arcgis三维从入门到精通


ArcGIS 三维 从入门到精通 ESRI 中国(北京)有限公司 行业技术部 2010 年 6 月 《版权声明》 本文档版权为 ESRI 中国(北京)有限公司所有,仅限内部使用。未经本公司 书面许可,任何单位和个人不得以任何形式摘抄、复制本文档的部分或全部,并 以任何形式传播。 ——版本修订记录—— 版本 提交日期 负责人 描述 0.1 2010 年 6 月 4 日 于强 初稿,仅限公司内部使用 目 录 1. 三维场景简介 ............................................................................................................... 1 1.1. 三维简介 ........................................................................................................ 1 1.2. 启动 ArcGlobe ................................................................................................ 1 1.3. 设置起始图层 ................................................................................................ 2 1.4. 三维导航 ........................................................................................................ 2 1.5. 指南针 ............................................................................................................ 3 1.6. 全屏设置 ........................................................................................................ 4 1.7. 启动画设置 .................................................................................................... 5 1.8. 惯性设置 ........................................................................................................ 6 1.9. 星空大气层 .................................................................................................... 7 1.10. 太阳光 ............................................................................................................ 8 2. 数据获取与处理 ......................................................................................................... 10 2.1. 三维 GIS 的数据构成 .................................................................................... 10 2.2. 影像数据获取与处理 ................................................................................... 10 2.2.1. 概述 .............................................................................................................. 10 2.2.2. ArcGIS 支持的数据格式 ............................................................................... 10 2.2.3. ArcGIS 常用影像处理 ................................................................................... 10 2.2.4. ENVI 影像处理 .............................................................................................. 33 2.3. 地形数据获取与处理 ................................................................................... 45 2.3.1. 概述 .............................................................................................................. 45 2.3.2. DEM 的主要表示模型 .................................................................................. 46 2.3.3. ArcGIS 地形数据获取、处理 ........................................................................ 49 2.3.4. 基于立体像对提取 DEM(ENVI) ............................................................... 51 2.4. 矢量获取与处理 ........................................................................................... 55 2.5. 文字获取与处理 ........................................................................................... 56 2.5.1. 概述 .............................................................................................................. 56 2.5.2. 注记数据获取与处理 ................................................................................... 56 2.6. 3D 模型数据获取与处理 .............................................................................. 61 2.6.1. 概述 .............................................................................................................. 61 2.6.2. 建筑物数据获取 ........................................................................................... 62 2.6.3. ArcGIS 三维模型数据获取 ............................................................................ 64 3. 创建三维可视化场景 ............................................................................................... 100 3.1. 概述 ............................................................................................................ 100 3.2. ArcGlobe 图层类型 ..................................................................................... 100 3.3. 添加影像数据 ............................................................................................ 101 3.4. 影像数据设置 ............................................................................................ 102 3.5. 添加地形数据 ............................................................................................ 104 3.6. 地形数据设置 ............................................................................................ 107 3.7. 添加矢量数据 ............................................................................................ 109 3.8. 矢量数据设置 ............................................................................................ 114 3.9. 添加文字数据 ............................................................................................ 118 3.10. 文字数据设置 ............................................................................................ 121 3.11. 添加模型数据 ............................................................................................ 126 3.12. 添加城市街景部件 ..................................................................................... 129 3.13. 街景部件数据设置 ..................................................................................... 133 4. 三维性能优化 ........................................................................................................... 136 4.1. 概述 ............................................................................................................ 136 4.2. 场景优化 .................................................................................................... 136 4.2.1. 调整内存缓存 ............................................................................................ 136 4.2.2. 增加虚拟内存 ............................................................................................ 139 4.2.3. 导航时挂起获取瓦片线程 ......................................................................... 140 4.3. 数据优化 .................................................................................................... 141 4.3.1. 硬盘缓存 .................................................................................................... 141 4.3.2. 可视距离 .................................................................................................... 156 4.3.3. 其它设置 .................................................................................................... 158 4.4. 硬件优化 .................................................................................................... 158 4.4.1. 改善内存 .................................................................................................... 158 4.4.2. 升级显卡 .................................................................................................... 158 5. 三维应用 .................................................................................................................. 160 5.1. 三维应用概述 ............................................................................................ 160 5.2. 三维基本应用 ............................................................................................ 160 5.2.1. 空间量测 .................................................................................................... 160 5.2.2. 热点区域 .................................................................................................... 162 5.2.3. 对比分析 .................................................................................................... 163 5.2.4. 创建动画 .................................................................................................... 164 5.2.5. 剖面分析 .................................................................................................... 169 5.2.6. 坡向分析 .................................................................................................... 171 5.2.7. 坡度分析 .................................................................................................... 172 5.2.8. 填挖方分析 ................................................................................................ 174 5.2.9. 可视性分析 ................................................................................................ 176 5.2.10. 天际线 ................................................................................................. 178 5.2.11. 相交分析 ............................................................................................. 179 5.2.12. 日照分析 ............................................................................................. 180 5.2.13. 三维路径分析 ..................................................................................... 180 6. 全面的二三维一体化 ............................................................................................... 182 6.1. 概述 ............................................................................................................ 182 6.2. 数据一体化 ................................................................................................ 182 6.3. 数据存储管理一体化 ................................................................................. 183 6.4. 符号一体化 ................................................................................................ 184 6.5. 数据编辑一体化 ......................................................................................... 186 6.6. 显示一体化 ................................................................................................ 187 6.7. 空间分析一体化 ......................................................................................... 189 6.8. C/S 开发一体化 .......................................................................................... 189 6.9. 服务一体化 ................................................................................................ 192 7. ArcGIS 三维产品竞争优势 ........................................................................................ 198 7.1. 概述 ............................................................................................................ 198 7.2. 三维 GIS 是 GIS 的重要发展趋势 ............................................................... 198 7.3. 三维 GIS 面临的挑战 .................................................................................. 198 7.4. ArcGIS10 全新、完整的二三维一体化解决方案 ....................................... 199 7.4.1. 经济的数据获取与处理 ............................................................................. 199 7.4.2. 海量数据的统一数据库存储...................................................................... 201 7.4.3. 快速创建三维可视化 ................................................................................. 201 7.4.4. 海量数据的高效可视化 ............................................................................. 202 7.4.5. 强大的 GIS 分析功能 .................................................................................. 202 7.4.6. 二三维一体化开发方式 ............................................................................. 203 7.4.7. 方便的三维服务发布 ................................................................................. 203 附录 .................................................................................................................................. 204 附录 1 免费获取影像数据 .......................................................................................... 204 中国资源卫星数据服务网 ........................................................................................ 204 国家科技基础条件平台建设项目——地球系统科学数据共享网 ........................... 204 Landsat 数据下载 ..................................................................................................... 204 Hyperion 数据下载 ................................................................................................... 205 全球基于 Aster 的 DEM 数据下载网站 .................................................................... 205 附录 2 ESRI 的技术服务渠道 ........................................................................................ 205 ESRI 用户大会 ........................................................................................................... 205 专业网站&社区 ........................................................................................................ 206 专业化培训............................................................................................................... 206 期刊资料 .................................................................................................................. 206 讨论组 ...................................................................................................................... 207 专业技术支持 ........................................................................................................... 207 1 1. 三维场景简介 1.1. 三维简介 ArcGIS 3D 分析扩展模块是 ArcGIS 桌面产品(ArcView,ArcEditor 和 ArcInfo)的三 维可视化和分析扩展模块。这个可选的 ArcGIS 3D 分析扩展模块包含两个专用的三维可 视化应用程序:ArcScene 和 ArcGlobe。 • ArcScence 是基于内存的应用主要完成小场景的三维数据可视化。 • ArcGlobe 提供交互式全球海量地理数据三维可视化可以实现全球,地方和街道 数据一级级无缝转换 。 1.2. 启动 ArcGlobe 点击[开始]->[所有程序]->[ArcGIS]-[ArcGlobe 10] 当您打开第一次 ArcGlobe,你会发现已经有在目录表中的一些图层;这些自动层是由 ArcGISOnline 的在线数据: Imagery 图层是在线的影像数据(包括全球 1 千米至 15 米 分辨率数据、全美 1 米数据、局部 1 米分辨率数据),Elevation (30m) 图层是全球 30 米地形数据,Elevation (90m/1km) 图层是全球 90m 地形数据。Boundaries and Places 是 地名数据,Reference/ESRI_Transportation_World-Transportation 是运输线路数据 2 1.3. 设置起始图层 通过菜单 Customize > ArcGlobe Options > Default layers 选项卡可以设置启动时的默 认图层。 • Use default online layers 使用在线默认图层 • Use my choice of default layers 使用自定义图层。您也可以加载 ArcGlobeData 目 录下面 ArcGlobe 的自带数据 • Don't use any default layers 不使用任何图层 1.4. 三维导航 在三维导航中有两个比较重要的概念:相机/观察者 Camera (observer)和目标 Target, 所有的三维导航都是通过控制观察者和目标来完成。 通过导航工具 完成主要三维导航控制,它包含两个模式:球模式(Global mode) 和地表模式(Surface mode),可以通过导航模式工具 进行切换。。 3 • 地球模式 —锁定目标位置,以地球的中心,创建一个顶视图查看您的数据 • 地表模式—允许目标位置移动,创建一个三维斜试图查看您的数据 两种模式下都可以使用鼠标左键、中键、右键完成导航控制。 • 地球模式下: 按住拖动:漫游; 按住拖动:漫游并且切换到地表模式; 滚轮:放大缩小; 按住拖动:放大/缩小 • 地表模式下: 按住拖动:改变视角; 按住拖动:漫游并且切换到地表模 式; 滚轮:放大缩小; 按住拖动:放大/缩小 1.5. 指南针 通过菜单 View->View Setings 可以设置观察者和目标数值;通过 Enable North Arrow 设置指北针是否显示。 4 1.6. 全屏设置 通过菜单 Customize > ArcGlobe Options > General 选项卡中的 Full View Observer Position 可以设置全屏时的位置信息。 5 1.7. 启动画设置 通过菜单 Customize > ArcGlobe Options > General 选项卡中的 Animate Tools and Commands 可以激活动画功能,并且可以设置动画的速度。 6 1.8. 惯性设置 通过菜单View > GlobeProperties> General选项卡中的Enable Animated Rotation可以 启用惯性功能。 小窍门:在导航模式下 CTRL + SHIFT+ 可以完成惯性模式切换。 7 小窍门:在启用惯性时,可以利用漫游工具 或者鼠标中键 实现地球的任意惯 性旋转。 1.9. 星空大气层 通过菜单 View -> GlobeProperties-> Backround选项卡中的 Environment Setings 中的 Atmospheric halo 可以设置是否显示大气;Starts 可以设置是否显示星空。 另外,Mode 面板中的参数可以对天空模式和颜色进行设置。 8 1.10. 太阳光 通过菜单 View -> GlobeProperties-> Sun Position 选项卡中的 Enable sun lighting 可以 设置是否启用太阳光功能。通过 Set absolute sun position 可以设置太阳照射的绝对位置; 9 通过 Set sun position based on time 可以依据时间设置太阳照射的位置。 小窍门:选中 Enable sun lighting 启用太阳光后,可以通过 Ambient light 的滑动条 设置整个场景明亮程度,改善建筑物暗淡的效果。 10 2. 数据获取与处理 2.1. 三维 GIS 的数据构成 三维 GIS 数据构成有影像数据、地形数据、基础矢量数据(建筑物,地铁,公路, 电线等等)、文字数据、三维模型数据、街景部件(树木、路灯消防栓等)。 2.2. 影像数据获取与处理 2.2.1. 概述 目前,常用的遥感影像有 LandSat(30 米)、ASTER (15 米)、SPOT5 (5 米)、CartoSAT -1 (P5 2.5 米)、ALOS(2.5 米)、RapidEye(5.8 米)、北京一号小卫星(4 米)、地球资源卫星-2B 星(2.37米)、KOMPSAT-2(1米)、IKONOS(1米)、Quick Bird (0.61米)、WorldView-1、2 (0.41 米)、GEOEye-1(0.5 米)等。 2.2.2. ArcGIS 支持的数据格式 对于影像数据格式的支持非常普遍,目前市场上的各种影像格式基本上都可以 支持,包括 ENVI Header Format(*.hdr)、PCI Geomatics(*.pix)、ERDAS IMAGINE (*.img)、 ER Mapper (*.ers)、 Hierarchical Data Format (HDF) 5 (*.h5、*.hdf5)、ER Mapper (*.ers)、 Multi-resolution Seamless Image Database (MrSID) (*.sdw)、GeoTIFF (*.tif)、TIFF、HDF4、 ERSI GRID、FAST、 JPEG 2000、JPEG、PNG、Gif、ArcSDE raster 等 60 种影像格式。 注:从 ArcGIS10 开始支持 Bigtif 格式,tif 数据 4gb 不再是一个限制了。 2.2.3. ArcGIS 常用影像处理 2.2.3.1. 栅格数据的投影(Project Raster) Project Raster 将栅格数据集从一个投影转换的另外一个投影。该工具保证误差在半 像素内。 Project Raster 工具在在 ArcToolbox->Data Management Tools->Projections and Transformations ->Raster->Project Raster 目录里面。鼠标左键双击工具名字即可调出 Project Raster 对话框。 工具界面: 11 工具参数: 参数 含义 类型 Input Raster 输入的栅格数据集 栅格数据集 Input Coordinate System(可 选) 输入的栅格数据的坐标系统 坐标系统 Output Raster Dataset 输出的栅格数据集 栅格数据集 Output Coordinate System 几何列的坐标系统 坐标系统 Geographic Transformation(可选) 在两个坐标系统或基准之间的 变换方法。 当输入的坐标系统和输出的坐 标系统的基准相同时该项是可 选的,当两个坐标系统的基准 不同时必须指定该项。 String Resampling Technique (可 选) 重采样方法。 共有四种方法: 1.NEAREST:最邻近象元内插。 2.BILINEAR:双线性内插。 3.CUBIC:立方卷积 4.MAJORITY:MAJORITY:多数 重采样 String Output Cell Size (可选) 输出的栅格数据集的象元大 小。默认值为输入的栅格数据 像素大小 12 集的象元大小。 Registration Point (可选) 在输出空间中用来排列像素的 坐标。 点位 注:栅格数据投影除了可以完成栅格数据的投影转换外,还可以用于丢失投影信息数据 的投影信息添加。 2.2.3.2. 栅格数据的几何纠正(Warp) Warp 利用源影像和目标影像上一定数量的控制点建立从源影像到目标影像的一种 多项式变换关系,然后利用这种多项式关系对源影像进行纠正。示例: 现在有一幅风云 3 卫星影像,此影像长 2400 像素,宽度为 1200 像素,我们已知它 的坐标范围在东经 27 度至 147 度,纬度从 0 度到 60 度,通过如下示意图说明源影像与 目标影像坐标对应情况: 13 为 PNG 格式影像添加坐标信息,通过 ArcToolbox->Data Management Tools->Projections and Transformations ->Raster->Warp,鼠标左键双击工具名 字即可调出 Warp 对话框。输入参数如下图: 14 工具参数及含义: 参数 含义 类型 Input Raster 输入要纠正的栅格数据。 Composite Geodataset Source Control Points 源影像上的控制点。 Point Target Control Points 目标影像上的控制点。 Point Output Raster Dataset 输出纠正后的栅格数据。 Raster dataset Transformation Type (可选) 几何变换的类型。共有五种方 式: 1. POLYORDER1:一次多项式 变换(仿射变换)。为默 认值。 2. POLYORDER2:二次多项式 变换。 3. POLYORDER3:三次多项式 变换。 4. ADJUST:一个局部和整体 精度都得到优化的变换。 首先做多项式变换,然后 对 控 制 点 平 差 调整 变 换 式。 5. SPLINE:一个对于控制点 来说非常精确的变换,但 是对于那些是非控制点的 像素来说变换就不一定精 确了。 String Resampling Techinque (可选) 几何纠正时采用的重采样 方法。共有四种方法: 1. NEAREST:最邻近象元内 插。 2. BILINEAR:双线性内插。 3. CUBIC:立方卷积 4. MAJORITY:MAJORITY: 多数重采样 String 注:控制点的输入方法: 首先输入源影像的控制点,在 X Coordinate 和 Y Coordinate 中分别输入该控制 点的横坐标值和纵坐标值,然后单击 按钮,将该控制点添加到列表中,然后按次方 法输入第二个控制点„„ 只至所有的控制点添加完毕。然后按上面的方法依据与源影像 控制点对应的顺序载入目标影像的控制点。 15 2.2.3.3. 图像地理纠正 现在有一幅已经经过几何校正的影像(hnl_orthos1.img),还有一幅没有经过几何 校正的影像(待纠正影像.jpg),通 Georeferencing 工具,交互式的纠正影。使用 Georeferencing 工具交互式的纠正影像,方便快捷。以下时操作步骤: (1)打开 Arcmap,加载两幅影像,其中 “hnl_orthos1.img” 是已经配准的影像, “待纠正影像.jpg”为待配准的影像,如下图: (2)目前两幅图像没有共同的空间参考,无法在同一个地图窗口同时看到两幅影 像,为了便于下面的操作,为两幅图像建立热点,选中其中某一图像,右键“zoom to layer”,图像定位后,点击菜单条“Bookmarks”“Create…”分别创建两个热点,如下 图: (3)激活 Georeferencing 工具条,在下拉菜单中去掉“auto adjust”选项,如下 图: (4)点击 “Add Controls Points” 图标 ,在 hnl_orthos1.img 中选取控制点,然 后选择热点“待纠正”,通过目视方法在“待纠正影像.jpg”中选取控制点,在控制点 16 的选取上,尽量选择较明显的地标性建筑。重复以上过程,交互式的选择更多的控制点, 如下图: (5)点击“View Link Table”图标 ,可以在”Link Table”窗口中,查看已经输入的控 制点,可以对已经输入的控制点的坐标值进行调整,选择进行几何变换的类型,如下 图: (6)最终,通过点击 “Update Georeferecening”,完成配准工作,如下图: 17 (7)效果满意后,可以通过 recify 选项输出结果数据,或者在数据图层上右键导出 结果数据。 2.2.3.4. 正射纠正 (Ortho Corrected) Create Ortho Corrected Raster Dataset 工具利用栅格数据集附带的 RPC 模型对 该栅格数据集进行正射纠正。要对一个栅格数据集进行正射纠正,必须要有该栅格数 据集的 RPC 模型。为了更精确的对栅格数据集进行正射纠正,就要利用该区域的 DEM。 如果没有 DEM,就只能认为该区域的高程是一个常数。 Create Ortho Corrected Raster Dataset 工具在在 ArcToolbox->Data Management Tools-> Raster-->Raster Processing->Create Ortho Corrected Raster Dataset 目录里面。 鼠标左键双击工具名字即可调出 Create Ortho Corrected Raster Dataset 对话框。 工具界面: 18 工具参数及其意义: 参数 含义 类型 Input Raster 输入要进行正射纠正的栅格数 据集。 栅格数据层 Output Raster Dataset 输出的正射纠正后的栅格数据 集。 栅格数据 Othrorectification Type 正射纠正时用的高程类型。 Constant elevation:采用用 户指定的高程值进行正射纠 正。 DEM:采用指定的 DEM 进行正射 纠正。 String Constant Elevation (Meters) 指定的高程值。如果上一项选 择采用 DEM,则该项不可选。 Double DEM Raster 输入在正射纠正时要用的DEM。 栅格数据 Z Factor (可选) 高程缩放因子。主要用于不同 单位如米、英尺等之间的转换。 Double Z Offset (可选) 在 DEM 上增加的高程基数。 Double Geoid (可选) 指出是否需要进行大地水准面 修正。 NONE:不需要进行大地水准面 修正。 Boolean 19 Geoid:需要进行大地水准面修 正。 2.2.3.5. 栅格数据镶嵌(Mosaic) 在 ArcToolbox->Data Management Tools->Raster->Raster Dataset 目录里面可以看到 对栅格数据进行镶嵌处理的四个工具: Mosaic tool、Mosaic To New Raster tool、Raster Catalog To Raster Dataset tool 和、Workspace To Raster Dataset tool。鼠标左键双击工具 名字即可调出镶嵌对话框。 下面将逐一介绍这四种工具的用法: 工具一:Mosaic tool 该工具将多张栅格数据镶嵌起来,结果(即 Target Raster)保存在一个已经存在的栅格 数据集里面(一般是要镶嵌的栅格数据中的第一张)。示例: 工具界面: 20 工具参数意义: 参数 含义 数据类型 Input Rasters 输入要进行镶嵌处理的所有栅格 数据 栅格数据 Target Raster 目标栅格数据集,即镶嵌完成后将 结果保存到该文件。一般取前面输 入数据的第一幅。 栅格数据 Mosaic Method (可选) 用来对重叠区域进行处理的方式。 共有六种: 1. FIRST:处理时,重叠区域内 的象元灰度值将取第一幅影 像(左)的对应象元值。 2. LAST:处理时,重叠区域内的 象元灰度值将取最后一幅影 像(右)的对应象元值。 3. BLEND:重叠区域内的象元值 取覆盖该重叠区域影像的对 应象元值的加权平均值。且该 值与像素到重叠区的边缘的 距离有关。 4. MEAN: 重叠区域内的象元值 取覆盖该重叠区域影像的对 String 21 应象元值的平均值。 5. MINIMUM:重叠区域内的象元 值取所有覆盖该重叠区域的 影像的对应象元值的最小值。 6. MAXIMUM:重叠区域内的象元 值取所有覆盖该重叠区域的 影像的对应象元值的最大值。 Mosaic Colormap Mode (可选) 决定采用输入栅格数据中的哪个 数据的颜色表作为输出数据的颜 色表。共有四种方案: 1. REJECT:当且仅当输入的栅格 数据都没有颜色表时可用。 2. FIRST:采用输入栅格数据中 的第一个数据的颜色表作为 输出数据的颜色表。为默认 值。 3. LAST:采用输入栅格数据中的 最后一个数据的颜色表作为 输出数据的颜色表。 4. MATCH:生成的结果数据中颜 色表中的颜色是唯一的。 String Ignore Background Value (可选) 指定栅格数据集中当一个像素的 值是多少时它会被当做背景而不 是被当做有效数据的一部分。 Double NoData Value(可选) 在输出的栅格数据集中所有具有 指定值的像素都会被赋值为给定 的 NoData Value Double Convert 1 bit data to 8 bits (可选) 决定是否要把用一个比特表示一 个像素的值转换成为用八个比特 来表示。转换后在 ArcSDE 中显示 栅格数据会顺畅些。 有两种选择: 1. NONE:不转换。为默认值。 2. OneBitTo8Bit:转换。 Boolean Mosaicking Tolerance (可选) 镶嵌时的结合容差。若镶嵌时像素 位置差大于容差,在镶嵌时就需要 进行重采样,否则不需要。 有效值范围:0 到 0.9999. Double Color Matching Mathod (可选) 选择镶嵌时采用的颜色匹配方法。 共有四种方案: 1.NONE:不进行匀光处理 2.StatisticMatching:先分别统 计参考栅格数据和目标数据在重 叠区域中的像素的颜色值得最小 String 22 值、最大值和中值,然后计算变换 关系,并将这种变换关系计算整个 结果数据的颜色值。 3.HistogramMatching:在参考影 像和目标影像的重叠区域中进行 直方图匹配,然后利用这种变换关 系纠正目标影像的颜色值。 4.LinearCorrelationMatching, 该方法将匹配重叠像素,插值到其 它像素。若像素没有一个一对一的 关系,将采用加权平均来计算。 工具二:Mosaic To New Raster tool 该工具将多张栅格数据镶嵌起来,结果(即 Target Raster)保存在一个新生成的栅 格数据集里面。输入的栅格数据必须有相同的波段数和相同的比特位数。 工具界面: 工具参数意义: 参数 含义 类型 Input Rasters (必需的 ) 输入的要进行镶嵌的栅格数据 集。 栅格数据 Output Location (必需的 输出栅格数据集的路径。 工作空间或栅格目录 23 ) Raster Dataset name with extension 输出栅格数据集的名字和扩展 名。当选择保存为 JPEG、 JPEG2000 或 geodatabase 格式 时还可以选择压缩方式。 String Coordinate system for the raster (可选) 指定输出的镶嵌数据的地图投 影方式。 坐标系统 Pixel type (可选) 指定输出的栅格数据集象元比 特位数。默认为 8-bit。 您必须设置像素类型,以符合 您现有的输入栅格数据集。 如 果您没有设置像素类型的 8 位 将使用默认值,你的输出可能 变成不正确。  1_BIT - 1 位无符号 整数。 的值可以是 0 或 1。  2_BIT - 2 位无符号 整数。 支持的值可以 从 0 到 3。  4_BIT -甲4位无符号 整数。 支持的值可以 从 0 到 15。  8_BIT_UNSIGNED - 8 位无符号数据类型。 这些值的范围可以从 0 到 255。 这是默认 的。  8_BIT_SIGNED - 8 位 签署的数据类型。 这 些值的范围从-128 到 127。  16_BIT_UNSIGNED - 16 位无符号数据类 型。 这些值的范围从 0 到 65,535。  16_BIT_SIGNED -甲 16 位有符号数据类 型。 这些值的范围从 -32,768 到 32,767。  32_BIT_UNSIGNED - 32 位无符号数据类 型。 这些值的范围从 0 到 4,294,967,295。 String 24  32_BIT_SIGNED 一个 32 位有符号数据类型 的数据库的支持。 这 些值的范围从 -2,147,483,648 到 2,147,483,647。  32_BIT_FLOAT - 32 位数据类型的支持小 数。  64_BIT - 64 位数据 类型的支持小数。 Cellsize (可选) 输出数据的象元尺寸。 Double Number of bands 栅格数据所包含的波段数。 Long Mosaic method(可选) 用来对重叠区域进行处理的方 式。共有六种: 1.FIRST:处理时,重叠区域 内的象元灰度值将取第一幅影 像(左)的对应象元值。 2.LAST:处理时,重叠区域内 的象元灰度值将取最后一幅影 像(右)的对应象元值。 3.BLEND:重叠区域内的象元值 取覆盖该重叠区域影像的对应 象元值的加权平均值。且该值 与像素到重叠区的边缘的距离 有关。 4.MEAN: 重叠区域内的象元值 取覆盖该重叠区域影像的对应 象元值的平均值。 5.MINIMUM:重叠区域内的象元 值取所有覆盖该重叠区域的影 像的对应象元值的最小值。 6.MAXIMUM:重叠区域内的象元 值取所有覆盖该重叠区域的影 像的对应象元值的最大值。 String Mosaic Colormap Mode (可选) 决定采用输入栅格数据中的哪 个数据的颜色表作为输出数据 的颜色表。共有四种方案: 1.REJECT:当且仅当输入的栅 格数据都没有颜色表时可用。 2.FIRST:采用输入栅格数据中 的第一个数据的颜色表作为输 出数据的颜色表。为默认值。 String 25 3.LAST:采用输入栅格数据中 的最后一个数据的颜色表作为 输出数据的颜色表。 MATCH:生成的结果数据中颜色 表中的颜色是唯一的。 工具三:Raster Catalog To Raster Dataset tool 该工具将栅格目录(Raster Catalog)中的栅格数据进行镶嵌然后保存到栅格数据集 (Raster Dataset)里面。输入为栅格数据目录,输出为栅格数据集。 工具界面: 工具参数意义: 参数 含义 类型 Input Raster Catalog 输入要镶嵌的栅格目录 栅格目录 Output Raster Dataset 输出的栅格数据集(名字和扩展名) 栅格数据集 Expression (可选) 输入适当的 SQL 语言来选择栅格目录 中指定的行。 SQL 语言 Mosaic Method(可选) 用来对重叠区域进行处理的方式。共有 六种: 1.FIRST:处理时,重叠区域内的象元 灰度值将取第一幅影像(左)的对应象 元值。 2.LAST:处理时,重叠区域内的象元灰 String 26 度值将取最后一幅影像(右)的对应象 元值。 3.BLEND:重叠区域内的象元值取覆盖 该重叠区域影像的对应象元值的加权 平均值。且该值与像素到重叠区的边缘 的距离有关。 4.MEAN: 重叠区域内的象元值取覆盖 该重叠区域影像的对应象元值的平均 值。 5.MINIMUM:重叠区域内的象元值取所 有覆盖该重叠区域的影像的对应象元 值的最小值。 6.MAXIMUM:重叠区域内的象元值取所 有覆盖该重叠区域的影像的对应象元 值的最大值。 Mosaic Colormap Mode (可选) 决定采用输入栅格数据中的哪个数据 的颜色表作为输出数据的颜色表。共有 四种方案: 1.REJECT:当且仅当输入的栅格数据都 没有颜色表时可用。 2.FIRST:采用输入栅格数据中的第一 个数据的颜色表作为输出数据的颜色 表。为默认值。 3.LAST:采用输入栅格数据中的最后一 个数据的颜色表作为输出数据的颜色 表。 4.MATCH:生成的结果数据中颜色表中 的颜色是唯一的。 String Order by field (optional) 定义的字段,用来指定数据目录中的项 目 FIELD Ascending (可选) 选择是否按 Order by field 中的升序排 列。 如果不选择升序,将默认使用降 序。  Ascending:镶嵌时按数据行的 升序进行。 这是默认的。  None:镶嵌时按数据行的降序 进行。 Boolean Pixel type (可选) 指定输出的栅格数据集象元比特位数。 您必须设置像素类型,以符合您现有的 输入栅格数据集。 如果您没有设置像 素类型的 8 位将使用默认值,你的输出 可能变成不正确。  1_BIT - 1 位无符号整数。 的 String 27 值可以是 0 或 1。  2_BIT - 2 位无符号整数。 支 持的值可以从 0 到 3。  4_BIT -甲 4 位无符号整数。 支持的值可以从 0 到 15。  8_BIT_UNSIGNED - 8 位无符号 数据类型。 这些值的范围可以 从 0 到 255。 这是默认的。  8_BIT_SIGNED - 8 位签署的数 据类型。 这些值的范围从-128 到 127。  16_BIT_UNSIGNED - 16 位无符 号数据类型。 这些值的范围从 0 到 65,535。  16_BIT_SIGNED -甲 16 位有符 号数据类型。 这些值的范围从 -32,768 到 32,767。  32_BIT_UNSIGNED - 32 位无符 号数据类型。 这些值的范围从 0 到 4,294,967,295。  32_BIT_SIGNED 一个 32 位有 符号数据类型的数据库的支 持。 这些值的范围从 -2,147,483,648 到 2,147,483,647。  32_BIT_FLOAT - 32 位数据类 型的支持小数。  64_BIT - 64 位数据类型的支 持小数。 Color Balancing (可选) 选择是否使用回避技术来对栅格目录 项进行色彩校正。 栅格目录中的所有 像素将被用来确定色彩平衡算法的伽 玛值和对比度值。  NONE:镶嵌时不进行彩色平 衡。 这是默认的。  ColorBalancing:镶嵌时进行 彩色平衡。 Boolean Color Matching Method (可选) 选择镶嵌时采用的颜色匹配方法。共有 四种方案: 1.NONE:不进行匀光处理 2.StatisticMatching:先分别统计参 考栅格数据和目标数据在重叠区域中 String 28 的像素的颜色值得最小值、最大值和中 值,然后计算变换关系,并将这种变换 关系计算整个结果数据的颜色值。 3.HistogramMatching:在参考影像和 目标影像的重叠区域中进行直方图匹 配,然后利用这种变换关系纠正目标影 像的颜色值。 4.LinearCorrelationMatching,该 方 法将匹配重叠像素,插值到其它像素。 若像素没有一个一对一的关系,将采用 加权平均来计算。 Reference raster (可选) 如果应用颜色匹配,选择如何指定参考 栅格。  CALCULATE_FROM_ALL:该系统 将基于所有栅格目录项计算出 最佳的栅格数据集来使用。  SPECIFY_OID:用户将测试栅 格目录的项目中的对象标识 (OID),并将其用作参考光栅。  DEFINE_FROM_SELECTION:该系 统将基于栅格目录选定的项来 计算出最佳的栅格数据集来使 用。 String Reference raster OID (可 选) 参考栅格的对象标识。在栅格目录中 OID 是唯一的。 Long 工具四:Workspace To Raster Dataset tool 该工具将存储在指定工作空间中的所有栅格数据集镶嵌起来存储到一个栅格数据 集中。目标栅格数据集(即作为输出结果的栅格数据集)必须已经存在。 工具界面: 29 工具参数含义: 参数 含义 类型 Input Workspace 包含所有要镶嵌的栅格数据集的 工作空间 Workspace Target Raster Dataset 一个已经存在的栅格数据集,将保 存镶嵌后的输出结果。 Raster Dataset Include Sub-directories(可选) 指定是否包含子目录。 NONE:不包括子目录。这是默认的。 INCLUDE_SUBDIRECTORIES:镶嵌时 采用子目录中所有的栅格数据集。 Boolean Mosaic Method (可选) 用来对重叠区域进行处理的方式。 共有六种: 1.FIRST:处理时,重叠区域内的 象元灰度值将取第一幅影像(左) 的对应象元值。 2.LAST:处理时,重叠区域内的象 元灰度值将取最后一幅影像(右) 的对应象元值。 3.BLEND:重叠区域内的象元值取 覆盖该重叠区域影像的对应象元 值的加权平均值。且该值与像素到 重叠区的边缘的距离有关。 String 30 4.MEAN: 重叠区域内的象元值取 覆盖该重叠区域影像的对应象元 值的平均值。 5.MINIMUM:重叠区域内的象元值 取所有覆盖该重叠区域的影像的 对应象元值的最小值。 6.MAXIMUM:重叠区域内的象元值 取所有覆盖该重叠区域的影像的 对应象元值的最大值。 Mosaic Colormap Mode (可 选) 决定采用输入栅格数据中的哪个 数据的颜色表作为输出数据的颜 色表。共有四种方案: 1.REJECT:当且仅当输入的栅格数 据都没有颜色表时可用。 2.FIRST:采用输入栅格数据中的 第一个数据的颜色表作为输出数 据的颜色表。为默认值。 3.LAST:采用输入栅格数据中的最 后一个数据的颜色表作为输出数 据的颜色表。 4.MATCH:生成的结果数据中颜色 表中的颜色是唯一的。 String Ignore Background Value (可选) 指定栅格数据集中当一个像素的 值是多少时它会被当做背景而不 是被当做有效数据的一部分。 Double Nodata Value (可选) 在输出的栅格数据集中所有具有 指定值的像素都会被赋值为给定 的 NoData Value Double Convert 1 bit data to 8 bit (可选) 决定是否要把用一个比特表示一 个像素的值转换成为用八个比特 来表示。转换后在 ArcSDE 中显示 栅格数据会顺畅些。 有两种选择: 1.NONE:不转换。为默认值。 2.OneBitTo8Bit:转换。 Boolean Mosaicking Tolerance (可 选) 镶嵌时的结合容差。若镶嵌时像素 位置差大于容差,在镶嵌时就需要 进行重采样,否则不需要。 有效值范围:0 到 0.9999. Double Color Matching Method (可 选) 选择镶嵌时采用的颜色匹配方法。 共有四种方案: 1.NONE:不进行匀光处理 2.StatisticMatching:先分别统 计参考栅格数据和目标数据在重 String 31 叠区域中的像素的颜色值得最小 值、最大值和中值,然后计算变换 关系,并将这种变换关系计算整个 结果数据的颜色值。 3.HistogramMatching:在参考影 像和目标影像的重叠区域中进行 直方图匹配,然后利用这种变换关 系纠正目标影像的颜色值。 4.LinearCorrelationMatching, 该方法将匹配重叠像素,插值到其 它像素。若像素没有一个一对一的 关系,将采用加权平均来计算。 2.2.3.6. 栅格数据的裁剪(Clip) Clip 工具对栅格数据进行裁剪,得到一个栅格数据集的空间数据子集。Clip 工具 在在 ArcToolbox->Data Management Tools-> Raster-->Raster Processing->Clip 目录里面。 鼠标左键双击工具名字即可调出 Clip 对话框。如下图所示: 工具界面: 32 工具参数及含义: 参数 含义 类型 Input Raster 输入的要裁剪的栅格数据集 栅格数据集 Output Extent (可选) 输入一个已经存在的栅格或矢 量图层,裁剪时将按照该图层 的范围进行裁剪。 地理数据集 Rectangle 确定裁剪区域的四个坐标值 Use Input Features for Clipping Geometry 如果你输入了一个矢量图层, 并按该图层来裁剪,你就可以 在此处选择是按包含该特征类 的最小矩形来裁剪还是按其实 际多边形边界来裁剪。 NONE:将按包含特征的最小矩 形窗口进行裁剪。 ClippingGeometry:按特征的 实际多边形边界进行裁剪 Boolean Output Raster Dataset 输出的栅格数据集 栅格数据集 Nodata Value (可选) 在输出的栅格数据集中所有具 有指定值的像素都会被赋值为 给定的 NoData Value Int 33 2.2.4. ENVI 影像处理 2.2.4.1. 图像几何校正 几何校正是利用地面控制点和几何校正数学模型来矫正非系统因素产生的误差,由 于校正过程中会将坐标系统赋予图像数据,所以此过程包括了地理编码。 2.2.4.1.1. 几何校正概述 在开始介绍 ENVI 的几何校正操作之前,首先对 ENVI 的几何校正几个功能要点做一 个说明。  控制点选择方式 ENVI 提供以下选择方式: (1) 从栅格图像上选择 如果拥有需要校正图像区域的经过校正的影像、地形图等栅格数据,可以从中选择 控制点,对应的控制点选择模式为 Image to Image。 (2) 从矢量数据中选择 如果拥有需要校正图像区域的经过校正的矢量数据,可以从中选择控制点,对应的 模式为 Image to Map。 (3) 从文本文件中导入 事先已经通过 GPS 测量、摄影测量或者其他途径获得了控制点坐标数据,保存为 以[Map (x,y), Image (x,y)]格式提供的文本文件可以直接导入作为控制点,对应的控制点 选择模式为 Image to Image 和 Image to Map。 (4) 键盘输入 如果只有控制点目标坐标信息或者只能从地图上获取坐标文件(如地形图等),只 好通过键盘敲入坐标数据并在影像上找到对应点。  几何校正模型 ENVI 提供三个几何校正模型:放射变换(RST)、多项式和局部三角网(Delaunay Triangulation)。  控制点的预测与误差计算 控制点的预测是通过控制点回归计算求出多项式系数,然后通过多项式计算预测下 一个控制点位置,RMS 值也是用同样的方法。默认多项式次数为 1,因此在选择第四个 点时控制点预测功能可以使用,随着控制点数量的增强,预测精度随之增加。 34 2.2.4.1.2. Landsat5 影像几何校正 下面所要介绍的是以具有地理参考的 SPOT4 10 米全色波段为基础,进行 Landsat5 TM 30 米图像的精校正过程,文件都是以 ENVI 标准栅格格式储存,其流程如图 所示。 图 3.14 几何校正一般流程 第一步:打开并显示图像文件 主菜单->File->Open Image File,将 SPOT(bldr_sp.img)和 TM 图像(bldr_tm.img)文件 打开,并分别将他们显示在 Display 中。 第二步:启动几何校正模块 (1) 主菜单->Map->Registration->Select GCPs:Image to Image,打开几何校正模 块。 (2) 选择显示 SPOT 文件的 Display 为基准影像(Base Image),显示 TM 文件的 Display 为待校正影像(Warp Image),点击 OK 进入采集地面控制点。 35 图 3.15 选择基准与待校正影像 第三步:采集地面控制点 (1) 在 Ground Control Points Selection 面板中,选择 Options->Point Colors,修 改 GCP 在可用和不可用状态的颜色,这里按照默认。 (2) 在两个 Display 中找到相同区域,在 Zoom 窗口中,点击左小下角第三个按 钮 ,打开定位十字光标,将十字光标到相同点上,点击 Ground Control Points Selection 上的 Add Point 按钮,将当前找到的点加入控制点列表。 (3) 用同样的方法继续寻找其余的点,当选择控制点的数量达到 3 时,RMS 被 自动计算。Ground Control Points Selection 上的 Predict 按钮可用,选择 Options->Auto Predict,打开自动预测功能。这时您在 Base Image(即 Spot)上 面定位点,Warp Image(TM 影像)上会自动预测区域。 (4) 当选择一定数量的控制点之后(至少 3 个),我们可以利用自动找点功能。 Ground Control Points Selection上,选择Options->Automatically Generate Points, 选择一个匹配波段,这里选择 band5,之后出现如图 2.16 所示的面板。这里设 置 Tie 点的数量为 40,Search Window Size 为 111,其他选择默认参数,点击 OK。 (说明,这个面板更详细的参数说明参考表 4.3) 36 图 3.16 Tie 点选择参数设置 (5) 点击 Ground Control Points Selection 上的 Show List 按钮,可以看到选择 的所有控制列表,如图 2.17 所示。选择 Image to Image GCP List 上的 Options->Order Points by Error,按照 RMS 值有高到底排序。 (6) 对于 RMS 过高,一是直接删除,选择此行,按 Delete 按钮;二是在两个 影像的 ZOOM 窗口上,将十字光标重新定位到正确的位置,点击 Image to Image GCP List 上的 Upddate 按钮进行微调,这里直接删除。 (7) 总的 RMS 值小于 1 个像素时,完成控制点的选择。点击 Ground Control Points Selection 上的 File->Save Coefficients to ASCII,将控制点保存。 图 3.17 控制点列表 第四步:选择校正参数输出 有两种校正输出方式:Warp File 和 Warp File (as Image Map)  Warp File (1) 在 Ground Control Points Selection 上,选择 Options->Warp File,选择校正 文件(TM 文件)。 (2) 在校正参数面板中(图 3.18),校正方法选择多项式(2 次)。 (3) 重采样选择 Bilinear,背景值(Background)为 0. (4) Output Image Extent:默认是根据基准图像大小计算,可以做适当的调 整。 (5) 选择输出路径和文件名,单击 Ok 按钮。 这种校正方式得到的结果,它的尺寸大小、投影参数和像元大小(如果基准图像 有投影)都和基准图像一致。 37 图 3.18 校正参数设置  Warp File (as Image Map) (1) 在 Ground Control Points Selection 上,选择 Options-> Warp File (as Image Map) ,选择校正文件(TM 文件)。 (2) 在校正参数面板中(图 3.17),默认投影参数和像元大小与基准影像一致。 (3) 投影参数不变,在 X 和 Y 的像元大小输入 30 米,按回车,图像输出大小自 动更改。 (4) 校正方法选择多项式(2 次)。 (5) 重采样选择 Bilinear,背景值(Background)为 0. (6) Output Image Extent:默认是根据基准图像大小计算,可以做适当的调 整。 (7) 选择输出路径和文件名,单击 Ok 按钮。 38 图 3.19 Warp File (as Image Map)校正参数设置 第五步:检验校正结果 检验校正结果的基本方法是:同时在两个窗口中打开图像,其中一幅是校正后的 图像,一幅是基准图像,通过视窗链接(Link Displays)及十字光标或者地理链接 (Geographic Link)。 在显示校正后结果的 Image 窗口中,右键选择 Geographic Link 命令,选择需要链接 的两个窗口,打开十字光标进行查看,如图 3.20 所示。 39 图 3.20 检验校正结果 注:ENVI 几何校正侧重于消除非系统因素导致的几何误差,进行图像对图像方式纠正比 较方便。 2.2.4.2. 影像镶嵌 2.2.4.2.1. 影像镶嵌概述 影像镶嵌指在一定地数学基础控制下,把多景相邻遥感影像拼接成一个大范围的影 像图的过程。影像裁剪的目的是将研究之外的区域去除,常用的是按照行政区划边界或 自然区划边界进行图像的裁剪,在基础数据生产中,还经常要做标准分幅裁剪。 ENVI 的影像镶嵌功能提供交互式的方式将没有地理坐标或者有地理坐标的多幅影 像合并,生成一幅单一的合成影像。镶嵌功能提供了透明处理、直方图匹配,颜色自动 平衡的功能,还提供虚拟镶嵌,用户可以保存为一个工程文件,快速浏览镶嵌结果。 2.2.4.2.2. TM 数据镶嵌 下面以两幅经过几何校正的 TM 30 米影像为例,介绍 ENVI 的镶嵌过程。 (1) 单击主菜单->File->Open Image File,将两幅影像打开(mosaic1_equal.dat 和 mosaic_2.dat)。 (2) 单击主菜单->Map->Mosaicking->Georeferenced,打开镶嵌功能,如图 3.23 所示。 40 图 3. 23 Map Based Mosaic 面板 (3) 加载 Mosaic 影像 在 Map Based Mosaic 面板上,单击 Import->Import Files,将两幅影像加载(按 Ctrl 或 Shift 键可多选)。 (4) 设置影像重叠顺序 Mosaic 功能面板上的图像列表中,列表中文件列表靠下的在图像预览中是在上层, 可以选择此文件列表,单击右键在快捷菜单选择 Lower Image to Bottom 或者 Lower Image Position 调整图像文件顺序,如图 3.24 所示。 41 图 3.24 图层叠加顺序调整 (5) 设置影像背景 选择处于最上面的图像层,单击右键,选择 Edit Entry,如图 3.25 所示。这个面板 可以设置影像背景、接边线、重叠区处理、颜色校正/平衡等。将这里的 Data Value to Ignore 设置为 0,让背景透明。 (6) 绘制切割线 ENVI 支持将注记作为重叠区的切割线。为了在重叠区方便绘制切割线,我们先保存 为一个虚拟镶嵌文件。Mosaic 功能面板中,单击 File->Save Template,选择一个路径保 存。 在 Available Bands List 中,将虚拟镶嵌文件在 Display 中显示。在显示窗口单击 Image->Overlay->Annotation。在注记对话框中单击 Object->Polyline,绘制窗口 Window 选择 Image,在 Image 中绘制一条切割线,切割线的起点和终点都超出图像边缘,点击 右键结束。在注记对话框中单击 Object->Symbol,在切割线下半部分标示一个符号,标 记这部分被切割,点击右键结束。选择 File->Save Annotation 选择路径保存。 42 图 3.25 绘制切割线 (7) 设置切割线 回到 Mosaic 功能面板中,选择处于最上面的图像层,单击右键,选择 Edit Entry。 单击Select Cutline Annotation File按钮,选择第六步绘制的切割线。 还可以设置接边处 的羽化范围,这里不设置羽化范围(为 0)。 (8) 校正颜色 在 Edit Entry 面板中,选择 Mosaic Display 为 RGB 显示,波段合成为 5、4、3,同样 将另外一幅影像也显示为 RGB:543,可以发现两幅影像的颜色不一致。 回到 Mosaic 功能面板中,右键单击 Mosaic1_equal.dat 选择 Edit Entry,在出现的对 话框中,把 Color Balancing 选择为 Fixed,调整这幅影像的颜色;同样的方法设置 Mosaic_2.dat 的 Color Balancing 为 Adjust,以这幅影像为基准。 (9) 输出结果 回到 Mosaic 功能面板中,单击 File->Apply,如图 2.26 所示,设置输出像元大小为 30,重采样方法为 Bilinear,设置输出路线,在 Color Balance using 中选择 stats from complete files,点击 OK 输出。 43 图 3.26 输出结果设置和结果 当有很多副具有地理投影信息,数据量很大的影响,并且不用做匀色和接边线处理 时候,可以使用 Mosaic 批处理补丁(mosaic_maker_jg.sav),将这个文件拷贝到 ENVI 安装目录下的 Save_Add 文件夹下,重新启动 ENVI,可以在主菜单 ->Map->Mosaicking->Mosaic Batch,之后选择一个存放镶嵌文件的文件夹,以及选择一 个输出镶嵌结果。 这个批处理补丁计算速度非常快,经过测试,36 个 200 多 M 大小文件,大概 40 分 钟能镶嵌完成一个 10G 左右的影像结果。 注:1、ENVI 影像镶嵌可以方便的完成图像按接边线镶嵌,并且 ENVI 的镶嵌性能很 高。 2、图像镶嵌补丁非常适合下载的分幅 DEM 镶嵌。 2.2.4.3. 影像裁切 2.2.4.3.1. 影像裁切概述 影像裁剪的目的是将研究之外的区域去除,常用的是按照行政区划边界或自然区划 边界进行图像的裁剪。 不规则分幅裁剪是指裁剪图像的外边界范围是一个任意多边形,通过事先生成一个 完整的闭合多边形区域,可以是一个手工绘制的 ROI 多边形,也可以是 ENVI 支持的矢 量文件,针对不同的情况采用不同裁剪过程。 44 2.2.4.3.2. 手动绘制感兴趣区 (1) 打开图像 can_tmr.img 并显示在 Display 中。 (2) 在 Image 视窗中单击 Overlay->Region of Interest。在 ROI Tool 面板中,单击 ROI_Type->Polygon,绘制窗口选择 Image,绘制一个多边形,右键结束。根据 需求可以绘制若干跟多边形。 (1) 选择主菜单->Basic Tools->Subset data via ROIs,或者选择 ROI Tool->File-> Subset data via ROIs,选择裁剪图像。 (3) 在 Spatial Subset via ROI parameters 面板中(图 3.28), (4) 在 Select Input ROIs 列表中选择 ROI。 (5) 在“Mask pixels outside of ROI?”项中选择 yes,Mask Background Value 为 0。 (6) 选择输出路径及文件名,单击 OK 裁剪图像。 图 3.28Spatial Subset via ROI parameters 面板 2.2.4.3.3. 矢量数据生成感兴趣区 (1) 选择主菜单->File->Open Vector File,打开裁剪图像所在区域的 Shapefile 矢 量文件 region.shp, (2) 在打开的 Import Vector Files Parameters 面板中,选择 Memory,其他参数 按照默认,单击 OK。 (3) 在打开的 Available Vector List 面板中,选择 File->Export Layer to ROI,在弹 出的对话框中选择裁剪图像,单击 OK。 (4) 在 Export EVF Layer to ROI 选择对话框中,选择将所有矢量要素转成一个 ROI(Convert all record of an EVF layer to one ROI),单击 OK。 (5) 选择主菜单->Basic Tools->Subset data via ROIs,选择裁剪图像。 45 (6) 在 Spatial Subset via ROI parameters 中,选择由矢量生成的 ROI,在“Mask pixels outside of ROI?”项中选择 yes,Mask Background Value 为 0。 (7) 选择输出路径及文件名,单击 OK 裁剪图像。 Import Vector Files Parameters 面板 2.3. 地形数据获取与处理 2.3.1. 概述 数字地形模型(DTM)是 20 世纪 50 年代由美国 MIT 摄影测量试验室主任米勒 (C.L.MILLER)首次提出,并用其成功地解决了道路工程中土方估算等问题。此后它被 用于各种线路选线(铁路、公路、输电线等)的设计以及各种工程的面积、体积、坡度 46 计算,任意两点间的通视判断即任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡 向图、立体透视图,制作正射影像图以及地图的修测。DTM 是地理信息系统的基础数据, 可用于土地利用现状的分析、合理规划和洪水险情预报等。在军事上可用于导航、作战 电子沙盘等。 DTM 是描述地形表面形态空间位置和地形属性分布的有序数值阵列。DTM 以离散 分布的平面点来模拟连续分布的地形。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程 模型(DEM)。不过,被描述的地形属性也可以是地理空间上的地价、污染负荷量、绿 化率、降雨量、气温、人口密度等。 2.3.2. DEM 的主要表示模型 2.3.2.1. 等高线模型 等高线模型表示高程,高程值的集合是已知的,每一条等高线对应一个已知的高程 值,这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。如图 2.2。 2-2 所示。 图 2.2.2-1:等高线 等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列,可以认为是一条带有高程值属性的简 单多边形或多边形弧段。由于等高线模型只表达了区域的部分高程值,往往需要一种插 值方法来计算落在等高线外的其它点的高程,又因为这些点是落在两条等高线包围的区 域内,所以,通常只使用外包的两条等高线的高程进行插值。 47 2.3.2.2. 规则格网模型 规则网格,通常是正方形,也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空 间切分为规则的格网单元,每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵, 在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素,对应一个高程值, 如图 2.2-1 所示。 图 2.2.2-2:格网 DEM 规则格网的高程矩阵,可以很容易地用计算机进行处理,特别是栅格数据结构的地 理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形, 使得它成为 DEM 最广泛使用的格式,目前许多国家提供的 DEM 数据都是以规则格网的 数据矩阵形式提供的。格网 DEM 的缺点是不能准确表示地形的结构和细部,为避免这 些问题,可采用附加地形特征数据,如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂线,以描述 地形结构。 目前常用的获取 DEM 数据的方法有两种: 1、用现有地形图扫描数字化等高线,获取高程数据生成 DEM。 2、用航天、航空遥感影像立体像对提取 DEM; 2.3.2.3. 不规则三角网(TIN)模型 尽管规则格网 DEM 在计算和应用方面有许多优点,但也存在许多难以克服的缺陷: 1)在地形平坦的地方,存在大量的数据冗余; 2)在不改变格网大小的情况下,难以表达复杂地形的突变现象; 48 3)在某些计算,如通视问题,过分强调网格的轴方向。 不规则三角网(Triangulated Irregular Network, TIN)是另外一种表示数字高程模型 的方法[Peuker 等,1978],它既减少规则格网方法带来的数据冗余,同时在计算(如坡 度)效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。 不规则三角网数字高程由连续的三角面组成,三角面的形状和大小取决于不规则分 布的测点,或节点的位置和密度。不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏 变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置,因而它能够避免地形平坦时的 数据冗余,又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。 邻接三角形 1 X Y Z 2 X Y Z 3 X Y Z 4 X Y Z 5 X Y Z 6 X Y Z 7 X Y Z 8 X Y Z 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 顶点 5 6 8 7 5 4 2 3 6 5 7 4 6 5 4 4 8 8 8 7 2 1 X 3 1 2 6 4 5 3 4 X X 5 8 7 X 6 2 8 6 7 X X 点文件 三角形文件 1 1 1 2 5 4 4 3 图 2.2.2-3:三角网 2.3.2.4. 层次模型 层次地形模型(Layer of Details,LOD)是一种表达多种不同精度水平的数字高程模 型。大多数层次模型是基于不规则三角网模型的,通常不规则三角网的数据点越多精度 越高,数据点越少精度越低,但数据点多则要求更多的计算资源。所以如果在精度满足 要求的情况下,最好使用尽可能少的数据点。层次地形模型允许根据不同的任务要求选 择不同精度的地形模型。层次模型的思想很理想,但在实际运用中必须注意几个重要的 问题: 1)层次模型的存储问题,很显然,与直接存储不同,层次的数据必然导致数据冗 余。 2)自动搜索的效率问题,例如搜索一个点可能先在最粗的层次上搜索,再在更细 的层次上搜索,直到找到该点。 3)三角网形状的优化问题,例如可以使用 Delaunay 三角剖分。 49 4)模型可能允许根据地形的复杂程度采用不同详细层次的混合模型,例如,对于 飞行模拟,近处时必须显示比远处更为详细的地形特征。 5)在表达地貌特征方面应该一致,例如,如果在某个层次的地形模型上有一个明 显的山峰,在更细层次的地形模型上也应该有这个山峰。 ArcGIS 的 Terrain 的数据类型就是基于层次模型思想建立的,遥感高程数据(如激 光雷达和声纳点的测量值)在数量上可达数十万甚至上百万之多。因此,如今的大多数 硬件和软件在对这种类型的数据进行管理和建模时仍显笨重。Terrain 数据集允许生成 一系列规则和条件,根据此类规则和条件将源数据的索引编成一组动态生成的有序 TIN 金字塔。Terrain 数据集是管理地理数据库中基于点的大量数据并动态生成高质量精确 表面的有效方法。激光雷达、声纳和高程的测量值在点的数量上可达几十万甚至数十亿 之多。在很多情况下,不允许对此类数据进行组织、分类以及根据此类数据生成 3D 产 品,而即使允许,要执行这些操作也会相当困难。Terrain 数据集可用于克服这些数据 管理难题,它能够对源数据进行编辑,并且在不同的分辨率下均可生成具有高精度的 TIN。 渲染非常大的 TIN 通常比较困难,这部分归因于硬件(如显卡)的限制。然而,在渲 染需要以最佳分辨率显示的区域时,terrain 是很好的选择。因此,如果在 ArcGlobe 或 ArcMap 中有一个小比例区域,则 terrain 将会利用较少的结点在屏幕上生成渲染的 TIN。不过,如果以大比例放大某个区域,将使用全分辨率(利用该区域的所有结点) 动态生成 TIN。其明显的优势在于,只有一小部分研究区域使用大量结点来渲染,或者, 使用结点的子采样集合动态生成低分辨率的 TIN。 2.3.3. ArcGIS 地形数据获取、处理 ArcGlobe 里面支持格网 DEM、TIN、Terrain 模型的三维地形显示。 2.3.3.1. 等高线转成格网 DEM 表示地形的最常见的线模式是一系列描述高程曲线的等高线。由于现有地图大多数 都绘有等高线,这些地图便是数字高程模型的现成数据源,可以将纸面等高线图扫描后, 自动获取 DEM数据。由于数字化的等高线不适合用于模拟三维地形以及进行地形分析, 因此,必须要把数字化等高线转为格网高程矩阵。 我国 4 种比例尺 DEM 及其空间分辨率的对应关系: 1:100 万 DEM -- 1000m 空 间分辨率; 1:25 万 DEM -- 100m 空间分辨率; 1:5 万 DEM -- 25m 空间分辨率; 1:1 万 DEM -- 5m 空间分辨率。 1、由等高线生成 TIN 不规则三角网 在 ArcToolbox-> 3D Analyst Tools->TIN Management ->Create TIN-工具。鼠标左键双击工 具名字即可调出 CreateTIN 对话框。如图 2.3.3-1 所示: 50 图 2.3.2-3:等高线创建 TIN mass point:采样点 不规则分布的采样点,由 X、Y、Z 值表示,它是建立三角网的基本单位,在定义三 角网面时,每一个 mass point 都非常重要。每一个 mass point 的位置都是仔细选择以获 得表面形态的重要参数。 hard line:硬断线 表示表面上突然变化的特征线,如山脊线、悬崖及河道等。在创建 TIN 时,硬隔断 线限制了插值计算,它使得计算只能在线的两侧各自进行,而落在隔断线上点同时参与 线两侧的计算,从而改变 TIN 表面的形状。 soft line:软断线 51 添加在 TIN 表面上用以表示线性要素但并不改变表面形状的线,它不参与建 TIN 2、由三角网 TIN 转为 DEM 在 ArcToolbox-> 3D Analyst Tools->Conversion ->From TIN->TIN to Raster 工具。鼠标左键 双击工具名字即可调出 TIN to Raster 对话框。如图 2.3.3-2 所示: 图 2.3.2-3:TIN 生成 DEM 2.3.4. 基于立体像对提取 DEM(ENVI) ENVI 可以从 ALOS PRISM, ASTER, CARTOSAT-1, FORMOSAT-2, GeoEye-1, IKONOS, KOMPSAT-2, OrbView-3, QuickBird, WorldView-1, SPOT 1-5 以及航空影像立体像对中提取 DEM。 52 下面以 ASTER L1A 级数据为例,介绍 DEM Extraction 扩展模块的操作。 图 2.2.4-1 为基于立体像对的 DEM 提取流程图,总体上分为六步。 图 2.2.4-1 提取流程 第一步:输入立体像对 (1) 单击主菜单->File->Open External File ->EOS->ASTER,打开 ASTER L1A 级数据。 (2) 单击主菜单->Topographic->DEM Extraction-> DEM Extraction Wizard->New,单 击 Select Stereo Image 按钮,选择 Band 3N 为 左影像(left image ), Band 3B 为 右 影像(right image),如图 2.2.4-2 所示,单击 Next 按钮。 53 图 2.2.4-2 选择左右影像以及控制点方式 第二步:定义地面控制点 提供三种定义地面控制点方式:不定义、交互式定义和读取控制点文件。这里选择 不定义控制点,单击 Next 按钮。 第三步:定义连接点 (1) 提供三种定义连接点方式:自动寻找、交互式手工定义和外部读取控制点文件。 选择选择自动寻找,如图 2.2.4-3 所示, (2) 连接点数目(Number of Tie Points):40。 (3) 搜索窗口大小(Search Windows Size):111。 (4) 移动窗口大小(Moving Window Size):15。 (5) 平均高程(Region Elevation):自动从影像读取。 (6) 是否检查连接点(Examine and Edit Tie Points):Yes (7) 单击 Next 按钮,进入查看/添加/编辑连接点步骤 (8) 单击 Show Table,逐个选择 Tie 点查看精度,将偏离较大的点进行微调或者直 接删除。当误差达到一定范围,单击 Next 按钮。 54 图 2.2.4-3Tie 点的选择与调整 第四步:设定 DEM 提取参数 (1) ENVI 会生成核线图像,可以用于立体观测,选择一个路径分别输出。 (2) 设置 DEM 输出投影参数。这里直接设置为 Wgs84 坐标。 (3) 设置 DEM 输出参数,如图 2.2.4-4 所示。 55 图 2.2.4-4DEM 输出投影与输出参数设置 第五步:输出 DEM 并检查结果 将得到的 DEM 在三维场景下查看。 第六步:编辑 DEM 生成的 DEM 有些地方如城区、林区等,地表物体对获得的地形有影响,需要手动 更改这些区域的高程数据。 最好将整个流程保存为工程文件,以备下次使用。 图 2.2.4-5DEM 的编辑 2.4. 矢量获取与处理 矢量要素通常具有 shape(几何)和属性。一些典型的要素几何为点、线和面。点 要素可以表示山峰、电话杆或井位置。线要素可以表示道路、河流或山脊线。面要素可 以表示建筑物、湖泊或行政区。在三维 GIS 中矢量要素根据是否存在 Z 值分为:2D 要素 和 3D 要素,2D 要素不存储 Z 值。3D 要素,要素的属性可存储有关要素的高程或高度 的值。例如,PointZ 要素以一组 x,y,z 坐标的形式存储。 其中,2D 要素就是二维 GIS 中典型的点、线、面格式,可以通过测绘或者影像提取 获得,获取比较方便。 3D 要素获取一般有两种方法: (1)创建一个全新的点要素类,定义要素类几何时选中“坐标包括 Z 值”复选框。 然后利用编辑编辑结点 Z 值。 56 (2)将现有的 2D 点数据转换为包含 z 值的新要素类。可以从表面获取要素的高 度值(Interpolate Shape)或者从要素的属性获取高度值(Feature To 3D By Attribute)等 2.5. 文字获取与处理 2.5.1. 概述 文字数据可以让表示场景中的地理信息。ArcGIS 中支持两种方式的文字方式:一 种是动态 Label,可以通过图层的 Label 属性来产生文字;另一种是注记 Annotation。 动态创建的标注(Label)将在漫游和缩放后按照当前地图比例尺下的最佳位置重画, 因为动态创建的标注(Label)被作为一个图层属性存储,改变设置,诸如等级分类,符 号或者标注位置将影响到图层中的标注(Label)。 注记(Annotation)可以从一个 Label 视图中创建或从一个已有的 Coverage 中转换, 当你使用其中的方法创建注记(Annotation)时,当前的比例尺将被作为参考比例尺, 注记要素总是用参考比例尺规定的尺寸显示。 在 ArcGlobe 的三维场景中,文字注记以 Annotations 为主。 2.5.2. 注记数据获取与处理 以 StatesWGS84 数据为例,介绍利用矢量图层的 labels 创建注记数据。 (1)在 ArcMap 中点击文件添加按钮 (2)定位到包含想要添加的矢量数据所在的文件夹,单击想要添加的图层,单击 Add。 如图 2.4.2-1 所示: 57 图 2.4.2-1 添加矢量数据 (3)右击需要把 Labels 转换成 Annotations 的图层,点击 Properties。如图 2.4.2-2 所 示: 58 图 2.4.2-2 打开图层属性 (4)在 Layer Properties 窗口中选择 Labes 选项卡,点击 Text String 选项里的 Label Field 的向下按钮,在弹出的下拉列表里选择要以 Label 显示的属性。通过 Text Symbol 设置 lable 样式,如图 2.4.2-3 所示: 59 图 2.4.2-2 设置图层 Label (5)选中 Label features in this layer 点击确定查看效果。如图 2.4.2-3 所示: 图 2.4.2-3 图层 Label (6)右击需要把 Labels 转换成 Annotations 的图层,点击 Convert Labels to Annotation。 如图 2.4.2-4 所示: 60 图 2.4.2-4 标注转换成注记 (7)在弹出的 Convert Labels to Annotation 窗口中,按照系统默认设置,点击 Convert (如图 2.4.2-5 所示)。其中 Reference Scale 为注记的参考比例尺,当你使用其中的方 法创建注记(Annotation)时,当前的比例尺将被作为参考比例尺,注记要素总是用参 考比例尺规定的尺寸显示。参考比例尺影响加载到 ArcGlobe 时文字的大小。 61 图 2.4.2-5 标注转换成注记 这样图层的 Labels 就会被转换成 Annotation 要素层并加载到 ArcMap 中。可以利用 ArcMap 编辑工具对生成的注记进行修改。 2.6. 3D 模型数据获取与处理 2.6.1. 概述 3D 模型数据(主要是城市建筑物)是建立数字城市主要的组成部分。目前最常用 三维建筑物模型的建模方法可以分为以下三类: (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高度 辅助数据经济快速建立盒状模型; (2)基于图像的方法,利用近景、航空与遥感图像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; 62 (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。 基于已有二维 GIS 数据的简单建模方法具有成本低、自动化程度高的优点,在某些 需要快速建立三维模型的领域也有着广泛的应用,这也是现有大多数二维 GIS 提供三维 能力的最主要方式;基于 CAD 的人机交互式建模方法将继续被用于一些复杂人工目标的 全三维逼真重建;基于遥感影像和机载激光扫描的方法适用于大范围三维模型数据获取、 车载数字摄影测量方法适用于走廊地带建模、地面摄影测量方法和近距离激光扫描方法 则适用于复杂地物精细建模等等。其中,基于影像和机载激光扫描系统的三维模型获取 方法能够适用于在大范围地区快速获取地面与建筑物的几何模型和纹理细节,虽然现有 技术在很大程度上还依赖人工辅助,但这无疑是最有潜力的三维模型数据自动获取技术 之一。 2.6.2. 建筑物数据获取 城市建筑物建立三维模型需要三种基础数据:建筑物平面数据、建筑物高度数据、 建筑物表面纹理数据。 2.6.2.1. 建筑物平面数据的获取 建筑物的平面数据主要指的是建筑物在俯视图中投影到地平面的轮廓数据(如图 2.5.2-1) 2.5.2-1 建筑物平面数据 63 目前建筑物平面数据获取只要有以下几种方式: (1)从原有的二维 GIS 中提取三维建筑物模型所平面信息 二维 GIS 中,建筑物一般只用投影到地面的轮廓线来表达,并将该轮廓线所勾勒出 来的图形作为面对象存储在地图数据中。二维 GIS 中的建筑物轮廓面数据可以作为三维 建筑物模型的底面;也可以根据建模的需求把面数据转换成线数据来获取建筑物轮廓线。 利用原有 GIS 成果的基础上,很容易获取三维 GIS 中建筑物的平面几何数据,避免了重 复劳动。 (2)从影像数据中获取建筑物数据 A、使用航空影像进行交互式获取。 航空影片真实的反映了城市建筑物的所有顶部信息,同时也反映了部分建筑物的 侧面信息,以及大部分建筑物的附属信息,因此,可以运用数字化结合人工交互的方式, 获取建筑物的外形特征。这种方式的特点是能够较真实的获取所需要的信息,缺点是需 要人工干预,工作量大。 B、使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取。 高分辨率影像卫星的出现,使得高分辨率、实时的城区影像能够很容易得获取。 利用遥感面向对象的自动提取功能,可以自动获取建筑物轮廓。特点:获取的速度快, 缺点是提取的几何信息不完整,需要较大的人工后续处理。 C、通过传统测绘的方式,野外测量获得。 注:依据不同的建模精度,建筑物轮廓的详细程度不同 2.6.2.2. 建筑物高度数据的获取 建筑物高度数据的获取,主要有以下几种方法: (1)从影像中直接提取建筑物高度以及其他信息。其优点是效率高,但是目前还 不适合大批量数据的自动处理。 (2)用激光雷达结合空中影像,提取数字表面模型。其优点是获取速度快,缺点 是后续处理工作量大,费用可观。 (3)利用原有二维 GIS 的地图资料建立的建筑物专题信息数据库。原有的 GIS 专题 信息数据库中如果含有建筑物高度信息,就可以直接利用。或者,从建筑物的层数和建 筑物的使用性质估算建筑物的高度。这种方法优点是工作量小,缺点是信息不准确。 注:依据建筑物轮廓的详细程度不同,获取相应的建筑物高度。 64 2.6.2.3. 建筑物表面纹理数据的获取 纹理数据对于 GIS 的数据管理和空间分析功能没有任何影响,但是,在地 形模型表面和建筑物模型表面粘贴真实的纹理影像,给可以突出可视的景观信 息,生成具有真实感的三维景观图。 纹理的主要来源有航空影像上提取地表和建筑物所对应的纹理数据和近景摄影影 像。目前,建筑物的纹理数据获取有以下几种方式: (1)地面摄影相片直接提取。这种方法需要用相机拍摄大量的建筑物侧面照片,其 优点是能够使建筑物模型真实感强,缺点是获取速度慢,且数据量大,后续工作量也大。 具有相似的纹理的建筑物群,可以对建筑物进行批量建模,这样,可以减少纹理的获取 量和后续处理的工作量。 (2)由计算机做简单模拟绘制。这种方法采用了矢量纹理,其优点是数据量少,建 立的模型浏览速度快,但缺乏真实感。 (3)由空中摄影获取。这一方法主要获取地面影像,但空中影像中也含有部分建筑 物的侧面纹理。这种方法获取的纹理变形大,真实感也相对较差,但是获取速度快。 2.6.3. ArcGIS 三维模型数据获取 2.6.3.1. 简介 ArcGIS 软件提供了一种新的三维元素型:Multipatch(多面体)作为三维显示的模型。 Multipatch 是一种类似于点、线、面的数据类型,它可以存储在 shp 文件或者是 Geodatabase 中。 Multipatch 数据类型的优点: (1) Multipatch 数据集成几何特征、纹理、属性信息于一体。 (2) 支持数据库方式存储,管理三维是数据就像管理二维数据一样简单。 (3) 支持 GIS 功能:识别、属性查询、空间查询、空间分析。 (4) 大大提高系统的显示性能。 ArcGIS 支持主流的三维模型导入,SketchUp、3DMax、 VRML 等,提供了方便的数 据导入工具,特别是支持复杂模型(模型具有非常多的面)的导入。 65 2.6.3.2. 经济快速建立简单纹理三维模型 利用已有 GIS、地图和 CAD 提供的二维平面数据以及高度辅助数据经济快速建立简 单纹理的三维模型; 以 Buildings 建筑轮廓面矢量数据为例子,介绍数据获取过程。 (1) 首先,ArcGlobe 中点击添加数据工具 ,打开 Buildings 数据,如图 2.6.3-1 所 示 2.6.3.1 建筑物轮廓面数据 66 (2) 在 Buildings 图层右键->Properties…打开 Layer Properties 选择 Globe Extrusion 选项 卡 如图 2.6.3-2 所示 2.6.3-2 layer Properties 对话框 (3) 勾选 Extrude fearues in layer。然后可以在 Extruesion valuer or expression,in meters:中文本框中填入一个固定的拉伸的数值。也可以选择旁边的表达式工具 ,选择按照字段或者字段的组合公式拉伸。我们这里选择按照 MAX_NF 字段 拉伸。 注:MAX_NF 字段中存储房屋轮廓中每段的高度。 (4) 点击确定可以看到快速建立的盒状三维模型。也可以在 Symbol 选项卡中给模型 选择一些简单的颜色纹理,我们这里选择按照颜色类型显示,如图 2.5.2-3 67 如图 2.5.2-3 简单纹理三维模型 (5) 简单纹理模型可以直接利用建筑物轮廓矢量面数据不做类型转换。也可以将拉 伸后的数据转换成 Multipatch 类型数据。双击 ArcToolbox-> 3D Analyst Tools->Conversion->Layer 3D to Feature Class 工具打开 Layer 3D to Feature Class 对话框(如图 2.5.2-4),进行数据转换。 2.5.2-4Layer 3D to Feature Class 工具 注:简单纹理存储于 3dd 的地图文档中,可以加载数据选择渲染方式来设置简单纹理。 68 2.6.3.3. ArcGIS 与 SketchUp 一体化建模 2.6.3.3.1. 建模流程概括 (1) 使用 ArcGIS 桌面,即 ArcMap,加载矢量数据。 (2) 在 ArcMap 中,利用 SketchUp 插件工具,将所需要建模的区域导入 SketchUp 中。 (3) 在 SketchUp 创建模型。 (4) 在 SketchUp 中将模型转成 ArcGIS 的 Multipatch 模型要素文件并保存于 Personal GeoDatabase(后面统称为 PGDB)中。如图 2.6.3-1 所示: 图 2.6.3-1 环状建模流程图 2.6.3.3.2. 软件环境 软件 版本 安装先后顺序 ArcInfo 9.2 和 9.3.1 1 Google SketchUp 6.0 pro 版 2 模型转化插件 SketchUp6ESRI 3 软件安装及配置步骤如下: 69 (1) 安装 ArcGIS Desktop 软件,如 ArcInfo。(过程略) (2)安装草图大师 Goolge SketchUp 软件。(过程略) (3) 安装 SketchUp6 ESRI 插件,过程如下, 双击“SketchUp6ESRI.exe”,开始安装,如图 2.6.3-2 所示 图 2.6.3-2 SketchUp6 ESRI 插件 接受协议,点击“Next”,如图 2.6.3-3 所示: 70 图 2.6.3-3 第一个组件“GIS Plugin”,使用户能够在 SketchUp 中将模型以 Multipatch 要素 的形式导入 GDB,如图 2.6.3-4 所示: 图 2.6.3-4: 71 第二个组件“3D Analyst SketchUp 3D Symbol Support”,用户可以在 ArcMap 中将 GIS 数据导入 SketchUp 中,如图 2.6.3-5 所示: 图 2.6.3-5 上述两个组件的安装位置尽量不要改变,可能会导致在 SketchUp 中导出 3D 模型失 败。执行组件安装,如图 2.6.3-6 所示: 图 2.6.3-6 72 (4)在 ArcGIS 环境中激活 SketchUp6 ESRI 插件,过程如下,启动 ArcMap 界面, 在工具栏上右键,单击“Customize”,如图 2.6.3-7 所示: 图 2.6.3-7 点击“Add from file”,加载 SketchUp 插件安装后,在安装目录..\Program Files \ArcGIS\SketchUp6 下面,为 ArcGIS 产品添加的动态库文件“FeaturesToSkp.dll”, 如图 2.6.3-8 所示: 图 2.6.3-8 73 添加插件动态库后,在 Toolbars 项中可以找到 SketchUp6 的功能项,如图 2.6.3-9 所示: 图 2.6.3-9 选中“SketchUp 6 Tools”组件以后,在桌面上会弹出组件的功能按钮,如图 2.6.3-10 所示: 图 2.6.3-10 2.6.3.3.3. 建模实例 安装完“SketchUp6ESRI”插件以后,我们来开始实际的建模过程。在利用 ArcGIS 结合 SketchUp 建模的过程,根据原始 ArcGIS 数据质量的不同,我们的整个建模过程中 的每一环细节上也有所变化。 以北数据京国际会展中心建筑物二维轮廓矢量数据为例,介绍三维建模过程。该 FeatureClass 的名称为 ICC_polygon;要素类型为 Polygon; (1)在 ArcMap 中加载矢量数据,如图 2.6.3-11: 74 图 2.6.3-11 (2)单击“Select Features”,在当前图上选择需要建模的矢量数据,如图 2.6.3-12 所示: 图 2.6.3-12 75 (3)点击之前添加的 SketchUp 插件“Export selected items to SketchUp 6”按 钮,将弹出数据导出选项对话框,如图 2.6.3-13 所示: 图 2.6.3-13 系统将自动读出所选择矢量要素所在的 FeatureClass,并且提供自动建模选项。  Elevate by field:依据属性字段,设置建筑物高程。  Extrude by field:依据属性字段,设置建筑物高度。  Name Group using:为导出数据,选择分组名称。  Launch SketchUp on completion:操作结束后,模型自动在 SketchUp 运行程 序中打开。  Filename:指定导出模型文件的路径和名称。 单击确定,导出结束,弹出成功导出的提示对话框导出时候,原始的空间参考将被 带入到 SketchUp 环境中。同时,关联到 SketchUp 建模工具,将导出模型自动加载到建 模空间内,如图 2.6.3-14 所示: 76 图 2.6.3-14 (4)在 SketchUp 中添加适当的纹理,如图 2.6.3-15 所示: 图 2.6.3-15 需要特别注意的是,在 SketchUp 中贴纹理的标准单元是模型个体。 77 (5)在 SketchUp 中选择模型,并导出生成 Multipatch。 该步骤需要用户谨慎对待,只有在 SketchUp 操作空间中被选中的模型,才能以独 立 Multipatch 要素导出。未被选中的模型也会被导出成 Multipatch 要素导出,但是将 作为一个整体要素存在于 Multipatch 图层中。 同时,SketchUp 中支持模型组合功能,一旦模型被组合后,将丢失对应矢量数据 源的 ID 值信息,这样就无法在后期添加原始矢量数据的属性信息。该问题后面会介绍。 选择需要导出的模型,点击“文件——导出——3D 模型”,如图 2.6.3-16 所示: 图 2.6.3-16 在指定导出模型的保存路径时,需选择的文件类型为“ESRI MultiPatch(*.mdb)”,, 如图 2.6.3-17 所示: 78 图 2.6.3-17 单击导出后,系统将弹出导出高级选项,如图 2.6.3-18 所示: 图 2.6.3-18 该对话框中主要有三个重要选项,介绍如下, “Store SketchUp Data in Feature”:将 SketchUp 模型,对应的存储于 Multipatch 模型要素中。 “Use Selected Items Only”:仅导出及转换被选中的模型。 “Create”:创建 PGDB(.mdb)。 我们已经建立了好一个 PGDB(.mdb),在此 PGDB 中建立了一个 Multipatch 要素,坐 标系统同北京国际会展中心建筑物二维轮廓矢量数据一样。点击“OK”,导出完成。 79 (6)上面操作,已经将 SketchUp 模型导入 GDB 中,并生成了 Multipatch 模型图层。 我们可以检验一下,Multipatch 模型的几个显示效果,如图 2.6.3-19 所示: 图 2.6.3-19 ArcCatalog 的 3D View 预览 加载到 ArcGlobe 中,如图 2.6.3-20 所示: 图 2.6.3-20 ArcGlobe 展示 80 2.6.3.3.4. 软件适用性及其注意事项 SketchUp6ESRI 插架是针对 ArcGIS9.2 定制的,适用于 9.2 和 9.3 两个版本,但是 两个版本有所不同。下面将介绍,该插件在 ArcGIS9.2 与 9.3 这两个版本中使用的不同 以及建模注意事项: (1)ArcGIS9.3 桌面创建的 PGDB 无法被 ArcGIS9.2 桌面支持。因此,在 SketchUp6ESRI 插架在创建无法正常创建 PGDB。首先,需要通过 ArcCatalog 手工创建 一个 PGDB,同时新建一个 Multipatch 的 Feature Class,如图 2.6.3-21: 图 2.6.3-21 新建 MultiPatch 图层 (2)字段设置:在新建 MultiPatch 图层后,需要设置该图层的必要字段, 需要添加的字段如下表所示, 序号 字段名称 字段类型 备注 1 SUSourceFeatureID LongInteger 原始数据的唯一 ID 值 81 2 SUSourceFeatureClass Text 原始数据的图层名称 3 SUInstanceName Text 在 SketchUp 环境中的图层 名称 4 SketchUpData Blob 可保存 SketchUp 的模型字 段 注:如果原始数据中的属性需要加载到创建的的模型中去,SUSourceFeatureID 字段的建立非常有必要,可以利用此字段与原始数据进行关联。 (3)纹理添加,要精确到面。 在 SketchUp 中为模型添加纹理时,需要选中建筑物的面,针对每个面逐一添加 纹理,否则在导出 Multipatch 数据使,纹理将不被继承。 (4)空间参考 ArcGIS9.3 环境下,通过 SketchUp 插件导出的 Multipatch 图层没有空间 参考,需要手工添加空间参考(建议选择数据源空间参考)。否则,将无法加 载到 ArcGlobe 的三维场景中。 2.6.3.4. 3DMax 流程化建模 2.6.3.4.1. 建模流程概括 整体技术思路是将项目区二维的 cad 测绘底图,通过整理导入到 3dsmax 中,根据 cad 底图为基础,绘制三维数字模型。利用 photoshop 平面图像处理软件,对现场采集 的照片进行修整,为三维模型制作表面贴图。最终把贴好材质的三维楼体导入到 ArcGIS 软件中,进行相应的调整,进而生成真实的三维数字城市景观: (1)在 ArcMap 中,加载建筑物轮廓数据,利用导出 CAD 工具(ExportCAD),将所 需要建模的区域导成 CAD 格式; (2)在 3dMAX 中利用建筑物轮廓为底图进行建模。将每个建筑物模型分别存储为 3ds 文件; (3)在桌面中利用 Import3DFiles 将模型批量转成 ArcGIS 的 Multipatch 模型要素文件 并保存于 Personal GeoDatabase(后面统称为 PGDB)中。 2.6.3.4.2. 软件环境 软件 版本 82 ArcInfo 9.2、9.3.1、10 Autodesk 3ds Max 9 或其他版本均可 2.6.3.4.3. 建模实例 以 Buildings 建筑轮廓面矢量数据为例子,介绍数据获取过程。 (1) 首先,ArcMap 中点击添加数据工具 ,打开 Buildings 数据。双击 ArcToolbox-> Conversion Tools->to CAD->Export to CAD,选择 Buildings 数据为导出图层,选择 输出格式为 DWG_R2000,选择输出 CAD 的文件。如图 2.6.3-22 图 2.6.3-22 导出 CAD (2) 打开 Autodesk 3ds Max 软件,文件->导入,打开文件导入对话框,上步操作中 的文件,导入 CAD 底图。如图 2.6.3-23 所示: 83 图 2.6.3-23 (3) 菜单自定义->单位设置,打开单位设置对话框如图 2.6.3- ,点击系统单位设置, 设置单位为米,拉动滚动条设置与原点间的距离(拉到最左边)。 图 2.6.3-24 单位设置对话框 84 (4) Ctrl+Shift+Z 键 CAD 底图全部场景范围充满视窗,Alt + W 键切换到单视图,T 键切 换到顶视图。如图 2.6.3-25 所示 图 2.6.3-25 (5) 底图上右键冻结当前图层,将底图冻结如图 2.6.3-26 图 2.6.3-26 85 (6) 点击工具条 2.5 捕捉工具 ,右键弹出栅格和捕捉对话框,设置捕捉和捕捉 选项,如图 2.6.3-27 所示: 图 2.6.3-28 栅格和捕捉对话框 (7) 点击图形工具 ,在对象类型里面选中线,以建筑为轮廓勾画建筑物,并闭合 线,如图 2.6.3-29 所示: 图 2.6.3-29 (8) 在图形单击右键转换为->转换为可编辑多边形,如图 2.6.3-30 所示: 86 图 2.6.3-30 (9) 点击右侧工具面板上点击多边形工具 ,选中建筑物轮廓多边形,单击挤出将 建筑物轮廓按照建筑实际的高度 17m 将建筑物拉起来,如图 2.6.3-31 所示: 图 2.6.3-31 (10) 在建筑物上右键单击,转换为->转换为可编辑多边形。Alt +Q 键进入孤立模式, 可以在孤立环境对模型进行贴图,F3 键切换实色显示场景中的几何体,如图 2.6.3-32 所示: 87 图 2.6.3-32 (11) 在工具条上选择材质编辑工具 ,弹出材质编辑器窗口,拖动编辑器窗口中 的材质球到建筑物上,将指定材质球给指定的对象。点击贴图按钮,然后点击 None 后,弹出的材质/贴图浏览器对话框中,点击位图选择要为建筑物贴图的纹 理照片如图 2.6.3-33 所示: 图 2.6.3-33 (12) 点击多边行,选中模型中要贴图的建筑物表面。在修改器列表中选择 UVW 展开, 将纹理照片在建筑物面上展开,如图 2.6.3-34 所示: 88 图 2.6.3-34 (13) 点击编辑按钮,弹出编辑 UVW 对话框。点击面子对象模式工具 ,点击菜单 贴图->展开贴图命令,弹出展平贴图对话框,点击确定。在 UV 下来列表框中选 择纹理照片 Map#1,调整窗口中的红色面到合适的大小合位置。如图 2.6.3-35 所示: 89 图 2.6.3-35 (14) 在材质编辑器窗口中选择在视口中显示贴图按钮 ,查看建筑物面上的纹理贴 图,满意后再重复上述贴图步骤对其他面进行展 UV 贴图。如图 2.6.3-36 所示: 90 图 2.6.3-36 (15) 所有的贴图完毕后,点击快速渲染按钮 ,打开用户帧对话框查看贴图效果, 本示例仅选取一个面进行贴图(如图 2.6.3-37 所示:),满意后退出此对话框。 选中建立好的模型,选择菜单->导出选定对象将建立好的模型导出 3DS 格式文件。 图 2.6.3-37 91 (16) 打开 ArcGlobe 软件,双击 ArcToolbox-> 3D Analyst Tools->Conversion->From File->Import 3D FIles 工具打开 Import 3D FIles 对话框(如图 2.6.3-38),进行数据 转换。点击 添加建立好的模型文件,点击 选择 Multipatch 存储的位置。点 击 为 Multipatch 选择空间参考,这里我们可以从建筑物轮廓底图的 Buildings 文件中获取。 图 2.6.3-38 注:可以一次选择多个模型文件批量导入。 (17) 加载底图轮廓数据,查看效果。建筑物模型落在正确的地理位置上,如图 2.6.3-39 所示: 图 2.6.3-39 92 2.6.3.4.4. 软件适用性及其注意事项 3dMax 建立三位模型不需要插件支持,因此适用于任何版本的 ArcGIS 软件建模应用。 其注意事项: (1)相片采集时,尽量以正面视角拍摄建筑物,尽量避免在正午时间拍摄,因为正 午的时间,阳光充足,使建筑的受光面和被光面反差较大,这样会为后期“修图”增加 工作量。拍照前,要对所拍摄的建筑有所了解,事先要查看 cad 底图。每拍摄一张照片, 要尽量做到此照片在制作过程中如何运用。为后期建筑的制作提高了效率。 (2)由于后期模型在导入到“ArcGlobe”中,建模注意事项: A、前期建模是,要注意不要使用“镜像”物体。镜像容易导致数据丢失。 B、每个建筑要单独保存成单个的 3DS 文件,不要“塌陷”相同材质的建筑,因为 后期需要在“ArcGlobe”中对每个建筑添加属性信息。 C、道路物体要尽量“塌陷”成为一个物体,防止在 ArcGlobe 行走或飞行模式下, 对道路进行“裁切”,影响视觉效果。 D、所有模型“贴图”尺寸要保证是“2N 次方”的尺寸,如(256×256,512×512 等) (3)数据导入注意事项: 建筑物轮廓底图应该具有投影坐标,并且在利用 Import 3d files 工具时,应选 择从矢量数据中获取空间参考,以保证模型数据能够有正确的地理信息,减少后期处理 工作量。 (4)模型的表面光线暗淡,因为 ArcGIS 中并不支持 3DS Max 的灯光设置。解决办 法: A、在 3DS Max 或 Photoshop 提高模型各个面的贴图的亮度; B、启用 Sun Position,并提高提高 Ambient light 的亮度 2.6.3.5. 引入现有模型 利用已有二维平面数据、高度辅助数据以及建筑物表面纹理,使用 SketchUp 或者 3DMax 软件流程化建立三维模型具有很多优点: (1)基于建筑物轮廓建立了真实的建筑物模型(真实的大小)。 (2)模型数据不必一一导入三维场景,支持模型数据批量导入; (3)建立三维场景时无需修改模型大小和旋转角度; 93 (4)规范了建模流程,降低后期处理的难度,一定程度上减少三维数据获取成本。 对于建立三维场景,推荐使用规范化过程,以减少后期处理过程。当然对于现有 模型通用的模型数据,ArcGIS 支持:模型数据导入和三维模型编辑两种方式,将现有模 型转换成 Multipatch 格式。 2.6.3.5.1. 模型导入 利用 Import 3D Files 工具支持主流的三维模型导入。支持 3D Studio Max (*.3ds), VRML and GeoVRML 2.0 (*.wrl), SketchUp 6.0 (*.skp), OpenFlight 15.8 (*.flt),Collaborative Design Activity (COLLADA) (.dae),等通用 3D 格式。 (1)利用 Import 3D Files 工具(如图 2.6.3-40 所示:)将通用模型转换成 Multipatch 格式。导入过程参见 2.6.3.3.3-(16) 图 2.6.3-40 (2)3ds 数据导入时,纹理数据要与 3ds 文件至于同一个目录下面。 (3)wrl 数据导入时,纹理数据要放在 wrl 上层目录中的 maps 文件夹下面。并且 选中 Y is Up(optional)选项。 (4)带纹理的 Multipatch 数据应该存储于 Geodatabase 中。 (5)对于建筑位置,可以新建一个空 Multipatch 文件,加载导入的 Multipatch 文 件。利用现有的地理底图使用 ArcMap 的编辑和空间校准功能(Spatial Adjustment)将 建筑调整相应的位置。 94 2.6.3.5.2. 三维模型编辑 ArcGIS10 开始全面支持 3D 数据的编辑,借助于交互式的编辑方式工具可以实现现 有模型的快速导入。此方法方便灵活,适用于局部数据更新和调整。 以 620.3ds 数据为例,介绍三维编辑过程: (1)在 City.gdb 中右键 New->Feature Class,弹出 New Feature Class 对话框,填入 名称和选择 Multipatch Features 类型,如图 2.6.3-41 所示: 图 2.6.3-41 (2)下一步,点击 Import 按钮从矢量 Buildings 数据中获取地理坐标,如图 2.6.3-42 所示: 95 图 2.6.3-42 (3)下二步保持默认参数。点击下一步修改模型数据属性字段,如图 2.6.3-43 所 示: 96 图 2.6.3-43 (4)建立完毕后,在 ArcGlobe 中加载 EditBuildings 三维数据和 Buildings 底图数据。 点 3D Editor 工具条,选择 State Editing,弹出 State Editing 对话框,选择 EditBuildings 97 数据,如图 2.6.3-44 所示: 图 2.6.3-44 (5)在 Create Features 面板上,选择 EditBuildings 模板,点击 Insert Tool(如图 2.6.3-45 所示),在建筑物轮廓上点击,弹出 open 对话框,选择导入的建筑物 模型文件,如图 2.6.3-46 所示: 98 图 2.6.3-45 图 2.6.3-46 (6)点击 3D Editor 工具条上的编辑放置工具 ,进行交互式调整: A、按住鼠标左键调整模型位置; B、按住 Shitf 键+鼠标左键调整模型高程; 99 C、按住鼠标中键旋转模型角度; D、按住 Shitf 键+鼠标右键调整模型大小; 如图 2.6.3-47 所示,鼠标中键对模型进行旋转。 图 2.6.3-47 (6) 调整到合适的位置后,3D Editor->Save Edits 保存编辑,如图 2.6.3-48 所示: 图 2.6.3-48 100 3. 创建三维可视化场景 3.1. 概述 视觉是理解空间最有用的感觉,因此三维 GIS 在很大程度上也依赖视觉表现提供更 为丰富逼真(具有相片质感)的信息,各种用户结合自己相关的经验与理解就可以做出 准确而快速的空间决策。特别的,三维可视化能使人们只有抽象概念而难以直接感知的 空间现象现实化和直观化。三维 GIS 是将原来在二维数据置于三维场景下进行数据可视 化、空间分析。 对于 ArcGIS 而言创建三维场景跟创建三维场景类似:三维场景的数据加载方式跟 ArcGIS 二维的操作方式一样,创建三维可视化场景仅仅需要将我们获取到地理数据加载 到三维场景之中,设定一些加载模式和显示参数即可。 3.2. ArcGlobe 图层类型 ArcGlobe 的图层类型有别于 ArcMap 在 ArcGlobe 共有三种类型的图层:高程数据层 (Elevation layers)、叠加层(Draped layers)和浮动层(Floating layers),如 图 3.1.1-1 所示 图 3.1.1-1 高程数据给球体表面提供地形数据; 叠加层则覆盖在球体表面; 浮动层则使用偏移来显示数据,该图层高出或低于球体表面。 101 3.3. 添加影像数据 ArcGlobe 中可以添加建立了空间参考的影像,空间参考说明了数据将在球体上显示 的具体位置。以 hnl_orthos1.img 数据为例子,演示加载影像数据过程: (1)点击文件添加按钮 。 (2)定位到包含想要添加的影像数据所在的文件夹。单击想要添加的图层,单击 Add。 如图 3.1.2-1 所示: 图 3.1.2-1 加载数据对话框 (3)在坐标转换提示窗口(Geographic Coordinate Systems Warning),可以自定义要转 换的坐标系统,也可以选择系统默认的坐标系统。ArcGlobe 支持投影的动态转换,这里 按系统默认设置,单击 Close 结束。如图 3.1.2-2 所示: 图 3.1.2-2 坐标转换提示 102 影像会被默认添加至 Draped layers 中,作为叠加在球体表面的图层而被添加到球体地形 的表面。如图 3.1.2-3 所示: 图 3.1.2-3 影像 3.4. 影像数据设置 (1)如果添加多幅公共的范围影像,要想较高分辨率的影像在显示时取得优先显示 权 ,可以拖动影像在图层中的上下位置来确定显示的先后。还可以通过右键单击 ->Properties。打开 Layer Properties 属性对话框,在 Globe General 选项卡中设置 Globe Range 来设置图层显示范围。如图 3.1.2-4 所示: 103 图 3.1.3-4 设置显示范围 (2)如果影像有黑色区域存在,可以在 Symbology 选项卡中设置 Display Background Value 为透明色。如图 3.1.2-5 所示: 104 图 3.1.3-5 设置影像透明色 3.5. 添加地形数据 地形是代表一个逻辑表面的一个或多个高程图层。地形数据作为具有高程的栅格数 据,可以定义球体地形,作为叠加图层的。以 dem10 数据为例子,演示加载地形数据 过程: (1)点击文件添加按钮 。 (2)定位到包含想要添加的地形数据所在的文件夹。单击想要添加的图层,单击 Add。 如图 3.1.3-1 所示: 105 图 3.1.4-1 加载数据对话框 (3)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard)中,Layer Type 中有两个选项: Use this layer as image source,地形数据会被当成影像加载至 Draped layers 中; Use this layer as elevation source,地形数据会作为三维场景中的高程数据源加载 至 Elevation layers。这里选择 Use this layer as elevation source。单击 Add。 如 图 3.1.3-2 所示: 图 3.1.4-2 添加数据向导 (7)在坐标转换提示窗口(Geographic Coordinate Systems Warning),可以自定义要转 换的坐标系统,也可以选择系统默认的坐标系统。ArcGlobe 支持投影的动态转换,这里 按系统默认设置,单击 Close 结束。如图 3.1.3-3 所示: 106 图 3.1.4-3 坐标转换提示 地形数据会作为球体高程图层的一个高程数据源被添加进 Globe 中。加载后可以看到地 形的变化,如图 3.1.4-4 所示: 图 3.1.4-4 地形起伏 地形数据可以作为叠加图层的高程,打开影像数据,即可以看到地表的高低起伏,如图 3.1.4-5 所示: 107 图 3.1.4-5 地形起伏 3.6. 地形数据设置 (1)设置夸张显示。在数据上右键 Properties 打开 Layer Properties 对话框。在 Elevation 选项卡中,可以设置地形的夸张倍数,如图 3.1.5-1 所示。 108 图 3.1.5-2 设置夸张倍数 设置完成后,可以看到夸张后的地形显示效果,如图如图 3.1.5-3 所示: 109 图 3.1.5-3 地形夸张 3.7. 添加矢量数据 基本矢量数据可以分为点、线、面数据。以 StatesWGS84 面数据为例,演示是加 载矢量数据过程: (1)点击文件添加按钮 。 (2)定位到包含想要添加的矢量数据所在的文件夹。单击想要添加的图层,单击 Add。 如图 3.1.6-1 所示: 110 图 3.1.6-1 添加矢量数据 (3)面图层不会弹出 Feature Option 对话框,如果选择了点和线的矢量文件,在数据添 加向导窗口(Add Data Wizard)中,Feature Option 给用户提供了两种选择,如图 3.1.6-2 所示: Display features as draped image(以叠加影像显示要素) Display features as 3D vectors(以 3D 矢量显示要素)。 111 图 3.1.6-2 矢量选项 (4)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard),无论选择的矢量文件是点文件、线文件, 还是面文件都会要求选择典型比例尺(typical scale)和可视范围(Visibility range)。这 里按照系统默认的设置,单击下一步,如图 3.1.6-3 所示: 112 图 3.1.6-3 典型比例尺与可视范围 (5)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard),无论选择的矢量文件是点文件、线文件, 还是面文件都会要求选择 Symbol size。系统提供两种选择,一种是 Display symbols in real world units,另一种是 Display symbols in point units。这里按照系统默认的设置,单 击下一步。如图 3.1.6-4 所示: 113 图 3.1.6-4 符号化大小 (6)在坐标转换提示窗口(Geographic Coordinate Systems Warning),可以自定义要转 换的坐标系统,也可以选择系统默认的坐标系统。系统默认的坐标系统是 WGS84,如 果加入的矢量文件的地理坐标为 WGS84,则不会弹出该窗口。矢量数据会作为叠加在 球体表面的图层而被添加到球体地形的表面,如图 3.1.6-5 所示: 114 图 3.1.6-5 矢量面叠加显示 3.8. 矢量数据设置 (1)矢量显示设置。在数据上右键 Properties 打开 Layer Properties 对话框。在 Symbology 选项卡中,可以设置矢量的符号化,跟二维一体化符号修改方式,如图 3.1.7-1 所示: 115 图 3.1.7-1 矢量符号化设置 点击 Advanced 下拉框,这里我们设置按照 HSEHLD 1 F 字段设置透明,显示效果如图 3.1.7-2 所示: 116 图 3.1.7-2 按属性透明显示 (2)面数据不显示填充设置。在 Symbology 选项卡中,点击 Symbol,弹出 Symbol Selector 对话框。再此对话框中可以对面的符号进行修改,显示效果如图 3.1.7-3 所示: 117 图 3.1.7-3 符号修改对话框 这里我们选择 Fill Color 为 No Color,选择 Outline Color 为黄色,显示效果如图 3.1.7-4 所 示: 118 图 3.1.7-4 面数据不显示填充 3.9. 添加文字数据 以 StatesWGS84Anno 数据为例子,演示加载文字注记数据过程: (1)点击文件添加按钮 。 (2)定位到包含想要添加的文字注记数据所在的文件夹。单击想要添加的图层,单击 Add。 如图 3.1.8-1 所示: 119 图 3.1.8-1 加载数据对话框 (3)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard)中,有两种选择 Display features as draped image 和 Display features as 3D vectors,选择 Display features as 3D vectors,点击下一步。 如图 3.1.8-2 所示: 120 图 3.1.8-2 文字显示设置 (4)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard)中,设置典型比例尺(typical scale)和可视 范围(Visibility range)。这里按照系统默认的设置。如图 3.1.8-2 所示: 图 3.1.8-2 典型比例尺与可视范围 (5)单击完成后,查看文字效果。3D Vector 方式文字为三维立体显示效果,如图 3.1.8-3 所示: 121 图 3.1.8-3 三维立体文字 3.10. 文字数据设置 (1)文字符号化显示设置。在数据上右键 Properties 打开 Layer Properties 对话框。在 Symbology 选项卡中,可以设置文字注记的颜色,如图 3.1.9-1 所示: 122 图 3.1.9-1 修改文字颜色 点击完成后查看效果,如图 3.1.9-2 所示: 123 图 3.1.9-2 改变文字颜色 (2)切换显示模式。在 Globe Display 选项卡中,通过选中 Raster Feature Layer 使文字 切换为 Darped 模式,如图 3.1.9-3 所示: 124 图 3.1.9-3 切换文字显示模式 点击完成后,查看显示效果。由于栅格显示显示可视范围太大时,由于采样原因, 文字有白边现象,因此 Draped 方式显示文字,需要设置一定的可视范围。如图 3.1.9-4 所示: 125 图 3.1.9-3 栅格化方式显示文字 (3)图层关联。在 Display 选项卡中,通过 Associated Layer 选择关联图层。图层关联后, 当关闭关联的图层时,文字图层将一起关闭。如图 3.1.9-4 所示: 126 图 3.1.9-4 设置关联图层 3.11. 添加模型数据 三维模型数据分为两种:一种为简单纹理数据,另一种为复杂纹理数据。简 单纹理数据可以从建筑轮廓面矢量数据通过拉伸设置获得,也可以加载转换后的 Multipatch 数据,具体过程可参见 2.6.3.2 节。以 Waikiki_Buildings_mpatch 数据为例,演 示是加载复杂纹理模型数据过程: (1)点击文件添加按钮 。 (2)定位到包含想要添加的模型数据所在的文件夹。单击想要添加的图层,单击 Add。 如图 3.1.10-1 所示: 127 图 3.1.10-1 加载数据对话框 (3)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard),选择典型比例尺(typical scale)和可视范 围(Visibility range)。这里按照系统默认的设置,单击下一步。如图 3.1.10-2 所示: 图 3.1.10-1 典型比例尺与可视范围 (4)在坐标转换提示窗口(Geographic Coordinate Systems Warning),可以自定义要转 换的坐标系统,也可以选择系统默认的坐标系统。系统默认的坐标系统是 WGS84,如 果加入的矢量文件的地理坐标为 WGS84,则不会弹出该窗口。这里选择系统默认的坐 标系统,单击 Close。如图 3.1.10-3 所示: 128 图 3.1.10-3 坐标转换提示 (5) 模型数据会被默认为 Floating layers 加入 ArcGlobe 中,用户可以根据需要,把模 型数据移至 Drapped layers,但是不能移至 Elevation layers。最终效果,如图 3.1.10-4 所 示: 图 3.1.10-4 模型数据 129 3.12. 添加城市街景部件 在 ArcGlobe 的三维场景中,用户也可以添加城市街景部件,以增加场景的真实感。 城市街景部件包括电线杆、消防栓、树、花、汽车、飞机等,通常这些城市街景部件是 以要素类中的点文件存储的。以 Fire_Hydrants 数据为例,演示是加载街景部件数据过程: (1)点击文件添加按钮 。 (2)定位到包含想要添加的模型数据所在的文件夹。单击想要添加的图层,单击 Add。 如图 3.1.11-1 所示: 图 3.1.11-1 加载数据对话框 (3)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard)中,有两个选项:Display features as draped image 和 Display features as 3D vectors。这里选择 Display features as 3D vectors,单击下 一步。如图 3.1.11-2 所示: 130 图 3.1.11-2 矢量选项 (4)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard),设置典型比例尺(typical scale)和可视范 围(Visibility range)。这里按照系统默认的设置,单击下一步。如图 3.1.11-3 所示: 图 3.1.1-3 典型比例尺与可视范围 (5)在数据添加向导窗口(Add Data Wizard),选择 Symbol size。系统提供两种选择,一 种是 Display symbols in real world units,另一种是 Display symbols in point units。这里按 照系统默认的设置,单击下一步。如图 3.1.11-4 所示: 131 图 3.1.1-4 符号化大小 (6)在坐标转换提示窗口(Geographic Coordinate Systems Warning),可以自定义要转 换的坐标系统,也可以选择系统默认的坐标系统。系统默认的坐标系统是 WGS84,如 果加入的矢量文件的地理坐标为 WGS84,则不会弹出该窗口。这里选择系统默认的坐 标系统,单击 Close。如图 3.1.11-5 所示: 图 3.1.11-5 坐标转换提示 城市街景部件会作为叠加在球体表面的图层而被添加到球体地形的表面。效果如图 3.1.11-6 所示: 132 图 3.1.11-6 街景默认显示 (7)在 Table of Contents 中点击气球符号,弹出 Symbol Selector 对话框。可以按照 关键词搜索消火栓符号。如图 3.1.11-7 所示: 图 3.1.11-7 设置显示符号 (8)设置合适的大小以及颜色,显示效果如图 3.1.11-8 所示: 133 图 3.1.11-8 消火栓 3.13. 街景部件数据设置 (1)导入外部模型。在 Symbol Selector 对话框中,点击 Edit Symbol 弹出 Symbol Property Editor 对话框。如图 3.1.12-1 所示: 134 图 3.1.12-1 符号编辑对话框 点击 Import 按钮,弹出 Open 对话框,可以导入外部模型文件。如图 3.1.12-2 所示: 图 3.1.12-2 导入外部模型对话框 (2)符号大小根据距离改变。在 Globe Display 选项卡中,选中 Scale 3D Symbol with distance 即可实现符号大小根据距离改变。如图 3.1.12-3 所示: 135 图 3.1.12-2 根据距离改变符号大小设置 136 4. 三维性能优化 4.1. 概述 逼真的三维表示不仅具有多种细节层次的几何表达,还提供具有相片质感的表面描 述如逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息。大量栅格数据与矢量数据的集成 应用导致数据量急剧增加,“海量”一词则是对此最形象的描述,这里的“海量”是指 远远超出计算机核心内存容量的数据量。针对三维可视化交互的实时性要求,对海量数 据的有效调度已经成为三维 GIS 的关键技术之一。 对于 ArcGlobe 文档(*.3dd)来说,性能取决于多方面的,与加载的数据量,数据 类型,符号化设置,地图文档设置、机器性能等等。以下介绍 ArcGlobe 的优化方法。 4.2. 场景优化 4.2.1. 调整内存缓存 内存缓存是分配一定数量物理内存(RAM)供 ArcGlobe 使用。为获得最佳性能,可 以设置为每个使用的数据类型分配的内存量。根据地图文档中的数据量不同,需要做出 相应的调整。例如:地图文档中的三维模型比较多时,可以增加 3Dobject 的大小,以获 得最佳性能。 在菜单 Customize->ArcGIS Options->Display Cache 选项卡,如图 4.2.1-1 所示: 137 图 4.2.1-1 内存缓存 点击 Advanced 按钮弹出,内存缓存高级设置窗口。可以根据地图文档中的实际数 据情况做出修改。如图 4.2.1-1 所示: 138 图 4.2.1-1 内存缓存高级设置 使用中栅格数据和三维模型数据消耗内存比较多,具体设置可以根据浏览数据时, 依据实际占用的内存缓存做出调整(如图 4.2.1-2 所示)。另外 ArcGIS10 中内存缓存会 记录在地图文档中。 139 图 4.2.1-2 调整内存缓存 4.2.2. 增加虚拟内存 如果计算机缺少运行程序或操作所需的随机存取内存 (RAM),则 Windows 使用虚 拟内存(Virtual Memory)进行补偿。虚拟内存将计算机的 RAM 和硬盘上的临时空间 组合在一起。当 RAM 运行速度缓慢时,虚拟内存将数据从 RAM 移动到称为“分页文 件”的空间中。一般而言,计算机的 RAM 越多,程序运行得越快。如果计算机的速度 由于缺少 RAM 而降低,则可以尝试增加虚拟内存来进行补偿。 ArcGlobe 可能需要消耗这个虚拟内存,需要为它的使用分配足够的空间。虚拟内 存大小理论上应至少两倍于物理内存大。例如,如果您有 512 MB 的物理内存(RAM) 的,你应该拨出至少 1024 MB 的虚拟内存。可以通过我的电脑->属性->高级设置虚拟 内存的大小。如图 4.2.2-1 所示: 140 图 4.2.2-1 设置需虚拟内存 4.2.3. 导航时挂起获取瓦片线程 ArcGlobe 有两个并发的线程,一个用于渲染,另一个用于硬盘缓存数据的检索、计 算。当挂起获取瓦片线程选项被启用时,内存中的瓦片可以继续在显示。当 停止导航时, 获取瓦片的线程重新启,这时将开始下载瓦片当前细节水平的数据。挂起获取瓦片片线 程将所有的资源分配给渲染线程,从而提供一个顺畅的导航体验。 通过菜单 Customize->ArcGIS Options->Level of Detail 选项卡,可以选中 Suspend tile fetching when navigating。如图 4.2.3-1 所示: 141 图 4.2.3-1 启用挂起获取瓦片线程 4.3. 数据优化 4.3.1. 硬盘缓存 硬盘缓存是每个在 ArcGlobe 图层生成的一些缓存瓦片文件,可以帮助您提高数据 显示和浏览的效率。 142 4.3.1.1. 设置磁盘缓存的默认位置 每一个 ArcGlobe 图层都生成为一个对应的硬盘缓存,其缓存文件的名字一般由图层 的名字和全球唯一标识组成(如:dem_img_FF5D3DC1-3B47-4F42-87E0- B1489D33EC45)。 硬盘缓存存储于 ArcGlobe 的缓存目录下,通过菜单 Customized ->ArcGlobe Options 中 Display Cache 设置用于保存这些缓存的文件位置和硬盘缓存存储空间。如图 4.3.1-1 所示: 图 4.3.1-1 设置缓存目录 注:(1)ArcGlobe 将在文件位置后面自动添加一个 \GlobeCache 后缀,缓存文件 主要存储于此目录下面。 (2)修改缓存目录后,添加到 ArcGlobe 的所有新图层都会将其磁盘缓存保存 在此目录下;更改默认位置后,现有的缓存数据不会移动。此外,如果对图层进行简单 的更改(如更改符号系统),则缓存将在其原始位置进行再生。但是,如果刷新图层因 而生成新的图层标识符,图层的缓存将会保存到新的默认位置。 (3)一般建立 Globe 文档时,首先应设置好,缓存目录的位置。并且数据量比 较大时,应该增加 Maximum size 大小。 4.3.1.2. 硬盘缓存类型 硬盘缓存根据缓存生成的方式分为:按需缓存、部分缓存和全部缓存三种类型。 143 按需缓存是当您首次浏览在 ArcGlobe 层时,按照缩放到的位置和距离生成的当前 尺度下的磁盘缓存。下次重复访问这些地区时访问时间更快了,这是因为硬盘缓存已经 在首次访问时被缓存下来了。 如果创建高性能的导航效果,手动创建硬盘缓存是十分必要的。右键单击需要创建 硬盘缓存的图层,单击 Generate Data Cache,如图 4.3.1-2 所示: 图 4.3.1-2 手动创建缓存 在弹出的 Generate Cache 对话框上,设置生成缓存设置详细程度 (LOD) 范围。滑尺 上的每个刻度都表示将要计算的单独详细程度。要创建全部缓存,可将从 LOD 从 LOD 滑块设置为最大比例(即“远”),将至 LOD 至 LOD 滑块设置为最小比例(即“近”)。 如图 4.3.1-3 所示: 144 图 4.3.1-3 全部缓存 如果详细程度未处于最大比例,则将构建数据的局部缓存,剩余等级将按需缓存。 如图 4.3.1-4 所示: 145 图 4.3.1-4 局部缓存 注:(1)对于影像数据、高程数据建议建立全部缓存,其中高程数据在利用 ArcGIS Server 发布 Globe Service 时一定要建立全部缓存。 (2)对于矢量(Draped)建议依据实际需求建立局部缓存。另外,可以在矢量属 性对话框中 General 选项卡中,点击 Feature Properties 设置合理的比例,如图 4.3.1-5 所示:。设置比例尺要参考 Convert symbol point unit to 中栅格化的数值,根据实际的 数据确定合理的比例尺,然后建立全部缓存。 146 图 4.3.1-5 设置合适比例尺 (3)、矢量(3DVector)、注记(Annotation)、多面体(Multipatch)依据数据 情况选择合适的比例尺,然后在此比例尺下建立全部缓存。 4.3.1.3. 硬盘缓存格式 ArcGlobe 支持两种磁盘缓存格式:JPEG 和 DXT。对 ArcGlobe 缓存中的数据进行 压缩可以减小占用的磁盘空间。所采用的默认压缩格式为 JPEG(16 位色彩格式)。DXT 则是图形卡硬件支持的一种替代格式。在配有较新版图形卡的计算机上,DXT 缓存不必 在渲染前解压缩。但 JPEG 缓存却需要在渲染前解压缩,因此将存在性能开销。具有 16 位色彩格式的 JPEG 缓存数据要求每像素占 2 个字节内存,而 DXT 缓存数据则要求每 像素仅占 1 个字节内存。这意味着,DXT 数据所占用的图形内存只占 JPEG 16 位色彩 数据所占用图形内存的一半。但 DXT 缓存所占用的磁盘空间通常比 JPEG 缓存大 8 到 12 倍。如果计算机所使用图形卡版本较低,则可能本身并不支持 DXT 格式。在此类情 况下,ArcGlobe 将使用仿真软件代替硬件,以便计算机支持 DXT 缓存,但使用 DXT 磁 147 盘缓存选项并不会提高性能。版本较新的计算机则可以实现 DXT 格式的硬件支持,因 此适合使用 DXT 缓存选项。 如果注重应用程序的性能,则建议使用该格式。决定 JPEG 和 DXT 缓存性能差异 的一个关键性因素是数据范围。对于局部域范围内的图像数据,DXT 缓存的渲染速度比 JPEG 缓存最多可快 40%(以每秒的帧数衡量)。但是,如果数据位于全局范围内,则 两种格式之间几乎没有差异。无论数据范围如何,DXT 磁盘缓存格式与 JPEG 磁盘缓存 格式的缓存生成时间相同。决定选择哪种格式的另一个关键性因素是计算机的物理内存 大小。使用 DXT 缓存而非 JPEG 缓存时,ArcGlobe 将节省 10% 到 30% 的整体内存, 从而在渲染大型数据集而计算机内存(RAM 和图形卡纹理内存)却有限的情况下可以 提高性能。第三个也是最后一个值得考虑的因素是磁盘空间。尽管 DXT 缓存的交互性 能通常比 JPEG 缓存要好,但是它所占据的磁盘存储空间却会多出很多。根据数据的不 同,DXT 缓存所占用的磁盘空间比 JPEG 缓存大 8 到 12 倍。因此,应考虑是需要更 好的性能还是更大的磁盘空间。 注:(1)选择建议:影像、矢量选择 JPG 格式;MultiPatch、3DVector, 选 DXT 格式 。 (2)对于 Multipatch 和 3DVector 数据,可以在图层数据 Globe Display 选项卡中 选中 Eanble rendering with compressed textures,如图 4.3.1-6 所示: 148 图 4.3.1-6 纹理压缩 (3)ArcGIS10 增加了 Multipatch 数据的自动纹理管理机制,即根据距离降级调整纹 理。可以点击 Advanced 按钮修改自动纹理设置。如图 4.3.1-7 所示: 149 图 4.3.1-7 自动纹理管理 4.3.1.4. 缓存失效 缓存失效是指修改了数据的属性,导致原先产生的缓存没法重新使用,需要重新 生成新的缓存。比如:修改了栅格的采样方式,栅格化要素大小,矢量的符号化,矢量 栅格化单位,改变缓存格式,修改 Cache 路径后刷新等等,设置数据重新显示方式和效 果的参数,都会导致缓存失效。 注:(1)创建数据缓存之前应该首先设定渲染显示参数,然后再创建缓存。 4.3.1.5. 更新局部缓存 如果数据的某一部分已进行更新并且此数据具有此图层的完全缓存或局部缓存。更 新数据时,该图层的磁盘缓存也需要更新。通过仅让受影响的区域失效,可使大部分缓 存不受影响并且可根据需要重新生成已更新的部分。图层属性窗口 Cache 选项卡中,点 击 Advanced 按钮,打开 Adwanced Cache Management 窗口,点击 Invalidate Cache,可 以删除当前范围的缓存。如图 4.3.1-8 所示: 150 图 4.3.1-8 局部更新 此选项可用于仅删除指定范围的图层数据缓存。将采用按需缓存方式重新填充已删 除的缓存切片。也就是说,仅当在 ArcGlobe 中重新访问该区域时,才会对其进行计算。 4.3.1.6. 保持缓存的连接 退出 Globe 文档是如果不保存地图文档,将导致建立好的的缓存丢失。如图 4.3.1-9 所示: 151 图 4.3.1-9 缓存丢失 只要 ArcGlobe 文档或者图层文件就不会自动删除局部或完整缓存,这样便保留与 缓存的连接。再次打开地图文档或者添加图层文件时,便可以直接使用原先创建的缓存 进行可视化,如果使矢量也可以利用识别或者查找工具对进行空间分析。 4.3.1.7. 退出 ArcGlobe 时删除缓存 ArcGlobe 退出应用程序时删除图层的磁盘缓存。针对频繁变化的数据或服务,这样 会确保后续会话呈现新显示瓦片,且有助于最大程度地减小计算机上所使用的磁盘空间。 图层属性窗口 Cache 选项卡中,选中 Exiting the application or removing the layer。如图 4.3.1-10 所示: 152 图 4.3.1-10 退出时删除缓存文件 4.3.1.8. ArcGlobe 部署 通过“ArcGlobe 部署向导”可以轻松地将 3D 文档和缓存移动到新位置。部署向 导的适用情况: •将 ArcGlobe 缓存换到本地计算机上的其他位置 •将成熟的 ArcGlobe 文档复制到其他计算机 •准备使用 ArcGIS Server Globe 服务将 ArcGlobe 文档发布到 Web •为现有的 globe 服务 3D 视图使用新的缓存位置 •将现有的 ArcGlobe 文档及其缓存数据存档 •将 3D 文档重新连接到使用 Windows 工具移动的缓存 153 即使缓存未被复制而只是指向了某个新位置,该向导也会确保为 ArcGlobe 文档中 的所有图层创建最小的缓存结构。 通过菜单 Customize->Customize Mode 中 Command 选项卡选择 File->Deploy Document 到工具条上,此命令即被添加到用户界面。如图 4.3.1-11 所示: 图 4.3.1-11 添加部署文档工具 单击部署文档工具 ,弹出地图文档部署向导,如图 4.3.1-12 所示: 154 图 4.3.1-12 地图文档部署向导 根据需求选择,单击下一步,可以设置缓存的位置如图(4.3.1-13 所示)。根据不同 的选择可以完成地图文档及其缓存的移动和部署。 155 图 4.3.1-13 地图文档部署向导 900 660 4.3.1.9. 使用硬盘缓存作为 ArcGlobe 图层 如果正在显示的数据仅用于显示目的而无需返回要素属性等 GIS 信息,则可生成 完整的图层缓存并将其用作断开连接的图层。单击添加数据按钮 ,定位到缓存目录 下面,添加缓存文件下面的图层文件,即可使用硬盘缓存作为 ArcGlobe 图层。如图 4.3.1-14 所示: 156 图 4.3.1-14 加载缓存图层 如果缓存图层能够连接的数据源则可以支持 Identify 和 find,不支持 Select。可以在 在缓存图层中 Source 中 Set Data Source 重新指定数据源。 4.3.2. 可视距离 可视距离可使数据在一定的距离范围出现时才显示出来。这是一种常见的和有效的 方式来优化性能的 ArcGlobe 文件方法,应该经常使用。例如,可以为图层设置小幅度 的距离范围,当你放大到设定的可见范围时才能看到他们。通过图层的 Properties 对话 框中 General 选卡中的 Distance Range 设置可视距离,如图 4.3.2-1 所示: 157 图 4.32-1 设置可视距离 其中,check visbility based on each the distance 依据可视距离对每个瓦片进行可视化 检查对于注记和 Multipatch 优化来说非常重要。选中后在倾斜视角的时候,窗口中仅仅 显示可视距离范围内的对象,达到速度优化的效果,如图 4.3.2-2 所示: 158 图 4.3.2-2 依据可视距离显示 4.3.3. 其它设置 (1)影像数据和 DEM 要建立金字塔。 (2)矢量数据以 Geodatabase 方式存储,数据量大时建立索引。 (3)数据尽量转化为 WGS84 坐标 4.4. 硬件优化 4.4.1. 改善内存 最有效的硬件的改善是增加物理内存(RAM)。 4.4.2. 升级显卡 另一个有效改善硬件的方法升级您的显卡: (1)支持支持 OpenGL 2.0 或更高版本。 (2)纹理内存对于 ArcGlobe 来说特别重要的,纹理内存和 32 MB 是作为最低限 度的建议。 (3)启用 Geometry setup 选项,如果可用。 (4)启用 Geometry acceleration 选项。 (5)Z buffer 设为 24bit (6)更新显卡驱动,可以在官方网站上下载 ESRI 公司认证的驱动程序: NVIDIA: http://www.nvidia.com/page/partner_certified_drivers.html AMD: http://support.amd.com/us/gpudownload/fire/certified/Pages/certified-application s.aspx (7)针对不同的显卡,进行 3D 显卡性能优化(软显卡属性优化、主板设置、超 频) 159 (8)进入网址 http://cyri.systemrequirementslab.com/1186/10913 点击 测试是否适合运行 ArcGlobe 软件。 160 5. 三维应用 5.1. 三维应用概述 随着三维 GIS 技术的发展,三维 GIS 应用不再仅仅局限“看”的层面,高级三维空 间分析正大行其道,ArcGlobe 作为行业领先的三维 GIS 产品,拥有众多实用的三维分析 工具,可以帮助用户快速完成三维分析;在地学分析中,用于自动提取各种地形因子, 制作地形剖面图和划分地表形态类型;在工程设计中,可用于各种线路的自动选线、水 库大坝的选址,以及土方、库容和淹没损失的自动估算等;„(待补充) 使用 ArcGlobe,我们可以轻松的完成如下工作: 1) 提供交互式全球海量空间数据可视化,包括矢量数据、卫星影像、航片、DEM、 三维模型等。 2) 一体化管理和浏览 TB 级二维和三维空间数据,而无需做预处理。 3) 多角度、全方位三维飞行模拟。 4) 提供多种空间分析方法:通视分析、对比分析、剖面分析、坡度坡向、淹没分 析、填挖方分析、天际线分析、三维相交分析、日照分析、三维路径分析。 „.. 5.2. 三维基本应用 5.2.1. 空间量测 空间量测是 ArcGlobe 中的基础功能之一,可实现 3D 直线长度测量、地形起伏线长 度测量、高度测量、面积测量、要素对象测量。 点击 tools 工具条的测距图标,如下图: 弹出如下测量窗口,通过点击具体的测量图标,交互式的完成测量工作。 161 5.2.1.1. 3D 直线长度测量 操作步骤:点击测量窗口的“Measure Direct 3D Line”图标 ,在三维场景中,点 击鼠标绘制测量路径,双击鼠标结束绘制,具体的长度信息,会显示在测量窗口面板上。 5.2.1.2. 地形起伏线长度测量 操作步骤:点击测量窗口的“Measure Length on Ground”图标 ,在三维场景中, 点击鼠标绘制测量路径,双击鼠标结束绘制,测出的距离是沿地形起伏的实际距离, 如下图: 5.2.1.3. 高度测量 操作步骤:点击测量窗口的“Measure Height”图标 ,在三维场景中,点击鼠标 确定起始点,移动鼠标,系统实时提示测量高程信息,如下图: 162 5.2.1.4. 面积测量 操作步骤:点击测量窗口的“Measure An Area”图标 ,在三维场景中,点击鼠标 绘制测量面,面积信息显示在测量窗口面板上,如下图: 5.2.1.5. 要素对象测量 操作步骤:点击测量窗口的“Measure A Feature”图标 ,在三维场景中,点击要 测量的要素实体,该要素的高程信息显示在测量窗口面板上,如下图: 5.2.2. 热点区域 热点区域为三维场景中的用户感兴趣区域,ArcGlobe 中可以方便的设置热点区域, 采用连续自调整飞行模式切换热点区域,为用户提供更好的浏览体验。 操作步骤: 1) 通过导航工具,定位到场景中感兴趣区域,调整好观察视角。 2) 选择菜单“Bookmarks”“Create…”,在弹出的窗口中,为热点区域命名,如 下图: 3) 重复 1、2 步,制作更多热点区域。 4) 选择菜单“Bookmarks””Manage”,在弹出的窗口中,可以对已经创建的热点 区域进行位置的调整、删除热点区域、创建新的热点区域,同时可以把已经 创建的热点区域保存为”Arcgis Place File” *.dat 文件,也可以加载之前保存的 “Arcgis Place File”文件,如下图: 163 5) 选择菜单“Bookmarks”,已经创建的热点区域会在该菜单下显示,通过点击 已创建的热点区域菜单项,快速切换到热点区域。 5.2.3. 对比分析 对比分析功能可以方便实现:通过同一区域的多期影像,查找变化的区域;通过矢 量规划数据与现状影像的对比,快速发现需要调整改造的区域;通过矢量现状数据和现 状影像的比较,快速利用影像对矢量数据进行更新。可以应用在土地利用类型对比,地 震受灾分析等应用场景中。 操作步骤: 激活“3D Effects”工具条 ,从”Layer”下拉列 表框中,选择要进行对比的图层,点击“Swip layer”按钮 ,鼠标指针变成 ,按住 鼠标左键,上下或左右方向拖动鼠标,实现影像对比,如下图: 164 5.2.4. 创建动画 ArcGlobe 提供创建三维动画的功能,使我们可以沿设定的轨迹飞行,俯瞰整个三维 场景;通过动画我们可以更加直观的方式的查看事物在属性方面的变化、地理上的移动 和时间上的变化,如土地利用类型变化、台风移动轨迹反演、应急预案演练等多种场景 下。 提供四种动画创建的方式: 1) 关键帧动画 2) 图层组动画 3) 时间序列动画 4) 飞行轨迹动画 首先通过 CustomizeToolbarsAnmination 调出动画工具条,如下图: Animation 工具条上有用于操作动画的所有工具。使用这些工具,可以记录浏览,捕获 透 视图,保存和输出轨迹,创建视频文件,创建动画组,从路径创建轨迹以及管理和预览 动画等。 下面详细阐述各类动画制作的方法与应用场景。 5.2.4.1. 关键帧动画 关键帧是动画的最基本的元素,关键帧是对象属性的快照,这里所指的属性可以是 场景或球体属性或摄影属性,如三维视图的背景颜色、图层透明度、摄影位置。 有三种方式可以快速构建关键帧动画: 第一种方式: 1. Animation 工具条“Create Keyframe…”弹出创建关键帧动画的窗口,如下 165 图: Type: 选择 “Globe Camera”。 如果选中“Import from bookmark”复选框时,直接点击“Create”按钮,可以从 我们之前创建的热点生成关键帧;如果不选中“Import from bookmark”复选框时,需 要交互式的改变场景来创建关键帧。 “Source object”: 指定需要从哪个窗口捕捉关键帧。 “Destination track”:指定将捕捉的关键帧关联到哪个轨迹上。 “Keyframe name”:指定关键帧的名称。 2. Animation 工具条“Animation Manager”查看已经创建的关键帧 3. 打开“Animation Controls”窗口,点击“play”按钮,开始动画播放,如下图: 166 第二种方式: 1. 点击 Animation 工具条的”Capture View”图标 ,可以捕捉当前场景,作为关键 帧。 2. 调整不同场景,重复以上步骤,制作更多的关键帧。 第三种方式: 1.点击 Animation 工具条的“Open Animation Controls”图标 ,调出“Animation Controls”窗口,如下图: 点击“Record”按钮 ,当此图标变为红色时,我们在场景中浏览时,系统会 自动创建关键帧,浏览结束时,再次点击“Record”按钮,完成动画录制。 2.点击 Animation 工具条的“Play”按钮,进行动画浏览。 5.2.4.2. 图层组动画 图层组动画是将场景中已经存在的图层组或单个的图层来创建动画,动画将根据在 图层列表中的顺序创建连续打开或关闭每一个图层的轨迹。 操作步骤: 1. 加载要创建动画的图层或图层组。 2. 点击 Animation 工具条的“Create Group Animation”,弹出“Create Group Animation”窗口,如下图: 167 在“Select a group layer”选择列表中,如果已经创建图层组,选择需要创建动 画的图层组,点击“ok”就可以完成图层组动画的创建;如果没有创建图层组, 选择“Top-level layers”选项,这样就可以把图层列表中的所有图层,制作成图 层组动画。 5.2.4.3. 时间序列动画 时间序列动画,是将具有时间属性的图层,按照设定的时间间隔,切换图层,形成 时间序列动画。 操作步骤: 1. 加载具有时间属性的图层。 2. 在加载的图层中,右键”properties”, 在弹出的图层属性对话框中,定位到 “Time”标签,如下图: 3. 勾选“Enable time on this layer”。 4. 在“Layer time”下拉框中,根据图层中是否包含单个时间字段或是包含起始时 间和结束时间,选择对应的选项。 5. “Time Field”中选择图层中对应的时间字段。 6. “Field Format”中选择时间字段的属性。 7. “Time Step Interval”中,设置时间步长。 8. “Layer Time Extent”,点击“Calculate”可以根据图层的时间字段,计算出起 始时间和结束时间。 9. 点击“确定”,完成动画制作。 5.2.4.4. 路径动画 路径动画是按照系统预设路径生成场景播放动画,其中路径用来创建摄影机轨迹和 图层轨迹,路径一般由选择的线要素或图形来定义。 168 操作步骤: 1. 打开需要作为路径的线图层,会出现如下图所示的窗口,选择“Display features as a draped image”选项,剩余步骤按默认选项。 2. 用选择工具 ,选择刚加载的线图层。 3. 点击 Animation 工具条的“Create Flyby from path…”,注意:如果线图层未被选 中,“Create Flyby from path…”将不可用。 4. 弹出如下设置对话框: Path source 部分重点参数说明: “Vertical offset”:路径在垂直高度的偏移量。 “Simplification factor”:设置对路径的简化程度。 Path destination 部分重点参数说明: 需要首先明确的两个概念: Observer: 即观察者,可以理解为观察三维场景的摄像机。 Target: 即观察目标,可以理解为摄像机的聚焦点。 两者关系图如下: 169 1)“Move both observer and target along path(fly by)”:摄像机和目标同时沿路 径运动,可以理解为从窗户口看一架飞机着陆的过程。 此选项下,“Orientation Settings…”可用,具体参数见下图: Azimuth:方位角 Inclination:倾角 Roll:翻转角度 2)“ Move observer along path with current target”:沿路径移动摄像机的位置, 但是目标位置不变,可以理解为围着消防栓转的同时,一直盯着消防栓看。 3)“Move target along path with current observer”: 目标沿路径运动,但摄像 机位置不变保持,可以理解为站立不动,转动头部来观察你所遥控的模型飞机 的飞行。 5.2.5. 剖面分析 通过剖面分析可以分析三维表面的高程变化情况,可以帮助用户估计某条小径行走 的困难程度,或评估沿某条路径铺设铁路的可行性。 操作步骤: 1) 加载示例数据【剖面分析】/剖面分析.mxd,如下图: 170 2) 加载三维分析工具条,选择菜单 View / Toolbars / 3D Analyst,加载 3DAnalyst 工具条。如果扩展模块 3D Analyst 未加载,选用菜单 Tools / Extension… / 3D Analyst 加载。 3) 3d 分析工具条中的 Layer 的下拉列表选择“tin”图层,然后点击“interpolate line”图标 ,在地图上交互式的划一条线,然后点击“create profile graph” 图标 ,会生成沿该路径的剖面线,查看高程变化。如下图: 在剖面线窗口右键,选择“Advanced Properties…”,可以对剖面图的属性进行 设置,具体设置方法,不在此处详细阐述。 171 5.2.6. 坡向分析 坡向是指坡面的朝向。它表示表面某处最陡的倾斜方向。它可以被认为是山体所面 向的坡的方向或指南针的方向。在计算坡向的过程中,对 TIN 表面的每个三角面或栅格 图像的每一个像元进行计算。 坡向以度为单位, 按逆时针方向从 0 度——从正北方向——到 360 度,即绕完一 圈以后的正北方向来度量。坡向图中的每个栅格单元的值表明此栅格单元所在坡的朝向。 水平的坡没有朝向,被赋值为-1。参照如下示意图: 坡向分析经常用到如下的场景中:  找出某个山区所有北向的山坡,用来寻找最适合滑雪的坡。  计算某个地区各处的太阳照射情况,以研究各点的生命的多样性。  找出某山区所有南向的坡,确定最先溶雪的地点,用于研究找出可能遭遇 雪水袭击的居住地的地点。  确定平坦地区,找出可以在紧急状况下供飞机降落的地点。 操作步骤: 1)打开 ArcToolBox,定位到“3D Analyst Tools”“Raster Surface”“Aspect” 工具,此工具是做坡向分析的 GP 工具。 2)双击该 GP 工具,弹出如下窗口,在“Input Raster”中,输入要做坡向分析的栅 格数据,在“Output Raster”中,输入坡向分析结果的存放位置。 172 3)下图为生成的坡向图,不同的颜色代表了不同的坡向; 可以灵活调整各个坡向的 颜色值。 注:ArcGIS 10 版本中支持通过 Tin 数据完成坡向分析,Toolbox 中该工具的位置: “3D Analyst Tools” “Terrain and Tin surface””SurfaceAspect”。 5.2.7. 坡度分析 坡度表示表面上某个位置的最陡的倾斜度。计算坡度时,将对 TIN 中的每个三角面 或栅格中的每个单元进行计算。对于 TIN 而言,坡度是各个三角面之间最大的高程变化 率。对于 栅格而言,坡度是每个栅格单元与其相邻的 8 个栅格单元中最大的高程变化率。 173 坡度分析时,对输入的栅格图进行计算,并生成一幅新的栅格图像, 这幅新的图 像中的每个栅格单元都包含计算得到的坡度值。坡度值越小,地形越平坦;坡度值越大, 地形越陡峭。输出的坡度栅格可以计算为以百分数表示的坡度, 也可以是以度表示的 坡度。 明确两个概念: 坡度的度数:即坡度角,坡面与水平面的夹角。 坡度的百分数:坡高/坡长,即 tan(坡度角)。见如下示意图: 坡度分析经常应用到如下的场景中:  找出山区中坡度超过一定值,有可能引起滑坡泥石流的地区,对当地居民 进行合理的安置。  找出坡度较小,适合于引水渠修建的区域  找出坡度适合滑雪的山坡。  …… 操作步骤: 1)打开 ArcToolBox,定位到“3D Analyst Tools”“Raster Surface”“Slope”工 具,此工具是做坡度分析的 GP 工具。 2)双击该 GP 工具,弹出如下窗口,在“Input Raster”中,输入要做坡度分析的栅 格数据,在“Output Raster”中,输入坡向分析结果的存放位置,“output measurement”设置输出结果采用坡度角还是坡度百分数作为单位,“Z factor”采用 默认值 1,不对 z 方向进行放大。 174 3)下图为生成的坡度图,浅色代表坡度大的区域,深色代表坡度小的区域; 可以灵 活调整各个坡向的颜色值。 注:ArcGIS 10 版本中支持通过 Tin 数据完成坡度分析,Toolbox 中该工具的位置: “3D Analyst Tools” “Terrain and Tin surface””Surface Slope”。 5.2.8. 填挖方分析 填挖方分析与计算是预算工程建设的工作量与投资的重要依据,准确快速地计算填 挖方量具有重要的实用价值。ArcGIS 提供了专门的 GP 工具“cutfill”完成填挖方分 析。 原理: 175 “Before_Ras”:基础地形数据。 “After_Ras”:规划地形数据。 “OutRas”:分析后的结果,其中 1 代表没有发生变化的区域,2 代表是增加的区 域,3 代表是减少的区域。 “Volume”:代表需要的填挖方体积,负数代表需要填的体积,正数代表需要挖的 体积。 操作步骤: 1)打开 ArcToolBox,定位到“3D Analyst Tools”“Raster Surface”“Cut/Fill” 工具,此工具是做填挖方分析的 GP 工具。 2)“Input before raster surface”中输入基础地形数据,“Input after raster surface ” 中输入规划地形数据。,“Output raster”是填挖方结果图。如下图: 176 3)填挖方结果是一幅栅格图,其中有“Volumn”字段代表需要填挖方的栅格单元, 如下图: 5.2.9. 可视性分析 可视性分析提供表面上沿视觉瞄准线的点与点之间的可视性分析,或整个表面上的 视线范围内的表面可视情况分析。当某人站在某个指定点时,地形表面的形状对其所能 看到的表面范围有着很大的影响。某点所能见到的范围对决定其房地产价值是一个很重 要的因素,对通信塔位置或军队的布置有着重要的影响。 可视性分析包含两个大的方面,一是通视线分析,二是可视域分析。 5.2.9.1. 通视线分析 通视线是表面上两点之间的一条线,它表示观察者观察表面时,沿着这条线的表面 是可见的还是隐藏的。创建通视线可以判断某点相对于另外一点而言可见与否。如果地 形隐藏了目标点,用户可以看到障碍物的位置,以及通视线上可视的或隐藏的区域。可 视的线段以绿色显示,隐藏的线段以红色显示。 177 操作步骤: 1) 在 ArcMap 中,在 3D Analyst 工具条上,单击 Line of Sight 按钮 ,弹出如 下图所示窗口: “Observer offset”:输入观测者偏移量。 “Target offset”: 输入目标偏移量 2) 在表面上单击观察者位置,然后单击目标位置,系统会生成上图所示的通视 线。 5.2.9.2. 可视域分析 可视域用来指可以被一个多或多个观测点看到的输入栅格图像的栅格单元。输出图 像的每个栅格单元具有一个值,用来表示该栅格单元位置可以被多少个观测点看到。 如 果只有一个观测点, 那么该观测点所能看到的栅格单元均被赋值为 1。所有不能被该观 测点看到的栅格单元均被赋值为 0。 当用户想知道对象的可见情况时,视域是很有用的,比如,用户可能想知道“景点 中哪些位置可以看到垃圾填埋场?”,“从这条公路上可以看到什么?”,或者“这是 不是一个建通信塔的合适的位置?”之类的问题。 操作步骤: 1)打开 ArcToolBox,定位到“3D Analyst Tools”“Raster Surface” “Viewshed”工具,此工具是做可视域分析的 GP 工具。 2)“ Input raster”选择地形数据,“Input point or polyline observer features”选择 视点数据(可以是点数据或是线数据),“Output raster”设置输出可视域分析的结果。 如下图: 178 3)分析结果如下图: 其中三角形为可视点,绿色区域为可是区域。 5.2.10. 天际线 天际线,又称城市轮廓或全景,通俗说,天际线就是你站在城市中一个地方,向四 周环顾,天地相交的那一条轮廓线就是天际线。天际线亦被作为城市整体结构的色彩、 规模和标志性建筑。 Arcgis 提供专门的生成天际线的 GP 工具。操作步骤如下: 1) 打开 ArcToolBox,定位到“3D Analyst Tools”“3D Feature”“Skyline”工 具。 2) “Input Observer Point Features”选择作为观察点的 3d 点数据。其他参数采 用默认值。 3) 生成的天际线结果如下所示: 179 5.2.11. 相交分析 三维相交分析是计算两个 multipatch 类型的几何实体的相交部分。经常应用于爆管 分析、飞行路线设计等应用场景。 操作步骤: 1) 打开 ArcToolBox,定位到“3D Analyst Tools”“3D Feature”“Intersect3D” 工具。 2) “Input Multipatch Features”选择做相交分析的 multipatch,“Output Feature Class”存放相交分析的结果。如下图。 3) 相交分析的结果如下图,橘红色部分为相交分析的结果。 180 5.2.12. 日照分析 日照分析在城市规划中非常有用,比如规划中的建筑是否严重影响周边建筑的光照, 影响的区域有多大,如何调整建筑的高度,才不会影响周边建筑的采光。ArcGIS 提供的 日照分析功能可以很好的完成此项工作。 5.2.13. 三维路径分析 三维路径分析在众多的行业都有广泛的应用,比如应急预案中的疏散模拟,疏散路 径规划、救援物资配送等。 操作步骤: 1) 安装 Esri 提 供 的 network 分析工具 “ESRI.PrototypeLab.Network.Setup.20090326” 2) 通过 vs 编译工程源码,生成“ESRI.PrototypeLab.Network.tlb”文件。(编译过 程省略) 3) 加载 network 分析工具,也就是通过 customize mode 的方式加载上一步生成的 “ESRI.PrototypeLab.Network.tlb”文件。 4) 在楼层中点击添加需要疏散的人员,如下图: 181 5) 点击 “solve”按钮,完成三维路径分析,并可以播放人员疏散的模拟动画。 182 6. 全面的二三维一体化 6.1. 概述 经过几十年的发展, GIS 已经从只有少数专业人士才懂的应用系统,成为日益走向大众的专 业软件。如今的二维 GIS 已经渗透到社会的各行各业已经在政府生产和决策中起到了巨大 的作用。 三维 GIS 相比二维 GIS 具有更加直观的优势,容易被更多的用户所接受。当前的二 维和三维 GIS 各具优势,人们常常希望在一个系统中能够同时包含二维和三维 GIS 的功 能。二维 GIS 拥有成熟的数据结构、多种多样的专题图和统计图、丰富的查询、强大的 分析手段、成熟的业务处理流程等等,二维 GIS 已经成为建立三维 GIS 基础。ArcGIS 从 数据、数据管理、可视化、空间分析、系统定制、服务发布等方面实现全面的二三一体 化技术,使用 ArcGIS 构建三维 GIS 如同使用 ArcGIS 构建二维 GIS 一样的快捷、高效和强 大。 6.2. 数据一体化 经过几十年的发展,目前 GIS 的用户大部分都积累了大量二维数据,包括影像、DEM、 矢量等基础数据。构建三维 GIS 可以充分利用这些基础,不用进行数据转换,可以直接 将原来在二维中显示的数据加载到三维 GIS。以 earth_1km.img 数据为例,使用 ArcMap 和 ArcGlobe 加载同一幅影像,如图 6.2-1 所示和 6.2.-2 所示: 图 6.2-1 二维场景 183 图 6.2-1 三维场景 ArcGIS 数据二三维一体化的优势: (1)原有二维数据无需进行格式转换,避免了准备两份数据,减少空间冗余,易 于更新维护; (2)构建三维场景时,原有数据可以使用原二维数据高效的空间索引、影像金字 塔、并且支持动态投影,减少再次数据处理时间,为高效运行提供了保障。 6.3. 数据存储管理一体化 传统基于文件与关系数据库混合的 GIS 数据库管理方式由于在数据安全性、多用户 操作、网络共享及数据动态更新等方面已不能满足日益增长的需要。现有的对象关系型 数据库管理系统(ORDBMS)保留关系数据库优点的同时,也采纳了面向对象数据库设计 的某些原理,具有将结构性的数据组织成某种特定数据类型的机制,这使得它不仅能够 184 处理 3D 数据的复杂关系,也能将在逻辑上需要以整体对待的数据组织成一个对象,这 为三维 GIS 的海量数据管理提供了一条切实可行的途径。 ArcGIS 正将 GIS 带向 3D 领域,是 Geodatabase 的模型将彻底支持 3D,不是 2.5D 的可视化,而是真 3D 的数据对象和要素。实现方式将采用扩展技术,对数据库内的地 理信息的建模、存储和展现进行扩展。以 Buildings 数据为例,可以将三维模型数据存 储在 Geodatabase 中,如图 6.3-1 所示: 图 6.3-1 二三维一体化的存储和管理 三维的数据结构和存储已经成熟,三维数据可以像二维那样进行高效管理空间数据。 ArcGIS 数据存储管理二三维一体化的优势: (1)管理三维数据就如同管理二维数据一样的简单; (2)可通过版本管理和历史来追踪数据变更; (3)为三维模型进行空间分析提供了对象、要素基础。 6.4. 符号一体化 构建三维场景时,可以利用原先创建二维场景时所采用的符号系统。其中一种方法 是在 ArcMap、ArcGlobe 或 ArcScene 之间复制和粘贴图层。当然,您也可以手动选择 一样的符号。打开原先创建好的地图文档 China84.mxd,在预备加入三维场景中的铁路 图层上点击右键->Copy,如图 6.4-1 所示: 185 图 6.4-1 二维地图 在 ArcGlobe 图层列表上,单击右键->Paste,将铁路图层复制到 ArcGlobe 中,如图 6.4-2 所示: 图 6.4-2 三维地图 从上述两幅图中,看以看到二三维具有一体化的符号机制。 186 ArcGIS 符号一体化的优势: (1)二维和三维场景采用同样的符号库、填充库、线型库,降低了符号管理的复 杂度 (2)可以利用原有的二维地图创建三维地图,复制原有图层,减少了配置地图符 号过程,简单便捷。 注:(1)复制时要选择多个图层,请单击要选择的最后一个图层,然后按住 SHIFT 并单击要选择的第一个图层。中间的所有图层将自动被选中。要一次性选择多个单独的 图层,请按 CTRL 并手动单击每个图层。 6.5. 数据编辑一体化 ArcGIS10 全新的基于模板编辑功能。ArcGlobe 在 3D 环境下,支持标准 GIS 数据编 辑功能(要素模板、增、删、改,属性编辑等),三维捕捉,三维图形编辑等,实现数 据编辑的二三维一体化。在二维 ArcMap 下编辑,如图 6.5-1 所示: 图 6.5-1 二维数据编辑 在三维 ArcGlobe 下编辑,如图 6.5-2 所示: 187 图 6.5-2 三维数据编辑 ArcGIS 数据编辑一体化的优势: (1)二维和三维场景采用同样的基于模板编辑,支持标准 GIS 数据编辑功能(要 素模板、增、删、改,属性编辑等),三维捕捉,三维图形编辑等; (2)所见即所的编辑方式,三维下编辑数据跟二维下面一样的简单。 6.6. 显示一体化 符号化是通过符号能够把地物归类展示出来,通过三维符号能够把具有共同特征的 点对象(树、房屋、路灯等)、线对象(公路,河流,管线)等快速构建出来,ArcGIS 采用二三维一体化的符号库,这意味着在三维场景中仍然可以使用二维的符号,同时符 号库还会增加三维符号样式,这些三维符号样式也可以在二维中以快照图片的方式显示 出来,从而大大节省了构建场景的费用和时间,提高了场景构建效率。 专题图对于决策和分析具有很大的价值,ArcGIS 采用二三维一体化的设计思想,二 三维一体化的操作方式,在三维场景中可以快速创建跟二维一样的专题图,如唯一值、 渐变色、多属性符号、饼图、柱状图、点密度图等专题图,还能够制作出立体感更强的 柱状图、饼图等专题图效果。如图 6.6-1 所示和 6.6.-2 所示: 188 图 6.6-1 二维专题图 图 6.6-2 三维专题图 此外,由于二、三维数据可以在二维、三维系统中同时使用,同一份数据可以 在多个地图或场景中使用,这为二、三维的联动和对比分析提供了很大的便利。 ArcGIS 显示一体化的优势: 189 (1)二维和三维场景采用符号和专题图显示,大大节省了构建场景的费用和时间, 提高了场景构建效率; (2)为二三维联动和对比分析提供了显示基础。 6.7. 空间分析一体化 ArcGIS 实现了查询分析的一体化,二维环境中的查询(包括属性查询、空间查询)、 分析功能都可以在三维系统中使用。三维技术继承了 ArcGIS 强大的二维的分析功能,可 以在三维场景中调用二维分析工具,并且展现最终的二维分析结果(在三維場景中查找 最近的兩個消防站,如图 6.7-1 所示)。同时,ArcGIS10 新增了 26 个分析工具,实现 了真正的三维分析,将三维对象纳入到了地理场景中进行分析。 图 6.7-1 查找最近的两个消防站 6.8. C/S 开发一体化 构建系统人们常常希望在一个系统中能够同时包含二维和三维 GIS 的功能,能够实 现二三维联动。利用 ArcGIS Engine 提供的二维控件MapContronl 和三维控件 GlobeControl 能够快速实现二三维联动。三维显示组件与二维显示组件可以集成使用,可以共享同一 个工作空间和数据库连接,基于相同的数据集,既可以二维显示,也可以三维显示;使 用空间分析组件,其分析的结果,既可以在二维组件显示,也可以在三维组件显示;二 三维联动演示,如图 6.8-1 所示: 190 图 6.8-1 二三维联动 核心实现代码: #region 三维向二维同步代码 void m_pGlobeDisplayEvents_AfterDraw(ESRI.ArcGIS.Analyst3D.ISceneViewer pViewer) { m_globeViewUtil.QueryVisibleGeographicExtent(m_pCurMapExt); if (m_pCurMapExt == null) { return; } //'Obtain the locations of the observer and target of the camera IPoint ObsPoint = null; IPoint TgtPoint = null; GetObserverTarget(out ObsPoint, out TgtPoint); 191 ////缩小范围 m_pCurMapExt.CenterAt(TgtPoint); m_MapActiveView.ScreenDisplay.DisplayTransformation.VisibleBounds = m_pCurMapExt; m_MapActiveView.PartialRefresh(esriViewDrawPhase.esriViewGeography, null, null); } void GetObserverTarget(out IPoint ObsPoint, out IPoint TgtPoint) { //Obtain the locations of the observer and target of the camera ObsPoint = null; TgtPoint = null; if (m_GlobeDisplay == null) return; if (m_GlobeDisplay.ActiveViewer == null) return; IGlobeCamera pGlobeCamera = m_GlobeDisplay.ActiveViewer.Camera as IGlobeCamera; double obsLat, obsLon, obsAltKms; pGlobeCamera.GetObserverLatLonAlt(out obsLat, out obsLon, out obsAltKms); double tgtLat, tgtLon, tgtAltKms; pGlobeCamera.GetTargetLatLonAlt(out tgtLat, out tgtLon, out tgtAltKms); ObsPoint = new ESRI.ArcGIS.Geometry.Point(); IZAware pZAware = ObsPoint as IZAware; pZAware.ZAware = true; ObsPoint.PutCoords(obsLon, obsLat); ObsPoint.Z = obsAltKms; 192 TgtPoint = new ESRI.ArcGIS.Geometry.Point(); pZAware = TgtPoint as IZAware; pZAware.ZAware = true; TgtPoint.PutCoords(tgtLon, tgtLat); TgtPoint.Z = tgtAltKms; } #endregion #region 二维向三维同步代码 void m_pActiveViewEvents_AfterDraw(ESRI.ArcGIS.Display.IDisplay Display, esriViewDrawPhase phase) { IActiveView pActiveView = m_Globe as IActiveView; pActiveView.Extent = m_MapActiveView.ScreenDisplay.DisplayTransformation.VisibleBounds; pActiveView.Refresh(); } #endregion ArcGIS C/S 开发一体化的优势: (1)无缝二三维开发体系,系统开发集成更加方便,有助于开发出更加面向业务 需求的应用系统。 6.9. 服务一体化 ArcGIS 实现了二三维一体化的发布方式,发布三维服务跟二维服务一样的简单,利 用ArcGIS Server可以方便的实现三维GIS服务的发布。配置好三维的地图文档(*.3dd) 193 后, 便可以使用 ArcGIS Catalog 或者 ArcGIS Server manager 进行发布,如图 6.9-1 和图 6.9-2 所示: 图 6.9-1 ArcCatalog 发布三维服务 图 6.9-2 ArcGIS ServerManager 发布三维服务 194 ArcGIS Server 支持三维服务的缓存技术,便于建立高效的三维服务。三维服务缓 存的建立与二维服务缓存的建立方式一致,实现了二三维服务缓存的创建一体化;如图 6.9-3 所示: 图 6.9-3 创建三维服务缓存 加载三维服务跟二维服务一样的简单,以 Globe 作为客户端为例子: 1. 打开 ArcGIS Globe, 打开 File-->Add Data-->Add Data…,如下图: 195 2. 选择"GIS Servers"中已经添加的本地 Server,如下图: 3. 选择已经发布的 3D 场景“92_TechTransfer_Globe_10”,如下图: 196 4. 选择场景中图层,如下图: 197 同时,还可以使用ArcGlobe 部署工具将建立好的硬盘缓存拷贝到Cache Path 下面。 直接使用硬盘缓存充当 GlobeService 的缓存。 ArcGIS 服务一体化的优势: (1)ArcGIS Server 为提供了完整的二三维一体化的发布方案,对三维服务发布、 管理、创建缓存、服务加载采用一样操作方式,简洁易用。 198 7. ArcGIS 三维产品竞争优势 7.1. 概述 地理信息系统(GIS)是现代地理学与空间信息科学相结合的产物。GIS 的本质是基 于真实世界的地理环境,直观地表达客观世界的各种要素。借助 GIS 可以对各种要素进 行管理、查询、可视化和分析、处理,以便人们进行科学决策。历经了四十多年的发展, 二维 GIS 技术早已进入了成熟期。由于二维 GIS 的成熟应用,以至于 GIS 已经突破最初 的测绘和地学的行业范畴,发展成为跨行业通用的平台软件技术,广泛应用于政府信息 化和企业信息化,并越来越多地涉足面向个人的信息服务领域。 7.2. 三维 GIS 是 GIS 的重要发展趋势 GIS 的优势在于能够直观直接地展示复杂的地理信息,同时具有强大的空间分析功 能。随着社会的发展,人们对地理信息的关注程度越来越高,因此对地理信息的获取和 使用也有了更高的要求。与二维 GIS 相比,三维 GIS 有其独特的优势。三维 GIS 因更接 近于人的视觉习惯而更加真实,同时三维能提供更多信息,能表现更多的空间关系。, 随着计算机技术的发展和二维 GIS 行业应用的深入,人们使用三维 GIS 来展现真实世界 的渴望越来越强烈。 近年来,随着 E 都市、都市圈、城市猎人等三维仿真电子地图的涌现,三维地图逐 渐走进大众的视野。Google Earth 的横空出世,更是令三维 GIS 备受关注;在 2009 年中 国 GIS 优秀工程评选中,近 20 项三维 GIS 项目获奖,超过获奖项目总数的 1/3,远远超 过 2008 年和 2007 年的比例。三维 GIS 不仅突破了空间信息在二维平面中单调展示的束 缚,为信息判读和空间分析提供了更好的途径,也可为各行业提供更直观的辅助决策支 持。因此,空间信息的社会化应用服务迫切需要三维 GIS 的支持,三维 GIS 已成为 GIS 发展的重要方向之一。 7.3. 三维 GIS 面临的挑战 三维可视化仅仅是三维 GIS 的一个方面,三维 GIS 与二维 GIS 一样,三维 GIS 涉及 了从数据获取、数据处理、数据管理、可视化、空间分析、系统定制到数据发布与共享 的各个环节。 当然,三维 GIS 并不能完全取代二维 GIS,三维 GIS 仍面临一些问题和技术瓶颈。 昂贵的数据投入。对于 GIS 来说,数据为王是最恰当不过的。再好的系统,缺乏实 时、全面的空间数据时只能是个摆设。显然,数据的获取对 GIS 来说至关重要。与二维 199 空间数据相比,三维空间数据的获取成本更为昂贵,尤其是大面积的三维场景建模。长 期以来,三维空间数据获取的效率低下和高成本都成为阻碍三维 GIS 技术发展的重要因 素。 海量数据处理与管理的技术瓶颈。随着遥感影像、DEM 以及大量的三维模型等空间 数据的集成应用,数据量急剧增加,处理海量数据便成为三维 GIS 所必须面对的技术难 题;文件型的数据共享不能够满足空间数据量较大的应用需求。因此,如何将地理数据 像普通的结构数据一样存储在关系型数据库(RDBMS)中,实现集中式的 GIS 数据管理 和存储;二者在数据模型、数据结构上都不一致,同样的数据要在两种软件中分别存储 一份,不仅增加了数据冗余,而且增加了数据更新维护的代价。 海量数据可视化瓶颈。经过几十年的发展,二维 GIS 技术在工作效率已经得到了广 泛认可。但是三维 GIS 却面临着一些挑战,目前已有的三维 GIS 项目,三维场景大多以显 示影像和地形为主,一旦加入非常密集的矢量(如等高线)、或者整个城市的模型建筑, 三维显示效率地下。 缺乏高端的三维分析功能。三维 GIS 应该在扩展原有二维 GIS 强大分析功能的基础 上,提供更多的三维特色分析功能,才能为业务管理带来更多的提升。 二三维开发体系分离,业务系统定制困难。 此外,还有海量三维的网络传输、数据发布、客户端数据共享等问题。 只有降低三维建设成本和突破三维软件本身的技术限制,才能推动市场从繁荣走向 真正的成熟。 7.4. ArcGIS10 全新、完整的二三维一体化解决方案 7.4.1. 经济的数据获取与处理 一个三维应用除了要建立自己的三维模型之外,还需要从相关部门如测绘、海 洋、气象等获取相关数据。 – 影像数据;(DOM、DEM„„ ) 对于影像数据格式的支持更加普遍,目前市场上的各种影像格式基本上都可以支持。 ArcGIS10 新增 20 多中影像的数据格式,并且桌面中增加了影像分析窗口,影像漫游的 速度更加理想;并且借助于 ENVI 与 ArcGIS 的一体化,可以非常方便从使用 ENVI 处理 后的影像和地形数据。 – 矢量数据;(路网、管网、电网行政、区划„„ ) 200 对于矢量否则没有数据的应用,不会有任何效果。ESRI 公司的产品,所支持的数据 格式 E00、Coverage、Shape File 都成为业界内数据交换的标准,获取数据非常方便。 – 地名数据;(Label、Annotation„„ ) 对于地名数据可以利用现有的矢量数据通过桌面工具生成注记。 – 模型数据;(Multipatch、SketchUp、3dMax„„ ) 可以通过桌面拉伸矢量数据,创建没有纹理的三维模型; ArcGIS 支持主流的三维模 型导入,SketchUp、3DMax、 VRML 等,提供了方便的数据导入工具(如图 1),特别是 支持复杂模型(模型具有非常多的面)的导入。另外,ArcGIS 全新支持三维模型的导入、 编辑,实现模型的快速导入三维场景。如图 7.4.1-1 所示: 图 7.4.2-1 三维编辑 用户还可以从 esri online 上获取丰富的在线遥感、矢量底图数据,ArcGIS9.3.1 及其的用户还可以免费获取微软 bing map 的在线遥感、矢量数据,利于节省底图数据 购买、处理经费。 201 7.4.2. 海量数据的统一数据库存储 ArcGIS 10 正将 GIS 带向 3D 领域,geodatabase 的模型将彻底支持 3D,不是 2.5D 的可视化,而是真 3D 的数据对象和要素。实现方式将采用扩展技术,对数据库内的地 理信息的建模、存储和展现进行扩展。文件型的数据共享不能够满足空间数据量较大的 应用需求。因此,像普通的结构数据一样,人们可以使用 ArcSDE 将地理数据存储在关 系型数据库(RDBMS)中,并作为一个地理数据库进行管理。ArcGIS 10 可以将所有的地 理数据(包括三维模型)进行海量数据的统一数据库存储,如图 7.4.2-1 所示: 图 7.4.2-1 二三维统一管理 7.4.3. 快速创建三维可视化 对于 ArcGIS 而言,三维场景的数据加载方式跟 ArcGIS 二维的操作方式一样,创建 三维可视化场景仅仅需要将我们获取到地理数据加载到三维场景之中,设定一些加载模 式和显示即可,实现了二三维操作方式的一体化;二维数据无需格式转示参数(非常灵 活),减少创建成本和等待时间,实现了底层数据模型的二三维一体化;二维和三维场 景采用同样的符号库、填充库、线型库,降低了符号管理的复杂度实现了符号的一体化; ArcGIS10 新增三维编辑功能,采用与原有二维配套编辑体系,实现了联动编辑和编辑的 一体化。 202 7.4.4. 海量数据的高效可视化 创建 ArcGlobe 缓存瓦片是创建高效三维 GIS 的关键,借助于 ArcGIS 桌面参数的设 置就可以实现海量数据的高效可视化,无需编程或者采用其他工具特殊处理。实现了场 景创建与场景优化的一体化。另外,ArcGIS10 速度新特性: • 二维地图缓存显示更快 • 三维文字显示更快,被遮挡的文字将不再显示,海量地名避让显示 • 带纹理的三维模型显示更快(自动纹理管理机制),依据距离动态管 理纹理。 • 三维矢量显示更快(3Dvector) 7.4.5. 强大的 GIS 分析功能 三维 GIS 的应用不仅仅是展现三维场景的问题,对于 GIS 的核心价值来说,三维 的分析功能尤其重要。ArcGIS 的三维 GIS 继承了 ArcGIS 桌面二维的分析功能,不但可 以展现二维中分析的结果,更支持在三维场景中直接进行空间分析功能;ArcGIS10 新增 了 26 个分析工具,实现了真正的三维分析,将三维对象纳入到了地理场景中进行分析, 如图 7.4.5-1 所示: 图 7.4.5-1 空间分析 203 7.4.6. 二三维一体化开发方式 ArcGIS 采用二三维一体化的开发方式,依据业务用户可以方便的实现桌面三维 GIS 系统的定制或者桌面三维 GIS 开发,如图 7.4.6-1 所示: 图 7.4.6-1 二三维联动 7.4.7. 方便的三维服务发布 利用 ArcGIS Server 可以方便的实现三维 GIS 服务的发布,仅仅需要对于地球文 档(*.3dd)发布即可,除了三维地球服务,利用 ArcGIS Server 也可以实现三维分析 功能的发布;同时 ArcGIS Server 支持三维服务的缓存技术,便于建立高效的三维服务。 三维服务缓存的建立与二维服务缓存的建立方式一致,实现了二三维服务缓存的创建 一体化;三维服务支持丰富的客户端(ArcGlobe 、ArcGIS Engine、ArcGIS Explorer), 可以广泛实现三维服务的共享。其中,ArcGIS Explorer 是免费的客户端,可以利用 ArcGIS Explorer 非常方便的实现本地数据、在线服务、GIS 分析功能的客户端聚合。 综上所述,ArcGIS 10 正将 GIS 带向 3D 领域,ArcGIS10 提供了全新、完整的二三 维一体化解决方案。 204 附录 附录 1 免费获取影像数据 目前很多机构提供免费下载网站,如下为收集的部分网站: 中国资源卫星数据服务网 http://219.143.215.3/ 说明:需要注册一个账户,信息要真实,他会经过一定程序的验证,当身份通过之后, 你就可以下载上面的数据了。提供了 CBERS-01/02 、CBERS-02B 、HJ-1A/1B 卫星数据。 国家科技基础条件平台建设项目——地球系统科学数 据共享网 http://www.geodata.cn 说明:1972-1980 年覆盖中国的 MSS 影像. 2002-2006 年逐日覆盖中国的 MODIS 影像 及产品. 覆盖中国区域的 1987-2007 年 TM 影像 1999-2008 年 ETM+影像 2008 年 ETM+ 去条带影像 Landsat 数据下载  美国马里兰大学 http://glcf.umiacs.umd.edu/data/landsat/ 说明:数据基本是 2002 年之前的。上面有很多免费下载数据的网站链接。  USGS http://edcsns17.cr.usgs.gov/EarthExplorer/ http://glovis.usgs.gov/ 说明:包括 1999-2003 年间 Landsat7 ETM+数据,1984-1997 年间 Landsat5 TM。  NASA https://wist.echo.nasa.gov 1) ENVISAT-ASAR 雷达卫星数据共享 205 http://ds.rsgs.ac.cn 说明:只需要注册一个账号,大约经过 2 星期就能通过审查。包括了大量的 ENVISAT-ASAR 的存档雷达数据供下载,速度很快。 Hyperion 数据下载 http://glovis.usgs.gov/ 说明:可以下载一些存档 Hyperion 高光谱数据。 全球基于 Aster 的 DEM 数据下载网站 https://wist.echo.nasa.gov 说明:这个网站还可以下载其他数据,包括 STRM 90 米 DEM 数据、LandSat、Aster、 Modis 产品数据等 附录 2 ESRI 的技术服务渠道 ESRI 用户大会 用户大会是一个用户之间、用户与厂商之间相互交流、共享技术成果的机会,其中 ESRI 的许多软件的开发思路及需求来自于全球众多的用户。 全球用户大会每年由 ESRI 在美国主办,2009 年的“ArcGIS 全球用户大会”上,来自 世界各地的用户达 1.5 万余人,成为全球 GIS 界规模最大的盛会。会程历时 7 天,有上 百个技术讲座。除了 ESRI 的产品和技术讲座外,还有许多硬件、通讯、网络等厂商以 及 ESRI 合作伙伴和用户的应用展示,其中 ITT VIS 在会上作了数场有关 ENVI/IDL 产 品最新技术、应用以及未来发展规划的讲座。 ArcGIS 中国用户大会由我公司每两年一次在国内举办。在 2009 年 10 月召开的 “2009ESRI 中国用户大会”上,参加人数超过 5000 人。会上除了提供 ArcGIS 新技术及 产品讲座外,还提供了 GIS 在自然灾害、国防、水利、地震、数字城市、自然资源、环 保、公安等行业应用的专题研讨会、合作伙伴解决方案以及用户的应用展示等。其中开 设数十场 ENVI/IDL 产品新技术以及在一些行业上的应用解决方案,包括自然灾害应急 减灾专场、农业与林业空间信息管理专场、空间基础数据管理与应用专场、气象与海洋 专场、环境保护空间信息管理专场、空间信息共享与服务专场、水利 GIS 应用专场。并 206 单独开设遥感技术与应用专场,邀请业内专家做报告,共同探讨遥感在相关领域的应用 经验。 专业网站&社区 http://support.esrichina-bj.cn 提供 ENVI/IDL 软件的技术在线服务。 http://www.gisall.com/ GIS 社区,GISALL 社区是一个 ENVI/IDL 爱好者的交流平台,这里拥有丰富的 ENVI/IDL 学习资源:技术博客、教学视频、开发文档等。 http://bbs.esrichina-bj.cn 开设 ENVI/IDL 版块,作为官方技术交流论坛,这里你能与全国各地 ENVI/IDL 爱 好者一起分享 ENVI/IDL 各种资源以及遥感技术,同时有 ENVI/IDL 高手为你解答各种 问题。邀请业内具有深厚遥感技术功底人员作为版主。 专业化培训 中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室是美国 ESRI 公司授权在中国地区 的 ArcGIS 技术咨询与培训中心(简称“ACTC”),于 1994 年 9 月成立,经过多年的积 累,目前拥有先进的大容量交换设备和由此构成的高速、宽带内部网络系统,配备以 SGI Origin 2000 为 Unix 服务器的工作站网络系统和以 HP 为微机服务器的 Windows NT 微机网络系统;师资力量全部由拥有博士、硕士学位的优秀科研人员构成,具有扎实的 专业基础和全面的素质,并有多年培训与教学经验。自 2009 年 1 月起,开设 ENVI/IDL 培训课程,常年面向社会提供专业的 ENVI/IDL 遥感培训。 除此之外,公司还在全国各地开设 ENVI/IDL 培训班,2009 年先后在北京、兰州、 南京、广州、成都举办并取得广大学员的认可。2010 年将增加培训班的数量,计划从 4 月份~8 月份举办 12 站 ENVI/IDL 培训班,包括西安、成都、哈尔滨、武汉 、广州、 上海、北京、沈阳、青岛、昆明、合肥、长沙。 期刊资料 ESRI 将不定期地向用户提供多种资料,包括:中国用户通讯、ENVI/IDL 产品白皮 书/彩页、行业解决方案、ENVI/IDL 应用集锦等。 通过上述资料,我们将及时向用户介绍国内外遥感的最新发展动态,最新的遥感技 术,相关行业的应用与发展,以及介绍国内外用户的成功应用经验等。 207 讨论组 为了提供面对面更加直接的用户之间交流,由 ESRI 和广大用户联合成立了行业用 户组织。这些用户组织除了通过 INTERNET 进行技术交流、通报业界最新讯息,还将 组织一些技术研讨会、行业的用户大会等等,用户之间可以通过这个组织来共享信息、 数据、软件使用和开发的技巧等。 专业技术支持 公司以帮助用户成功为己任,开设多种平台为广大用户解决生产中遇到的各种问题。  电话支持 用户在使用软件产品时,可以从技术支持部门得到 5*8 小时的电话技术支持服务。 用户可以拨打技术支持热线,根据提示音,转相应产品的分机号,可以在第一时间获得 资深技术工程师的帮助。 技术支持热线:(010) 65542881  E-mail 支持 用户在使用软件产品时出现的问题,可以通过 Email 将问题发往技术支持专用邮箱, 技术工程师会及时答复,提出解决方案。 E-mail 响应支持时间:星期一~星期五 8:30~17:30 专用技术支持邮件帐号:support@esrichina-bj.cn  在线技术支持 用户遇到问题时,可以在线技术支持中心网站 http://support.esrichina-bj.cn。用户通 过在线技术支持中心网站可以获得: 在线技术支持时间:星期一~星期五 8:30~17:30 (公共假期除外) 24 小时的在线帮助:通过自助方式查找知识库,寻求问题的解答方案。  远程实时技术支持 用户遇到操作和使用上的问题时,可以通过 Internet 提供远程实时技术支持(登陆 http://www.esrichina-bj.cn 的在线会议与培训)。通过这项服务,技术支持工程师可以 在用户允许的情况下,远程检查用户的系统,以便加速解决问题。 远程技术支持时间:星期一~星期五 8:30~17:30 (公共假期除外)  现场支持 208 现场支持只面向软件维护期内的用户。用户遇到重大问题时, 技术工程师将根据 实际发生情况做出判断, 在上述支持服务方式不能解决的情况下,派技术工程师进行 现场支持服务。
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wwlswj

贡献于2018-01-29

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