在 3D 模式下浏览溶氧量

氧含量是海洋生态的重要组成部分。最近研究表明,海洋中的总体氧含量数十年来一直呈下降趋势,而且由于气候变化加剧,未来将继续下降。 为解决这些难题,您必须能够在海洋中制作精确的溶氧量三维模型。

您将使用在加利福尼亚州蒙特利湾不同深度测得的溶氧测量值执行 3D 地统计插值来预测整个海湾的氧含量。 您将学习如何浏览 3D 数据、如何配置 3D 经验贝叶斯克里金 (EBK3D) 参数,以及如何将结果导出为方便的 GIS 格式和视频动画。

下载和浏览工程

您将首先下载包含溶氧测量值的工程,并在 ArcGIS Pro 中将其打开。

  1. 下载 Interpolate 3D Dissolved Oxygen Measurements in Monterey Bay 工程包。
  2. 在计算机上找到已下载的文件。
  3. 双击 Interpolate_3D_Dissolved_Oxygen_Measurements_in_Monterey_Bay.ppkx 以打开工程。 如果出现提示,请登录 ArcGIS 组织账户。

    工程随即打开,并显示地图和局部场景。

  4. 单击 Monterey Bay 地图选项卡。 如有必要,请放大以更好地查看地图上的点。

    氧气采样点的 2D 地图

    OxygenPoints 图层是由 NOAA 国家环境信息中心的世界海洋数据库 (WOD) 所提供数据的一个小样本。 这些点表示在蒙特利湾对不同深度进行溶氧量(以微摩尔每升测量)观察和记录的位置。

  5. 内容窗格中,右键单击 OxygenPoints 图层并选择属性表

    “属性表”选项

    图层属性表格随即打开。

  6. 地图选项卡的选择组中单击选择按钮。

    选择按钮

  7. 在地图上,在任何 OxygenPoints 要素周围拖动一个框。

    框内的所有要素将处于选中状态。

  8. OxygenPoints 表中,单击显示所选记录按钮。

    显示选定记录按钮

    属性表中仅显示所选记录。

    表中的所选属性

    您已选择了具有相同 X 和 Y 坐标但 Z 值不同的多个采样点。 这表示表面以下不同深度 (z) 处观察到的氧含量。 您选择的重合记录数可能会与示例图像有所不同,因为每个样本位置在不同深度处的样本数可能不同。

    注:

    如果本次要插入氧含量的连续表面,则每个深度(z 值)处一次只能生成一个插值,您可能需要为不同深度创建多个插值表面。 这样,很难解释和了解氧含量随着深度增加的变化情况。

    接下来,您将在 3D 场景中浏览数据。

  9. 关闭表。 在功能区地图选项卡的选择组中,单击清除按钮。
  10. 单击地图上方的 Monterey Bay 3D 选项卡。

    3D 场景将显示加利福尼亚州的蒙特利湾,其中应用了 10 倍的垂直夸大。 因此,蒙特利峡谷看起来比实际更深、更陡峭十倍。 WorldElevation/TopoBathy 图层用于定义高程表面,World Ocean Base 底图叠加在高程顶部以提供 3D 效果。 此高程表面在 ArcGIS Living Atlas of the World 中可用。

    蒙特利湾的 3D 溶氧测量值

    注:

    本教程通常将点的深度视为正数,例如“深度为 150 米的点”。 但是,要素类的实际 z 坐标将存储为负数,并且在 ArcGIS Pro 的各个窗口和窗格中通常称为“高程”。 高程为负数表示点深度低于平均海平面。

  11. 内容窗格中,展开 OxygenPoints 图层。

    氧气点通过对氧含量进行符号化来表示,最低测量值显示为蓝色,最大测量值显示为红色。 除了符号系统外,点还在深度上应用了 10 倍垂直夸大,以匹配应用于高程表面的夸大。

  12. 折叠并关闭 OxygenPoints 图层。 打开 TargetPoints 图层。

    TargetPoints 图层包含 3D 中网格化的点。 它们没有属性,将在后续教程中用作目标位置。

  13. 取消选中 TargetPoints 图层并打开 OxygenPoints 图层。
  14. 在功能区地图选项卡的导航组中,单击浏览按钮。

    “浏览”按钮

  15. 在蒙特利峡谷周围进行旋转、倾斜、平移和缩放,并观察不同位置和深度处的氧气点。
    注:

    如果您的鼠标带有滚轮键,则单击滚轮键可在 3D 模式下旋转和倾斜。 单击可以进行平移;右键单击可以进行缩放。 有关使用浏览工具进行导航的更多信息,请参阅在 3D 模式下导航。 对于更高级的 3D 导航,您可以使用屏幕导航器,它将在场景或视图的左下角通过一个单独的控件提供多种相机导航命令。

  16. 如有必要,在视图选项卡的导航组中单击导航器按钮。

    现在,借助导航器即可通过地图左下方的控件进行旋转、移动、倾斜、平移和缩放。

    注:

    如果相机移动需要的是定义好的控制,则导航器非常实用。 导航器可调整大小,并可快速访问控件以倾斜和改变方向。 如需了解有关相机导航命令的详细信息,请查看使用屏幕导航器

  17. 在场景中,单击任意点即可查看弹出窗口。

    深度方向的氧含量

    每个点都由其氧含量值单独符号化,并显示在其测量深度处(z 值)。 最高氧气测量值出现在海洋表面附近,而最低测量值靠近垂直柱体中间位置。 相同深度上点的氧含量大致相同,但氧含量在垂直柱体上下变化非常快。

  18. 关闭弹出窗口。
  19. 地图选项卡的导航组中,单击书签并选择 Monterey Canyon

    蒙特利峡谷书签

浏览溶氧测量值

接下来,您将使用直方图来浏览溶氧测量值的分布,并使用变换来调整分布以使其更适合插值。 通过测量数据集中氧测量值发生的频率,直方图将直观地概述溶氧测量值的分布情况。 数据正态分布时插值效果最好,而数据偏斜(分布不均衡)时则可能需要将数据变换为正态分布。 直方图使您可以在数据分布上浏览对数和平方根变换的效果。

  1. 内容窗格中,右键单击 OxygenPoints,指向创建图表,并选择直方图

    “直方图”选项

    图表图表属性窗格随即显示。 指定要调查的字段之前,图表窗格将为空。

  2. 图表属性窗格中的数据选项卡上,对于数量,选择 Oxygen

    该字段用于存储每个点的溶氧测量值。

    数量参数

    图表属性窗格中,统计数据将通过平均、最小和最大氧气测量值进行更新,且图表窗格随即更新以显示测量值的直方图。 包括以下统计数据:

    • 计数为 809 个点。
    • 平均溶氧量为 1.3 微摩尔/升。
    • 最低 (Min) 溶氧量为 0.14。
    • 最大 (Max) 溶氧量为 6.8。

    直方图统计数据

    直方图反映了分布严重左偏,分布的较低端观测点很多,而较高端观测点很少。

    氧气测量值直方图

    注:

    直方图轴上的值可能会不同,因为所显示的值取决于窗格大小。

  3. 图表属性窗格中,选中显示正态分布复选框。

    图表随即更新,现在,可将结果直观地与最适合直方图的正态分布进行比较。

    氧气测量值不是正常分布

    在比较叠加在直方图上的正态分布曲线时,很明显直方图的条块未接近曲线。 接下来,您将通过变换尝试使得氧气测量值分布更接近正态分布。

    变换是应用于每个数据测量值的数学运算,例如取每个值的平方根或对数。 变换后的数据集的分布将不同于原始数据集的分布。 当数据接近正态(钟形)分布时,插值方法最有效,并且可以使用变换让数据集更接近正态分布。

  4. 图表属性窗格中,对于存在变换,选择平方根

    直方图随即更新,以显示应用平方根变换的分布。

    经平方根变换的氧气测量值右偏分布

    平方根变换消除了一些偏斜,但是分布仍然严重右倾,且正态分布曲线仍然不能很好地匹配直方图。

  5. 图表属性窗格中,对于存在变换,选择对数

    直方图随即更新,以显示应用了对数变换的分布。

    经对数变换的氧气测量更接近正态分布

    现在,分布比起两个之前的直方图看起来更加对称,且更接近钟形。 稍后在配置插值选项和设置时,您将利用进行对数变换会有效这一事实。

  6. 关闭图表属性窗格和 OxygenPoints – Distribution of Oxygen 图表。

浏览氧气与高程之间的关系

在 3D 模式下导航时,您会注意到海湾表面附近的溶氧量最高,垂直柱体中间溶氧量最低。 接下来,您将使用散点图来显示氧含量随深度的变化情况。

散点图用于显示两个数值变量之间的关系,即一个变量显示在 x 轴上,而另一个变量显示在 y 轴上。

  1. 内容窗格中,右键单击 OxygenPoints,指向创建图表并选择散点图
  2. 图表属性窗格中的数据选项卡上,对于 X 轴数值,选择 Oxygen
  3. 对于 Y 轴数值,选择 z

    图表名称更新为 Relationship between Oxygen and z

  4. 图表属性 - OxygenPoints 窗格中,取消选中显示线性趋势

    散点图参数

    散点图显示氧含量与深度之间具有明确的关系。 表面附近的氧含量最高,然后快速稳定地下降。

    氧气值与深度散点图

    最低值大约在 -600 至 -1,000 米之间。 在 -1,000 米以下的深度,氧含量缓慢回升。

    注:

    在绘制不同深度处测量的值时,最典型的方法是将深度值放置在在 y 轴上,但在这些教程中,您感兴趣的是基于深度预测氧含量,因此将深度放在散点图的 x 轴上更有意义。

  5. 图表属性窗格中,更改以下参数:
    • 对于 X 轴数值,选择 z
    • 对于 Y 轴数值,选择 Oxygen

    散点图随即更新并显示深度和氧含量之间的关系,深度现在表示在 x 轴上。

    x 轴表示深度的散点图

    您之前已了解到直方图中适合采用对数变换,因此查看氧气测量值采用对数刻度的散点图会很有帮助。

  6. 图表属性窗格中,单击选项卡。 对于 Y 轴属性,选中对数轴
    注:

    使用对数轴相当于对线性轴上的数据应用对数变换。 这与您在上一节中对直方图所做的变换类似。

    对数轴参数

    散点图随即更新以在对数刻度上显示氧气值。 应用对数刻度后,您可以看到与之前相同的趋势,表面处的值最大,表面下方约 800 米处的值最小。 这些点似乎形成两条不同的线,两者在大约 -800 米的深度处连接。

    散点图,其中以对数刻度显示氧气值

    对于此数据,仅需要两条线来近似散点图。 在更分散的散点图中,使用更多的线可提供更接近的近似值。 这是一个非常重要的发现,因为可以在执行插值时对局部线性趋势进行建模和删除。

  7. 关闭图表属性窗格和 OxygenPoints – Relationship between z and Oxygen 图表。
    注:

    图表作为图层的属性进行管理,因此在关闭图表窗格时不会将其删除。 您可以通过展开内容窗格 OxygenPoints 图层中的图例并滚动到图例的底部来查看图表。 双击图例中的图表可将其重新打开。

    “内容”窗格中的“图表”

  8. 如有必要,可在内容窗格中折叠 OxygenPoints 图层。
  9. 保存项目并确认您要将其保存到当前版本的 ArcGIS Pro

您已通过导航局部场景并使用直方图和散点图浏览蒙特利湾的溶氧测量值数据。 您看到最大的氧气测量值位于表面附近,最小的测量值靠近垂直柱体的中间。

借助直方图,您确定对数变换可使溶氧测量值的分布稳定化。 然后,散点图显示氧含量和深度之间存在很强的关系,且可确定对数刻度上的氧可以基于深度精确地近似局部线性趋势。


使用 3D 经验贝叶斯克里金法内插溶氧量

您之前已在地图中浏览溶氧测量值,并借助图表更好地了解到氧气测量值的分布, 同时观察到含氧量会因深度不同而明显变化。

接下来,您将使用这些见解将氧气测量值插入到用于预测整个蒙特利湾溶氧量的连续 3D 模型中。 您将使用 3D 经验贝叶斯克里金法 (EBK3D) 地理处理工具执行插值并在场景中浏览 3D 模型。 然后,您将使用交叉验证来评估模型是否可准确预测溶氧量。

使用地理处理工具插值

在本节中,您将使用 EBK3D 地理处理工具将溶氧测量值插入到可预测测量点之间各处溶氧量的连续模型中。

  1. 如有必要,请打开您的工程。
  2. 在功能区分析选项卡上的地理处理组中,单击工具

    “工具”按钮

    地理处理窗格随即打开。

  3. 地理处理窗格的搜索框内,输入 Empirical Bayesian Kriging 3D。 在搜索结果中,单击 Empirical Bayesian Kriging 3D

    3D 经验贝叶斯克里金法搜索结果

    EBK3D地统计向导中以地理处理工具的形式提供。 插值的结果是一个地统计图层,可显示给定高程处的水平样带。 可以使用范围滑块更改当前高程,并且图层将进行更新以显示新高程的插值预测。

  4. 3D 经验贝叶斯克里金法地理处理工具中,更改以下参数:
    • 对于输入要素,选中 OxygenPoints
    • 验证高程字段是否设置为 Shape.Z
    • 对于值字段,选择 Oxygen
    • 对于输出地统计图层,删除现有文本并输入 Oxygen Prediction

    3D 经验贝叶斯克里金法工具的参数

    这些参数是运行该工具所需的全部。 但是,在上一教程中,您学习了溶氧测量值的分布需要对数变换。 在地理处理工具中,对数经验变换将首先应用对数变换,然后再应用常态得分变换

    注:

    常态得分变换不在本教程范围之内,但此类变换是基于将经验分位数等同于正态分布的相应分位数,对正态分布进行地灵活、非参数变换。 通过应用对数并使用经验常态得分变换(对数经验),变换后所得到的分布将接近正态分布,且最适合 EBK3D

  5. 展开高级模型参数 对于变换类型,选择对数经验

    更改变换类型后,半变异函数模型类型将自动更改为指数。 默认半变异函数模型不适用于变换。

    您之前已了解到,氧含量可以通过基于深度的两条局部趋势线精确近似。 在 EBK3D 中,选择移除一阶(线性)趋势可估计氧气测量值的垂直线性趋势。 因为此垂直趋势是在子集中局部计算的,因此,移除一阶趋势等同于在深度与氧气的散点图中拟合局部趋势线(如果您没有线性回归的经验,则在子集中移除垂直趋势与散点图上的局部线之间的对应关系可能不是很明显。) 因为您之前已经证明此散点图可以通过一系列直线精确近似,因此要移除一阶趋势。

  6. 高级模型参数下,对于趋势的移除阶数,选择一阶

    3D 经验贝叶斯克里金法工具的高级参数

    高程膨胀因子参数用于定义垂直测量值与水平测量值的变化速度比。 例如,如果值的垂直变化速度比水平变化速度快十倍,则此值应为 10。 这可使得方程式在 3D 模式下的所有方向上为测量值提供适当的权重。 由于不知道氧气测量值的适当高程膨胀因子,因此,您需要将此参数留空,而在运行该工具时系统将为其估计一个值。 在运行工具后,可通过查看工具详细信息的方式验证此估计值。

    在本示例中,高程膨胀因子用于校正氧气测量值垂直变化比水平变化快得多这一实际问题。 在地图和散点图中都可以看到这一点,同时,3D 插值也显现出一个问题,因为克里金方程在新位置上进行预测时需要对每个测量值进行适当加权。 如果测量值垂直变化速度比水平变化更快,这意味着在新位置进行预测时,处于大致相同深度的点的加权应高于深度差异非常大的点,即使深度相同的点与预测位置之间距离相对较远时亦如此。

  7. 折叠高级模型参数并展开搜索邻域参数

    搜索邻域参数用于定义在新位置进行预测时如何确定邻近值。 要预测新值,需要确定预测位置附近(称为邻近值)的氧气测量值。 在不同方向上获取多种不同邻域非常重要,尤其是在数据构成垂直列时。

  8. 对于搜索邻域参数,验证以下参数
    • 验证搜索邻域是否设置为标准 3D
    • 验证最大邻近值数是否设置为 2
    • 验证最小邻近值数是否设置为 1
    • 验证扇区类型是否设置为 12 个扇区(十二面体)

    搜索邻域参数

    这些设置可确保搜索邻域将在 3D 模式下的 12 个不同方向(扇区类型)上进行查找,而且,在 12 个方向中的每个方向上可至少找到一个邻近值(最小邻近值数),最多找到两个邻近值(最大邻近值数)。

  9. 单击运行

    该工具随即运行。 执行工具最多可能需要一分钟时间。 运行地理处理工具时,会将条目以及有关运行该工具的时间、所使用的设置、工具是否已成功完成和任何错误消息的详细信息一起添加到工程的地理处理历史中。

  10. 工具完成运行后,在地理处理窗格中,单击查看详细信息

    “查看详细信息”按钮

    窗口将显示工具中所使用参数的汇总。 消息部分中有一个高程膨胀因子估计为约 12.7。 这意味着即使移除垂直趋势,垂直方向的氧气值变化速度仍比水平方向快约 12.7 倍。

    高程膨胀因子值

  11. 关闭窗口。

    Oxygen Prediction 地统计图层已添加到地图。 该图层将以 2D 剖切的形式显示在海洋表面上。 该图层最初完全是红色,并且在该图层的 3D 范围周围绘制一个小的 3D 线框。 如果您在屏幕上看不到此线框,请关闭 World Ocean Base 图层。 由于地统计图层与高程表面和点的垂直夸大程度不同,因此,线框在视觉上与氧气测量值的 3D 范围不匹配。

    初始地统计图层

在 3D 模式下浏览地统计图层

在上一节中,您使用 EBK3D 创建了一个用于预测蒙特利湾溶氧量的地统计图层。 接下来,您将在 3D 模式下浏览地统计图层。 首先,您将更改一些高程和符号系统设置。

  1. 内容窗格中右键单击 Oxygen Prediction 并选择属性
  2. 高程选项卡的垂直夸大中,输入 10

    这样,可将地统计图层的垂直夸大设置为与底图和点相匹配。

    垂直夸大参数

  3. 单击确定

    地统计图层周围的线框将延伸到氧气测量值的底部。 接下来,您将为地统计图层应用不同的配色方案。

  4. 内容窗格中,展开 Oxygen Prediction 图层。

    展开 Oxygen Prediction 图层的图例。

    地统计图层将使用基于分类方法的填充等值线进行渲染。 此数据的默认配色方案将使用红色表示预测氧含量高于 3.785 微摩尔/升的区域。 看起来海洋表面所有位置的预测氧含量都高于此值,因此整个 2D 切片表面呈现红色。

  5. 折叠 Oxygen Prediction 图层。

    为查看表面上预测氧含量的可变性,您将更改分类方法并增加类的数量。

  6. 右键单击 Oxygen Prediction 图层,然后选择符号系统

    符号系统窗格随即出现,并会显示可用的分类选项。

  7. 符号系统窗格的方法中,选择相等间隔。 对于,输入 32

    更改为相等间隔的 32 类的符号系统

    在更改方法和类的数量之后,地统计图层将进行更新以使用具有 32 个类的相等间隔配色方案显示预测氧含量。 现在,您可以通过已更新的色带确认表面氧含量的变化情况。

    已更新的氧含量预测符号系统

  8. 符号系统窗格的分类间隔列表中,向下滚动以显示与表面氧含量相关的黄色和橙色分类间隔。

    这些分类间隔与海洋表面观察到的约 4 至 6 微摩尔/升溶氧量的对应情况。

    预测氧含量大约在 4 至 6 微摩尔/升之间

  9. 关闭符号系统窗格。

    3D 地统计图层将自动启用位于蒙特利湾 3D 场景右侧的范围滑块。 当您指向控件时,控件将变为活动状态,并允许您更改地统计图层的当前深度。

  10. 范围滑块控件上,指向滑块并在绿色框内单击。 输入 -100 并按 Enter 键。

    更改为表面以下 100 米的范围滑块深度

    滑块将移动到表面以下 100 米的深度。 地统计图层将更新以显示新深度处的预测氧含量。

    注:

    图层在新深度上进行更新可能需要几秒钟时间。 如果发现计算机上的运行时间过长,则可以减少符号系统窗格中类的数量。 这样可加快计算速度,并且不改变这些教程的基本概念。

    以 100 米的深度绘制的地统计图层

    在表面以下 100 米,预测氧含量已显著下降。 这可基于您在散点图中看到的内容进行预期。

  11. 指向范围滑块控件的中间,并单击向下按钮。

    向下按钮

    图层向下移动到 169 米的深度,地统计图层随即更新。 随着地统计图层向海洋深处移动,溶氧量预测值将不断下降。

  12. 将滑块拖动回海洋表面。

    拖动到海洋表面的地统计图层

    注:

    如果您不小心将滑块分隔出一个间隔,则地统计图层将始终使用间隔的最高值。

  13. 单击功能区上的范围选项卡。 在回放组中,单击方向以将动画播放方向设置为由上至下。

    方向按钮

  14. 在范围滑块中,单击播放按钮。

    播放按钮

    Oxygen Prediction 图层将在海洋中向下移动,显示 30 个不同深度处的预测氧含量。 下降过程中,图层将在高程表面和底图下移动。

    注:

    动画可能需要几分钟才能完成,因为图层必须在每个新深度处进行计算并自行确定等值线。 然而,深度计算完成后将会缓存,之后每次处于相同深度时都可快速绘制。

    不同深度的范围序列

  15. 动画完成后,将滑块拖回表面高程 (0)。
  16. 再次单击播放按钮。

    这次动画播放速度会很快,可让您查看氧含量如何变化。 如果仔细观察,您就会发现氧含量在深度达 800 米左右之前保持下降状态,之后氧含量开始缓慢上升。

  17. 将范围滑块拖回表面高程 (0)。

评估模型的精度

您可以通过在地图或场景中浏览模型的方式获得大量有关模型的见解,但需要使用更加量化且更易于验证的方法来验证预测溶氧量的准确性和可靠性。 交叉验证是验证地统计模型的常用方法。

交叉验证可移除一个测量点,然后使用所有剩余点来预测所移除的点的位置。 接下来,通过交叉验证将隐藏点处的测量值与预测值进行比较。 这两个值之间的差异称为交叉验证误差,将在每个输入点上执行。

  1. 内容窗格中,右键单击 Oxygen Prediction 并选择交叉验证

    交叉验证窗口随即打开,并显示有关插值模型精度的各种图形和数字诊断。 该窗口由左侧的图形和右侧的汇总统计数据组成。 这些计算的统计数据可用作指示模型及其相关参数值是否合理的诊断信息。

    交叉验证汇总统计数据

    汇总统计数据包括以下信息:

    • 平均值平均值标准化误差都接近于零(分别为 0.007 和 0.017),表明模型的偏差非常小。 它往往不会预测过大或过小的值。
    • 均方根值为 0.26,表示预测氧含量通常与测量值约相差四分之一微摩尔/升。
    • 标准化均方根值为 0.94,接近于理想值 1,平均标准误差为 0.22,近似等于均方根。 以上表明对预测可变性的估计正确。
    • 位于 90%/95% 区间内的值 90.9 和 95.4 都接近理想值 90 和 95,这表明预测值与预测的不确定性一致。
    • 平均 CRPS 很难从字面上解释,但值越小表示准确性和精密性越高。 此处的值 0.083 将与下一教程中的另一个模型进行比较。
  2. 交叉验证窗口的右侧,单击表格选项卡。

    表选项卡

    该表将显示每个输入点的各个交叉验证结果。 这些值用于在窗口左侧生成图形。

  3. 如有必要,在交叉验证窗口的左侧单击预测选项卡。

    对于交叉验证,如果模型可以准确地预测隐藏点处的氧气值,那么它应该能够准确地预测未测量的新位置上的氧含量。

    该图表是交叉验证所得预测氧气值与每个点的测量氧气值的散点图。 如果模型准确,则预测值应等于测量值,因此,理想情况下,点将落在灰色参考线上。 将计算各个点的蓝色回归线,以判断其对理想线的遵循程度。

    预测值与测量值的关系图

    点非常接近理想值,以至于回归线(蓝色)几乎覆盖了参考线(灰色),因此很难看到。

    右上角的点表明,对于较大的氧气值,回归线周围的可变性越高。 这对于地统计数据来说很常见,但值得注意的是,这意味着该模型可以更准确地预测氧含量较低的海洋区域,而不是氧含量较高的区域。

    图形的右上角

  4. 交叉验证窗口的左侧,单击误差选项卡。

    测量与误差图表将显示绘制的测量氧气值与交叉验证误差之间的关系。 蓝色回归线平坦,表明该模型对氧含量较低和氧含量较高的情况所做预测是无偏差的。

    错误选项卡

    该图表指示对于所有氧含量的预测是无偏差的,且对于最高测量值而言,回归线周围的点的可变性最大。 这意味着模型通常可以准确预测大的氧气值,但在高含氧区域内的各个预测会有很多差异。

  5. 关闭交叉验证窗口。

    交叉验证汇总统计数据和图表提供了强有力的证据,证明您创建的 EBK3D 模型能够准确预测整个蒙特利湾的溶氧量,平均误差约为四分之一微摩尔/升。 在接近于表面的氧含量最高的区域,该误差通常较大。

  6. 保存工程。

您已使用 3D 经验贝叶斯克里金法工具对蒙特利湾的溶氧测量值进行了插值。 您还学习了如何使用范围滑块在 3D 模式下浏览地统计图层,并使用交叉验证演示了模型的准确性。


执行地统计向导中的 3D 插值

您之前已使用 EBK3D 地理处理工具对整个蒙特利湾的溶氧测量值进行了插值。 学习了如何使用范围滑块更改地统计图层的深度,并验证了模型的准确性。

接下来,您将使用地统计向导插值溶氧测量值。 地统计向导提供的向导体验可让您查看 EBK3D 方法用于进行预测的局部克里金模型。 通过浏览这些局部模型,您可以直观地了解蒙特利湾局部模型的变化情况。

执行 3D 经验贝叶斯克里金法

首先,您将移动到 2D 地图并使用地统计向导运行 3D 经验贝叶斯克里金法 (EBK3D)。 您将使用所有默认设置,并将交叉验证结果与上一教程中的高级模型进行比较。

地统计向导是动态的页面集,用于引导您完成构建插值模型并评估其性能的过程。 在某一页面中所做的选择将确定可在以下页面中使用的选项以及与数据进行交互以构建适当模型的方式。 从开始选择插值方法直到查看模型预期性能的汇总衡量指标,向导都会自动引导您执行各步操作。

  1. 如有必要,请打开您的工程。
  2. 单击 Monterey Bay 地图选项卡。

    地图将变为蒙特利湾的 2D 地图。 氧气测量值随即被绘制在地图上。

  3. 如有必要,请关闭 OxygenPoints 表。
  4. 在功能区上,单击分析选项卡。 在工作流组中,单击地统计向导

    “地统计向导”按钮

    地统计向导随即打开。 在向导的第一页上,您可以在左侧选择插值方法,在右侧指定输入参数。

  5. 3D 插值组中,选择 3D 经验贝叶斯克里金法。 在输入数据集下,对于源数据集,选择 OxygenPoints。 对于数据字段,选择 Oxygen

    地统计向导第一页的参数

    这些设置指定您要在 OxygenPoints 图层的 Oxygen 值字段上运行 EBK3D

  6. 地统计向导窗口中,单击下一步

    随即打开地统计向导的第二页。

    地统计向导的第二页

    地统计向导的第二页分为几个部分。

    • 常规属性部分显示了适用于 EBK3D 的所有参数。
    • 预览表面显示了当前深度处的预测氧气值的水平剖切。 只要常规属性中的参数发生更改,预览表面就会随之更新。 可让您以交互方式更改参数并查看模型的响应方式。
    • 页面的左下部分显示半变异函数,此函数是 EBK3D 在当前位置和深度的局部模拟模型。 图中的蓝线是该位置的模拟半变异函数。 该图还包含直接从数据计算的蓝色十字(经验半方差)。 通常,蓝色十字应该落在模拟半变异函数的中间。
    • 页面右下方的识别结果部分将显示预览表面的当前位置和预测值。 可以通过在识别结果部分中键入坐标或单击预览表面中的位置来更改位置(XY)和深度 (Z)。
  7. 指向预览表面。

    深度滑块随即显示,使您可以更改当前深度。

    深度滑块

    您可以拖动滑块来修改深度,这与地图中范围滑块的操作方式大致相同。 也可以在滑块下方的框中键入深度。

  8. 在滑块下方的框中,输入 -500 并按 Enter 键。

    预览 500 米深度处的表面

    现在,预览表面将显示海面以下 500 米处的预测氧含量。 图形将更新以显示 EBK3D 在当前位置和深度的局部模拟模型。

    局部克里金模型

  9. 在预览部分,将滑块拖动到几个不同的深度处。

    在每个深度处,单击预览表面的周围并观察局部半变异函数的变化情况。 有些区域的半变异函数会比其他区域上升得更快。 模型上升越快,该位置的氧气值变化速度就越快。

    多个半变异函数

  10. 完成局部模型的浏览后,将滑块拖回海洋表面。

    地统计向导中,您将接受 EBK3D 的所有默认设置,以便将结果与上一教程中创建的高级模型结果进行比较。 您已证明使用高级设置绘图和浏览的合理性,现在,可以观察到这些高级选项在实际中的优异表现。

  11. 地统计向导中单击下一步

    地统计向导执行并显示默认 EBK3D 设置的交叉验证结果。 此页面与您在上一教程中创建的交叉验证窗口相同,但它已集成到地统计向导中。 测量值显示在 y 轴上,预测值沿 x 轴显示。

    绘制的预测值与测量值

    预测与测量图表与上一教程中的高级模型显示模式相同。 回归线几乎落在灰色参考线的顶部,最大氧气测量值显示回归线周围的最大变化。

  12. 单击误差选项卡。

    误差值显示在 x 轴上,测量值沿 y 轴显示。

    错误选项卡

    测量与误差图表与先前模型显示模式相同。 回归线较平缓,测量值越大,回归线周围的可变性越大。

  13. 查看汇总统计数据。

    下表比较了通过地统计向导所生成默认模型与先前高级模型的汇总统计数据。

    统计数据高级模型默认模型

    平均 CRPS

    0.083

    0.114

    位于 90 % 间隔内

    90.9

    91.2

    位于 95 % 间隔内

    95.4

    95.4

    平均值

    -0.007

    0.007

    均方根

    0.260

    0.308

    标准平均值

    0.017

    0.029

    标准均方根

    0.945

    0.964

    平均标准误差

    0.228

    0.305

    汇总统计数据可显示以下见解:

    • 默认模型偏差水平较低,因为平均值平均标准化值都接近于零。
    • 标准均方根的值接近于 1。
    • 位于 90% 区间内位于 95 % 区间内的值都接近于理想值 90 和 95。
    • 均方根的值近似等于平均标准误差的值。

    这些结果令人鼓舞,这表明默认模型通过了地统计模型评估所需的全部典型测试。 但是,以下语句也属正确:

    • 默认模型的均方根的值比高级模型大 18%。
    • 平均 CRPS 的值大 37%。

    对图表进行目视检查时很容易错过上述信息,但很明显,高级模型比默认模型更准确。 平均而言,高级模型预测值与真实值的接近程度要高出 18%,且与预测值相关的不确定性实质上也更为准确。 确定此差异的唯一方法是通过交叉验证进行定量比较。

  14. 单击完成

    将打开方法报告窗口。 此窗口将显示向导中使用的所有参数和设置。

  15. 方法报告窗口中,单击确定

    向导执行完成后,名为 Empirical Bayesian Kriging 3D 的地统计图层会添加到地图中。 它将最初显示海洋表面的预测氧含量,且完全渲染为红色。 在地图的右侧,将显示范围滑块。

    2D 中的地统计图层

探索标准误差

接下来,您将使用范围滑块更改地统计图层的深度,并根据预测的标准误差对图层进行符号化。 与在 3D 场景中一样,您也可以在 2D 地图中使用范围滑块更改地统计图层的深度。

标准误差是与预测值相关的不确定性测量值。 标准误差越大,则预测值的确定性越低。 回想一下交叉验证图表,其中回归线周围氧气测量值较高处比氧气测量值较低处可变性更大。 这表示,预测氧气值较大的区域与预测氧含量较低的区域相比标准误差应更大。

  1. 内容窗格中,右键单击 Empirical Bayesian Kriging 3D 图层,然后选择缩放至图层
  2. 在功能区地统计图层选项卡的绘制组中,对于显示类型,选择标准误差

    “显示类型”参数

    地统计图层随即更新以显示海洋表面预测氧气值的标准误差。

    地统计图层在海洋表面渲染为标准误差。

    在地图上,表面上的标准误差渲染为深红色的阴影,表明在整个 3D 模型中具有最高的不确定性。 这不无道理,因为海洋表面的氧含量最高,因此标准误差也应该最大。

    即使在表面上,紧靠近输入点周围区域的标准误差也会略低。 这也是有道理的,因为模型上更接近测量点时预测确定性比远离任何测量点时预测确定性更高。

  3. 保存项目并单击是以将其保存到不同版本的 ArcGIS Pro

您已使用地统计向导对蒙特利湾的溶氧测量值进行了插值。 此外,您还使用交叉验证方法确定了第二个教程中的高级 EBK3D 模型实际上比本次课程中的默认模型更准确。 然后,您使用范围滑块在 2D 地图中浏览 3D 地统计模型的标准误差。


共享结果

您之前已通过 3D 导航和图表浏览溶氧测量值。 然后,您使用 3D 经验贝叶斯克里金法在 3D 场景中创建了高级模型,在 2D 地图中创建了简单模型。

接下来,您将学习如何导出这些 3D 模型的结果。 地统计图层通过范围滑块和简单访问交叉验证结果,使浏览地统计模型变得十分方便。但为了将这些结果集成到更大的工作流中,您需要能够将结果导出为 GIS 工作流中更常见的格式。 您将学习如何把 2D 剖切导出至栅格和要素等值线,并使用表面来预测 3D 中网格化(未采样)点处的溶氧量。

在教程的最后,您将创建一个记录高级模型在 3D 模式下移动穿过蒙特利湾的动画,并将此动画导出为视频。

导出不同深度的等值线面

首先,您将使用地理处理工具,导出两个深度的填充等值线面。 已导出的填充等值线面看起来与给定深度的地统计图层相同,但它们将存储为面要素类而不是地统计图层。

  1. 如有必要,请打开您的工程。
  2. 打开 Monterey Bay 3D 场景。
  3. 关闭 OxygenPointsOxygen Prediction 图层。 如有必要,将范围滑块拖动到海洋表面。

    您的场景仅显示叠加在高程表面上的底图。

  4. 右键单击 Oxygen Prediction,指向导出图层,并选择到等值线

    “至等值线”选项

    地理处理窗格随即打开,显示 GA 图层转等值线工具参数。

  5. GA 图层转等值线工具中,更改以下参数:

    • 对于输入地统计图层,选择 Oxygen Prediction
    • 对于输出要素类,删除所有现有文本并输入 ContoursDepth0
    • 展开分类。 对于分类类型,选择相等间隔
    • 对于类数,输入 32

    注:

    通过更改 GA 图层转等值线工具中的等值线类型参数,可创建等值线而非填充面。

  6. 单击运行

    工具完成运行后,名为 ContoursDepth0 的面图层将被添加到地图的内容窗格。 该图层看起来与 Oxygen Prediction 地统计图层相同。 但是,该图层不显示 3D 线框,因为它表示单一深度 (0) 上的原始 3D 经验贝叶斯克里金法结果。

    等值线和地统计图层

  7. 折叠 ContoursDepth0 图层的图例。 选中 Oxygen Prediction 图层以将其打开。
  8. 如有必要,可在内容窗格中单击 ContoursDepth0 图层以将其选中。 在功能区要素图层选项卡的比较组中,单击卷帘按钮。
  9. 在多个方向上对 ContoursDepth0 图层应用卷帘。

    在应用卷帘时,各图层之间无明显差异。 由于您刚刚在深度 (0) 处创建了 EBK 结果的副本并将其命名为 ContoursDepth0,该图层在视觉上与 Oxygen Prediction 图层的当前表面深度 (0) 相同。

  10. 地图选项卡的导航组中单击浏览按钮。

    接下来,您将创建深度为 -500 米的图层。

  11. 内容窗格中,关闭 ContoursDepth0Oxygen Prediction 图层。

    GA 图层转等值线工具默认继承地统计图层的深度。 深度当前设置为 0,可通过更改输出高程参数进行更新。

  12. GA 图层转等值线工具中,更改以下参数:
    • 对于输出要素类,删除所有文本并输入 ContoursDepth500
    • 对于输出高程,输入 -500
    • 对于输出高程,如果尚未选择单位,请将其单位设置为
  13. 单击运行

    工具运行完成后,名为 ContoursDepth500 的图层会添加到场景中。 它将显示海面以下 500 米处的预测溶氧量。 但是,该图层与场景的垂直夸大不同,因此它最初不会以正确的深度绘制。 (由于先前面图层在深度为 0 时显示,因此,不需要更改其垂直夸大,即不需要将深度乘以 10。)您需要更改垂直夸大。

  14. 内容窗格中,折叠 ContoursDepth500 图层的图例。 右键单击 ContoursDepth500,然后选择属性
  15. 高程选项卡的垂直夸大中,输入 10。 单击确定

    ContoursDepth500 图层将进行调整并在相对于底层的正确深度上显示。 图层的一角将在高程表面的下方均匀移动。

    更改垂直夸大后的等值线

  16. 关闭 ContoursDepth500 图层。

    要导出多个深度的等值线,您可以使用批地理处理ModelBuilder 或者 Python 脚本。 等值线随即显示在同一地图上,以模拟 3D 效果。

导出不同深度处的标准误差栅格

接下来,您会将预测值的标准误差导出至 2D 地图中的栅格。 此工作流与导出要素等值线类似。

  1. 切换到 Monterey Bay 地图。 关闭 Empirical Bayesian Kriging 3D 图层。
  2. 内容窗格中,右键单击 Empirical Bayesian Kriging 3D,指向导出图层,然后选择转栅格

    GA 图层转栅格工具随即打开。

  3. GA 图层转栅格工具中,更改以下参数:
    • 验证输入地统计图层是否已设置为 3D 经验贝叶斯克里金法
    • 验证输出表面类型是否已设置为预测标准误差
    • 对于输出栅格,删除文本并输入 StandardErrorDepth0
    • 对于输出像元大小,删除文本并输入 200
    • 对于输出高程,输入 0

    “GA 图层转栅格”工具的参数

  4. 单击运行

    工具运行完成后,名为 StandardErrorDepth0 栅格图层会添加到地图中,同时会显示海面预测值的标准误差。

    2D 表面图层

    在紧邻输入点的区域中,标准误差最低。 这是因为在测量次数越多的区域中,预测更加精确和准确。

  5. 关闭 StandardErrorDepth0 图层。

    接下来,您将再创建一个深度为 -500 米的栅格图层。 GA 图层转栅格工具默认继承地统计图层的深度。 其当前设置为 0,可通过更改输出高程参数进行更新。

  6. GA 图层转栅格工具中,更改以下参数:
    • 验证输入地统计图层是否已设置为 3D 经验贝叶斯克里金法
    • 验证输出表面类型是否已设置为预测标准误差
    • 对于输出栅格,删除所有文本并输入 StandardErrorDepth500
    • 验证输出像元大小已设置为 200
    • 对于输出高程,输入 -500
    • 验证输出高程单位是否已设置为
  7. 单击运行

    工具运行完成后,名为 StandardErrorDepth500 的栅格图层会添加到地图中,同时会显示 500 米深度处的预测溶氧量标准误差。

    500 米深度处标准误差的图层

  8. 使用卷帘工具来比较 StandardErrorDepth500StandardErrorDepth0 图层。

    StandardErrorDepth500 栅格看起来与 StandardErrorDepth0 栅格非常相似。 最小标准误差位于紧邻点周围的区域。 然而,图层的图例表明标准误差的绝对值存在显著差异。

    栅格的符号系统基于其各自的直方图,因此某一深度上的红色并不对应于另一深度上的相同值范围。 实际上,对于这些深度来说,深度为 500 米处的最深的红色对应的标准误差 (0.217),甚至小于表面上最浅的红色的标准误差 (0.294)。

    两个标准误差栅格的图例

    这就说得通了,因为在高级模型和简单模型中都能够看到,高氧气值比低氧气值有更大的不确定性。

    注:

    如果您的分析需要预测氧气值的栅格而不是预测标准误差的栅格,则可以在 GA 图层转栅格工具中将输出表面类型参数更改为预测

    您还可以同时将栅格导出到多个高程,并使用 GA 图层转 3D 多维栅格工具将结果保存为多维栅格数据集。 您可以使用地统计图层属性页面中导出图层菜单的至多维栅格按钮打开此工具。

对 3D 中网格化点进行预测

3D 地统计图层的一个重要用例是能够使用 GA 图层转点地理处理工具在 3D 中对任意位置进行预测。 虽然您可以预测 3D 中的任何点,但它通常用来预测 3D 中网格点,以便同步可视化整个 3D 模型。 接下来,您将使用此功能来预测格网点。

  1. 切换到 Monterey Bay 3D 场景。
  2. 地图选项卡的导航组中,单击书签并选择 Monterey Canyon
  3. 内容窗格中,打开 TargetPoints 图层。

    TargetPoints 图层

    该图层在整个蒙特利湾的近似网格中包含 560 个点。 这些点没有任何相关属性,它们将用作 3D 模型的目标位置。 其深度范围为 150 米到 1,950 米,因此它们的深度范围比测量的氧气值更窄一些。 这将确保每个目标点在上方和下方均具有足够的输入点。

  4. 使用浏览或者导航器工具来浏览(平移、缩放、旋转和倾斜)TargetPoints 图层内点的分布。

    3D 模式下的格网化点

  5. 内容窗格中,取消选中 TargetPoints 图层。
  6. 右键单击 Oxygen Prediction,指向导出图层,并选择到点

    GA 图层转点地理处理工具随即打开。

  7. GA 图层转点工具中,更改以下参数:
    • 验证输入地统计图层是否已设置为 Oxygen Prediction
    • 对于输入观测点位置,选择 TargetPoints
    • 验证高程字段是否设置为 Shape.Z
    • 对于输出点位置处的统计数据,删除所有文本并输入 TargetPredictions

    “GA 图层转点”工具的参数

  8. 单击运行

    该工具运行结束后,名为 TargetPredictions 的图层会添加到地图中。 各个点处的预测溶氧量存储在名为 Predicted 的字段中,同时预测的标准误差存储在名为 Standard Error 的字段中。 (您可以通过打开 TargetPredictions 属性表并向右滚动来查看它们。)这些点的最初显示未使用垂直夸大,但具有默认符号系统。

  9. 右键单击 TargetPredictions,然后选择属性。 在高程选项卡的垂直夸大中,输入 10 并单击确定

    TargetPredictions 图层随即更新,显示与底图相同的垂直夸大。 接下来,您将使用预测的溶氧量对点进行符号化。 为此,您将从 OxygenPoints 图层导入并应用符号系统。

  10. 右键单击 TargetPredictions,然后选择符号系统。 在符号系统窗格中,单击选项菜单,然后选择导入符号系统

    导入符号系统选项

    应用图层的符号系统工具随即在地理处理窗格中打开。

  11. 应用图层的符号系统工具中,更改以下参数:
    • 验证输入图层是否已设置为 TargetPredictions
    • 对于符号系统图层,选择 OxygenPoints
    • 符号系统字段类型中,选择值字段
    • 对于源字段,选择 Oxygen
    • 对于目标字段,选择 Predicted

    “应用图层的符号系统”工具的参数

  12. 单击运行

    该工具的运行需要花费一些时间,但完成后,符号系统窗格即会更新 TargetPredictions 图层的分类和配色方案。 在地图中,要素将进行更新并通过预测的溶氧量进行符号化。

    基于预测氧含量绘制的 3D 预测点

  13. 关闭符号系统地理处理窗格。

    深度 150 米处点的顶部图层接收约在 3.2 到3.7 微摩尔/升之间的预测值,并且朝向中间的点的预测氧含量小于 1。 在更深的深度上,这种趋势发生反转,预测值开始增加。 您之前通过使用范围滑块已经在散点图中的不同深度上看到了氧气值的相同趋势,但这是您第一次同时在 3D 地图中看到该趋势。

    注:

    3D 中的网格预测点有许多可能用途,其中包括通过取预测值的平均值来估算 3D 体内的预测平均值,并通过其预测值进行点的过滤,以便隔离其中预测值过高或者过低的区域。

使用范围滑块设置创建动画

接下来,您将创建 Oxygen Prediction 图层从海洋表面向下移动到蒙特利峡谷底部的动画。 然后,您可以导出动画视频,以便与同事和公众分享工作成果。 该动画将说明用于预测整个蒙特利湾氧含量的 3D 地统计插值结果。

注:

如果您想以视频的形式查看动画,请点击以下链接。 如果您想创建动画并将结果导出为自己的视频,请继续执行以下步骤。

观看视频

  1. 关闭 TargetPredictions 图层并折叠其图例。 打开 Oxygen Prediction 图层。
  2. 使用范围滑块,确保 Oxygen Prediction 图层正在显示表面预测。
  3. 地图选项卡的导航组中,单击书签并选择 Monterey Canyon

    您的地图仅显示 Oxygen Prediction 地统计图层。 取消选中除 World Ocean BaseWorldElevation3D/TopoBathy3D 之外的所有其他图层。

    设置动画的起始深度

  4. 在功能区范围选项卡的步长组中,单击步长数并验证其已设置为 30

    步长数参数

  5. 视图选项卡上的动画组中,单击添加

    “添加”按钮

    动画时间线窗格随即出现,且活动功能区选项卡更改为动画选项卡。

    注:

    如果您的动画时间线窗格不可见,请单击动画选项卡回放组中的时间线按钮。

  6. 动画选项卡的创建组中,单击导入并选择范围滑块步长

    “导入”按钮

    由于您已将范围的步数设置为 30,因此将生成一个 32 帧的序列,且会并排显示在动画窗格中。 将自动添加其他帧以调整动画的开始和结束关键帧。

    注:

    如果您更改了范围的步长间隔,步长数或播放方向,则帧数可能会不同。

  7. 如有必要,将动画时间线视图停靠在 Monterey Bay 3D 场景的下方。

    动画帧最初可能为空并显示为空白,但随着每个深度上帧的生成,它们将通过不同深度的地统计预览慢慢填充并更新。 加载所有帧可能需要几分钟时间。

    动画时间线

  8. 动画时间线视图中,验证是否已生成所有帧。 向右滚动,直到看到第 33 帧。

    最后一帧

    在功能区动画选项卡的回放组中,会显示动画的当前持续时间字段。

    动画的持续时间设置为 1 分 36 秒 (01:36.000)。 (您的持续时间可能会有所不同。)无论如何,这个时间过长,所以需要将持续时间缩短到 30 秒。

  9. 对于持续时间,输入 00:30.000 并按 Enter 键。

    持续时间参数

    随即调整动画帧之间的持续时间,以使整个动画的总长度为 30 秒。 接下来,您需要将动画时间线导出为动画。

  10. 在功能区动画选项卡的导出组中,单击动画

    动画按钮

    导出动画窗格随即出现,用于指定与导出视频相关的选项。

  11. 导出动画窗格中,展开动画导出预设以显示预定义导出预设的列表。 更改以下预设:
    • 从预设中,单击 HD720
    • 对于文件名,将文件路径更改为解压缩项目时所在的目录,并验证视频文件的名称为 Monterey Bay 3D.mp4
    • 展开文件导出设置并验证媒体格式是否已设置为 MPEG4 动画 (.mp4)
    • 对于每秒帧数,输入 15

    导出动画窗格

    为了节省导出时间,您的视频将使用相对较低的帧速率(每秒 15 帧)。 要创建更高分辨率的视频,可以增加每秒的帧数。

  12. 单击导出

    导出该视频文件可能需要花费几分钟的时间。 您的计算机处理器和显卡将直接影响动画的导出速度。 此外,动画的长度和分辨率的大小也会影响生成动画的每一帧的时间。

  13. 视频导出完成后,在导出动画窗格的左下角,单击播放视频

    计算机的默认视频查看器将打开,以显示从海洋表面向下通过蒙特利湾不同深度的地统计图层的动画,来预测进程中的溶氧量。

    动画

    此视频可进行共享并供所有人访问。 您可以将此视频上传到 ArcGIS Online,在 YouTube 上与他人分享,或向同事展示。

    注:

    如果 Windows Media Player 或其他常用的视频播放器无法播放您从 ArcGIS Pro 中导出的动画,则很有可能是因为您缺少必要的编解码器文件。 编解码器是用来保证视频文件不会过大的一种压缩格式。 正确安装编解码器后,Windows Media Player 将能够播放以下支持的动画格式。

  14. 关闭动画时间线导出动画窗格。
  15. 保存工程。

您已经了解了如何将 3D 地统计图层导出到等值线面、栅格和 3D 点。 您还学到了如何制作一个穿过蒙特利峡谷的地统计图层动画,以可视化方式估算溶解氧。


将结果可视化为体素图层

之前,您学习了如何将插值结果导出为有用的格式,例如栅格、等值线要素和动画。

接下来,您将学习如何将结果可视化为体素图层。 体素图层是 3D 体积可视化,使您可以查看和探索预测的溶氧水平的完整 3D 立方体。

创建一个 netCDF 文件并添加体素图层

要将溶氧预测可视化为体素图层,必须首先创建体素图层的源文件。 此源文件为表示 3D 网格化位置的 netCDF (*.nc) 文件,该位置用于渲染体素图层中的每个体素。 可以使用 3D GA 图层转 NetCDF 工具创建此文件。

  1. 如有必要,打开您的工程并打开 Monterey Bay 3D 场景。
  2. 关闭 Oxygen Prediction 图层。
  3. 导航至蒙特利峡谷书签。
  4. 右键单击 Oxygen Prediction,指向导出图层,并选择至 NetCDF/体素

    将在地理处理窗格中打开 3D GA 图层转 NetCDF 工具。 该工具允许您将 3D 格网化点导出为 netCDF 格式。 您可以使用 X 间距Y 间距高程间距参数提供这些格网化点之间的间隔。 默认情况下,将在所有维度上创建 40 个点,这将产生 64,000 个位置。

    输入 3D 地统计图层参数将自动填充为 Oxygen Prediction 图层。 可以提供多个地统计图层并将其导出到同一 netCDF 文件。

  5. 对于输出 netCDF 文件,删除所有文本并输入 VoxelSource。 选择整个输出路径和文件名,单击右键,然后选择复制

    您将在后续步骤中粘贴路径和文件名。

  6. 对于输出变量,单击添加其他内容按钮可将新行添加到值表中。 在新行中,对于图层名称,选择 Oxygen Prediction。 对于输出表面类型,选择预测标准误差

    以这种方式设置参数将导致该工具在这些位置上导出预测值和溶氧预测值的标准误差。

    3D GA 图层转 NetCDF 工具

  7. 单击运行

    运行此工具可能需要花费几分钟时间。 一开始,无图层添加到场景。

  8. 关闭地理处理窗格。
  9. 地图选项卡的图层组中,单击添加数据,然后选择添加多维体素图层

    添加多维体素图层

    添加体素图层窗口随即显示。

  10. 对于输入数据源,粘贴您复制的输出路径。 或者,使用浏览按钮浏览至 VoxelSource.nc 文件。
    注:

    文件的位置可能与示例图像中显示的位置不同。

    溶氧预测的预测值和标准误差将显示在选择变量部分。 选择预测作为默认变量

    添加体素图层

  11. 单击确定

    VoxelSource 体素图层添加到场景并以 3D 渲染。

    场景中的体素图层

调整体素图层的属性

最初,体素图层与场景的其余部分没有相同的符号系统或垂直夸大。 您将调整体素图层的属性以使其更好地匹配场景。

  1. 右键单击 VoxelSource,然后选择属性
  2. 高程选项卡上,将夸大模式更改为 Z 坐标。 对于夸大,输入 10

    体素图层属性页面

  3. 单击确定

    将体素图层拉伸到与场景相同的垂直夸大。

  4. 右键单击 VoxelSource,然后选择符号系统

    随即显示符号系统窗格。

  5. 符号系统窗格的配色方案中,单击菜单,然后选中显示名称全部显示
  6. 选择预测配色方案。
    提示:

    配色方案按字母顺序排列。

    体素图层符号系统

  7. 关闭符号系统窗格。

    现在,体素图层具有与点和地统计图层相同的配色方案。

    使用符号系统的体素图层

  8. 使用浏览工具,在蒙特利峡谷中导航。 从不同角度查看体素图层。

    体积的中部具有最低的预测氧含量,而海洋表面具有最高的氧含量。

使用剖切移除研究区域的角落

体素图层填充了完整的 3D 立方体,但是此立方体的某些区域没有任何氧气测量值。 您将使用剖切来删除体素图层的两个角,这些角附近没有点。

  1. 打开 OxygenPoints 图层。

    您可以通过体素图层查看大多数点。 立方体的某些区域内没有点。

  2. 导航至切片角度 1 书签。

    范围更改为显示体素图层的一个不包含点的角。 在示例图像中,没有点的阴影区域是要切除的体素图层区域。

    没有点的体素图层

  3. 如果尚未展开图层,请展开 VoxelSource。 右键单击剖切然后选择创建剖切

    创建剖切。

    剖切片和截面工具栏出现在场景的底部,使您能够以交互方式创建剖切。 默认选择垂直剖切按钮。

  4. 确认垂直剖切按钮已选中。 沿着要移除的体素区域边缘单击两次。

    以交互方式创建剖切。

    体素探索窗格出现,允许您更改剖切的位置、方向和倾斜度。 您将创建另一个剖切以移除对角。

  5. 导航至切片角度 2 书签。
  6. 内容窗格中,对于 VoxelSource,右键单击剖切然后选择创建剖切
  7. 使用垂直剖切工具,沿着要移除的体素区域边缘再次单击两次。

    创建第二个剖切。

  8. 在工具栏上,单击翻转工具以翻转剖切的一侧。

    翻转剖切。

    现在已从体素图层中移除了没有氧气测量值的两个角。 也可以使用剖切移除另外两个角。

  9. 使用浏览工具,在蒙特利峡谷中导航。 从不同角度查看体素图层。

创建垂直和倾斜的截面

截面可通过显示 2D 横断面来可视化水平、垂直或倾斜剖切。 之前,您只能看到绝对水平的横断面。 接下来,您将创建一个与蒙特利峡谷最陡峭部分大致平行的截面。 然后,再创建一个与第一部分大致垂直的第二个截面。

  1. 导航至横截面角度 1 书签。

    相机变焦到与峡谷侧面平行的角度。

    第一个截面的角度

  2. 内容窗格中,对于 VoxelSource,单击表面旁边的按钮以更改可视化效果。

    更改表面的可视化效果。

    体素图层从地图上消失,并且直到添加表面后才会重新出现。

  3. 展开表面,右键单击截面,然后选择创建截面

    创建截面。

    透明体素图层

    体素图层的透明可视化效果随即出现,以帮助您创建剖切。

  4. 剖切片和截面工具栏上,单击水平截面按钮。

    “水平截面”按钮

  5. 使用水平截面工具,在峡谷最陡峭部分附近点列的中间单击。

    深度点的水平视图

  6. 体素探索窗格中,对于倾斜度,输入 -150,然后按 Enter 键。

    更改倾斜度。

    将截面的倾斜度更改为大致平行于峡谷。

    斜截面

  7. 导航至横截面角度 2 书签。
  8. 内容窗格中,对于 VoxelSource表面,右键单击截面然后选择创建截面
  9. 使用垂直截面工具,单击两次地图以使另一个截面大致垂直于第一个截面。 确保先单击地图的最右侧,再单击最左侧。

    第二个垂直截面

  10. 导航至蒙特利峡谷书签。
  11. 内容窗格中单击任意其他图层以移除垂直截面上的突出显示效果。
  12. 使用浏览工具,在蒙特利峡谷周围导航,并从不同角度查看截面。

    探索两个垂直截面。

  13. 完成后,导航回蒙特利峡谷书签。

创建溶氧的等值面

等值面是等值线的 3D 等效表示。 等值线是一条线上的所有位置都具有相同值的线。 同样,等值面是 3D 中的一个表面,其上的所有位置都具有相同的值。 在本部分中,您将创建一个等值面并以交互方式更改等值面的值。

  1. 内容窗格,展开 VoxelSource,对于表面,取消选中截面旁边的框。

    关闭截面。

    这些截面将从地图中消失。

  2. 对于 VoxelSource表面,右键单击等值面,然后选择创建等值面

    等值面可视化效果随即添加到地图中,以显示所有具有相同溶氧水平的 3D 区域面。

    可视化等值面。

    体素探索窗格中,可通过旁边的滑块查看各种溶氧水平的等值面。

  3. 拖动滑块到最左边以查看最小值。

    等值面值滑块

    对于此值,体素不会在任何地方渲染。

  4. 慢慢向右拖动滑块,并观看 3D 中的等值面变换以可视化各种溶氧水平。

    各种溶氧水平的等值面

  5. 保存工程。

3D 经验贝叶斯克里金法是一种通用的 3D 插值方法,您在此教程中学到的技能可以直接应用于许多领域,其中包括海洋学,大气科学和一些地质应用。 我们鼓励您针对您的数据尝试 3D 经验贝叶斯克里金法或从世界海洋数据库 (WOD) 下载其他数据并重复在这些教程中学到的步骤。

在本教程中,您学习了如何使用 3D 经验贝叶斯克里金法将蒙特利湾的溶氧测量值插入到可预测测量点之间各处溶氧量的 3D 地统计模型中。 您使用地理处理工具和地统计向导执行了 3D 经验贝叶斯克里金法,并学习了如何验证插值模型的准确性。 您将结果导出到栅格和要素等值线,并共享模型的动画,以便其他人可以看到您的学习成果。 最后,将结果可视化为了体素图层,并学习了如何创建体积、剖切、截面和等值面。

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