Übung 4: Erstellen eines TINs zur Terrain-Darstellung

Komplexität: Einsteiger Erforderliche Daten: Mit Software installiert Datenpfad: See Kopieren der Lernprogrammdaten Ziel: Verwenden Sie zum Erstellen eines TIN-Oberflächenmodells ArcScene und ArcMap und Geoverarbeitungswerkzeuge zum Durchführen einer Oberflächenanalyse.

Die Stadt Horse Cave in Kentucky befindet sich über einer Höhle, die einst als Quelle für Trinkwasser und Wasserkraft für die Stadt diente. Bedauerlicherweise wurde das Grundwasser, das in der Höhle fließt, von Haushalts- und Industrieabfällen verschmutzt, die auf der Oberfläche abgeladen und in Karsttrichter gespült wurden. Studien mit Färbeversuchen und eine dreidimensionale Vermessung der Höhle haben die Beziehung zwischen den Höhlendurchläufen und der Stadt enthüllt sowie die Verbindung zwischen unversiegelten Deponien an der Oberfläche und der Schadstoffbelastung im Grundwasser in der Höhle darunter veranschaulicht.

Dank der Errichtung einer neuen regionalen Abwassereinrichtung im Jahr 1989 und den gemeinsamen Anstrengungen der Cave Research Foundation sowie der American Cave Research Foundation (ACCA) ist das Grundwasser nun wieder sauberer und die ursprüngliche Funktion der Höhle konnte wiederhergestellt werden. Nun wird die Höhle von der ACCA als Ausflugsziel und Bildungsstätte genutzt.

Die Daten zur Höhle wurden mit freundlicher Genehmigung der ACCA verwendet.

Anzeigen der Höhle und des Landschaftsbilds

Zunächst öffnen Sie die BuildTIN-Szene und zeigen die Höhlenvermessung sowie einige Terraindaten-Layer an. Sie verwenden diese Terraindaten zum Erstellen eines TINs und Drapieren einiger anderer Layer darauf, um die Beziehung zwischen Höhle und Stadt zu visualisieren.

Schritte:

1. Klicken Sie zum Starten von ArcScene auf Start > Alle Programme > ArcGIS > ArcScene 10.
2. Klicken Sie im Dialogfeld "ArcScene - Erste Schritte" auf Vorhandene Szenen --> Nach weiteren durchsuchen.
Wenn ArcScene bereits von der vorherigen Übung geöffnet ist, klicken einfach auf Datei und dann auf Öffnen.
Das Dialogfeld Öffnen wird angezeigt.
3. Navigieren Sie zum Ordner Exercise4, und doppelklicken Sie auf das ArcScene-Dokument BuildTIN.

Die Szene wird geöffnet, und es werden die Lage von Straßen und Eisenbahnen, einige Beispielhöhenpunkte und einige wichtige Konturlinien angezeigt. Im Inhaltsverzeichnis können Sie erkennen, dass einige Layer deaktiviert wurden.
4. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen, um den Layer "Cavesurvey" anzuzeigen.

5. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf "Cavesurvey", und klicken Sie anschließend auf Auf Layer zoomen.
Die Höhlenvermessungsdaten bestehen aus Polylinien-Z-Features, die automatisch in 3D gezeichnet werden, da sie in ihrer Geometrie eingebettete Z-Werte aufweisen. Sie werden überhalb der anderen Daten angezeigt, da alle anderen Layer mit der Standardhöhe 0 gezeichnet werden.
In den nächsten Schritten erstellen Sie mit Geoverarbeitungswerkzeugen ein TIN, um die Basishöhen für die Straßen und ein Foto der Stadt bereitzustellen.

Erstellen eines TINs aus Punktdaten

Es liegt ein Punkt-Layer mit der Bezeichnung "vipoints point" vor. Dieses Coverage besteht aus Punkten mit dem Attribut SPOT, das an diesen Punkten genommene Höhenwerte enthält. Sie erstellen das TIN-Oberflächenmodell aus diesen Punkten und verwenden dabei das Geoverarbeitungswerkzeug "TIN erstellen".

Bei der Verwendung von Geoverarbeitungswerkzeugen wird am unteren Rand des Dokuments eine Statusanzeige angezeigt, die den Namen des gerade ausgeführten Werkzeugs anzeigt. Sobald das Werkzeug die Ausführung beendet hat, wird eine Popup-Benachrichtigung in der Taskleiste angezeigt. Dies wird als "Hintergrundgeoverarbeitung" bezeichnet, die standardmäßig dann ausgeführt wird, wenn die Software installiert ist und geöffnet wird. Um die Hintergrundgeoverarbeitung zu deaktivieren, verwenden Sie im Hauptmenü Geoverarbeitung das Dialogfeld Geoverarbeitungsoptionen.

Schritte:

1. Klicken Sie auf die Registerkarte Katalog, um das Fenster Katalog in die Ansicht zu erweitern.
2. Scrollen Sie zu Toolboxes.
3. Erweitern Sie Toolboxes, klicken Sie auf System-Toolboxes, und wählen Sie dann die Toolbox 3D Analyst Tools.

4. Navigieren Sie zum Toolset TIN-Management, und doppelklicken Sie auf das Geoverarbeitungswerkzeug TIN erstellen.
5. Klicken Sie auf die Schaltfläche Durchsuchen, um die Position für das Ausgabe-TIN festzulegen.
6. Klicken Sie auf die Schaltfläche Home , doppelklicken Sie auf den Ordner Terraindata, ändern Sie dann den Ausgabe-TIN-Namen in "tin1", und klicken Sie auf Speichern.

Vergewissern Sie sich, dass die Ausgabe-TIN-Position mit dem Ordner "Home - Exercise4" festgelegt ist.
7. Klicken Sie auf die Dropdown-Liste Eingabe-Feature-Class und dann auf vipoints point.

Der Feldname SPOT wird in der Spalte "height_field" angezeigt, und der Layer wird als Massenpunkte trianguliert.
8. Klicken Sie auf OK.
Das TIN wird erstellt und zur Szene hinzugefügt. Beachten Sie, dass es überhalb des Layers "Cavesurvey" gezeichnet wird; die Höhenwerte im TIN definieren seine Basishöhe.

Standardmäßig wird das TIN mit einer Einzelfarbe für jede Fläche symbolisiert.
9. Klicken Sie mit der rechten Maustaste im Inhaltsverzeichnis auf den Layer "tin1" und anschließend auf Eigenschaften.
10. Klicken Sie auf die Registerkarte Symbologie.

Sie können erkennen, dass ein einzelner Renderer mit der Bezeichnung "Flächen" vorhanden ist.
11. Klicken Sie auf die Schaltfläche Hinzufügen, um das Dialogfeld Renderer hinzufügen zu öffnen.
12. Klicken Sie auf die Option Höhenflächen mit abgestuftem Farbverlauf, und klicken Sie auf Hinzufügen.

13. Klicken Sie auf Schließen, um das Dialogfeld Renderer hinzufügen zu schließen und zum Dialogfeld Layer-Eigenschaften zurückzukehren.
Wenn das Symbol für den höchsten Höhenbereich statt Weiß mit Blau festgelegt ist, dann klicken Sie mit der rechten Maustaste auf ein beliebiges Symbol, und klicken Sie dann auf Symbolreihenfolge umkehren.

Dadurch werden die Reihenfolge der Symbole umgekehrt und die höchsten Punkte des TINs als schneebedeckte Gipfel gerendert.
14. Deaktivieren Sie den ursprünglichen Einzelfarben-Renderer, indem Sie das Kontrollkästchen "Flächen" in der Liste der Renderer deaktivieren.

15. Klicken Sie auf OK, um das Dialogfeld Layer-Eigenschaften zu schließen.
Obwohl dieses TIN ein recht gutes Modell der Oberfläche darstellt, können Sie es durch Hinzufügen weiterer Features noch verfeinern.

Hinzufügen von Features zu einem TIN

Nun fügen Sie harte und weiche Bruchkanten und ein Clip-Polygon zum TIN hinzu. Sie fügen die Eisenbahn-Features als weiche Bruchkanten hinzu, sodass sie auf der Oberfläche vorhanden sind, jedoch den Shape der Oberfläche nicht beeinflussen. Die brklines-Features fügen Sie als harte Bruchkanten mit Höhenwerten hinzu, um das Shape der Oberfläche in Bereichen zu verfeinern, die für Sie am interessantesten sind. Schließlich fügen Sie das smclp-Polygon als weiches Clip-Polygon hinzu, um die Kante des TINs weicher zu definieren.

Schritte:

1. Führen Sie im Fenster Katalog einen Bildlauf bis "Toolboxes" durch.
2. Erweitern Sie Toolboxes, klicken Sie auf System-Toolboxes, und klicken Sie dann auf die Toolbox 3D Analyst Tools.
3. Navigieren Sie zum Toolset TIN-Management, und doppelklicken Sie im unteren Fenster auf das Geoverarbeitungswerkzeug TIN bearbeiten.

4. Klicken Sie in die Dropdown-Liste Eingabe-TIN, und klicken Sie auf tin1.
5. Klicken Sie auf die Dropdown-Liste Eingabe-Feature-Class und dann auf railroad.

6. Klicken Sie auf den Dropdown-Pfeil height_field und dann auf <Kein>.

7. Klicken Sie auf den Dropdown-Pfeil SF_type und dann auf weiche Bruchkante.

8. Klicken Sie auf die Dropdown-Liste Eingabe-Feature-Class und dann auf brklines.

Vom Werkzeug TIN bearbeiten wird erkannt, dass ein Feld ELEVATION vorhanden ist, welches dann für die Höhenquelle verwendet wird. Sie übernehmen die Standardwerte und triangulieren diese dann als harte Bruchkanten.
9. Klicken Sie auf die Dropdown-Liste Eingabe-Feature-Class und dann auf smclp.
10. Klicken Sie auf den Dropdown-Pfeil height_field und dann auf <Kein>.

Sie haben die Feature-Layer definiert, die Sie zum TIN hinzuzufügen möchten, und angegeben, wie sie in die Triangulation integriert werden sollen.
11. Klicken Sie auf OK.
Die neuen Features werden zum TIN hinzugefügt.

Nach dem nächsten Schritt können Sie erkennen, dass die Eisenbahn einem Bett folgt, das relativ zur Oberfläche ein wenig eingeebnet wurde.

Festlegen von Feature-Basishöhen aus dem TIN

Jetzt legen Sie die Basishöhen für die Straßen- und Eisenbahn-Features vom neuen TIN fest.

Schritte:

1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Straßen-Features, und klicken Sie auf Eigenschaften.

2. Klicken Sie auf die Registerkarte Basishöhen.
3. Klicken Sie auf Unverankert auf einer benutzerdefinierten Oberfläche.
4. Klicken Sie auf den Dropdown-Pfeil und anschließend auf tin1.

5. Klicken Sie auf OK.
Die Straßen-Features werden jetzt auf der TIN-Oberfläche drapiert, die Sie erstellt haben. Als Nächstes drapieren Sie die Eisenbahn-Features auf der Oberfläche.
6. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Eisenbahn-Features, und klicken Sie auf Eigenschaften.

7. Klicken Sie auf der Registerkarte Basishöhen auf Unverankert auf einer benutzerdefinierten Oberfläche.
Die Höhenoberfläche ist bereits auf "tin1" festgelegt.
8. Klicken Sie auf OK.
Die Eisenbahn-Features werden jetzt auf der TIN-Oberfläche drapiert, die Sie erstellt haben.

Als Nächstes drapieren Sie die Luftaufnahme auf dem TIN.

Festlegen von Raster-Basishöhen aus dem TIN

Mit der Luftaufnahme der Stadt in der Szene wird die Beziehung zwischen der Höhle und der Stadt viel deutlicher. Sie hängen das Raster über das TIN und machen es teilweise transparent, sodass die Höhle unterhalb der Oberfläche zu erkennen ist.

Schritte:

1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf "photo.tif", und wählen Sie Eigenschaften aus.

2. Klicken Sie auf die Registerkarte Basishöhen.
3. Klicken Sie auf Unverankert auf einer benutzerdefinierten Oberfläche.
4. Klicken Sie auf den Dropdown-Pfeil und anschließend auf "tin1".

5. Klicken Sie auf die Registerkarte Anzeige.
6. Geben Sie in das Textfeld Transparenz den Wert 30 ein.

7. Klicken Sie auf OK.
8. Aktivieren Sie im Inhaltsverzeichnis "photo.tif ", damit die Datei in der Szene angezeigt wird.

Nun wird die Luftaufnahme mit einer Transparenz von 30 Prozent angezeigt. Sie können große Teile des TINs im Foto erkennen, da das TIN und das Foto die gleiche Darstellungsreihenfolge aufweisen. Wenn das TIN hinter dem Foto sichtbar sein soll, können Sie dessen Darstellungsreihenfolge auf der Registerkarte Rendering im Dialogfeld Layer-Eigenschaft des TINs in den Wert "10" (den niedrigsten Wert) ändern. Sie können auch die Basishöhe des TINs oder das Foto um einen kleinen Betrag versetzen.

Bereinigen der Szene

Um die Szene zu bereinigen, deaktivieren Sie die Sichtbarkeit einiger Layer, die nicht mehr benötigt werden, und machen das Höhlenliniensymbol größer.

Schritte:

Gehen Sie im Inhaltsverzeichnis wie folgt vor:
1. Deaktivieren Sie "vipoints point".
2. Deaktivieren Sie "brklines".
3. Deaktivieren Sie "tin1".
4. Klicken Sie auf das Liniensymbol für den Layer "Cavesurvey".

5. Geben Sie im Textfeld Breite den Wert 5 ein.

6. Klicken Sie auf OK.
Nun können Sie die dreidimensionalen Passagen der Höhle erkennen, die von dicken Linien symbolisiert werden. Die Oberflächen-Features und die Luftaufnahme stellen den Kontext, sodass Sie beim Navigieren in der Szene die Beziehung zwischen Höhle und Stadt ganz leicht erkennen können.

Erstellen eines Profils des Terrains

Die Höhle folgt in ihrem Verlauf der Talsohlenausrichtung. Um ein Verständnis für das Shape des Tales zu schaffen, erstellen Sie über dem Profil ein TIN. Um ein Profil zu erstellen, benötigen Sie zunächst eine 3D-Linie (Objekt oder Grafik). Sie starten ArcMap, fügen der Karte das TIN hinzu und digitalisieren eine Linie, um das Profil zu erstellen.

Schritte:

1. Klicken Sie zum Starten von ArcMap auf Start > Alle Programme > ArcGIS > ArcMap 10.
2. Klicken Sie im Dialogfeld ArcMap – Erste Schritte auf Neue Karten und dann auf Durchsuchen , um den Geodatabase-Standardpfad mit "D:\3DAnalyst\3D_Default.gdb" festzulegen.
Diese Position wird zum Speichern räumlicher Ausgabedaten verwendet, die in den Lernprogrammübungen generiert werden.

3. Klicken Sie auf OK, um das Dialogfeld Erste Schritte zu schließen.
Das Öffnen von ArcMap ist abgeschlossen.

Nun fügen Sie die Werkzeugleiste 3D Analyst zu ArcMap hinzu. Die ArcMap-Werkzeugleiste "3D Analyst" enthält viele Werkzeuge, die in der ArcScene-Werkzeugleiste "3D Analyst" nicht vorhanden sind. Zwei davon sind das Werkzeug Linie interpolieren und das Werkzeug Profildiagramm erstellen, mit denen Sie das Profil der Oberfläche erstellen.
4. Klicken Sie auf Anpassen, zeigen Sie auf Werkzeugleisten, und klicken Sie auf 3D Analyst.

Die Werkzeugleiste 3D Analyst wird angezeigt.
5. Klicken Sie auf Anpassen und dann auf Erweiterungen.

6. Aktivieren Sie 3D Analyst, wenn die Option nicht bereits aktiviert ist.

7. Klicken Sie auf Schließen.
Die Erweiterung "3D Analyst" ist aktiviert.
8. Öffnen Sie das Fenster Katalog, und navigieren Sie zum Ordner "Exercise4\Terraindata" unter dem Pfad "Ordnerverbindungen", in dem Sie die Lernprogrammdaten lokal gespeichert haben.
9. Klicken Sie auf den Layer "tin1" und ziehen Sie ihn in die Kartenansicht. Lassen Sie dann die Maustaste los.

Wenn Sie dazu aufgefordert werden, klicken Sie auf OK, um das Warnmeldungsfeld Unbekannter Raumbezug zu schließen.

Das TIN wird in der neuen Szene gezeichnet, und der TIN-Layer wird automatisch zum Inhaltsverzeichnis hinzugefügt.

10. Klicken Sie in der Werkzeugleiste 3D Analyst auf die Schaltfläche Linie interpolieren .

11. Klicken Sie auf die obere linke Ecke des TINs, ziehen Sie die Linie in die untere rechte Ecke, und doppelklicken Sie, um das Digitalisieren zu beenden.

Sie können ein Profil entlang einer Zeile mit mehreren Segmenten erstellen, in diesem Fall erstellen Sie jedoch nur eine gerade Linie.
12. Klicken Sie auf die Schaltfläche Profildiagramm .
Das Profildiagramm wird erstellt.

Sie können den Titel, den Untertitel und andere Eigenschaften des Diagramms bearbeiten. Sie können das Diagramm speichern, drucken oder exportieren. Sie können es in die Zwischenablage kopieren. Und Sie können das Diagramm im Layout anzeigen. Sie können das Diagramm auch einfach schließen.
13. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Leiste Profildiagramm-Titel und klicken Sie auf Eigenschaften.
Die Ansicht wird automatisch in die "Layout-Ansicht" geändert. Unten in der Anzeige sehen Sie, wie die unterschiedlichen Ansichtssymbole geändert werden.

14. Schließen Sie das Fenster Profildiagramm.
Das Diagramm wird im Layout der Karte angezeigt.

15. Klicken Sie auf die Schaltfläche Datenansicht , um zur Datenansicht zurückzukehren.

Erstellen einer Sichtlinie auf dem Terrain

Eine andere Art zum Erkennen des Terrains besteht darin, eine Sichtlinie zu erstellen. Sichtlinien zeigen an, welche Teile einer Oberfläche sichtbar und welche Teile entlang einer Linie vom Punkt eines Betrachters aus zu einem Zielpunkt hin nicht sichtbar sind.

Schritte:

1. Klicken Sie auf die Schaltfläche Sichtlinie erstellen .
2. Geben Sie im Textfeld Versatz der Betrachterposition den Wert 2 ein.

Die Sichtlinie wird berechnet, um anzuzeigen, was aus der Perspektive eines zwei Meter hohen Betrachtungspunktes aus sichtbar ist, da die Z-Einheiten für diese Szene in Metern angegeben werden.
3. Klicken Sie im oberen rechten Teil des TINs (dem Betrachterpunkt) auf die Südneigung des höher gelegenen Landes, ziehen Sie die Linie in den unteren rechten Teil, und lassen Sie dann die Maustaste (den Zielpunkt) los.

Die Sichtlinie wurde berechnet. Die grünen Segmente zeigen Flächen an, die vom Betrachterpunkt aus sichtbar sind. Die roten Segmente können vom Betrachter nicht eingesehen werden.
4. Schließen Sie das Dialogfeld Sichtlinie.
Sichtlinien können wie andere grafische Linien aus ArcMap in ArcScene kopiert werden. Nun kopieren Sie die beiden erstellten Linien in die Szene.
5. Klicken Sie auf Bearbeiten und dann auf Alle Elemente auswählen.

Beide erstellten Linien sind ausgewählt.
6. Klicken Sie auf Bearbeiten und dann auf Kopieren.

7. Wechseln Sie zu ArcScene zurück. Klicken Sie auf Bearbeiten und dann auf Einfügen.

Die Linien werden in die Szene eingefügt.

Falls Sie die Auswahl der eingefügten Linien aufheben möchten, klicken Sie an einer Stelle außerhalb der Linien, um die Markierung aufzuheben.
8. Klicken Sie auf die Schaltfläche Speichern in ArcScene.
9. Klicken Sie in ArcMap auf Datei und dann auf Beenden.

10. Klicken Sie auf Nein, um die Änderungen nicht zu speichern, und schließen Sie ArcMap.

In dieser Übung haben Sie erfahren, wie mit ArcScene und ArcMap ein TIN-Oberflächenmodell erstellt und mit diesem gearbeitet wird. Sie haben erfahren, wie ein TIN-Dataset erstellt und symbolisiert wird, um eine 3D-Oberfläche präzise darzustellen. Bruchkanten und Polygone wurden hinzugefügt, um darüber hinaus Oberflächen-Features darzustellen, wie Eisenbahnen und Höhenwerte des Terrains. Dann wurde mit Luftaufnahmen als drapierter Raster-Layer auf dem TIN eine weitere Oberflächenanalyse durchgeführt. Schließlich haben Sie die Übung mit dem Durchführen der 3D-Oberflächenanalyse für das TIN-Modell abgeschlossen, indem Sie in ArcMap die Werkzeuge "Linie interpolieren" und "Profildiagramm erstellen" verwendet haben.

Da Sie nun erfahren haben, wie eine Oberfläche mit einem TIN-Modell dargestellt wird, können Sie beginnen, andere Bereiche der ArcGIS 3D Analyst-Erweiterung zu erkunden. In der nächsten Übung erfahren Sie, wie Sie in ArcGlobe Animationen erstellen und mit diesen arbeiten.