時空維度的轉換：用空間的方法研究時間——時間維度採樣數據的插值分析及可視化

時空維度的轉換：用空間的方法研究時間——時間維度採樣數據的插值分析及可視化

來自專欄城市技師

微信公眾號：UGISER

城市技師 | UGISER

Urban Planning & Geographic Information System & Smart Design

最近受朋友所託，要用某地一年12個月的每日每小時的風速檢測數據做插值分析和可視化，以求出特定風速值的分布時間「區域」，用空間的思路來分析和表達時間的維度，一定是一個有意思的事情，於是探索性的嘗試做出了一個成果來，技術不難，先甩幾張成果圖上來鎮樓，具體實現方法請繼續往後瀏覽見正文，另附本文相關數據，僅供學習研究，未經許可，嚴禁商業轉載。

一、數據及結果要求

如下表，原始數據是某地24小時月平均風速監測數據（根據客戶保密要求，數據已做二次概化處理，僅做本次分析實驗用）。客戶的訴求是要求出風速大於3米/秒的時間分布「區域」並進行可視化，依此作為某工作決策依據。

二、思路準備

直接將原始數據矩陣表進行矢量化，轉換為ArcGIS可以識別分析的Shapefile文件，再對其進行插值分析，求出等值線並提取風速值大於3的目標區域並進行可視化表達。

三、操作步驟

3.1 數據矢量化

（1）如下圖，在CAD中以原點（0,0）為起點，長、寬分別為25,13的矩形作為參考矩形。（此矩形僅做參考，後續可以刪除）

（2）將原始表格複製，在CAD中按CAD圖元選擇性粘貼。

（3）按下圖設置表格參數，以移動、縮放調整表格位置和尺度大小。

【TIPS】

1、表格的總寬度和總長度一定要保證與參考矩形一樣。

【TIPS】

1、表格的總寬度和總長度一定要保證與參考矩形一樣。

2、每一個單元格一定為邊長為1的正方形。

【END】

（4）對表格執行分解（X）命令，將表格分解成cad最基本的線和文字註記圖元；刪除參考矩形，保存為「風速數據.dwg」文件並關閉CAD程序，至此，我們的表格文件通過CAD進行矢量化的步驟操作完成。

3.2 數據轉換及篩選

（1）打開ArcMAP，添加「風速數據.dwg」文件。

（2）打開「Arctoolbox-數據管理工具-要素工具集」，分別使用「要素轉點」和「要素轉面」工具將Annotation圖層和polyline圖層分別轉換為點和面shpafile文件，並分別命名為「註記」、「格網」，存儲至地理空間資料庫。完成後移除「風速數據.dwg」文件。

（3）打開「分析工具-疊加分析-空間連接」工具，將文字註記點數據與格網數據進行空間連接，使格網數據包含註記點的屬性值。

（4）選擇分析數據所在的表格單元格，輸出數據為「分析網格」。

（5）打開「數據管理工具-要素-要素轉點」，將「分析格網」數據轉換為每個格網的中心點數據，保存為「分析網格點」。

（6）按以上（4）、（5）同樣的方法對橫縱軸的時間標尺網格進行轉換，生成「時間標尺網格」、」時間標尺點「兩個數據，以便後續坐標軸標註使用。

（7）移除」註記「、」格網「、」格網_Spatial Join「等圖層，只保留我們分析和可視化需要的」分析網格」、「分析網格點」、「時間標尺」、「時間標尺點」四個圖層。

（8）打開「分析網格點」的屬性表，添加「風速值」欄位，欄位類型為雙精度，並通過欄位計算器將Text欄位的值賦值給新建的「風速值」。

（9）同樣的方法對「分析網格」數據添加「風速值」欄位，欄位類型同樣為雙精度，並計算其欄位值為「text」欄位的值。

至此，我們的基礎分析數據就準備好了。

3.3 插值分析

（1）如下圖，在菜單欄打開「地理處理-環境」，分別對「分析範圍」和「柵格分析」中的「掩膜」均設置為「分析格網」，點擊確定。

（2）如下圖，在Arctoolbox打開「Spatial Analyst-插值分析-反距離權重法」分析工具，按圖中參數設置，點擊確定。

【TIPS】

1、輸出相元大小設置為0.0333333是因為格網大小為1x1的方格，而每個方格是代表1個月x1小時，為了使得插值結果單元大小為1天x2分鐘，所以輸出單元格大小為1/30=0.0333333，這一值也可以在前面的分析環境中設置。

2、關於插值方法：插值的基本原理就是根據已知的採樣點及其屬性值求取未知點的屬性值的過程，GIS中的插值方法除了本文用到的「「反距離權重法插值」還有「克里金法插值」、「地形轉柵格」、「養條曲線法插值」、「自然領域法插值」等方法，每一種插值的原理有所差別，適用於不同的使用情景，得到的結果也有區別，本文不再贅述，有興趣的可以查看對應工具的幫助文檔和相關專業文獻。

【END】

（3）如下圖，在Arctoolbox打開「Spatial Analyst-重分類-重分類」分析工具，按圖中參數設置生成「風速重分類」文件，該操作的目的是將風速值小於3和大於3的進行重分類區分，以便進行統計分析。

（4）如下圖，打開「風速重分類」屬性表，分別添加「類別」和「累計時間」兩個屬性欄位，並按圖中計算欄位屬性值。

【TIPS】

關於累計時間：由於原始數據是12個月x24小時的數據，通過插值分析，我們求出的結果每個相元為1天x2分鐘的時間解析度，因此一個相元就表示這一年中獨立的兩分鐘，我們只需要將所有相元值乘以2即可得到全年的分鐘數，即為518400分鐘，通過上圖中的統計數據可以看到最後結果也確實是這麼多。

【END】

（5）如下圖，導出屬性表，並使用「錶轉Excel」工具將表格轉換為.xsl格式表格。

【TIPS】

成果解讀：

全年共有165212分鐘，摺合約115天風速大於3米/秒，剩餘約353188分鐘，摺合245天風速低於3米/秒。

【END】

3.4 成果二維可視化

（1）如下圖，在Arctoolbox打開「Spatial Analyst-表面分析-等值線」分析工具，按0.5的差值生成等值線。

（2）如下圖，在打開「時間標尺點」的屬性表，添加「坐標軸欄位」，使用欄位計算器對不同的坐標軸賦值，以區別不同的坐標軸要素。

（3）如下圖，對時間標尺設置標註分組，並進行分組標註樣式設置。

（4）添加格網並設置顯示效果，標註並設置等高線顯示，完成可視化效果，排版並輸出圖紙。

3.5 成果三維可視化

（1）如下圖所示，打開ArcScene，載入「反距離插值結果」、「分析網格」、「等值線」、「分析網格點」四個數據。

（2）設置插值柵格數據的可視化。

（3）設置「分析網格」的3D可視化效果。

（4）設置「等值線」的3D可視化效果。

（5）設置「分析網格點」的3D可視化效果。

（6）最終3D可視化效果展示。

三、ModelBuilder流程

附：部分相關文件數據

原始表格數據：https://pan.baidu.com/s/1tvCExKWgVFOKEbg1NIvuRg

CAD矢量文件：https://pan.baidu.com/s/1lwSQKwnMndQ3coiabGnNvw

分析（成果）格網：https://pan.baidu.com/s/1ZX8qGpZIj8UZaivNSLuZtg

分析（成果）格網點：https://pan.baidu.com/s/18f8fXZww53Gpaos6LvggDA

時間標尺點：https://pan.baidu.com/s/1W6sA85WbC7Ry3f1RDgk62w

反距離插值結果：https://pan.baidu.com/s/1tOVTXcOWZ2T6nJMH1iWlTA

二維渲染樣式文檔：https://pan.baidu.com/s/1JMzqkj2LtASBBLK4Vq9PWw

3D渲染樣式文件：https://pan.baidu.com/s/1Q3VuP3TZntyvKSzukPSbOg

https://pan.baidu.com/s/1csmMgf6VVnalUeX7weykaw

（申明：本公眾號提供的所有數據和資源僅作學習交流使用，嚴禁私自用作商業及非法活動，否則後果自負，本公眾號不負連帶責任。）

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