第三章 不规则三角网

小结
本章主要讲述了如下内容：
5.1地表模型生成、显示
1.有点状要素产生不规则三角网
2.不规则三角网和距离倒数权重法插值比较
3.建立设计场地的三角网高程模型
第三章不规则三角网
教学目的与要求
通过本章的学习，让大家了解ArcView GIS 3D Analyst扩展模块，熟悉不规则三角网的生成方法，掌握工程填挖方的计算方法，掌握从3D Shapefile生成三维纵剖面和根据线状图形生成纵剖面的方法，能够进行视线与视域分析。
内容提要
5.1地表模型生成、显示
5.2工程中的土方、纵坡
2.纵剖面的生成在Layout中实现，仅对进入选择集的要素、图形起作用。得到的剖面图X轴表示平面距离，Y轴方向可以根据要求夸张显示。
3.一个剖面图上可同时绘制多个沿不同线的剖面。可以是选择集中的多个三维线状要素，也可以是三维图形，同时产生多个剖面，常用于道路选线时方案比较。
5.3视线、视域
可视性分析实质上是对地形的一个最优化处理问题。主要应用有：设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航、军事上的布设阵地、设置观察哨所、铺架通信线路等。
三、从3D Shapefile生成三维纵剖面
所用数据：TIN专题“地形”，线状矢量专题“道路”。
扩展模块：3D Analyst
所用命令：Theme/Convert to 3D Shapefile…
操作步骤：
1.生成3D Shapefile
2.建立Layout（地图布局窗口）
3.利用剖面图绘制工具绘制沿道路的地形纵剖面
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视域分析与视线分析的比较
1.视域分析是用来确定从三维表面上的某一点向周围观察，可以看到的范围，或者沿着某一路径运动，可以看到的范围。作视域分析除了要有一个代表高程的TIN或Grid的三维表面外，还要有一个观察点或观察路径专题。观察点是一般的点状矢量专题，观察路径是三维的Shape文件。
2.视域分析的结果是栅格专题，视线分析的结果是临时图形Graphic。
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为了得到更详细的填挖方信息，可以将不规则三角网构成的地面模型转换成栅格地面模型。加载Spatial Analyst扩展模块。
利用Theme/Convert to Grid…命令将现状三角网和设计三角网转换成栅格地面模型，然后利用Analysis/Map Calculator…命令，进行[Nwgrd2]-[Nwgrd1]操作，按Evaluate按钮，系统产生填挖方栅格专题Map Calculation1。详见演示
一般情况下，不规则三角网（TIN）是从高程点产生的，如果靠传统地图建立TIN，就要利用等高线，这时软件就在等高线上取出典型的、关键的样本点，将这些样本点连起来形成TIN，这比直接从高程点产生TIN在计算方法上多了一个自动选取样本点的步骤。
一般情况下显示TIN时表达高程，但是也可以直接计算表达坡度，还可以直接进行简单的填挖方计算。如果要进行细致的填挖方计算，就要将TIN转换成栅格在计算。
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四、在场地上添加其他要素
已知数据：
三个AutoCAD的立体图形文件。
Bldg.dwg选polygon，多边形，建筑物
Road.dwg选line，线，道路
Water.dwg选polygon，多边形，水面
所用扩展模块：
Cad Reader
所用命令：
View/Add Theme
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五、三维显示
利用纵剖面图，可以沿任意一条折线，显示出沿这条线的地形高程变化。纵剖面显示可以用于山区道路的选线。ArcView中只能根据3D Shapefile绘制纵剖面图，为此须将二维的线专题转换为三维线。
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四、根据线状图形生成纵剖面
所用数据：TIN专题“地形”
扩展模块：3D Analyst
所用命令：内插线工具（用在TIN表面绘制三维线状图形）
命令：View/3D Scene…，对系统的提示选择Themes，按OK键后系统产生3D Scenes Themes Document，该子系统具有自己的三维视图窗口和图例框，可用鼠标点击按钮Navigate(形状像帆船)，再用鼠标在三维窗口中控制观察地形的三维视角。
在三维场景中，选用菜单命令Theme/3D Properties…
视域分析有观察点和路径两种，所得到的结果是栅格专题，每一栅格单元的取值表示该点被观察到的次数。如果是观察点，只有0和1两种栅格。如果是沿路径，则表示在观察路径上每前进一步（移动的距离相当于一个栅格），作一次观点点分析，走完全部路径，每个栅格单元的取值累计相加，结果仍是一个栅格。沿路径的视域分析是多个观察点视域分析的叠合。
2.改变观察点的相对高程
基于观察点的视域分析与前面使用过的视线分析不同。视线分析可以由用户指定观察点和目标点的相对高程。而视域分析中，则是需要预先设定部分参数，其中有观察点的高度。在ArcView中，系统默认观察点的高度是比所在位置三维表面高一个距离单位。用户可以在观察点专题的属性表中设置特定的字段，设定观察点的高程。常用的字段有：
操作步骤：
1.绘制三维的线状图形（3D Graph）
2.激活专题“3D-road”，联立Layout（地图布局窗口）
3.利用剖面图绘制工具绘制不同道路选线的纵剖面
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ArcView的3D Analyst提供纵剖面生成功能，绘制TIN或GRID的剖面，其要点如下：
1.先要有线，可以是线状专题中的要素，也可以是临时输入的图形Graph。如果是专题中的一般要素，要将其先转换为3D Shapefile。如果要临时输入，这用内插线工具绘制3D Line Graph（三维形状图形）。
Spot：指定观察点的绝对高程值
OffsetA：三维表面高程不变，设定观察点的高程偏移值
OffsetB：观察点高程不变，设定三维表面的高程偏移值
编辑观察点的属性表格，添加一个Spot字段，并添加数值。之后利用Surface/Calculate Viewshed…命令产生基于观察点的视域分析结果。
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5.3视线与视域分析
教学重点
工程土方量的计算方法
视域与视线分析方法
三维纵剖面图的创建方法
教学难点
不规则三角网的生成方法
5.1地表模型生成、显示
一、由点状要素产生不规则三角网
所需数据：
点状专题
所用扩展模块：
3D Analyst
所用命令：
Surface/Create TIN(Triangulated Irregular Network)from Features...
视线分析中用鼠标画出的观察点和目标点之间的连线，在ArcView中是将其作为图形Graphic处理。
二、视域分析
1.基于观察点的视源自文库分析
所用数据：TIN专题地形、观察点专题
扩展模块：3D Analyst、Spatial Analyst
所用命令：Surface/Calculate Viewshed…
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等高线专题图的生成：
选用菜单命令Surface/Create Contours…
通过比较，可知不规则三角网比较符合地形特征。
三、建立设计场地的三角网高程模型
所需数据：
设计场地高程控制点专题，并具有各个点的高程属性。
所用扩展模块：
3D Analyst
所用命令：
Surface/Create TIN(Triangulated Irregular Network)from Features...
2.显示视线的纵剖面
方法同前面讲过的TIN纵剖面的显示的方法一样，不再赘述。
3.视线分析小结
视线分析是用软件判断在三维表面TIN上，从某个观察点到另一个目标点之间视线是否通畅。用户可以用鼠标在三维表面指定任意两点，系统就计算出两点之间是否相互可视，计算结果可以在View的图面上以及状态栏中直接显示。也可以通过绘制视线的纵剖面图的方法，给韦直接地反映视线地阻挡情况。
1.将道路专题转化为3D Shape文件（Theme/Convert to 3D Shapefile…）
2.进行视域分析
同时激活地形和3D道路专题，利用菜单命令Surface/Calculate Viewshed…产生基于路径的视域分析结果。
视域分析不仅可以判断三维表面上是否可见的范围，也可以记录可视的范围内每一栅格单元可以被观察到的次数。计算得到的结果栅格专题中每一个单元的值表示沿着观察路径该单元可以被看到的次数。
3.所视域分析前，应在观察点的专题属性表中添加相关的字段，输入高程值。否则，默认的观察点高程就是比对应的三维表面高程高1个单位。
4.视线分析的高程通过对话框输入。
视线与视域分析小结
视线分析是判断三维表面上任意两个点之间是否同时。观察点和目标点可以不在三维表面上，用户可以指定观察点和目标点的相对于三维表面的高程。也可以通过借用生成纵剖面的方法，绘制出沿视线的纵剖面图，更直观地反映视线的状况。
操作步骤：
1.利用线状等高线与场地边界线创建不规则三角网
2.利用设计等高线与场地边界线创建不规则三角网
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二、计算工程填挖方
同时激活crtin1和crtin2，选用菜单命令Surface/Cut-fill…（计算填挖方）。
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计算结果中，Volume值大于零的表示填方，小于零的表示挖方，等于零的表示不挖不填，利用Field/Statistics…，获得该栅格体积的统计结果。
另一种算法是射线追踪法。这种算法的基本思想是对于给定的观察点和某个观察方向，从观察点开始沿着观察方向计算地形模型中与射线相交的第一个面元，如果这个面元存在，则不再计算。
以上两种算法对于基于栅格的地形模型和基于TIN模型的通视性分析都适用。
一、视线分析
1.具体操作步骤
所用数据：观察点专题、道路线专题、TIN专题
可视性分析有两种类型：一种是通视性分析Line of Sight，该功能可以显示两点之间的通视情况，回答“从这里我可以看到它吗？”的问题；另一种是可视区分析Viewshed Analysis，确定从一个或多个观察点可以观测到的区域，回答“从这里我可以看到什么？”的问题。
判断两点之间通视性算法有两种，一种常见算法的基本思路如下：①确定过观测点和目标点所在的线段与xy平面垂直的平面S；②求出地形模型中与S相交的所有边；③判断相交的边是否位于观测点和目标点所在的线段之上，如果有一条边在其上，则观察点和目标点不可视。
3.两次视域分析结果的比较
前一次不做任何设置，观察点高程仅仅是比对应的三维表面高1米。后一次则设定了观察点的绝对高程，得到的分析结果略有差异。
三、基于路径的视域分析
所用数据：TIN专题“地形”、线状专题“道路”、点状专题“观察点”。
扩展模块：3D Analyst、Spatial Analyst
操作步骤：
详见演示
小结
不规则三角网络是描述三维表面的常用方法，除了在地形方面，还可以用于其他各种领域。在不规则三角网上还可以叠加其它空间要素，同时以三维方式显示。
5.2工程中的土方、纵坡
一、由等高线产生不规则三角网
使用数据：设计等高线、现状等高线、场地边界线
扩展模块：3D Analyst
所用命令：Surface/Create TIN from Features
属性数据表中必须添加高程字段。
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等高线专题图的生成：
选用菜单命令Surface/Create Contours…
二、不规则三角网和距离倒数权重法插值比较
所需数据：
点状专题
所用扩展模块：
Spatial Analyst
所用命令：
Surface/Interpolate Grid...
属性数据表中必须添加高程字段，用于高程的计算。
扩展模块：3D Analyst
所用命令：视线分析工具（Line of Sight）
详见演示
视线分析结果是一条连接观察点和目标点的线段，这一条连线往往是红绿相间，绿色表示连线上的可视部分，红色表示连线上的不可视部分。
需注意，不能仅仅根据连线上的颜色判断两点之间是否可视，因为连线上的不同颜色，仅仅是反映当目标点在连线上的某一点时，是否可视；而并不是直接反映观察点和目标点之间是否可视。要判断观察点和目标点之间是否可视，需要注意窗口下方的状态栏中，出现的文字解释。如果观察点和目标点之间是可视的，状态栏中将出现“The target is visible”字样，说明两点之间是可视的。反之，两点之间是不可视的。“xxxxx，yyyyy”表示第一个视线受阻点的XY坐标值。而这一点在View中也会显示出来，表示为观察点和目标点连线中一个蓝色的点。