使用ARCGIS进行DEM制作和表面分析

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1、中国科学院计算技术研究所教育中心DEM和表面分析 闫 磊 Email： 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 2 DEM和 表 面 分 析 五 、 综 合 应 用 四 、 空 间 内 插 方 法 三 、 空 间 表 面 分 析二 、 DEM制 作一 、 基 本 含 义 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 3 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

2、， 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

3、和 Grid（ raster） 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 4 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 ，

4、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 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 5 1.3表 面 模 型 （ GRID和 TIN） 的 区 别 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

5、定 像元 包 含 一 个 值 ， 因 此 ， 表 面 的 详 细 程 度 取 决 于 栅格 像 元 的 大 小 。 这 两 种 模 型 各 有 优 缺 点 ， 相 比 而 言 ， GRID模 型 比 较简 单 、 高 效 ， TIN模 型 比 较 精 确 ， 数 据 量 ， 耗 内 存大 。 所 以 ， 一 般 GRID模 型 多 用 于 区 域 性 的 、 小 比例 尺 的 应 用 ， 而 TIN模 型 则 更 常 用 于 精 细 的 、 大 比例 尺 的 应 用 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 6 二 、 DEM制 作1、 TIN制 作 和 过 程 中 存 在 问 题2、

6、grid生 成3、 从 DEM提 取 值 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 7 2.1创 建 TIN1、 使 用 等 值 线 和 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 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

7、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.mdbdgx 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 8 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 ？ ？ ？ 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 9 2.1两 块 等 高 线 创 建 TIN Tin的 剪 裁 （ 中 级 ）使 用

8、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 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 。

9、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：10demdgx 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 10 设 置 界 面n 硬 替 换 中 的 字 段 值 才 有 意 义 数据位置：10demdgxreplace，操作见：创建tin.exe 中国科学院计算技术

10、研究所教育中心 Page 11 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 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

11、 数 row， col越 少 ） ， 数 据 精 度 越 低 ， Cellsize可 以 浮 点 数 ， 可 以 小 于 1的 使用上面分幅数据的tin 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 12 2.3 对 点 填 等 高 值通 过 Dem 给值提取至点Extract Values to Points操 作 :创 建 tin和 提 取 点 的 高 程 .exe,或 则 添 加 表 面 信 息 （ AddSurfaceInformation） 工 具数据使用:10demdgxtinGG487422.mdbpnt 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 13 2.3 对 点 填 等 高

12、 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 .exe 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 14 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)9.3表 面

13、 分 析 ， 可 以 基 于 Tin， 也 可 以 基 于 Grid， 基于 tin的 效 果 ， 比 grid要 好 的 多 ， 基 于 grid还 和grid的 分 辨 率 有 关 ,ArcGIS10是 两 个 不 同 的 工 具 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 15 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 ， 先 划 线 中国科学院计算技术研究所教育中心 P

14、age 16 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 tin 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 17 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

15、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 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 18 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

16、 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 0 360 。 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 ，

17、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 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 19 3.3 坡向分析结果 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 20 山 体 阴 影 (hillshade)： 是 根 据 设 置 的 光 源 对 栅 格 的照 明

18、 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 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 21 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 ， 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 。 注 意 坐 标 系 统

19、 的 问 题 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 22 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 ,

20、CELLSIZE可 以不 同 使 用 数 据 :10demdgxtinGG487422.mdbdgx和 dgx_1 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 23 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 ； 空 间 外 推 算 法

21、 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 。

22、 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 越多 ， 分 布 地 越 均 匀 ， 插 值 效 果 就 会 越 好 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 24 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 （ krig

23、ing）4.自 然 邻 域 法 （ Natural Neighbor）5.地 形 转 栅 格注 意 ： 1-4必 须 是 点 层 数 据 ， 5可 以 是 点 、 线 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 25 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

24、 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 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 26 4.1反 距 离 权 重 插 值 IDW 数据：10deminsertpoint.gdbpnt 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 27 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

25、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。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 28 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

26、 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 克 吕 格 （ Gauss-Kruger)， 前 者 是 插 值 方 法 ， 后 者 是 投 影 方 法 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 29 4.4自 然 邻 域 法 （ Natural Neighbor） 邻 域 插 值 将 TIN的 一 些

27、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/V

28、oroni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 。 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 30 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。 中国科学院计算

29、技术研究所教育中心 Page 31 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.shp 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 32 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 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 33 5.1离 散 点 - tin- 等 值 线 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 34 5.2离 散 点 - 内 插 dem- Contour 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 35 5.3 加密和抽稀完整例子 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 36 5.4.等 高 线 转 区 域 中国科学院计算技术研究所教育中心 Page 37 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