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TIN、DEM、表面分析 20242024年年8 8月月3131日日闫磊闫磊 电话：电话：1310850719013108507190EmailEmail： 13108507190126.com13108507190126.comQQQQ群群:117666234:117666234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讲解内容1.基本含义2.TIN、DEM制作3.空间表面分析4.空间内插方法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1.1、DEM是什么 DEM是“数字高程模型（Digital Elevation Model）”的英文简写。 数字高程模型是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTMDTM）的一个分支。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等。 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什么是Tin 在TIN数据模型中，将具有（X,Y,Z）坐标值且在空间分布上不规则的点连接成三角形，这些相邻的三角形形成一个网络用以表示现实世界中的某些特征。说明：尽管TIN 也是一种矢量数据格式，但由于它不能表达单个要素所以是特殊的矢量格式。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（GRID和和TIN）的区别）的区别 这两种模型各有优缺点，相比而言，相比而言，GRIDGRID模型比较简单、高效，模型比较简单、高效，TINTIN模型比较精模型比较精确，数据量，耗内存大。所以，一般确，数据量，耗内存大。所以，一般GRIDGRID模模型多用于区域性的、小比例尺的应用，而型多用于区域性的、小比例尺的应用，而TINTIN模型则更常用于精细的、大比例尺的应模型则更常用于精细的、大比例尺的应用用。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 打开3D analysis工具,creat TIN,设置参数。需要加扩展模块 Hard line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； Soft line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（soft line和hardline），用于点生成tin数据:8demdgxtinGG487422.mdbdgx6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：8demdgx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？7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.裁切多边形：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. 删除多边形：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.替换多边形：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.填充多边形：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：8demdgx8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hard erasehard erase数据位置：8demdgx9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hard Replacehard Replacenhard Replacehard Replace中的字段值才有意义中的字段值才有意义数据位置：8demdgxreplace10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然后convert TIN to raster,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，CellsizeCellsize 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给点层赋值 Extract Values to Points一定要设置输出的范围，范围可和当前显示窗口一定要设置输出的范围，范围可和当前显示窗口一致，造成根本原因一致，造成根本原因gridgrid的坐标系统有问题的坐标系统有问题数据使用:8demdgxtinGG487422.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）通过Dem给点层赋值 Extract Values to Points 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:8demdgxtinGG487422.mdbpnt13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.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.可视范围(Viewshed)6.计算土方量工具(Cut/Fill)7.容积和面积计算（area and volume) 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，基于于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3.1.空间表面分析 grid表面分析错误解决 在grid表面分析时，生成的等高线等为空，？原因在生成的数据的坐标是错误的：Krasovsky_1940_Transverse_Mercator ， 解决办法:界面的设置如下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。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。 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3.3 坡向分析结果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3.4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3.5可视性分析 Viewshed（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，必须要选择一个点层， 在屏幕上画线，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。22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）n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(需要挖的，值为小于0 ），兰色表示土方减少（需要填的，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，有面积和体积使用数据:8demdgxtinGG487422.mdbdgx和dgx_123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) 转换Rester-Feature选择volumevolume字段字段，转换为polygon，后符号化，小于0合并一种，大于0合并一种，可以自己统计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3.7容积和面积计算（area and volume)某个参考平面的二维面积、表面面积及体积 Heigh of plane：参考平面的高程值；Calculate Statistics above plane（below）计算参考平面之上的面积和 体积还是之下的体积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、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。26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、空间内插方法类型（中级）1.反距离权重插值（Inverse Distance Weighting 简称IDW）2.样条函数插值（Spline）3.克里金插值（kriging）4.自然邻域法（Natural Neighbor）注意：1-4必须是点层数据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。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4.1反距离权重插值 IDW Z value field 用来插值的属性数据字段Power 即距离的指数。幂越大，点的距离对影响越小。幂越小，表面越平滑。合理范围是0.53Search radius type:搜索半径类型,有可变和类型两种，定半径插值时，使用指定搜索半径内所有的点作为输入点。如果在搜索半径内没有任何点，这时将自动增加栅格单元的搜索半径，直到达到指定的最少点数为止。Maximumu distance：指定最大搜索半径，没有指定是整个地图范围Number of points：最大搜索半径内用作输入的点数Use barier polylines：插值障碍数据：8deminsertpoint.gdbpnt29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。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4.2 样条函数插值（Spline） Z value field 用来插值的属性数据字段Spline type：样条函数类型张力（Tension）、规则（Regularized）张力（Tension）样条中的加权值，是用来调整表面弹力的值。当加权值为0时，为标准的薄板样条插值。加权值越大，表面弹性越大。典型的加权值为0、1、5和10），规则样条（规则样条（ Regularized）中的权重值用来控制表面的平滑度。权重指定三阶导数的系数，以使表面的曲率最小。权重值越大，表面越平滑，一阶导数（坡度）表面也越平滑。通常，权重值取00.5。 数据：8deminsertpoint.gdbpnt31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。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4.3克里格插值（kriging）Z value field 用来插值的属性数据字段Kriging method:插值方法，有ordinary（普通 ），universal （泛），普通克里格是应用最普遍的，它假定均值是未知的常数。泛克里格用于已知数据趋势的情况，并能够对数据进行科学的判断来描述它。 Semivariogram models：模式方法：模式方法 Circular （圆形（圆形 ）Spherical(球球形形 ）、Exponential （指数（指数）、Gaussian（正态分布（正态分布 ，高斯分布）、Linear（线形（线形 ）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。 34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- Contour2、离散点-内插dem- Contour数据：8demdgp.shp35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36