GIS-Lab: Визуализация рельефа в ArcGIS и создание 3D моделей местности

Начальные сведения о 3d - визуализации рельефа в ArcGis 9.х, медленно но верно вытесняющей ArcView 3.x. Нижеприведенные примеры – долина р. Котуй, Анабарское плато, юго-восток Таймырского АО.

В отличие от ArcView 3х, в ArcMap 9 в стандартном пользовательском интерфейсе значительно усовершенствовано построение TIN. Для создания TIN-модели рельефа требуется один или несколько слоев, имеющих в атрибутивной таблице значения абсолютной высоты. В этом примере будут использоваться слой горизонталей (линейный) и слой отметок высот всех типов (точечный).

Загружаем в проект нужные слои. Активизируем модуль 3D Analyst (Tools – Extentions – 3D Analyst (рис. 1).

Рис.1. Активизация модуля 3D Analyst

Вызвав контекстное меню щелчком правой кнопки мыши на панели инструментов Arcmap, включаем панель 3D Analyst (рис.2).

Рис.2. Панель инструментов 3 D Analyst

Открываем меню в левой части панели 3D Analyst и выбираем Create/ Modify TIN. Появляется диалоговое окно, в котором слева предлагается выбор слоев, на основе которых может быть построена TIN – модель (рис.3).

Рис.3. Диалоговое окно создания TIN, слева обведены слои, на основе которых он будет построен, справа – поле, содержащее значения абсолютных высот.

Отмечаем галочкой темы (слои), содержащие информацию о высоте – в нашем случае rel_ point200 и rel_ line200, и для каждой темы справа в списке Height Source выбираем поле в атрибутивной таблице, содержащее значения высот – в нашем случае в обоих темах поле AHEIGHT. Остальные значения указывают путь и имя результирующей TIN-модели. После нажатия ОК – идет построение модели, результат – рис. 4.

Можно отредактировать легенду TIN (двойным щелчком на названии TIN-темы вызвать ее свойства и перейти на вкладку Symbology. Параметр Edge type можно снять, это те же горизонтали, только построенные автоматически по интерполированному TIN в соответствии с заданными интервалами (этот параметр может, однако, пригодиться, если надо построит свой особый слой горизонталей, отличный от исходного). ArcMap представляет широкие возможности для раскраски рельефа (цветовые шкалы, рис.5) и классификации (кнопка Classify, рис 6).

Рис.6. Выбор способов классификации для построения легенды слоя абсолютных высот.

Можно задать любое количество классов и любые интервалы между ними, цветовые шкалы так же можно редактировать (рис.7).

Рис. 7. Окно редактирования цветовой шкалы. Цветовая шкала состоит из одной или нескольких градиентных растяжек. Для редактирования градиентной заливки – необходимо выбрать Properites.

Результат редактирования представлен на рис. 8. Созданную легенду можно сохранить для будущего использования нажав правой кнопкой мыши на названии темы и выбрав – Save As Layer File (Сохранить как файл слоя).

Рис.8. TIN с модифицированной легендой.

В дальнейшем TIN можно модифицировать и уточнять, добавляя новые слои любых типов, имеющие в атрибутике абсолютные высоты.

Далее нужно переконвертировать TIN в GRID (3D Analyst – Convert – TIN to Raster), при этом можно задать размер ячейки GRID (рис.9).

Рис. 9. Окно конвертации TIN в GRID, выделено поле ввода размера ячейки GRID в единицах Вида (в данном случае – 25х25 м).

В полученном GRID надо поменять легенду, тем же способом, что и ранее был описан для TIN, в поле Show: надо сменить Stretched на Classified (рис.10). Все прилагающиеся цветовые легенды шкалы высот сделаны из расчета, что зеленым обозначаются большие значения, а коричневым – меньшие. Чтобы «развернуть» цвета в обратном порядке, щелкаем мышью на столбце с цветами и выбираем Flip Colors.

Рис. 10. Окно построения легенды растрового изображения ( GRID).

Дальнейшие операции весьма сходны по сути с описанными для ArcView 3 x. Делаем слой оттенения (3D Analyst- Surface Analysis – Hillshade), в диалоговом оконе задаем направление и высоту солнца, при необходимости меняем Cell Size на идентичные исходному GRID, и обязательно меняем путь и имя Hillshade – растра с Temporary (временный) на любой постоянный путь и название файла (рис. 11).

Рис. 11. Окно построения Hillshade GRID. Azimuth – направление освещения солнца (по умолчанию – СЗ, Altitude – угол высоты солнца над горизонтом, чем он ниже, тем «длиннее» будут тени, значение Output cell size должно быть равно ячейке GRID абсолютных высот.

Далее помещаем полученный слой Hillshade под Grid в списке слоев, и задаем слою GRID прозрачность вызвав его свойства (Properties) и закладку Display (рис. 12).

Рис.12. Установка прозрачности слоя GRID.

Все дальнейшие действия – это комбинированию легенд слоев GRID и Hillshade и прозрачности слоя GRID. Возможный результат – на рис.13. В качестве примера можно скачать легенды grid 0-1200.lyr (рассчитана на высоты 0-1300 м) и hillshade .lyr (перед подгрузкой тип легенды Stretched необходимо заменить на Classified)

Рис.13. Раскраска и отмывка рельефа с наложением гидросети (пример)

Теперь у нас есть все необходимое для создания трехмерной модели местности. Для этого можно использовать приложение ArcScene, вызываемое с панели инструментов 3D Analyst (рис.14).

Рис. 14. Кнопка вызова ArcScene на панели инструментов 3 D Analyst.

На рис. 15 – окно ArcScene, сходное с окном ArcMap, в него также можно добавлять любые темы.

Рис.15. Окно ArcScene

Сначала нужно загрузить собственно слой поверхности – либо полученный ранее TIN, либо GRID, результат будет примерно одинаков. После добавления слоя в проект ArcScene подгружаем ему легенду. lyr, заранее сохраненную в ArcMap. Затем идем в свойства темы, на вкладку Base Heights. Здесь нам надо установить, во первых, базовую поверхность (GRID или TIN), а во вторых – Z-factor – соотношение горизонтального и вертикального масштабов (рис.16).

Рис.16. Окно установки 3D-параметров модели. Вверху – установить базовый слой высот, в середине справа – установка соотношения горизонтального и вертикального масштабов ( Z-factor).

Для гористых местностей его надо ставить 3—7, для равнинных 10—20. Получаем следующую картинку – рис.17.

Рис. 17. Трехмерная модель местности на основе слоя GRID без наложения других слоев.

Далее на нее можно накладывать как векторные, так и растровые слои, для которых во вкладке свойств Base Heights устанавливаем ту же поверхность и Z- factor, что и для базового слоя высот. В принципе он (базовый слой высот – TIN или GRID) вообще может и не присутствовать в ТОС ArcScene, а быть только обозначенным во всех слоях. Иногда имеет смысл сделать Z- factor для накладываемых слоев чуть (на 0,5-1) большим, так как векторы могут местами «зарываться» в базовый слой из-за разности визуализации растровых и векторных данных. Например, на трехмерную модель наложена гидросеть (рис. 18).

Рис. 18. Трехмерная модель местности на основе слоя GRID с наложением векторных слоев гидросети.

Можно наложить на 3D модель космическую съемку, так же добавив соответствующий растр в ТОС и установив Base Heights и Z- factor. Если у вас достаточно мощная видеокарта, имеет смысл на вкладке свойств растра снимка Rendering выставить Quality Encashment… – High (рис.19), но на слабых картах (менее 64 мб памяти) работа может сильно замедлиться.

Рис. 19. Установка параметров качества растрового изображения, наложенного на трехмерную поверхность.

На рис.20 – снимок ETM + каналы 3-4-5, наложенный на 3- d поверхность. Обведена на рисунке панель, при помощи инструментов которой можно управлять изображением – масштабировать, вращать, менять центр вращения, сдвигать и даже имитировать полет над местностью.

Рис.20. Снимок ЕТМ+, наложенный на трехмерную поверхность, в максимальном качестве рендеринга. Обведены инструменты управления отображением трехмерной модели.

Последнее обновление: May 14 2011

Независимый сайт Тюменского эколого-географического факультета

Что бы построить TIN, Вам потребуется векторный слой в формате shp, содержащий в атрибутике информацию о высотах. Это могут быть или горизонтали, или точки. Такой слой Вы не сможете создать в ArcScene, для его создания Вас понадобится ArcMap ArcView или другая Гис.
После создания такого слоя его необходимо добавить в проект.
Чтобы добавить слой в проект необходимо нажать на кнопку 2(рис ниже). В появившемся падающем списке выбрать созданный ранее векторный файл и нажать OK. В слоях сцены Вы увидите появившейся слой.Из него- то мы и будем делать TIN.

Для представления поверхностей в ArcScene используется два типа моделей: гриды и ТINы. Гриды представляют поверхности по регулярно распределенным точкам. Оценка значений поверхности между этими точками проводится путем осреднения значений в окружающих точках с учетом степени их близости к данной точке (весом).
Чем меньше расстояние между точками (выше разрешение), тем более детальной будет модель.
Модель грид достаточно простая, ее обработка обычно более эффективна, чем других моделей. Хорошо разработанные алгоритмы обработки гридов В массе своей проистекают из методов обработки растровых изображений. Данных по высотам рельефа в формате грида достаточно много и они относительно дешевы. С другой стороны, регулярная структура данных не в полной мере подходит для описания изменчивости поверхности (потеря информации в промежутках между точками регулярной сетки), поэтому принятые за основу исходные данные не всегда можно полностью использовать и отразить в результатах анализа, например, с использованием методов интерполяции. Кроме того, базовая структура грида не позволяет адекватно показать линейные объекты в приложениях, где требуются крупные масштабы.
Нерегулярные сети треугольников (Triangulated irregular networks, TINs представляют поверхность в виде непрерывного набора неперекрывающихся треугольных граней. Значение поверхности в любой точке в пределах
триангуляционной сети можно вычислить по значениям в узлах окружающих треугольников с учетом веса, зависящего от расстояния от дуги до нужной точки.
Разрешение TINa может быть переменным - более детальным в зонах где поверхность сложная и менее детальным там, где поверхность достаточно простая. В этом типе модели можно использовать все исходные данные, в соответствии с которыми строится триангуляционная сеть. То есть информация не теряется, и в этом случае можно с большей эффективностью и полнотой применять методы интерполяции.
Линейные объекты, такие как дороги или потоки можно представить с достаточной точностью в виде ребер треугольников, составляющих модель местности.
Помимо очевидных преимуществ модели TIN имеют и свои недостатки. Их создание и пересчет достаточно трудоёмки. Стоимость получения качественных исходных может быть высокой, а их обработка требует больше времени и ресурсов, чем в случае гридов.
Гриды обычно используются в приложениях, где применяются региональные и мелкомасштабные представления, в то время как ТINы - для более детального крупномасштабного моделирования. Применяйте грид, если пространственная точность исходных данных невысока, или если Вам не нужно точное представление линейных объектов типа дорог или потоков. Если исходные данные очень точны, и Вы хотите сохранить их точность. либо надо отображать линейные объекты - используйте модель ТIN.

Для того чтобы построить TIN, необходимо выбрать тему, на основе которой Вы собираетесь строить TIN.Далее нажать на список 3D Analyst ,выбрать Create/Modify TIN (создать/изменить TIN)---- Create TIN from features (создать TIN из текущей темы).

Экспорт сцены может понадобиться при переносе построенной сцены на другой компьютер, где нет Arc Scene, например, для распечатки.
Для экспорта сцены нажмите File-Export Scene
Можно экспортировать построенную сцену как в 2-ух так и в 3-ех мерном измерении. При экспорте в 3d Вам будет доступен формат .vrml(язык виртуальной реальности), при экспорте в 2d, Вам будут доступен экспорт в основные графические форматы(.bmp,jpg и др.).

Viewer-это дополнительное окно просмотра сцены. Чтобы создать Вьюер выберете нужный угол наклона, увеличение сцены и нажмите на кнопку. Появится Viewer 1.Заметтьте, что Viewer это самостоятельное окно, не зависящие от основного окна просмотра.

ArcScene - это

GeoWall — A GeoWall is a low cost interactive 3D stereoscopic projection system. It consists of a computer with a dual output graphics card, two projectors, a rack to hold them, polarizing filters, silver screen, a pair of cheap polarized glasses for each… … Wikipedia

CommunityViz — Developer(s) Orton Family Foundation and Placeways, LLC … Wikipedia

ArcGIS — Entwickler ESRI Aktuelle Version 10.0 (29. Juni 2010) Betriebssystem Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows Server 2008, Windows 7 … Deutsch Wikipedia

ArcView — ArcGIS ArcGIS est un ensemble de logiciels SIG realise par la societe ESRI. La version actuelle est ArcGIS 9.3 Sommaire 1 Versions 2 Modules et extensions 2.1 Les Modules 2.2 Les extensio … Wikipedia en Francais

Phylogeographie — Phylogeographie La phylogeographie est l etude des principes et processus qui gouvernent la distribution des lignees genealogiques, specialement celle de niveau intraspecifique.[1][2] Elle etudie les phenomenes genetiques et demographiques, en… … Wikipedia en Francais

Phylogeographie — La phylogeographie est l etude des principes et processus qui gouvernent la distribution des lignees genealogiques, specialement celle de niveau intraspecifique[1],[2] … Wikipedia en Francais

ArcGIS — Saltar a navegacion, busqueda ArcGIS es el nombre de un conjunto de productos de software en el campo de los Sistemas de Informacion Geografica o SIG. Producido y comercializado por ESRI, bajo el nombre generico ArcGIS se agrupan varias… … Wikipedia Espanol

ArcGIS Help 10

ArcGIS предлагает две среды для 3D визуализации, ArcGlobe и ArcScene, которые позволяют отображать и анализировать 3D или 2D данные в 3D пространстве, а также создавать анимацию.

ArcGlobe является частью дополнительного модуля Дополнительный модуль ArcGIS 3D Analyst. Это приложение создано для работы с очень большими наборами данных и позволяет выполнять визуализацию растровых и векторных данных. Оно основано на системе глобального отображения, в котором все данные, организованные в листы, проецируются в глобальную проекцию CUBE и отображаются при меняющемся уровне детализации (level of detail – LOD). Для увеличения производительности используется кэширование данных, при котором происходит структуризация и копирование данных в отдельные листы LOD. Векторные данные полностью растеризуются и отображаются в соответствии с ассоциированным LOD, который обеспечивает быстрые отображение и навигацию.

ArcScene является средством просмотра 3D изображений и хорошо подходит для генерации перспектив, которые можно использовать для навигации и работы с 3D векторными и растровыми данными. Основанный на технологии OpenGL, ArcScene поддерживает сложные трехмерные линейные символы и наложение текстур, а также создание поверхностей и отображение TIN. Все данные загружаются в память, что обеспечивает довольно быструю навигацию, панорамирование и изменение масштаба. Векторные объекты отображаются без изменений, а растровые данные – с понижением разрешения или согласно заданному числу строк/столбцов.

ArcGlobe проецирует все данные на поверхность глобуса, используя только одну систему координат – Кубическая проекция (Cube Projection). Все данные, добавляемые в пустой ArcGlobe документ, проецируются в эту систему на лету. Данные, не имеющие информации о проекции, не могут быть добавлены в ArcGlobe. В силу использования сферической поверхности это приложение оптимизировано для визуализации географических данных в глобальном масштабе. Отображение поверхности земли происходит более точно, чем при использовании других проекций.

ArcScene проецирует все данные документа ArcScene в соответствии с первым слоем, добавленным в документ. Используя, как правило, плоскую проекцию, ArcScene предназначается для работы с небольшими наборами пространственных данных и используется для изучения заданной области.

Одно из наиболее значительных различий между приложениями ArcGlobe и ArcScene состоит в способе управления информацией. Поскольку ArcGlobe создан для работы с очень большими наборами данных, для достижения оптимальной производительности данные необходимо кэшировать. Процесс кэширования состоит в индексации и организации всех данных в листы и уровни детализации. Это позволяет быстрее отображать данные, выполнять масштабирование, панорамирование и навигацию по различным областям документа ArcGlobe.

ArcScene загружает все данные в доступную память и, при необходимости, использует файл подкачки. Это одна из причин, почему ArcScene лучше подходит для изучения небольших районов, для которых требуется небольшое количество данных.

ArcGlobe очень хорошо подходит для визуализации больших объемов глобальных данных. Он имеет высокую производительность навигации и отображения растровых и векторных данных с высоким или низким разрешением. Однако ArcScene лучше оптимизирован для анализа. В ArcScene полностью поддерживается инструменты панели 3D Analyst, а также поверхности TIN (Triangulated Irregular Network). ArcScene очень хорошо отображает объекты в 3D, расположенные ниже поверхности земли (колодцы, шахты и т.п.). ArcGlobe поддерживает наборы данных terrain, ArcScene – нет. Все инструменты геообработки доступны в обоих приложениях.

В ArcGlobe имеется возможность отображения векторных данных с предварительной растеризацией поверх слоя поверхности или в виде векторного слоя, имеющего независимые от слоя поверхности свойства. Эта возможность особенно полезна при работе с классами аннотаций, которые могут использоваться как слои драпировки на поверхности или автоматически выводиться для демонстрации пользователю. В ArcScene векторные данные сохраняют исходный формат и могут независимо перемещаться по растровой поверхности. Степень уменьшения разрешения растровых данных в ArcScene можно контролировать. Объекты-аннотации в ArcScene не отображаются.

Еще одно различие между приложениями – поддержка стереоизображений в ArcScene. Стереоизображение позволяет повысить реализм 3D визуализации.

Часто 3D приложения осуществляют поддержку отображения преимущественно за счет графического процессора видеокарты. Сервер, запускающий виртуальную среду рабочего стола, не может использовать видеокарту так, как это делает локальный рабочий стол. В результате Esri не имеет возможности запускать ArcGlobe с удаленного рабочего стола.

При попытке запустить ArcGlobe (или любое другое приложение на основе управления глобусом, например, ArcGIS Explorer или ArcReader) с удаленного стола, появится всплывающее сообщение, что эта возможность недоступна.

Хотя ArcScene для удаленного доступа включен, производительность может быть крайне ограниченной. При необходимости получить удаленный доступ к сеансу ArcScene рекомендуется использовать VPN-доступ.

Данные: Имеются подробные данные по всему округу. Данные включают серии аэрофотоснимков, линии дорог, границы земельных участков, контуры строений, регионы землепользования и достопримечательности. В качестве данных высот у вас имеется большое количество листов DEM, которые покрывают всю территорию округа.

Цель: Создать трехмерную визуализацию округа для рекламных целей, например, изображения для брошюр и анимации для видеозаписей.

Среда: Наилучшим выбором является ArcGlobe, поскольку:

• Объем данных достаточно велик и, скорее всего, при использовании полного разрешения потребуется кэширование.
• Экстент охватывает большую площадь, на которой кривизна земной поверхности может иметь значение.
• Имеется серия листов DEM, которую необходимо обработать для создания единой поверхности высот.

Данные: Большая часть данных находится в области площадью в одну квадратную милю вокруг группы нефтяных скважин. У вас имеются аэрофотоснимки, полилинии 3D, обозначающие вертикальные шурфы, мультипатч данные по подземным соляным куполам и 2D линейные данные по нефтепроводам. Также у вас имеется растр DEM, охватывающий территорию примерно в 10 кв. миль вокруг скважин.

Цель: Создать трехмерную визуализацию нефтяных скважин, чтобы оценить эффективность и покрытие буровых работ.

Среда: Наилучшим выбором является ArcScene, поскольку:

• Используется небольшой объем данных.
• Область визуализации ограничена небольшим экстентом.
• Вы хотите представить данные в виде среза земной поверхности.

Данные: Имеются контуры строений, центральные линии дорог, территории парков и транспортная инфраструктура города. Все эти данные основаны на модели прогнозирования на 15 лет вперед. Также, у вас имеется TIN, который можно использовать для создания рельефа.

Цель: Создать интерактивную среду отображения и анализа.

Среда: Для этой задачи подходит как ArcGlobe, так и ArcScene, поскольку:

• Объем данных не слишком велик.
• Оба приложения поддерживают необходимые опции присвоения символов.
• Оба приложения поддерживают графику для украшения 3D изображения, такую как 3D деревья, автомобили и элементы оформления улиц.
• Оба приложения поддерживают данные TIN, как источник данных о высотах.

Данные: Имеются растровые данные по высотам, типу растительности и пожароопасности. Также у вас имеются векторные данные по сети пожарных дорог и водоемам.

Цель: Определить лучшее местоположение для пожарной вышки в лесу.

Среда: Наилучшим выбором является ArcMap, поскольку:

• Вам придется создавать большое количество растровых поверхностей, часть из которых будет временными, и использовать инструменты и модели геообработки.
• Вы не получите дополнительной информации, просматривая результаты анализа в 3D.
• Вы легко сможете скопировать итоговые растровые и векторные слои данных в ArcGlobe или в ArcScene, когда анализ будет завершен.

Ниже приведена таблица наиболее значительных функциональных различий между ArcGlobe и ArcScene.

Функциональные различия между ArcGlobe и ArcScene