准备多维污染数据
首先，您将探索污染数据的镶嵌数据集。 您将使用镶嵌创建一个多维图层和一个时空立方体。 多维层和时空立方体数据结构是表示时态数据的不同方法，并且是与许多不同的分析工具兼容的格式。
下载并浏览数据
您将从探索测量微粒物质污染水平的全局栅格数据开始。 这些是直径为 2.5 微米或更小的空气污染颗粒，称为 PM 2.5。 您可以在世界卫生组织的网站上阅读有关微粒物质和其他室外空气污染的信息。
- 下载 InvestigatePollutionPatterns 工程包。
- 在计算机上找到已下载的 InvestigatePollutionPatterns.ppkx 文件。 双击该文件以在 ArcGIS Pro 中将其打开。 如果出现提示，请登录 ArcGIS 帐户。
注：
如果您没有 ArcGIS Pro 的访问权限或者 ArcGIS 组织帐户，请参阅软件访问权限选项。
该工程有三个地图（Part 1、Part 2 和 Part 3.1）以及一个局部场景 (Part 3.2)。 Part 1 地图处于活动状态。
- 如有必要，可缩小地图，直到您能看到整个世界。
该地图是使用平等地球投影坐标系绘制的。 该坐标系不会使区域变形，因此适用于全局分析。
- 在内容窗格中，选中 PM25 旁边的框以打开图层的可见性。
PM25 是多维镶嵌。 多维数据是指在多个时间、深度或高度捕获的数据。 在这种情况下，额外的维度是时间。 ArcGIS Pro 中的镶嵌数据集由三个部分组成：边界、覆盖区和图像。
- 在内容窗格中，右键单击 Footprint 并选择属性表。
该属性表随即显示在地图下方。 它包含 19 行。
镶嵌引用 19 个 .tif 栅格文件。 该表中的行表示 1998 年至 2016 年中 19 个栅格的覆盖区。 在 PM25 镶嵌中，这 19 个栅格彼此堆叠。 每个栅格记录一年内的微粒物质平均污染水平 (PM 2.5)。
- 滚动到表的右侧并验证每个栅格覆盖区是在 Standard Time、Dimensions 和 Variable 字段中是否包含数据。 Standard Time 值应从 1998 年 1 月 1 日开始，到 2016 年 1 月 1 日结束，每行增加一年。
注：
这三个字段是使用构建多维信息工具创建的。 ArcGIS Pro 中的许多多维工具需要这些特定字段，因此此工具会基于现有字段（Var 和 Date）使用正确的字段名称和类型创建这些字段。
- 关闭属性表。
- 在内容窗格中，单击影像图层以将其选中。
图层上下文选项卡随即在功能区中显示。
- 在功能区上，单击图像图层选项卡。 单击并展开拉伸类型按钮，然后选择裁剪百分比。
拉伸类型将更改栅格数据符号化的方式。 裁剪百分比会裁剪最高和最低值，以减少异常值对可视化的影响。 现在，您可以看到世界上 PM 2.5 污染级别较高（白色）和较低（黑色）的区域。
创建多维栅格图层
接下来，您将使用镶嵌数据集创建多维栅格图层（CRF 格式）。 这是一个启用时间的图层，与创建该图层的多维镶嵌具有相似的属性，但是数据全部包含在单个栅格图层中。 多维栅格图层可用作 ArcGIS Pro 中的许多地理处理工具和图表的输入，因此创建该图层将提供更多的分析机会。 例如，您将使用时间滑块浏览多维栅格图层的时间片。
- 在功能区上，单击分析选项卡。 在地理处理组中，单击工具。
- 在地理处理窗格的搜索栏中，输入复制栅格。 在搜索结果中，单击复制栅格工具以将其打开。
- 在复制栅格工具窗格中，对于输入栅格，选择 PM25。
- 对于输出栅格数据集，单击浏览按钮。
- 浏览到要保存新栅格的文件夹（例如 C:）。 对于名称，输入 PM25.crf，然后单击保存。
- 对于 NoData 值，输入 0。
- 确保选中以多维方式处理。
- 单击运行。
新图层 PM25.crf 随即添加到地图中。 看起来与 PM25 镶嵌类似。
- 在内容窗格中，关闭 PM25 镶嵌图层。
现在，您已经在一个启用时间的栅格图层中包含了 19 年的数据，而不是包含 19 个栅格图层的镶嵌。 您将使用时间滑块以动画形式显示 PM25.crf 图层。
- 如有必要，在内容窗格上，单击 PM25.crf 以将其选中。
- 在地图顶部，指向时间滑块以显示其控件。 单击面板中心的播放按钮。
数据将从 1998 到 2016 年逐年以动画形式呈现出来。
在本教程的后面，您还将使用 PM25.crf 图层创建时间分布图。 但首先，您将为数据创建第三种表示形式：时空立方体。
创建一个时空立方体
接下来，您将通过多维栅格图层创建时空立方体。 时空立方体是另一种结构化时空数据的方法。 它存储为 netCDF 文件，并可与时空模式挖掘工具箱配合使用。
首先，您需要确保多维栅格上不存在时间过滤。
- 单击功能区上的时间选项卡。 在当前时间组中，单击启用开始时间和启用结束时间按钮。
Start、Span 和 End 字段已被清除。
- 在地理处理窗格中，单击后退按钮。
提示：
如果找不到地理处理窗格，单击功能区上的分析选项卡，然后单击工具按钮。
- 搜索并打开通过多维栅格图层创建时空立方体工具。
- 对于输入多维栅格图层，选择 PM25.crf。
- 对于输出时空立方体，单击“浏览”按钮。
- 浏览到您要保存时空立方体的文件夹（例如 C:）。 对于名称，输入 PM25 并单击保存。
- 对于填充空立方图格方法，接受默认值零。
- 单击运行。
该工具将创建一个 NetCDF 时空立方体。 文件的扩展名为 .nc。 该时空立方体未添加到地图，但它是用作时空模式挖掘工具箱中的工具的输入的基础数据结构。 您将在本教程的后面看到这些工具的一些示例。
- 工具运行完成后，单击窗格底部的查看详细信息链接。
消息选项卡上随即显示详细信息窗口。 您可以在这里查看该工具中使用的参数并读取任何消息、错误或警告。
- 在详细信息窗口中，滚动浏览消息部分。
在此部分中，您可以查看有关时空立方体的信息，包括时间片的数量、时间间隔以及每个时间片位置的数量和大小。 同时，也可能存在关于数据或者正在执行的操作的警告。 该操作完成后，即可继续。
- 关闭详细信息窗口。
- 在快速访问工具栏上，单击保存按钮以保存您的工程。
目前为止，在本教程中，您学习了三种数据结构：多维镶嵌、多维栅格图层和时空立方体。 您创建了一个多维栅格图层并为其生成了动画，并生成了一个时空立方体。 接下来，您将使用多维栅格图层创建时态图表，这是可视化多维数据的另一种方法。
绘制图表并通过时间可视化污染
您已经创建了多维栅格图层并且已使用时间滑块将这些数据可视化。 但是，仅使用时间滑块很难得出可靠的结论。 接下来，您将创建一个时态图图表，以探索不同国家的污染时间序列。 将时态数据压缩为图表是一种重要的技术，可以使数据更易于理解和传达。
从 Living Atlas 添加国家/地区边界
为清楚起见，您将使用新地图，向其中添加 PM25.crf 图层的副本。 您还将使用 ArcGIS Living Atlas of the World 添加世界各国/地区图层。
- 如有必要，请重新打开 InvestigateGlobalPollutionPatterns 工程。
- 在内容窗格的名为 Part 1 的地图中，右键单击 PM25.crf 图层，然后选择复制。
- 单击 Part 2 地图选项卡以将其激活。 在内容窗格中，右键单击 Part 2，然后选择粘贴。
PM25.crf 图层显示在内容窗格和地图上。
- 确保名为 Part 2 的地图处于活动状态并打开目录窗格。
提示：
要打开目录窗格，在功能区上，单击视图选项卡，然后在窗口组中，单击目录窗格。
- 在目录窗格中，单击门户，然后单击 Living Atlas。
- 在搜索栏中，输入 World Country，然后按 Enter 键。
- 在搜索结果中，右键单击 World Countries (Generalized) 并选择添加至当前地图。
- 在内容窗格中，右键单击 World_Countries_(Generalized) 图层的符号，然后单击无颜色。
这使图层的填充为透明，因此您可以查看下方的栅格图层。
- 单击功能区上的地图选项卡。 在导航组中，单击书签，然后选择 Europe 书签。
地图会缩放至欧洲。
创建时态图图表
接下来，您将创建一个图表，其中显示三个欧洲国家的污染时间序列。
- 在内容窗格中，右键单击 PM25.crf，单击创建图表，然后选择时态图。
随即显示空白的图表视图和图表属性窗格。
您可以通过时态图图表从多维栅格图层定义感兴趣的区域，并为这些区域绘制时间序列图表。 这些区域可以在地图上绘制，也可以从其他图层进行选择。 您可以从 World Countries (Generalized) 图层中选择国家作为感兴趣的区域。
- 在图表属性窗格中的时间序列下，确保选择了多个具有一个变量的位置。 在定义感兴趣区域下，单击要素选择器按钮。
- 在地图上，单击英国将其选中。 国家面以浅蓝色突出显示。
折线图出现在图表视图中，也是蓝色的。 在图表属性窗格的定义感兴趣区域部分中，新条目将出现在表格中。
您将为每个感兴趣的区域给定不同的颜色，以使图表更易于阅读。
注：
如果未显示该图表，请单击定义感兴趣区域下的删除选定行。 再次选择英国。
- 单击符号并选择火星红（第二列，第三行）。
提示：
要查看颜色的名称，请指向该颜色。
- 将符号大小更改为 10，将标注更改为 UK。
- 在地图上，单击挪威。 在图表属性窗格中，将其颜色更改为暗苹果色（第七列，第三行）。
- 在地图上，单击意大利。 将其颜色更改为天青石色（第十列，第四行）。
- 对于两个新条目，将符号大小更改为 10。 将标注更改为 Norway 和 Italy。
- 在图表属性窗格的顶部，单击轴选项卡。
在 X 轴和时间格式部分，您将更新日期格式。
- 对于日期格式，选择 (yyyy) 选项（以当前年份为开头）。 对于时间格式，选择 <无>
- 在 Y 轴下，对于界线，将最小值更改为 0。
- 单击常规选项卡，并将图表标题更改为 Mean Annual PM 2.5, 1998–2016。
- 对于 X 轴标题，输入 Year。 对于 Y 轴标题，输入 PM 2.5 (μg/m3)。
微粒物质污染 (PM 2.5) 以微克每立方米为单位。
提示：
您可以将 μ 符号从本页复制到 ArcGIS Pro。
世界卫生组织 (WHO) 建议 PM 2.5 级别不得高于 10 μg/m3。 遵守该指南可以将与空气污染相关的死亡人数降低 15%。 要完成图表，您将添加一个参考线，以表示此最高的建议级别。
- 单击参考线选项卡，然后单击添加参考线。
- 单击参考线 1 旁的编辑参考线名称按钮，并将文本编辑为 WHO PM 2.5 Guideline。
- 对于值，在第一个框中输入 10，在第二个框中输入 20。
- 查看您的图表和地图。
该图表显示了相距较近的国家在 PM 2.5 污染级别上的明显差异，其中意大利的级别最高，英国的级别较低，挪威的级别最低。 图表显示，这种差异在多年来非常一致。
2003 年，英国 PM 2.5 平均值的峰值并未影响挪威和意大利。 2014 年，情况恰恰相反：意大利和挪威的 PM 2.5 平均值达到峰值，而英国则没有。 总体而言，从 1998 年到 2016 年，挪威的 PM 2.5 平均值没有上升或下降的趋势。 但是，英国和意大利在这 19 年间的 PM 2.5 平均值呈现温和的逐渐下降趋势。
图表上的灰色阴影区域表示高于 WHO 的 10μg/ m3 参考值的值。 挪威和英国在整个时间序列中一直低于建议的最高级别。 然而，意大利在 19 年中一半以上时间内一直高于建议级别。 意大利包含欧洲污染最严重的地区之一：北部的波谷（米兰市所在位置）。 在该处，严重的污染主要由运输导致。 阿尔卑斯山脉位于北部，限制了山谷中的污染，使之难以保持在世界卫生组织的指导级别内。
- 关闭图表和图表属性窗格。
关闭图表后，英国、意大利和挪威的彩色区域将从地图上消失。 该图表仍然可用，您可以从内容窗格中重新打开图表。
- 保存工程。
在这部分教程中，您为欧洲的三个国家的 PM 2.5 时间序列数据绘制了图表。 您利用了 ArcGIS Living Atlas 查找其他数据。 您使用了时态图图表汇总并解释污染数据。 您发现，在为其绘制图表的三个国家中，意大利的 PM 2.5 级别平均值最高，这在整个时间序列中都是一致的。 接下来，您将对 PM 2.5 数据进行统计测试，以在全球范围内查找高污染和低污染区域。
执行时空模式挖掘
您已经使用多维栅格图层和时态图浏览了数据。 但是，如果得到客观统计测试的支持，则得出的关于数据模式的任何结论都将更强大。 接下来，您将使用时空立方体查找污染在空间和时间上具有统计意义的热点和冷点。 您将探索模式在全球范围内以及随着时间的变化。 对空间和时间数据进行统计测试非常重要，因为人眼可能会看到不存在的模式，或者错过其他模式。
在时空立方体中查找热点和冷点
您将使用时空立方体通过时空模式挖掘工具箱中的新兴热点分析工具来查找污染的热点和冷点。 然后，您将解释结果。 您将在 Part 3.1 地图中进行此分析。
- 如有必要，请重新打开 InvestigateGlobalPollutionPatterns 工程。
- 单击 Part 3.1 地图选项卡。
- 如有必要，请在地理处理窗格中，单击后退按钮。 搜索并打开新兴时空热点分析工具。
- 在新兴时空热点分析工具窗格中，对于输入时空立方体，单击浏览按钮。
- 浏览到您之前保存的时空立方体。 单击名为 PM25.nc 的文件，然后单击确定。
- 对于分析变量，选择 PM 2.5_NONE_ZEROS。 此字段包含微粒物质的水平，缺失的值填充为零。
- 对于空间关系的概念化，选择最近的 K 个相邻要素。
注：
空间统计和时空模式挖掘工具箱中的许多工具为您的分析中的空间关系的概念化提供多种选择，在做出选择时，考虑要尝试测量的现象十分重要。
- 对于定义全局窗口，选择单一时间步长。
- 单击运行。
新兴热点分析工具可发现具有统计显著性的时空趋势。 首先，该工具使用 Getis-Ord Gi* 统计信息以查找每年的热点和冷点。 热点并不仅仅是具有较高值的位置，而是一个被其他高值围绕的具有高值的位置。 同样，冷点是一个自身具有低值而且周围也有其他低值的位置。 发现每年的热点和冷点后，将对结果应用 Mann Kendall 趋势测试，以了解热点和冷点如何随着时间的推移而演变。 它将找到八种不同类型的热点和冷点，包括分散热点、连续热点和新热点。 不具有统计显著性模式的位置将被分类为未检测到模式。
新兴热点分析结果将添加到地图。 有 17 种热点和冷点。
- 在内容窗格中，将 World Terrain Reference 图层拖动至 PM25_EmergingHotSpotAnalysis 图层上方。
世界地形参考图层提供世界国家/地区和其他地理位置的名称。 通过将其移动到新兴热点图层上方，参考标注可见。
- 在功能区的地图选项卡上，单击书签并缩放至 SE Asia 书签。
- 查看东南亚的热点分析结果。
巴基斯坦、印度、中国和其他国家/地区的大部分区域都是 PM 2.5 的热点。 最常见的趋势是持续的热点和加强的热点。
- 持续的热点是在 90% 的时间步长间隔内具有统计显著性的热点，且没有明显趋势表明聚类强度随着时间的推移而有所增加或减小。 在本教程中，这意味着该位置至少在 17 年中是热点且 PM 2.5 级别在这段时间中没有显著地趋向于上升或下降。
- 加强的热点是在 90% 的时间步长间隔内（包括最后时间步长）具有统计显著性的热点。 此外，每个时间步长中数量较大的聚类强度在总体上有所增加，并且该增加具有统计显著性。 在本教程中，这意味着该位置至少在 17 年中是热点（包括 2016 年）且该位置的 PM 2.5 密度在这段时间中呈现具有统计显著性的增加。
在蒙古的南部边界上有一个冷点区域，主要包括持续和连续的冷点。 在青藏高原的喜马拉雅山脉以北也有一个较大的缩减和历史冷点区域。 这表明该地区的污染级别在历史上曾经很低，但一直在上升。 请记住，缩减及其他描述性术语指热点和冷点，而不是数据值，正在缩减的是冷点而非污染。
注：
您可以在新兴时空热点分析工作原理中查看热点和冷点类型的完整描述。
- 转至 Ethiopia 书签。
在埃塞尔比亚的首都亚的斯亚贝巴周围，有一个大范围持续的热点，周边围绕着缩减热点、分散热点、新热点和连续热点。 该位置的污染模式很复杂，并表明热点的大小随时间增长。
- 保存工程。
接下来，您将在 3D 中更详细地浏览此区域。
创建时空数据的 3D 表示
接下来，将时空立方体转换为 3D 图层。 在 3D 模式下可视化数据可以帮助您更好的了解埃塞俄比亚的污染模式。 您将在 Part 3.2 3D 局部场景中进行这部分分析。
- 在当前 Part 3.1 地图的内容窗格中，右键单击 PM25_EmergingHotSpotAnalysis 图层，然后单击复制。
- 单击 Part 3.2 局部场景选项卡。
- 在内容窗格中，右键单击 Part 3.2，然后选择粘贴。
图层将添加到 2D 图层组中。
- 如有必要，使用书签缩放至 Ethiopia 3D 书签。
场景将在 3D 中显示。 当前，没有可查看的 3D 元素。
- 在地理处理窗格中，单击后退按钮。 搜索并打开在 3D 模式下显示时空立方体工具。
- 输入以下在 3D 模式下显示时空立方体参数值：
- 对于输入时空立方体，单击浏览按钮。 浏览并选择您在第一个教程 PM25.nc 中创建的时空立方体。
- 对于立方体变量，选择 PM 2.5_NONE_ZEROS。
- 对于显示主题，选择值。
- 对于输出要素，输入 PM25_3D。
- 单击运行。
场景中以及内容窗格中将显示新的 3D 图层。
您可能会收到一条警告，提示该图层导致过多的绘制请求。 您会将图层裁剪到较小的区域，这既可以防止出现此问题，又可以使数据更易于浏览。
- 在内容窗格中，将 Ethiopia 图层拖动至 PM25_EmergingHotSpotAnalysis 图层上方。
这是您之前使用的来自 ArcGIS Living Atlas 的 World Countries (Generalized) 图层，已过滤为仅显示埃塞俄比亚。 您会将 3D 图层裁剪到此边界。
- 在地理处理窗格中，单击后退按钮。 搜索并打开裁剪工具。
- 输入以下裁剪参数值：
- 对于输入要素，选择 PM25_3D。
- 对于裁剪要素，选择 Ethiopia。
- 对于输出要素类，输入 PM25_Ethiopia。
- 单击运行。
剪辑到埃塞俄比亚边界的新 3D 图层将被添加到场景中。
- 在内容窗格中，关闭 PM25_3D 图层。
该场景仅显示 PM25_Ethiopia 3D 图层。 从地面延伸到空中的垂直列显示 PM 2.5 值如何随时间演变。
接下来，您将更改新图层的符号系统，从而更好地可视化 PM 2.5 值。
- 在内容窗格中，选择 PM25_ Ethiopia 图层。
- 在功能区上，单击要素图层选项卡。 在绘制组中，单击导入。
随即出现导入符号系统窗口。
- 对于输入图层，验证 PM25_ Ethiopia 是否已选择。
- 对于符号系统图层，单击浏览按钮。
- 在工程下，单击文件夹，然后打开 InvestigatePollutionPatterns 文件夹连接。
- 在 commondata 和 userdata 文件夹中，选择 space_time_cube_symbology.lyrx，然后单击 确定。
其他工具参数会自动从 .lyrx 文件填充。
- 对于按数据更新符号系统范围，选择更新范围。
此选项将根据输入数据集的范围更新符号系统的分类间隔。
- 单击确定。
符号系统随即更新。
现在，堆叠要素将显示更大的颜色范围。 红色块表示高 PM 2.5 级别的区域和时间。 蓝色块具有较低级别。
使用在 3D 模式下显示时空立方体工具，您创建了垂直列，其中显示了 PM 2.5 值如何随时间演变。 您将这些结果裁剪到了感兴趣的区域，并应用了更加丰富多彩的符号系统以使高值和低值之间的差异更容易被看到。
在 3D 模式下查看热点和冷点
在本教程最后的步骤中，您将在 3D 模式下查看污染数据，从而更好地了解热点和冷点结果。
- 必要时，缩放至 Ethiopia 3D 书签。 在场景周围移动以探索场景。
注：
可使用鼠标滚轮按钮进行放大和缩小。 可拖动以平移场景。 您也可以使用屏幕导航器。
这些结果代表了时间序列数据的每一年，从最接近地表的 1998 年到顶部的 2016 年。 请注意多个深紫色区域，这些区域的 PM 2.5 值为 0。 这些区域最初可能是空值或缺少值，并且当您在创建时空立方体时，它们填充为零。
- 找到持续热点（深红色）之一，然后单击最靠近地表的块。
将显示一个弹出窗口。 它显示了您所单击数据的日期窗口以及该日期的 PM 2.5 级别 (PM 2.5_NONE_ZEROS)。
- 对于相同的热点，请单击距离地表最远的块。
在持续热点中，从时间序列的开始到结束，PM 2.5 值不会发生明显变化。
- 找到新热点之一，然后探索其前几年和最后几年的 PM 2.5 值。
这些位置的 PM 2.5 可能会成比例地增加。
- 查看一些分散热点的符号系统。 在整个时间序列中，这些位置会在浅色和深色之间切换几次。
- 探索场景中其他类型的热点和冷点。
在 3D 模式下显示时态数据可以更轻松地解释新兴热点分析工具的结果。
现在，您已将统计方法应用于时空立方体中的污染数据。 您在世界各地发现了不同类型的 PM 2.5 热点和冷点。 您查看了 2D 分析结果以了解不同类型的热点和冷点趋势。 然后，您使用了 3D 可视化来加深对每个热点所表示模式的理解。
在本教程中，您学习了如何创建、可视化和分析时空数据。 您发现了三种存储时态数据的方法：多维镶嵌、多维栅格图层和时空立方体。 您使用时态图图表来比较三个欧洲国家的污染水平。 然后，您应用了时空模式挖掘工具来分析污染数据并了解分析结果。
要了解如何根据自己的栅格数据（包括 .tif 和 NetCDF 文件），请查看使用时空模式挖掘探索栅格数据。 如果您有兴趣进一步研究时空立方体的 3D 可视化，可以尝试用于 ArcGIS Pro 的时空立方体资源管理器加载项。
您可以在教程库中找到更多教程。
