使用ARCGIS进行DEM制作和表面分析.ppt

中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心DEM和表面分析EmailEmail：中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心DEM和表面分析五、综合应用五、综合应用四、空间内插方法四、空间内插方法 三、空间表面分析三、空间表面分析本章内本章内本章内本章内容容容容二、二、DEMDEM制作制作一、基本含义一、基本含义2中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心一、DEM是什么 DEM是“数字高程模型（Digital Elevation Model）”的英文简写。数字地形模型(DTM)：即Digital Terrain Model，是数字形式表示的地表面，即区域地形的数字表示，它是由一系列地面点的X，Y位置及其相联系的高程Z所组成。这种数字形式的地形模型是为适应计算机处理而产生的，又为各种地形特征及专题属性的定量分析和不同类型专题图的自动绘制提供了基本数据。在专题地图上，第三维Z不一定代表高程，而可代表专题地图的量测值，如地震烈度、气压值等。DEM有两种方式TIN和Grid（raster）3中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心1.2什么是TinTIN 规则三角网 的英文首字母缩写。一种将地理空间分割为不重叠的相连三角形的矢量数据结构。每个三角形的折点都是具有 x、y 和 z 值的采样数据点。这些采样点通过线相连，从而构成 Delaunay 三角形。TIN 用于存储和显示表面模型。TIN 用于表示一个表面，或者说是连续的数据，而不能表示离散的数据TIN 通常用于表示大数据应用中的 terrain 表面，而高程点则允许不规则地分布以容纳表面中具有较大差异的各个区域，并且高程点的值和实际位置将作为结点保留在 TIN 中。4中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心1.3表面模型（表面模型（GRIDGRID和和TINTIN）的区别）的区别 栅格是像元（或像素）的矩形阵列，每个栅格栅格是像元（或像素）的矩形阵列，每个栅格都存储了它所覆盖的表面部分的值。一个指定像都存储了它所覆盖的表面部分的值。一个指定像元包含一个值，因此，表面的详细程度取决于栅元包含一个值，因此，表面的详细程度取决于栅格像元的大小。格像元的大小。这两种模型各有优缺点，相比而言，相比而言，GRIDGRID模型比较模型比较简单、高效，简单、高效，TINTIN模型比较精确，数据量，耗内存模型比较精确，数据量，耗内存大。所以，一般大。所以，一般GRIDGRID模型多用于区域性的、小比模型多用于区域性的、小比例尺的应用，而例尺的应用，而TINTIN模型则更常用于精细的、大比模型则更常用于精细的、大比例尺的应用例尺的应用。5中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心二、DEM制作1、TIN制作和过程中存在问题2、grid生成3、从DEM提取值6中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心2.1创建TIN1、使用等值线和离散点（有一个字段标注高程值）离散点（有一个字段标注高程值）加载等值线，一定要选高程字段高程字段硬断线提供Z值，那么构建出来的Tin也就会在Hard line处生成节点，表示表面上的不连续性；软断线在参与构Tin时，本身不提供Z值，表示线性要素但并不改变表面坡度的边。比如，要标出当前分析区域的边界，mass points离散点，生成的TIN没有线，用于点生成tin数据:10demdgxtinGG487422.mdbdgx7中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心2.1两块等高线创建TIN Tin的剪裁（中级）数据位置：10demdgx两块等高线创建TIN，按照下面的方法，创立Tin，这不是我们需要？8中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心2.1两块等高线创建TIN Tin的剪裁（中级）使用矢量和栅格clip、split都不可以的，只有在创建Tin，加入剪裁的面，一起参与创建tin，面的参数设置，如下，使用hard cliphard clip 多边形参与tin四种方式1.裁切：定义插值的边界，处于裁切多边形之外的输入数据将不参与插值与分析操作。2.删除：定义插值的边界，与裁切多边形的不同之处在于多边形之内的输入数据将不参与插值与分析操作。3.替换：可对边界与内部高度设置相同值，可用来对湖泊或斜坡上地面为平面的开挖洞建模。4.填充：它的作用是对落在填充多边形内所有的三角形赋予整数属性值。表面的高度不受影响，也不进行裁切或删除。数据位置：10demdgx9中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心设置界面设置界面n硬替换中的字段值才有意义硬替换中的字段值才有意义数据位置：10demdgxreplace，操作见：创建tin.exe10中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心2.2Tin-DEM TIN 转栅格 然后TIN 转栅格,生成DEM,直接使用经纬坐标的无法生成grid，Elevaton按原来的值、下面坡度、坡向，Cellsize Cellsize 默认值是图形外接矩形最短边除以250，单位和地图坐标定义，是地理坐标是度为单位，其他以米为单位，一个像素点代表的矢量的大小（高度*宽度），Cellsize越大，粒度越大，影像越小（行数row，col越少），数据精度越低，Cellsize可以浮点数，可以小于可以小于1 1的使用上面分幅数据的tin11中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心2.3 对点填等高值通过Dem 给值提取至点Extract Values to Points操作操作:创建创建tintin和提取点的高程和提取点的高程.exe,.exe,或则添加表面信息或则添加表面信息（AddSurfaceInformationAddSurfaceInformation）工具）工具数据使用:10demdgxtinGG487422.mdbpnt12中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心2.3 对点填等高值（二）通 采样 后生成点 也可以Sample，不同是这个工具生成只有一个属性表，需要通过数据表建立点层。数据使用:10demdgxtinGG487422.mdbpnt，操作：采样提取点的高程.exe13中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心三.空间表面分析1.等值线(Contour)2.坡度(Slope)3.坡向(Aspect)4.山体阴影(hillshade)5.视域(Viewshed)6.填挖方(Cut/Fill)7.7.9.39.3表面分析，可以基于表面分析，可以基于TinTin，也可以基于，也可以基于GridGrid，基于基于tintin的效果，比的效果，比gridgrid要好的多，基于要好的多，基于gridgrid还和还和gridgrid的分辨率有关的分辨率有关,ArcGIS10,ArcGIS10是两个不同的工具是两个不同的工具14中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心基本按钮介绍在屏幕上创建等高线，是Element，操作在屏幕上点一下屏幕可视分析，操作是屏幕上划线，绿色是可视、红色是不可视画点画线画面断面分析断面分析，先划线15中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心3.1.等值线1、等值线(Contour)，可以是从TIN-Contour,或DEM-Contour,相对TIN生成等高线质量好一些，毕竟tin是矢量的。可以用来等高线的加密（度）和抽稀。使用前面的分幅创建的tin16中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心3.2坡度分析 坡度(Slope).地表面在该点的倾斜程度。垂直高/水平距离,如耕地坡度大小，是否适宜耕种，道路两边是否需要加护坡。实际坡度有两种表示方式方法：（1）坡度(degree of slope)：既水平面与地形面之间夹角。（2）坡度百分比（percent slope）：既高程增量与水平增量之比的百分数。17中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心4.3坡向分析 坡向(Aspect)，坡向反映了斜坡所面对的方向。坡向指地表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。对于地面任何一点来说，坡向表征了该点高程值改变量的最大变化方向。在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为0度，按顺时针方向计算，取值范围为0360。坡向在植被分析、环境评价等领域有重要的意义。在生物学上，生长在朝向北的斜坡上和生长在朝向南的斜坡上的植被一般有明显的差别；建立风力发电站的选址时，需要考虑把它们建在面向风的斜坡上；地质学家经常需要了解断层的主要坡向，或者褶皱露头，来分析地质变化的过程；在确定容易被积雪融水破坏的居民区的位置时，需要识别朝南的坡面，来得到最初融化的积雪的位置。18中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心3.3 坡向分析结果19中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心3.4山体阴影(hillshade)山体阴影(hillshade)：是根据设置的光源对栅格的照明值，太阳方位角、太阳高度角设置，设置的位置不同，结果也不一样，可以用于日照分析，一天日照的时间等，值越小表示，阴影越大20中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心3.5视域（中级）在ArcGIS主要两点直线之间是可见的还是遮挡的，必须要选择一个点层，在屏幕上画线，必须要选择一个点层，在屏幕上画线，可以实现屏幕上两点可视分析，绿色表示可视，可以实现屏幕上两点可视分析，绿色表示可视，红色表示不可视。红色表示不可视。注意坐标系统的问题注意坐标系统的问题21中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心3.6计算土方量工具(Cut/Fill)（中级）计算土方量工具：主要是用于地形变化后，计算土方量，所以有两个模型数据，红色表示土方增加(需要填的，的，值为小于0），兰色表示土方减少（需要挖的，值为大于0），其他的为没有变化的区域。属性值有增加和减少的土方量，有面积和体积，前一个减去后面前一个减去后面,CELLSIZE可以可以不同不同使用数据:10demdgxtinGG487422.mdbdgx和dgx_122中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心四、空间内插方法 空间插值常用于将离散的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法是一种通空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。插值是利用有限数目的样本点来估计未知样本点的值，插值的前提是空间地物具有一定的空间相似性，距离较近的地物，其值更为接近，如气温、高程，污染等。实际中，通常不可能对研究区内的每个点的属性值都进行测量。一般选择一些离散的样本点进行测量，通过插值得出未采样点的值。采样点可以是随机选取、或则选取特征样点，但必须保证这些点代表了区域的总体特征。可以插值生成连续且规则的栅格面。通常采样点数目越通常采样点数目越多，分布地越均匀，插值效果就会越好。多，分布地越均匀，插值效果就会越好。23中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心四、空间内插方法类型（中级）1.反距离权重法（Inverse Distance Weighting 简称IDW）2.样条函数法（Spline）3.克里金法（kriging）4.自然邻域法（Natural Neighbor）5.地形转栅格6.注意：1-4必须是点层数据，5可以是点、线24中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心4.1反距离权重插值 IDW 这种方法的假设前提是每个采样点间都有局部影响，并且这种影响与距离大小成反比。就是离目标点近的点其权值就比远的点大。这种方法适用于变量影响随距离增大而减小的情况。如计算某一超市的消费者购买力权值，由于人们通常喜欢就近购买，所以距离越远权值越小。如辐射，或者污染源，距离越远，影响越小。25中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心4.1反距离权重插值 IDW 数据：10deminsertpoint.gdbpnt26中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心4.2 样条函数插值（Spline）它采用样本点拟合光滑曲线，且其曲率最小。通过一定的数学函数对采样点周围的特定点进行拟合，且结果通过所有采样点。该方法适用于渐变的表面属性，如高程、水深、污染聚集度等。不适合在短距离内属性值有较大变化的地区，那样估计结果会偏大。27中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心3.3克里金插值（kriging）此方法的假设前提是采样点间的距离和方向可反映一定的空间关联，并用它们来解释空间变异。克里格利用一定的数学函数对特定点或是给定搜索半径内的所有点进行拟合来估计每个点的值。该方法适用于已知数据含距离和方向上的偏差的情况，常用于社会科学研究及地质学中。克里金（kriging）不同高斯高斯克吕格（克吕格（Gauss-Gauss-Kruger)Kruger)，前者是插值方法，后者是投影方法。，前者是插值方法，后者是投影方法。28中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心4.4自然邻域法（Natural Neighbor）邻域插值将TIN的一些方法与栅格插值方法结合起来。栅格表面使用输入数据点及其邻近栅格单元进行插值。首先，为输入数据点创建一个Delauney三角形，输入的样本数据点作为三角形的结点，并且每个三角形的外接圆不能够包含其它结点。对每个样本点，邻域为其周围相邻多边形形成的凸集中最小数目的结点。每个相邻点的权重，通过评价其影响范围的Thiessen/Voroni技术计算出来。类似于反距离权重法，是一种权平均算法。但是它并不利用所有的距离加权来计算插值点。邻域法对每个样本点做delaunay三角形，选择最近的点形成一个凸集，然后利用所占面积的比率来计算权重。该方法适用于样本点分布不均的情况，较为常用。29中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心地形转栅格 将点、线和面数据插值成符合真实地表的栅格表面。30中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心思考一个问题 和练习题(中级）如何有离散（等高）点，生成等值线（等高线）？有两种方法：1、离散点-tin-grid-等值线2、离散点-内插dem-Contour数据：10demdgp.shp31中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心五、综合例子1、离散点-tin-等值线2、离散点-内插dem-Contour3、等高线加密4、等高线转区域32中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心5.1离散点-tin-等值线33中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心5.2离散点-内插dem-Contour34中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心5.3 加密和抽稀完整例子35中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心5.4.等高线转区域36中国科学院计算技术研究所教育中心中国科学院计算技术研究所教育中心本章掌握的和理解内容1.生成TIN各种技巧2.栅格分辨率的含义3.空间插值和距离分析的区别37