4-2三维GIS空间数据模型-示例分析
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三维地理信息系统的构建方法和应用案例引言:在当今科技高速发展的时代,地理信息系统(GIS)已经成为管理和分析地理数据的重要工具。
然而,传统的二维GIS无法全面展现地球表面的特征,为了更好地还原真实世界,三维地理信息系统(3D-GIS)逐渐兴起。
本文将探讨三维地理信息系统的构建方法以及一些应用案例。
一、三维地理信息系统的构建方法1. 数据采集与处理构建一个鲁棒且精确的3D-GIS系统的第一步就是数据的采集与处理。
首先,通过航空摄影、卫星遥感、激光雷达扫描等技术手段获得原始数据。
然后,对原始数据进行预处理,包括数据切割、去噪、配准等一系列操作。
最后,将预处理后的数据导入到3D-GIS平台中进行后续的建模和分析工作。
2. 建模与可视化3D-GIS的核心就是将地理数据在三维空间中进行建模与可视化。
建模可以采用多种方法,例如点云建模、三角网格建模、体素化建模等。
通过这些方法可以将地球表面的特征以三维模型的形式展现出来。
在建模的过程中,需要考虑地理数据的精确性、分辨率以及建模算法的效率等方面的问题。
建模完成后,可以通过可视化技术将模型呈现给用户,提供更直观的数据展示和分析界面。
3. 数据集成与分析3D-GIS系统不仅要能够处理地理数据,还要具备数据集成和分析的功能。
数据集成是指将多个数据源的信息整合到一个平台中,使用户可以在一个系统中获取到多种数据。
数据分析是指基于集成后的数据进行空间分析、网络分析、图表分析等操作,从中提取有用的信息。
为了使数据集成和分析变得更加高效,可以采用数据仓库和数据挖掘的技术手段。
二、三维地理信息系统的应用案例1. 城市规划与建设三维地理信息系统可以为城市规划和建设提供重要的支持。
通过三维模型的建立和可视化展示,规划者可以更全面地了解城市的地形、建筑分布、道路网格等信息,从而更好地制定规划方案。
同时,三维模型还可以进行仿真模拟,评估不同规划方案的可行性和影响,为决策者提供科学的依据。
实验4-1、空间分析基本操作一、实验目的1. 了解基于矢量数据和栅格数据基本空间分析的原理和操作。
2. 掌握矢量数据与栅格数据间的相互转换、 栅格重分类(Raster Reclassify)、 栅格计算-查询符合条件的栅格(Raster Calculator)、 面积制表(Tabulate Area)、 分区统计(Zonal Statistic)、 缓冲区分析(Buffer) 、采样数据的空间内插(Interpolate)、 栅格单元统计(Cell Statistic)、 邻域统计(Neighborhood)等空间分析基本操作和用途。
3. 为选择合适的空间分析工具求解复杂的实际问题打下基础。
二、实验准备预备知识:空间数据及其表达空间数据(也称地理数据)是地理信息系统的一个主要组成部分 。
空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据,可以是图形、图像、文字、表格和数字等。
它是GIS 所表达的现实世界经过模型抽象后的内容,一般通过扫描仪、键盘、光盘或其它通讯系统输入GIS。
在某一尺度下,可以用点、线、面、体来表示各类地理空间要素。
有两种基本方法来表示空间数据:一是栅格表达; 一是矢量表达。
两种数据格式间可以进行转换。
空间分析空间分析是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术,其目的在于提取空间信息或者从现有的数据派生出新的数据,是将空间数据转变为信息的过程。
空间分析是地理信息系统的主要特征。
空间分析能力(特别是对空间隐含信息的提取和传输能力)是地理信息系统区别与一般信息系统的主要方面,也是评价一个地理信息系统的主要指标。
空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库。
空间分析运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析,代数运算等数学手段。
空间分析可以基于矢量数据或栅格数据进行,具体是情况要根据实际需要确定。
空间分析步骤根据要进行的空间分析类型的不同,空间分析的步骤会有所不同。
通常,所有的空间分析都涉及以下的基本步骤,具体在某个分析中,可以作相应的变化。
实验三利用ArcGIS进行空间分析与三维处理一、实验目的和要求1、了解基于矢量数据和栅格数据基本空间分析的原理和操作。
2、熟练掌握 ArcGIS 下进行道路网络分析的技术方法。
3、熟练掌握 ArcGIS 中建立 DEM、TIN 的技术方法。
4、掌握根据 DEM 或 TIN 计算坡度、坡向的方法。
5、熟悉ArcScene用户界面,了解制作飞行动画基本操作。
二、实验主要内容(1)如图1所示,给出一组离散点及对应的高程,请用SuperMap, ArcGIS建立TIN模型,绘制等值线图,并进行坡度、坡向分析,沿AB两点作三维剖面图。
图1 离散点数据(2)基于所提供的TIN数据,采用两种方法实现模拟场景飞行。
1、抓取一系列场景图片,然后向其中插入平滑帧形成动画。
打开实验场景->抓取景区场景->调节动画参数->生成动画->动画导出为AVI 文件格式。
2、通过记录实时飞行场景生成动画。
在场景中选取合适位置->设置合适的动画时长->沿路径录制飞行场景->浏览播放动画->动画导出为AVI文件格式。
三、实验主要步骤及数据处理结果1、矢量化离散点数据2、用ArcGIS建立TIN模型A:用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建TNT数据模型分析设置如下:B:生成的TNT数据如下:3、绘制等值线图A:用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建等值线分析设置如下:B:生成的等值线图如下所示:4、TNT转换成栅格A:用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建栅格分析设置如下:B:生成的栅格图如下所示:5、坡度分析A: 用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建坡度分析设置如下:B:坡度分析图如下:6、坡向分析A: 用Arcgis中的Arctoolbox->3DAnalyst工具创建坡向分析设置如下:B:坡向分析如下所示:7、沿AB两点作三维剖面图A:打开3DAnalyst工具条:B:点击插入线工具,跟踪一条线段并获得相应的高程值C:设置相应的参数点击创建剖面图生成剖面图:8、基于所提供的TIN数据,采用两种方法实现模拟场景飞行A:、抓取一系列场景图片,然后向其中插入平滑帧形成动画。
ArcGIS的网络分析http://blog。
sina。
com。
cn 2007年09月11日23:08 Geoinformatics标签:校园生活ArcGIS的网络分析分为两类:传输网络(Network Analyst)和效用网络(Utility Network Ana lyst).一、从应用上来考虑:1。
传输网络常用于道路、地铁等交通网络分析。
特点:在传输网络中,汽车和火车都是可以自由移动的物体,具有主观选择方向的能力。
传输网络解决的问题有:A。
计算点与点之间的最佳距离,时间最短或者距离最短,最佳路径能够绕开事先设置的障碍物B。
可以进行多点的物流派送,能够按照规定时间规划送货路径,也能够自由调整各点的顺序,也会绕开障碍物C。
寻找最近的一个或者多个设施点D.确定一个或者多个设施点的服务区,绘制服务区范围的条件可以是多个,例如,同时列出3分钟、6分钟、9分钟的服务区E。
绘制起点-终点距离矩阵2.效用网络常用于水、电、气等管网的连通性分析。
特点:在效用网络中,水、电、气通过管道和线路输送给消费者,水、电、气被动地由高压向低压输送,不能主观选择方向.效用网络解决的问题有:A.寻找连通的/不连通的管线B。
上/下游追踪C.寻找环路D。
寻找通路E。
爆管分析二、从技术上来考虑:传输网络(Network Analyst)基于Network Dataset效用网络(Utility Network Analyst)基于Geometric Network 它们的区别可以参考下面的表格:ArcGIS网络分析[转]—-一、目的网络分析是GIS空间分析的重要组成部分,它的主要内容包括:l 寻找最佳行进路线,如:找出两地通达的最佳路径。
l 确定最近的公共设施,如:引导最近的救护车到事故地点。
l 创建服务区域,如:确定某零售店的服务区域,从而查明区域内的顾客数等等.通过对本实习的学习,应达到以下几个目的:1、加深对网络分析基本原理、方法的认识;2、熟练掌握ARCGIS网络分析的技术方法.3、结合实际、掌握利用网络分析方法解决地学空间分析问题的能力。
空间分析具体案例应用专业:资源环境与城乡规划管理学号:姓名:王秀君实验类型:综合性实验实验目的:进一步掌握常用工具应用所学的ArcGIS技术,掌握空间分析能力的运用,解决实际工作中遇到的问题。
实验内容:1、琅岐岛3D视图显示2、超市商业区位选址3、土地规划利用(一)琅岐岛3D视图显示实验类型:综合性实验实验目的:进一步掌握常用工具所学的ARCGIS技术,掌握空间分析能力的应用,解决实际工作中遇到的问题实验内容:琅岐岛3D视图显示四、实验步骤1.将TAB格式转为SHP格式打开Mapinfo,选择“表”下的“转出”,弹出窗口,指定要转换格式的文件及输出路径,将马尾岛屿.tab、马尾等高线.TAB、马尾等深线.TAB转为、、。
然后,打开Arc Catalog,将、、转换为shape格式。
点击ok,完成转换。
2.定义投影右击,指定其投影为Projected Coordinate Systems—Gauss Kruger—Beijing 1954—Beijing 1954 GK Zone 20投影,利用Import将投影导入其他图层。
如图所示:3.卫片配准在ArcMap中,先将Island、Contour、isolate图层调入,然后在将卫片LQ调入。
调用Georeferencing工具,选择Fit to Display命令,使卫片处于屏幕正中央,然后进行配准,如图所示。
然后用Rectify命令,将定义好的投影保存。
配准后注意保存好,如图所示:4.合并等高线、等深线两个图层建立Contour和isolate的公共字段,在ArcMap中,选择图层,Open Attribute Table,建立公共字段Height,并赋值,删除多余字段,然后打开ArcToolBox利用Append工具合并Contour与isolate图层。
合并Contour与isolate图层:5.空间插值,建立琅岐岛DEM打开3D分析工具,并调入3D分析模块。
第二章GIS空间分析的数据模型GIS(地理信息系统)空间分析的数据模型是指在GIS中用于描述和组织地理空间数据的结构和规则。
它主要包括向量数据模型和栅格数据模型两种形式。
以下将详细介绍这两种数据模型。
1.向量数据模型:向量数据模型是一种将地理现象表示为点、线、面等几何要素的数据模型。
它基于几何对象的坐标表示来描述地理空间位置和形状。
向量数据模型的核心要素包括点、线、面。
-点:表示地理要素的离散点,可以是一个地址、一座建筑物、一个村庄等。
-线:表示由多个点连接而成的可视化路径,可以是道路、河流、铁路等。
-面:由若干个线构成的闭合区域,通常表示土地利用类型、行政区域等。
向量数据模型具有描述空间位置精确、几何操作方便等优势,适合表示细节较为复杂的地理现象。
同时,向量数据模型也具备多种关联属性的能力,可以与属性数据进行链接,实现空间与属性信息的关联分析。
2.栅格数据模型:栅格数据模型是一种将地理现象表示为规则的网格单元的数据模型。
它将地理空间划分为规则的网格单元,将每个单元的值表示为一个矩阵中的元素。
栅格数据模型的主要特点是离散、均等和连续。
-离散:地理现象被离散的网格单元坐标所描述,且每个单元代表的是一个相同大小的空间区域。
-均等:每个单元的尺寸相等,表示的面积是均等的。
-连续:栅格中的每个单元都有一个与之对应的属性值,通过单元的连接和相邻单元的信息可以推断出地理现象的空间连续性。
栅格数据模型主要用于描述表面高程、者大气温度等连续变量,适合进行空间分布模拟、插值分析等。
总结来说,向量数据模型适用于描述细粒度且结构复杂的地理现象,同时具备几何对象的精确性和关联属性的优势。
而栅格数据模型则适用于描述连续变量的空间分布,可以进行均等离散和连续性推断。
在GIS空间分析中,根据不同的需求和数据特点,可以选择合适的数据模型来进行分析和建模。
GIS空间分析模型-朱洪成的日志-网易博客一、地学模型概述地理信息系统以数字世界表示自然世界,具有完备的空间特性,可以存储和处理不同地理发展时期的大量地理数据、并具有极强的空间系统综合分析能力,是地理分析的有力工具。
因此,地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务,更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务,必须发展广泛的适用于地理信息系统的地理分析模型,这是地理信息系统走向实用的关键。
所谓模型,就是将系统的各个要素,通过适当的筛选,用一定的表现规则所描写出来的简明映像。
模型通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。
地学模型是用来描述地理系统各地学要素之间的相互关系和客观规律信息的语言的或数学的或其他表达形式,通常反映了地学过程及其发展趋势或结果。
地学模型也称为专题分析模型。
对于地理信息系统来说,专题分析模型是根据关于目标的知识将系统数据重新组织,得出与目标有关的更为有序的新的数据集合的有关规则和公式。
这是应用地理信息系统进行生产和科研的重要手段。
模型化是将主观性的思考,以模型的形式反映出来,不同的理论观点,不同的体系可以产生不同的结果。
地学分析模型主要包含以下几种形式:1、逻辑模型:由地理名词和逻辑运算符组成的逻辑表达式表示;2、物理模型:由物理模拟过程表达;3、数学模型:由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式表示;4、图像模型:由某种图像或图像运算的集合表达,如各种专题地图。
专题分析模型在地理信息系统中的作用表现在以下几个方面:地理信息系统的设计任何地理信息系统都是为一定的应用目的而建立的,必须根据具体需要采用适用的分析模型指导地理信息系统总体设计。
主要包括:①数据项的选择,数据的范围、精度、量测方法等,如果毫无选择地录入数据,只会使系统增加负担,降低效率,无法突出主要因素,甚至因为数据采集周期过长而失去意义;数据结构应以最好地表示地理现象和易于模型实现为标准;②硬件环境的选择,根据模型的输入、输出和运算方法选择经济实用的硬件支持;③软件功能的选择,根据模型的管理和运行设计适用的软件功能。
第三章
3D-GIS空间数据模型
——d 示例分析
《GIS原理与算法》
主要内容
数字城市 数字矿山 景观模型 对比分析
1、数字城市模型
1)
三维影像的方式
德国Koppers(1998)使用VRLM语言将空中影像叠加到DTM格网上,实现了城市与地形的三维景
观,这种景观仅具有浏览功能;
日本Tsuyshi Honjo(1998)借助CAD系统,不仅将影像纹理叠加到DEM上,而且添加了植物模型和
建筑物模型以及雾化效果,生成了十分逼真的地形
景观模型;
大多数2DGIS具有这种2.5维的城市显示、动画功能(如:MapGuide, ArcView, GeoStar, Ganemap.
等);
Spatial Images
DTM
基于空中影像与DTM的城市模型构造[Koppers 1998]
2DGIS方式
•2DGIS作为主要数据源,采用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象,采用模型方式。
•最大的缺陷是:真实感少,城市景观信息表达不足;
•2DGIS源数据与DEM结合构建3DCM的方法(Honjo, 1998;Schilcher,et al, 1998;Haala, et al. 1997);•一些2DGIS系统扩展了构建3DCM的功能模块(如Arc/Info的3DX),并具有初步的量测功能,
•但对景观的真实度表达不够,同时也缺乏动态虚拟设计等其它功能;
2DGIS CAD
Additonal Infor.
基于2DGIS与CAD的模型构建[Ranzinger 1997]
Spatial Images
3DCG/CAD
TIN
基于TIN的城市模型构造[Koehl 1997]
2DGIS
Photo Images
CSG/OpenGL
基于3DCG,附加真实纹理的城市景观模型[朱英浩1998]
模型特点
纯三维的方式
利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建3DCM (Chen 1997);这种方法是目前采集数据最快的
方法,但获取的DEM精度不够高;
在影像基础上,应用地面激光扫描仪和数码相机进行采集数据(Zhao & Shibasaki, 1998),
3DMAX精细制作(Skyline 2008);需要大量的
后续工作进行影像匹配以及建筑物提取;
Xiaoyong Chen 1997
Huijing Zhao 1998基于激光扫描仪所获取数据的3D 对象重构DTM(by Laser
Scanner)
CCD Images
Vir. decoration
Spatial Images
3DCSG
基于影像的建筑物重构模型[Brenner 1997]
Xiaoyong Chen 1997Huijing Zhao 1998基于激光扫描仪所获取数据的3D 对象重构DTM(by Laser
Scanner)
CCD Images
上海金贸大厦LIDAR 点云(平均地面间隔0.3米)[张继贤2011]
纽约曼哈顿LIDAR 数据[2001.9.27]
模型特点
2)
城市3D空间实体
3D城市模型的表达
3D城市模型的表达
•线和面同样有其在三维空间的表现。
3D城市模型的表达
3D城市模型的表达
三维规则对象:采用CSG表达;
三维不规则对象:采用单纯形表达;
单纯形可以精确地表达各类三维空间实体
及其空间关系(陈军、郭薇,1997);
3D城市模型的表达
3)应用实例
预
警
规划
房地产
交通
导航-救护
4)进一步的问题
“真三维”环境中的空间对象:现代城市本身是一个三维体系,其对应的理论模型必须能够体现这个体系。
传统的二维模型和数字地面模型已明显地显示了其在城市应用中的局限性。
在数字城市中,不仅要定义所以二维空间对象,更为重要的是抽象三维空间对象,如“真三维”空间中的点、线、面、体,及复杂面对象和体对象的解析。
三维空间对象的复杂的拓扑关系:这种关系除传统二维空间拓扑关系(如点-面、线-面、面-面关系等)外,还需体现空间对象在“真三维”空间中的特殊关系,如点-体、线-体、面-体、体-体关系等。
进一步的问题
动态变化:城市本身是一动态系统,作为现代城市在虚拟空间的表现,数字城市必须及时反映城市的动态变化,并对城市动态进行模拟。
实时服务:目前已有大量的实时监测系统,如遥感及实时的商业信息等。
这些形形色色的实时信息如何在数字城市实现信息管理的统一,以及针对不同应用的信息服务,是对数字城市理论模型的最根本的要求。
进一步的问题
因此,根据目前空间信息科学和技术的发展现
2、地学建模
李青元[1996]
侯恩科[2003]
齐安文[2002]
王彦兵[2005]
车德福[2008]
郭甲腾[2010]
3D地学模拟[吴立新](研究生课程)
2、地学建模
基于四面体(或单纯形)的模型可以较好地用于表达地球科学领域的各类对象,适于矿山、地质、石油以及地震领域,
Lattuada等(2001)对这一方面的工作进行了探讨,发现四面体可以较好地解决地球科学领域的问题。
齐安文[2002]-三棱锥模型;
如下图:是用四面体模型基于模拟钻井数据重构的三维地质体,以及基于约束四面体模型重构的三维复杂地质体。
2、地学建模
a) 三维较规则地质体b)三维复杂地质体
基于四面体模型的三维复杂实体重构
2、地学建模
•由于四面体模型在涉及一些规则体,特别是一些具有弧形体如圆柱体、圆锥体外形的对象难
以较好地表达,
•同时四面体在表达一些比较规则对象时需引入多余的剖分计算,增加数据冗余,
•因此不适于城市环境。
2、地学建模
•八面体模型:
2、地学建模
•复合模型:
应用-规划设计
应用-储量计算
应用-开采模拟
应用-安全预警
问题??
3、景观模型
平面视图(2D
)
模型视图(2.5D )
模型视图(3D)
3-1、基于三维造型
优点:能构建逼真
的场景(如右
图),但这种以视
觉效果评价(VIA)
为目的的景观设
计,实用性问题是
影响其在工程设计
中应用的瓶甄。
(http://www.clr.utoronto.ca/)
利用目前市场上一些成熟的三维造型软件(如CAD 、3DMAX ,Alias 等)来构建高度真实感的景观模型和场景,追求的是对设计对象及主要景观要素的逼真表达,以进行视觉效果评价。
3-2、基于GIS软件
#)二维GIS工具通过现有的二维数据扩展的方式来创建三维景观时,在三维城市景观设计中应用较广。
#)一些二维GIS工具通过在TIN上添加二维对象(或符号)的方法来近似表达一种基于地形的景观设计效果(如下图示),无论在视觉效果还是实用性上都是很不理想。
#)利用GIS工具在DTM上加入影像进行地形的景观表达[孙敏2002;等] ;。