VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

3D and Surface/Terrain  Analysis Prepared by: George McLeod With support from:

NSF DUE‐0903270

in partnership with:

Geospatial Technician Education Through Virginia’s Community Colleges (GTEVCC)

Digital Terrain Models • A digital terrain model is a model providing a  representation of a terrain relief on the basis  of a finite set of sampled data • Terrain data refers to measures of elevation at  a set of points V of the domain plus possibly a  set E of non‐crossing line segments with  endpoints in V φ

D

Data Sampling • Regular  

• Irregular

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 1

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Sampling effects resolution

Our three Primary terrain Models • Digital Elevation Models (DEMS) – aka Regular  Square Grids (RSGs) • Triangulated Irregular Networks (TINS) – aka  Polyhedral terrain models Polyhedral terrain models • Contour Maps – aka “topo” maps

The Data…

DEM

LIDAR 

(LIght Detection And Ranging)

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

TIN

3D Surface Analysis | Page 2

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Introduction to the Data • Terrain mapping • Land surface is 3‐D  • Elevation data or  z‐data is treated as a  cell value or a point  data attribute rather  than as a coordinate.

• Digital Elevation Model (DEM) – Gridded array of elevation points obtained from a  variety sampling methods

DEMs A constant function can be associated with each  square (i.e., a constant elevation value). This is called  a stepped model (it presents discontinuity steps  along the edges of the squares)

D

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 3

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

• The function defined on each square can also be  a bilinear function interpolating all four elevation  points corresponding to the vertices of the  square

• Triangulated Irregular Network (TIN) – Series of non‐overlapping triangles – Elevation values are stored at nodes – Sources: DEMs, surveyed elevation points, contour  lines, and breaklines – Breaklines are line features  that represent changes of  the land surface such as  h l d f h streams, shorelines, ridges,  and roads

TINs • Example of a TIN based on irregularly  distributed data

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 4

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Data for Terrain Mapping and Analysis • Triangulated Irregular Network (TIN) – Not every point in DEM is used – Only points most important – VIP (Very Important Points) algorithm ( y p ) g – Maximum z‐tolerance algorithm – Delaunay triangulation: all nodes are connected to  their nearest neighbor to form triangles which are  as equi‐angular as possible.

Tins vs. Grids

DEM

TIN

• Needs larger storage capacity g g p y

• Needs smaller storage capacity g p y

• Computationally difficult

• Computationally simpler

• Flexibility of data sources

• Fixed with a given cell size

• Can add points

• Cannot add sample points

• Better display

• Raster display

• More efficient

• Less efficient

Contour Mapping • Contouring is most common  method for terrain mapping • Contour lines connect points  of equal elevation (isolines) p • Contour intervals represent the  vertical distance between  contour lines. • Arrangement of contour lines  reflect topography

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 5

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Digital Contour Maps Contours are usually available as sequences of points

A line interpolating points of a contour can be obtained in different ways Examples: polygonal chains, or lines described by higher order equations

Digital Contour Maps: properties They are easily drawn on paper They are very intuitive for humans They are not good for complex automated terrain analysis

Contour Profile Mapping • Vertical profile shows changes in elevation along a line, such as a hiking  trail, road or stream.

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 6

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Cartographic Terrain Mapping • • •

Hill shading is also known as a shaded relief or simply shading Attempts to simulate how the terrain looks with the interaction between sunlight  and surface features. Helps viewers recognize the shape of land‐form features on a map.

Hillshading • Four factors control the visual effect of hill‐ shading – Sun’s azimuth is direction of incoming light (0 to  360 ) 360°) – The sun’s altitude from horizon (0‐90°) – Surface slope (0‐90°) – Surface aspect (0 to 360°)

Hypsometric Tinting •

Hypsometric tinting – Applies different color symbols to represent elevation or depth zones.

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 7

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Methods of Analysis  •

Slope measures the rate of change of elevation at a surface location

•

Aspect is the directional measure of the slope (degrees‐ 4 or 8 directions)

•

Hillshade, refer to previous slides

•

Line of sight i f i h refers to the straight line visibility from an observer to a feature f h i h li i ibili f b f

•

Viewshed analysis refers to the areas of the land surface that are visible  from an observation point or points.

•

Watershed analysis refers to an area that drains water and other substances  to a common outlet.

•

Area and volume calculations

Connectivity Function Example: Viewshed Analysis

.

Image Source: Chrisman, Nicholas.(2002). 2nd Ed. Exploring Geographic Information Systems. p 198. fig. 8-14

Line of Sight Analysis

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 8

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Slope

Aspect

Hillshade Setting a hypothetical light source and calculating the illumination values for each cell in relation to neighboring cells. It can greatly enhance the visualization of a surface for analysis or graphical display.

Azimuth 315°, altitude 45°

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 9

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Viewshed • •

Viewshed identifies the cells in an input raster that can be seen from one  or more observation points or lines. It is useful for finding the visibility. For instance, finding a well‐exposed  places for communication towers

hillshaded DEM as background

Surface Area and Volume

Application: Environmental Impact Analysis

3D landscape model impact on natural beauty

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 10

VCCS Geospatial Institute

Day 5: Spatial Analysis with ArcGIS  Extensions

Application ‐ Flood Risk

3D height data changing water levels‐danger areas

The 3rd Dimension: Height Analysis – combining  several methods together

• • • • •

Contours  Hill shading  Spot height symbols  Cliff & slope symbols  Viewpoint symbols

3D Terrain Analysis: Summation • GIS does not always provide exact answers to problems, but by identifying trends based on geography, GIS can reveal patterns that can help us make informed decisions. decisions • A GIS can improve decision‐making; it cannot make decisions for us.

Blacksburg, VA May 21st – May 26th, 2011

3D Surface Analysis | Page 11