选择样条插值类型，“Tension”为张力样条插值，“Regularized”为规则样条插值；设置加权值；指定输入栅格单元插值使用的最少点数量(Number of points)；指定输出栅格单元的大小(Output cell size)；指定输出路径及文件名(Output raster)。表面模型的创建可变半径和固定半径的克里金插值克里金插值法：普通克里金插值（O

59、rdinary）假定均值是未知的常数泛克里金插值（Universal）两种方式。适用于数据趋势已知且能够对数据进行科学的判断的情况ArcGIS中克里金插值：可变搜索半径（Varial）固定搜索半径（Fixed）表面模型的创建可变搜索半径：在计算插值单元时，其计算中使用的点数是可变的，即对不同插值单元，其搜索半径是可变的，搜索半径的大小为搜索达到指定点数输入点时的距离。固定搜索半径：将搜索半径限制到一个特定值内，如果达到最大搜索半径时，但所搜索到的点数还没达到指定的数目，停止搜索。适用于采样点在某些区域比较稀少的情况，可确保插值精度。表面模型的创建操作方法： 3D Analyst模块中“Inte

60、rpolate to Raster”菜单项的“Kriging”（克里金）项，打开克里金插值对话框。 插值过程的参数设置包括：选择输入的点数据源及插值属性字段；选择克里金插值方式：普通克里金还是泛克里金；选择插值所用的模型；设置搜索半径类型：固定的或者可变的；指定输出栅格单元大小；指定输出路径及文件名。表面模型的创建自然邻域法插值基本思路：利用输入点及邻近栅格单元进行插值生成栅格表面。方法：利用输入数据点(样本点)为节点，建立Delaunay三角形;样本点的邻域为其周边相邻多边形形成的凸集中最小数目的节点;相邻点的权重由Thiessen/Voronoi方法计算得到。表面模型的创建实现方法： 3D

61、 Analyst模块中“Interpolate to Raster”的“Natural Neighbors”项，打开自然邻域插值对话框。参数设置：选择输入点数据源选择用于插值的高程数据源指定输出栅格单元大小指定输出路径和文件名表面模型的创建不规则三角格网数据(TIN)的建立数据：混合矢量数据源，包括：点数据、线数据、面数据。点数据最重要：决定整个TIN表面的基本形状，点集的密度由区域的起伏情况决定，起伏较大的区域点集密度大，反之，可减少点的密度。表面模型的创建另一种矢量数据源：隔断线(Breakline)。隔断线是ArcGIS用来表示线要素的方法，包括：硬断线：硬断线表示表面上突变的特征线(坡

62、度不连续)，如山脊线、河流边界、道路边界等；软断线：是可以添加到TIN表面，但不改变表面形状的线(即不参与TIN数据的创建)，通常用于标注当前的研究区域范围。硬断线干预插值运算，设置硬断线后，插值运算只能在线的两侧单独进行，落在硬断线上的点同时参与线两侧的插值运算，硬断线改变了TIN表面的形状。表面模型的创建多边形数据对构TIN的影响：ArcGIS中参与TIN生成的多边形：裁切多边形：定义插值的边界，多边形之外的输入数据不参与插值运算；删除多边形：定义插值的边界，多边形之内的数据不参与运算；替换多边形：将多边形内定义为相同的高度值，常用于模拟湖面或被挖成平面的坡面；填充多边形：对落入多边形内的

63、所有三角形的属性值取整，多边形外的不受影响。表面模型的创建操作方法：ArcGIS中建立TIN的基本过程：3D Analyst模块中的“Creat/Modify TIN”，选择“Create TIN from Feature”在对话框中设置参数，包括：选择建立TIN的要素层选择高程属性字段选择插值用的要素类型设置输出数据文件名和路径表面模型的创建ArcGIS提供了各种三维数据间的转换功能：二维要素到三维要素的转换栅格数据或TIN数据到矢量数据的转换栅格数据与TIN数据的相互转换数据转换二维要素到三维要素的转换根据高程获取方式的不同，二维要素数据转换为三维数据的方法有：从表面获取现有要素的高程值通

64、过要素属性获取要素高程以某常量为要素高程属性数据转换栅格数据或TIN数据到矢量数据的转换将栅格数据转换为某种特征要素数据(如高程、坡度或者坡向等)。根据需要将要素类转换为多边形范围。最后转换得到的矢量数据主要是进行进一步的叠置分析或编辑，如可以从栅格数据中得到高程值大于3000米的矢量多边形用来参与相关的叠置分析。数据转换操作方法:打开“Raster to Features”对话框：选择输入的栅格数据；选择需要拷贝到输出要素的字段；选择输出要素类型；指定输出文件名及路径。数据转换TIN数据转换为矢量数据的基本思想：从TIN表面上提取坡度坡向多边形或是提取TIN三角节点的高程值直接作为点要素。A

65、rcGIS中的步骤:打开“TIN to Features”对话框；选择输入的TIN数据；选择转换类型；指定输出文件名及路径数据转换栅格数据与TIN数据的相互转换栅格数据到TIN数据的转换步骤：打开“Convert Raster to TIN”对话框；选择输入的栅格数据；设置TIN的垂直精度（即输入栅格单元中心的高程与TIN表面间的最大差值），垂直精度越小，生成的TIN越能保留原有栅格表面的详细程度，值越大，表面越粗糙；设置加入到TIN中的点数限制；设置输出TIN文件名及路径。数据转换TIN数据到栅格数据的转换步骤：打开数据转换对话框；选择输入TIN数据；选择要转换到栅格数据中的TIN属性字段（

66、高程、坡度、坡向等）；设置高程转换系数：当高程坐标单位与平面坐标单位不一致时，将高程坐标单位转换到平面坐标单位时的常量；设置输出栅格单元大小；设置输出栅格文件名及路径。数据转换表面分析是ArcGIS三维分析模块中最主要的功能模块。包括：三维查询阴影分析坡度坡向计算表面积和体积计算可视性分析剖面分析，等表面分析坡度坡向计算基于栅格数据的坡度指：过该栅格点的切平面与水平地面的夹角。有两种表示方法：坡度：水平面与地表面的夹角坡度百分比：高程增量与水平增量的百分比栅格数据的坡度计算的具体实现方法：选择“Spatial Analyst”中的“Surface Analyst”项，打开“Slope”对话框；

67、输入参数：1）选择输入栅格数据；2）选择坡度的表示方式；3）设置高程变换系数；4）设置栅格单元大小；5）设置输出坡度的文件名及路径。表面分析基于TIN表面的坡度计算：某点必然会落入三角网中的某个三角形，点的坡度为落入三角形面与水平面间的夹角。实现方法：“3D Analyst”中“Surface Analyst”，打开“Slope”对话框；输入参数：选择输入TIN数据；选择坡度的表示方式；设置高程转换系数；设置输出图的栅格单元大小；设置输出坡度的文件名及路径。表面分析栅格数据坡向计算：地面上一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。起始方向为正北方向，按顺时针计算，取值范围为

68、0-360度。操作方法：“Spatial Analyst”中“Surface Analyst”项，打开“Aspect”对话框；输入参数：选择输入栅格数据；设置输出栅格大小；设置输出文件名及路径。表面分析基于TIN的坡向计算：该点所在三角面的坡向，即三角面的法线方向在平面上的投影与正北方向的夹角。操作方法：“3D Analyst”中选择“Surface Analyst”，打开“Aspect”对话框，输入相关参数，操作方法和基于栅格的坡向计算方法相同。表面分析表面积及体积计算表面积：沿着表面的斜坡的斜面面积，通常比其在二维平面上的投影面积大(平坦时两者相等)。体积：表面与某个参考平面之间的体积。A

69、rcGIS中两种体积的计算：基于参考面之上的基于参考面之下的l具体操作：选择“3D Analyst”中的“Surface Analyst”，打开“Area and volume”对话框；输入参数：设置输入文件参考平面计算底面积、表面积及体积可视性分析：视线瞄准线的建立及可视域分析视线瞄准线的建立选择“Line of sight”，场景中选择观测点及被观测点位置，得到视线瞄准线。红色部分为不可视，绿色部分为可视。可视域分析可视域：指一个点或多个点所看到的所有范围。操作方法：选择“3D Analyst”中的“Surface Analyst”，打开“Viewshed”对话框；设置参数：选择输入的栅格

70、数据或者TIN数据；设定观察点；设置高程变换系数；设置输出文件的单元大小；设置输出文件名及路径。剖面分析剖面分析主要是制作剖面图，在公路和铁路的铺设及地下管线的建设中有着重要的作用和意义。剖面图主要表示地表面上某条线方向上高程变化的情况。在ArcGIS中的实现方式：选择“3D Analyst”模块中的Interpolate line工具设置剖面线，再利用“Profile Graph”工具生成剖面图。阴影分析阴影分析中主要的三个参数为：太阳方位角、太阳高度角及表面灰度值。 太阳方位角：太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似看作竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。正南方向为

71、零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为负90；在正西方时为90，在正北方时为180。太阳高度角：某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角。表面灰度值：ArcGIS中的表面灰度值：0-255。操作方法： “3D Analyst”中的“Surface Analyst”，打开“Hillshade”对话框。输入参数：1)选择输入数据；2）设置太阳高度角和方位角；3）设置输出栅格单元大小；4)设置输出文件名及路径。 1.简述三维数据模型的类型及特点？2.简述数字地面模型和数字高程模型的概念？3.简述DEM的表示方法？4.简述DEM在地图制图学与地学分析中的应用？5.简述三维可视化的基本原理和特点？6.简述三维空间查询的原理和方法？7.简述表面积计算和体积计算的方法？8.简述坡度和坡向的计算方法？思考题2021/3/111809.简述剖面分析的原理和方法？10.简述水文分析的原理和方法？11.简述可视性分析的原理和方法？12.简述三维缓冲区分析的原理和方法？13.简述三维叠置分析的原理和方法？14.简述阴影分析的原理和方法？15.简述水淹分析的原理和方法？16.简述ArcGIS的三维数据空间分析工具？思考题2021/3/11181个人观点供参考，欢迎讨论