三维GIS课件-三维空间数据及其获取方法

ArcGIS9教程_第9章三维分析第九章三维分析相当长的⼀段时间⾥，由于GIS理论⽅法及计算机软硬件技术所限，GIS以描述⼆维空间为主，同时发展了较为成熟的基于⼆维空间信息的分析⽅法。

但是将三维事物以⼆维的⽅式来表⽰，具有很⼤的局限性。

在以⼆维⽅式描述⼀些三维的⾃然现象时，不能精确地反映、分析和显⽰有关信息，致使⼤量的三维甚⾄多维空间信息⽆法加以充分利⽤。

随着GIS技术以及计算机软硬件技术的进⼀步发展，三维空间分析技术逐步⾛向成熟。

三维空间分析相⽐⼆维分析，更注重对第三维信息的分析。

其中第三维信息不只是地形⾼程信息，已经逐步扩展到其它更多研究领域，如降⾬量、⽓温等。

ArcGIS具有⼀个能为三维可视化、三维分析以及表⾯⽣成提供⾼级分析功能的扩展模块3D Analyst，可以⽤它来创建动态三维模型和交互式地图，从⽽更好地实现地理数据的可视化和分析处理。

利⽤三维分析扩展模块可以进⾏三维视线分析和创建表⾯模型（如TIN）。

任何ArcGIS 的标准数据格式，不论⼆维数据还是三维数据都可通过属性值以三维形式来显⽰。

例如，可以把平⾯⼆维图形突出显⽰成三维结构、线⽣成墙、点⽣成线。

因此，不⽤创建新的数据就可以建⽴⾼度交互性和可操作性的场景。

如果是具有三维坐标的数据，利⽤该模块可以把数据准确地放置在三维空间中。

ArcScene是ArcGIS三维分析模块3D Analyst所提供的⼀个三维场景⼯具，它可以更加⾼效地管理三维GIS数据、进⾏三维分析、创建三维要素以及建⽴具有三维场景属性的图层。

此外，还可以利⽤ArcGlobe模型从全球的⾓度显⽰数据，⽆缝、快速地得到⽆限量的虚拟地理信息。

ArcGlobe能够智能化地处理栅格、⽮量和地形数据集，从区域尺度到全球尺度来显⽰数据，超越了传统的⼆维制图。

利⽤交互式制图⼯具，可以在任何⽐例尺下进⾏数据筛选、查询和分析，或者把⽐例尺放⼤到合适的程度来显⽰感兴趣区域的⾼分辨率空间数据，例如航空相⽚的细节。

第六章三维数据的空间分析方法三维数据的空间分析方法是地理信息系统中的重要内容之一、随着技术的发展和数据的积累，三维数据的空间分析在城市规划、建筑设计、环境监测等领域得到了广泛的应用。

本章将介绍三维数据的表示方法以及常用的空间分析方法。

一、三维数据的表示方法三维数据的表示方法主要有两种：体素法和表面法。

1.体素法：体素是三维空间中的一个像素，类似于二维空间中的像素。

体素法将三维空间划分为一系列的小立方体，每个立方体称为一个体素。

每个体素可以用一个数值来表示其属性，例如高度、温度等，这样就形成了一个三维数组。

体素法的优势是能够全面地表示三维数据的空间分布特征，但也存在数据量大、计算复杂的缺点。

2.表面法：表面法是用一个或多个表面来表示三维空间中的对象。

表面可以是多边形网格、三角网格等。

表面法常用于建筑设计、可视化等领域。

表面法的优势是数据量相对较小，计算相对简单，但不能很好地反映三维数据的内部特征。

1.空间插值：空间插值是根据已有数据点的属性值，推算未知位置的属性值。

常用的插值方法有反距离加权法、克里金插值法等。

空间插值在三维数据的空间分布分析中起到了至关重要的作用。

2.空间关系分析：空间关系分析是研究不同空间对象之间的关系，如接近、远离、相交等。

在三维数据的空间分析中，常用的空间关系分析方法有空间缓冲区分析、空间接近分析等。

3.可视化分析：可视化分析是通过图形展示三维数据的空间分布特征。

常用的可视化分析方法有三维透视图、等值线图等。

可视化分析能够直观地展示三维数据的分布规律，对于决策和规划具有重要的指导作用。

4.空间统计分析：空间统计分析是通过统计学方法研究三维数据的空间分布特征。

常用的空间统计分析方法有聚类分析、空间自相关分析等。

空间统计分析可以帮助我们理解三维数据的空间格局，并提取有用的信息。

5.空间模拟分析：空间模拟分析是通过模拟方法模拟三维数据的空间变化过程。

常用的空间模拟分析方法有蒙特卡洛模拟、细胞自动机模型等。

三维地理信息系统建模技巧引言：近年来，随着技术的发展和应用范围的扩大，三维地理信息系统（3D GIS）在城市规划、环境管理、自然灾害预测等领域发挥着越来越重要的作用。

建立一个精确、全面的三维地理信息系统模型是实现科学决策和有效管理的关键。

本文将从数据获取、模型构建和数据可视化等方面分析三维地理信息系统建模的技巧，希望能为相关领域的研究者和从业者提供一些参考。

一、数据获取三维地理信息系统模型的准确性和真实性直接取决于数据的质量和精度。

数据获取是三维建模的第一步，合理选择数据获取方式对于模型的精度和可靠性有着重要影响。

1. 遥感数据遥感技术是获取三维地理信息的重要手段之一。

通过航空摄影、卫星遥感等技术可以获取到大范围的地形、地貌、建筑物等数据，为三维建模提供了基础。

在选取遥感数据时，要考虑数据的分辨率、准确度和时间等因素，选择合适的遥感数据来源能够提高建模的质量和效率。

2. 激光扫描数据激光扫描技术通过发射激光束并接收反射回来的光束，能够获取更加真实和准确的地形数据。

激光扫描数据具有高分辨率和高精度的特点，可以捕捉到建筑物和地形的细节信息。

在建模过程中，合理利用激光扫描数据可以提高模型的精度和真实性。

二、模型构建根据获取的数据，进行模型的构建是三维地理信息系统建模的核心步骤。

模型构建的关键在于如何根据数据的特点选择适合的建模方法，以实现模型的精确表达和高效管理。

1. 建筑物模型建筑物是城市三维地理信息系统中非常重要的元素。

对于建筑物模型的构建，可以通过BIM（建筑信息模型）和CAD（计算机辅助设计）等软件进行。

BIM技术可以实现对建筑物的全生命周期管理，提供准确、完整的建筑物模型。

合理利用建筑物的形状、纹理和属性信息，可以提高建筑物模型的真实感和表现力。

2. 地形模型地形是城市三维地理信息系统中的另一个重要要素。

地形模型的构建可以通过数字高程模型（DEM）和地形网格化等方法进行。

DEM是一种以栅格形式表示地形表面的数字模型，能够提供高度信息，可用于分析地质灾害和水文模拟等。

简述常用地理空间数据源及其获取方法常用地理空间数据源包括地理信息系统（GIS）数据、卫星遥感数据、地图数据和社交媒体数据。

1. 地理信息系统（GIS）数据：GIS数据由各种机构和组织收集和维护，包括政府机构、学术研究机构和非政府组织等。

获取GIS数据的方法包括：- 直接从相关机构下载数据：许多政府机构和学术研究机构提供免费或收费的GIS数据下载服务。

- 使用GIS软件和插件：大多数GIS软件提供了数据查询和下载功能，可以直接通过软件获取数据。

- 使用GIS数据提供商：有一些专门的商业公司提供各种类型的GIS数据，用户可以从他们那里购买所需数据。

2. 卫星遥感数据：卫星遥感数据通常由卫星或无人机收集，包括遥感影像、高程数据和地表温度等。

获取卫星遥感数据的方法包括：- 直接从卫星数据提供商下载：有一些卫星数据提供商如Landsat、Sentinel和MODIS等，用户可以从他们的网站下载所需数据。

- 使用遥感数据平台：一些在线遥感数据平台（如Google Earth Engine和Remote Pixel）提供了大量卫星遥感数据的查询和下载服务。

- 使用遥感图像处理软件：一些遥感图像处理软件（如ENVI 和QGIS）提供了数据访问和分析的功能，用户可以通过软件获取数据。

3. 地图数据：地图数据是指包含地理特征和地理数据的地图。

获取地图数据的方法包括：- 使用在线地图服务：包括Google Maps、百度地图、高德地图等。

用户可以通过这些服务访问和使用地图数据。

- 使用地图制作软件：一些地图制作软件（如ArcGIS和QGIS）提供了地图数据查询和下载的功能，用户可以通过软件获取数据。

- 购买地图数据：一些专业地图数据提供商提供了各种类型的地图数据，用户可以从他们那里购买所需数据。

4. 社交媒体数据：社交媒体数据是指通过社交媒体平台收集的地理位置相关的数据，包括用户地理标签、地理位置信息和地理标记等。

获取社交媒体数据的方法包括：- 使用社交媒体API：一些社交媒体平台（如Twitter、Instagram和Facebook）提供了开放API，用户可以使用API 查询和获取相关数据。

1、三维GIS在空间分析方面的独特应用：三维空间分析除了包括二维gis的分析功能外，还应包括针对三维空间对象的特殊分析功能。

具体可分为以下几类：空间查询，包括几何参数查询(空间位置、属性)、空间定位查询(点定位、面定位)、空间关系查询(邻接、包含、相离、相交、覆盖等)等；空间量测，包括距离、质心、面积、表面积、体积等；叠置分析；缓冲区分析，包括点缓冲、线缓冲、面缓冲、体缓冲等；网络分析，包括最短路径、资源分配、连通分析等；地形分析，包括趋势面分析、坡度坡向分析、晕渲分析等；剖面分析，它是实现通视分析、日照分析阴影计算等的基础；空间统计分析，包括统计图表分析、密度分析、层次分析、聚类分析等。

根据空间分析所处理的对象进行划分，空间分析方法主要有基于图形的方法与基于数据的方法两类。

基于图形的空间分析方法如常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析与空间联结等能直接从2D 扩展至2.5D乃至3D。

由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然能包容二维GIS的空间分析功能。

三维GIS最有特色的也许是其基于三维数据的复杂分析能力，如计算空间距离、表面积、体积、通视性与可视域等。

结合物理化学模型提供一些更具增值价值的真三维空间分析功能，如水文分析、可视性分析、日照分析与视觉景观分析等已成为三维GIS分析研究的重要内容之一，并正积极朝结合属性数据和其他专题数据开发知识发现的新方法、“面向解决与空间有关的问题”提供定量与定性结合的空间决策支持方向发展。

2、三维建筑物模型的重建方法：大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。

如Tao（2004）将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：1）基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型；2）基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；3）基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。

第⼗四章：ArcGIS三维分析 ArcGIS具有⼀个能为三维可视化、三维分析以及表⾯⽣成提供⾼级分析功能的扩展模块“3D Analyst”,可以⽤它来创建动态三维模型和交互式地图，从⽽更好地实现地理数据的可视化和分析模型。

⼀、ArcGIS三维分析概述 ArcGIS三维分析模块主要提供了基于表⾯⾼程数据的数据三维可视化和三维地理空间分析功能。

通过此模块可创建栅格表⾯、进⾏插值、⽣成TIN和进⾏表⾯分析等。

1.三维分析基础 地理空间系统的三维分析多是在数字⾼程模型（Digital Elevation Model简称DEM）上进⾏的。

①表⾯与表⾯模型 ②栅格表⾯：栅格表⾯通常存储在格⽹（GRID）格式中。

格⽹由⼀组⼤⼩均⼀、具有z值的矩形单元构成。

栅格单元越⼩，格⽹表⽰的空间精度越⾼。

③TIN表⾯：不规则三⾓⽹（TIN）是表达表⾯的⼀种有效⽅法，它由不规则分布的数据点连成的三⾓⽹组成，三⾓形的形状和⼤⼩取决于不规则分布的观测点或称节点的密度和位置。

2.ArcGIS三维分析平台与模块简介 使⽤ArcMap平台可以建⽴三维数据，包括建⽴创建和修改TIN数据、插值⽣成栅格数据等，也可以对数据进⾏表⾯查询、分析以及各种表⾯积或体积的计算等，还能对数据进⾏转换、重分类等等操作。

使⽤ArcCatalog可以浏览并管理三维数据。

另外，ArcGIS软件体系还有两种平台——ArcScene和ArcGlobe来显⽰和表达三维数据或场景。

3.ArcGIS三维分析⼯具的激活与添加（⼯具-扩展-勾选3D Analyst） ⼀般默认情况下，在ArcMap、ArcCatalog和ArcScene中三维扩展分析⼯具都是出于未激活的状态。

①激活⼯具②添加⼯具⼆、三维表⾯模型的建⽴ 真实的表⾯是连续变化的，即表⾯包含⽆数个点，所以⼀般情况下，不可能对所有点的z值进⾏度量和记录。

表⾯模型允许⽤户在GIS对表⾯信息进⾏存储。

表⾯模型通过对表⾯上不同位置的点进⾏采样，进⽽对采样点进⾏插值，对表⾯进⾏模拟和近似的拟合，即利⽤有限⽬的样本点来估计未知样本点的值，从⽽形成整个表⾯。