时空维度的转换：用空间的方法研究时间——时间维度采样数据的插值分析及可视化

城市技师 |UGISER

Urban Planning & Geographic Information System & Smart Design

最近受朋友所托，要用某地一年12个月的每日每小时的风速检测数据做插值分析和可视化，以求出特定风速值的分布时间“区域”，用空间的思路来分析和表达时间的维度，一定是一个有意思的事情，于是探索性的尝试做出了一个成果来，技术不难，先甩几张成果图上来镇楼，具体实现方法请继续往后浏览见正文，另附本文相关数据，仅供学习研究，未经许可，严禁商业转载。

可视化效果一：分层色带+等值线标注

可视化效果二：高密度分层色带（近似连续色带）+等值线标注

可视化效果三：格网分层色带+等值线标注

可视化效果四：单元分级分色可视化

一、数据及结果要求

如下表，原始数据是某地24小时月平均风速监测数据（根据客户保密要求，数据已做二次概化处理，仅做本次分析实验用）。客户的诉求是要求出风速大于3米/秒的时间分布“区域”并进行可视化，依此作为某工作决策依据。

二、思路准备

直接将原始数据矩阵表进行矢量化，转换为ArcGIS可以识别分析的Shapefile文件，再对其进行插值分析，求出等值线并提取风速值大于3的目标区域并进行可视化表达。

三、操作步骤

3.1 数据矢量化

（1）如下图，在CAD中以原点（0,0）为起点，长、宽分别为25,13的矩形作为参考矩形。（此矩形仅做参考，后续可以删除）

（2）将原始表格复制，在CAD中按CAD图元选择性粘贴。

（3）按下图设置表格参数，以移动、缩放调整表格位置和尺度大小。

【TIPS】

1、表格的总宽度和总长度一定要保证与参考矩形一样。

2、每一个单元格一定为边长为1的正方形。

【END】

（4）对表格执行分解（X）命令，将表格分解成cad最基本的线和文字注记图元；删除参考矩形，保存为“风速数据.dwg”文件并关闭CAD程序，至此，我们的表格文件通过CAD进行矢量化的步骤操作完成。

3.2 数据转换及筛选

（1）打开ArcMAP，添加“风速数据.dwg”文件。

（2）打开“Arctoolbox-数据管理工具-要素工具集”，分别使用“要素转点”和“要素转面”工具将Annotation图层和polyline图层分别转换为点和面shpafile文件，并分别命名为“注记”、“格网”，存储至地理空间数据库。完成后移除“风速数据.dwg”文件

（3）打开“分析工具-叠加分析-空间连接”工具，将文字注记点数据与格网数据进行空间连接，使格网数据包含注记点的属性值。

（4）选择分析数据所在的表格单元格，输出数据为“分析网格”。

（5）打开“数据管理工具-要素-要素转点”，将“分析格网”数据转换为每个格网的中心点数据，保存为“分析网格点”。

（6）按以上（4）、（5）同样的方法对横纵轴的时间标尺网格进行转换，生成“时间标尺网格”、”时间标尺点“两个数据，以便后续坐标轴标注使用。

（7）移除”注记“、”格网“、”格网_Spatial Join“等图层，只保留我们分析和可视化需要的”分析网格”、“分析网格点”、“时间标尺”、“时间标尺点”四个图层。

（8）打开“分析网格点”的属性表，添加“风速值”字段，字段类型为双精度，并通过字段计算器将Text字段的值赋值给新建的“风速值”。

（9）同样的方法对“分析网格”数据添加“风速值”字段，字段类型同样为双精度，并计算其字段值为“text”字段的值。

至此，我们的基础分析数据就准备好了。

3.3 插值分析

（1）如下图，在菜单栏打开“地理处理-环境”，分别对“分析范围”和“栅格分析”中的“掩膜”均设置为“分析格网”，点击确定。

（2）如下图，在Arctoolbox打开“Spatial Analyst-插值分析-反距离权重法”分析工具，按图中参数设置，点击确定。

【TIPS】

1、输出相元大小设置为0.0333333是因为格网大小为1x1的方格，而每个方格是代表1个月x1小时，为了使得插值结果单元大小为1天x2分钟，所以输出单元格大小为1/30=0.0333333，这一值也可以在前面的分析环境中设置。

2、关于插值方法：插值的基本原理就是根据已知的采样点及其属性值求取未知点的属性值的过程，GIS中的插值方法除了本文用到的““反距离权重法插值”还有“克里金法插值”、“地形转栅格”、“养条曲线法插值”、“自然领域法插值”等方法，每一种插值的原理有所差别，适用于不同的使用情景，得到的结果也有区别，本文不再赘述，有兴趣的可以查看对应工具的帮助文档和相关专业文献。

【END】

（3）如下图，在Arctoolbox打开“Spatial Analyst-重分类-重分类”分析工具，按图中参数设置生成“风速重分类”文件，该操作的目的是将风速值小于3和大于3的进行重分类区分，以便进行统计分析。

（4）如下图，打开“风速重分类”属性表，分别添加“类别”和“累计时间”两个属性字段，并按图中计算字段属性值。

【TIPS】

关于累计时间：由于原始数据是12个月x24小时的数据，通过插值分析，我们求出的结果每个相元为1天x2分钟的时间分辨率，因此一个相元就表示这一年中独立的两分钟，我们只需要将所有相元值乘以2即可得到全年的分钟数，即为518400分钟，通过上图中的统计数据可以看到最后结果也确实是这么多。

【END】

（3）如下图，导出属性表，并使用“表转Excel”工具将表格转换为.xsl格式表格。

整理后的成果报表

【TIPS】

成果解读：

全年共有165212分钟，折合约115天风速大于3米/秒，剩余约353188分钟，折合245天风速低于3米/秒。

【END】

3.4成果二维可视化

（1）如下图，在Arctoolbox打开“Spatial Analyst-表面分析-等值线”分析工具，按0.5的差值生成等值线。

（2）如下图，在打开“时间标尺点”的属性表，添加“坐标轴字段”，使用字段计算器对不同的坐标轴赋值，以区别不同的坐标轴要素。

（3）如下图，对时间标尺设置标注分组，并进行分组标注样式设置。

（4）添加格网并设置显示效果，标注并设置等高线显示，完成可视化效果，排版并输出图纸。

3.5成果三维可视化

（1）如下图所示，打开ArcScene，加载“反距离插值结果”、“分析网格”、“等值线”、“分析网格点”四个数据。

（2）设置插值栅格数据的可视化。

（3）设置“分析网格”的3D可视化效果。

（4）设置“等值线”的3D可视化效果。

（5）设置“分析网格点”的3D可视化效果。

（6）最终3D可视化效果展示。

三、ModelBuilder流程

附：部分相关文件数据

原始表格数据：https://pan.baidu.com/s/1tvCExKWgVFOKEbg1NIvuRg

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

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

分析（成果）格网点：https://pan.baidu.com/s/18f8fXZww53Gpaos6LvggDA

时间标尺点：https://pan.baidu.com/s/1W6sA85WbC7Ry3f1RDgk62w

反距离插值结果：https://pan.baidu.com/s/1tOVTXcOWZ2T6nJMH1iWlTA

二维渲染样式文档：https://pan.baidu.com/s/1JMzqkj2LtASBBLK4Vq9PWw

3D渲染样式文件：https://pan.baidu.com/s/1Q3VuP3TZntyvKSzukPSbOg

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

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