地理信息系统实验课程.docx

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地理信息系统实验课程

第一章导论

1.地理信息系统的主要功能

地理信息系统是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

GIS的价值和作用就是通过地理对象的重建和空间分析工具，实现对位置、条件、趋势、模式、模拟5个基本问题的求解：

1）位置

位置问题回答“某个地方有什么”。

一般通过地理对象的位置进行定位，然后利用查询获取其性质，如建筑物的名称、地点、建筑时间、使用性质等。

位置问题是地学领域最基本的问题，反映在GIS中，则是空间查询技术。

2）条件

条件问题即“符合某些条件的地理对象在哪里”的问题，它通过地理对象的属性信息列出条件表达式，进而查询满足该条件的地理对象的空间分布位置。

3）趋势

趋势即某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程。

它要求GIS能根据已有的数据（现状数据、历史数据等），能够对现象的变化过程作出分析判断，并能对未来作出预测和对过去作出回溯。

例如，在地形演变研究中，可以利用现有的和历史的地形数据，对未来地形作出分析预测，也可展现不同历史时期的地形发育情况。

4）模式

模式问题即地理对象实体和现象的空间分布之间的空间关系问题。

例如城市中不同功能区的分布与居住人口分布的关系模式；地面气温随海拔升高而降低导致山地自然景观呈现垂直地带分异的模型等。

5）模拟

模拟是在模式和趋势的基础上，建立现象和因素之间的模型关系，从而发现具有普遍意义的规律。

例如，在对某一城市的犯罪率和酒吧、交通、照明、警力分布等关系研究的基础上，对其他城市进行相关问题研究，一旦发现带有普遍意义的规律，即可将研究推向更高层次，建立通用的分析模型，并进行相应的预测和决策。

地理信息系统处理和管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等。

GIS功能分为以下几个方面：

1）数据采集与输入

数据采集与输入，即将系统外部原始数据传输到GIS系统内部的过程，并将这些数据从外部格式转换到系统便于处理的内部格式。

2）数据编辑与更新

数据编辑包括图形编辑和属性编辑。

图形编辑包括：

拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、投影变换以及误差校正等；属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。

数据更新则要求以新记录数据来替代数据库中相对应的原始数据项或记录。

3）数据存储与管理

数据存储与管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据或属性数据的组织。

栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。

4）空间分析与处理

空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别。

5）数据与图形的交互显示

地理信息系统为用户提供了许多表达地理数据的工具。

其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，可以通过人机交互方式来选择显示对象的形式，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。

2.GIS构成

硬件系统、软件系统、空间数据、人

3.主要的GIS软件

ArcGIS（ESRI公司，EnvironmentSystemResearchInstitute美国环境系统研究所）、MapInfo、MapGIS（武汉中地数码集团，中国地质大学信息工程学院）、SuperMap（北京超图）、GeoStar（武汉大学）、CityStar（北京大学）

4.ArcGIS体系结构（图）

DesktopGIS、EmbededGIS、ServerGIS、MobileGIS

第二章ArcGIS应用基础

ArcMap、ArcCatalog和Geoprocessing是ArcGIS的基础模块，应用ArcGIS进行空间分析时，应首先掌握这三个模块的各项功能。

ArcMap是ArcGIS桌面系统的核心应用程序，用于显示、查询、编辑和分析地图数据，具有地图制图的所有功能。

ArcCatalog是一个空间数据资源管理器。

它以数据为核心，用于定位、浏览、搜索、组织和管理空间数据。

利用ArcCatalog还可以创建和管理数据库，定制和应用数据，从而大大简化用户组织、管理和维护数据工作。

Geoprocessing空间数据处理框架具有强大的空间数据处理和分析工具。

框架主要包括两个部分：

ArcToolbox（空间处理工具的集合）和ModelBuilder（可视化建模工具）。

ArcToolbox包括了数据处理、数据转换、Coverage处理、矢量分析、地理编码以及统计工具等多种复杂的空间数据处理工具。

ModelBuilder为设计和实现空间处理模型（包括工具、脚本和数据）提供了一个图形化的建模框架。

2.1ArcMap基础

2.1.1ArcMap的窗口组成

ArcMap窗口主要由主菜单、标准工具栏、内容表、显示窗口、绘图工具和状态条等6部分组成。

图2.1ArcMap窗口

1.主菜单

2.窗口标准工具

图2.2窗口标准工具

3.窗口内容表

（a）要素显示（b）数据显示（c）选择显示

图2.3窗口内容表

4.地图显示窗口

图2.4数据显示工具

图2.5输出显示工具

5.快捷菜单

1）数据组操作快捷菜单

图2.6数据组操作快捷菜单图2.7数据层操作快捷菜单

2）数据层操作快捷菜单

3）地图工具设置快捷菜单

图2.8地图工具快捷菜单

4）地图输出操作快捷菜单

图2.9地图输出操作快捷菜单图2.10窗口工具设置快捷菜单

5）窗口工具设置快捷菜单

如图2.10所示。

2.1.2地图文档创建、打开、保存

ArcMap中，创建新的地图文档有以下两种方法。

1.启动ArcMap时创建

2.工具栏直接创建

3.文件菜单中创建

保存：

由于ArcMap地图文档记录和保存的并不是数据层所对应的源数据，而是各数据层对应的源数据路径信息。

如果磁盘中的地图所对应的数据文件路径被改变，系统会提示用户指定数据的新路径，或者忽略读取该数据层，地图中将不再显示该数据层的信息。

为了解决这个问题，ArcMap提供了两种保存数据层路径的方式：

一种是保存完整路径，一种是保存相对路径，同时还可以比较地图文档中数据层所对应的源数据。

例如保存一个数据层，可以先用前面的方法创建一个空白新地图，再打击AddData按钮添加若干图层。

1）在ArcMap窗口，单击File菜单下MapProperties命令。

2）在打开的对话框中，点击DataSourceOption按钮，打开DataSourceOptions对话框。

3）选择Storefullpathnames，保存完整路径；若选择storerelativepathnames，保存相对路径，单击确定，关闭MapProperties对话框。

4）打开File菜单下SaveAs命令，保存文件。

2.1.3数据层的加载

加载方式：

1.文件菜单加载

2.工具条加载

3.数据组操作快捷菜单加载

4.用ArcCatalog加载数据层

使用ArcCatalog加载数据层，只需将需要加载的数据层直接拖放到ArcMap的图形显示器中即可。

具体操作如下：

1）启动ArcCatalog；

2）在ArcCatalog中浏览要加载的数据层；

3）点击需要加载的数据层，拖放到ArcMap窗口中，完成数据层的加载。

2.1.4数据层的基本操作

1.数据层的更名

ArcMap内容内容表中，默认情况下，添加进地图的图层是以其数据源的名称命名的，而地理要素的描述就是要素类型字段的取值。

由于这些命名影响到用户对数据的理解和地图输出时的图例，用户可以根据自己的需要赋予图层和地理要素更容易识别的名字。

改变数据层名称，直接在需要更名的数据层上单击左键，选定数据层，再次单击左键，数据层名称进入可编辑状态，输入新名称。

2.改变数据层的顺序

3.数据层的复制与删除

在一幅ArcMap地图中，同一个数据文件可以被一个数据组的多个数据层引用，也可被多个数据组引用，可以通过数据层的复制实现。

图2.11数据组的复制图2.12图层的复制

图2.13数据组的删除图2.14图层的删除

删除图层图层只需单击右键，选择Remove命令即可。

按住“shift”或“Ctrl”键可以选择多个图层进行操作。

4.数据层的坐标定义

图2.15数据层的坐标定义1图2.16数据层的坐标定义2

5.数据层的分组

图2.17新建组层图2.18添加组层数据

6.数据层比例尺设置

（1）设置绝对显示比例尺

（2）设置相对显示比例尺

（3）删除比例尺设置

2.3Geoprocessing空间处理框架

2.3.1空间处理框架的基本介绍

1.基本概念

Geoprocessing（空间处理）是地理数据处理与空间分析处理等的总称，包括很多处理工具，如overlay、buffer和数据管理等常见的GIS操作，以及影像处理、拓扑和模式定义等高级的操作。

2.集成ArcToolbox

ArcGIS9界面的一个显著变化是：

ArcToolbox不再是一个单独的运行环境，而是所有ArcGIS应用界面，（如ArcMap、ArcCatalog、ArcScene和ArcGlobe）中的一个可停靠的窗口。

3.多种使用方式

2.3.2ArcToolbox应用基础

1.启动ArcToolbox

在ArcGIS其他模块中单击ArcToolbox按钮启动。

在ArcToolbox环境可以看到，ArcToolbox由多个工具集（Toolset）构成，能够完成不同类型的任务。

每个主工具集中包含着不同级别的子工具集，子工具集又包括若干工具。

2.激活扩展工具

1）在ArcCatalog（或ArcMap）中单击Tools菜单下的Extensions命令，打开Extensions对话框。

2）选中3DAnalyst复选框，激活该工具。

3）3DAnalyst工具箱中的工具被激活，即可运行此工具，如果没有激活此扩展工具，该工具箱中的工具是不可运行的。

3.创建新的Toolbox

在ArcToolbox上右键打开快捷菜单，选择NewToolbox命令，在已有工具箱的下方出现一个新的Toolbox。

可在此新的工具箱里建立新模型，或编写新脚本等。

4.管理工具

在任意一个Toolbox上右键打开快捷菜单，菜单提供的功能主要有：

复制（Copy）命令：

复制一个工具箱或者工具。

粘帖（Paste）命令：

将复制的工具箱或者工具粘帖到其他工具箱里。

移除（Remove）命令：

将不需要的工具箱或工具移除。

重命名（Rename）命令：

重命名工具箱或者工具。

2.3.3ArcToolbox内容简介

1.工具集简介

1）3D分析工具（3DAnalystTools）：

使用3D分析工具可以创建或修改TIN或栅格表面，并从中抽象出相关信息和属性。

2）分析工具（AnalysisTools）：

对于所有类型的矢量数据，分析工具提供了一整套的处理方法，主要有联合、裁剪、相交、判别、拆分、缓冲区、近邻、点距离、频度、加和统计等。

3）制图工具（CartographyTools）：

制图工具与ArcGIS中其他大多数工具有着明显的目的性差异，它是根据特定的制图标准来设计的，包含三种掩膜工具。

4）转换工具（ConversionTools）：

包含了一系列不同数据格式的转换工具，主要有栅格数据Shapefiles、Coverage、Table、dBase，以及CAD到空间数据库（Geodatabase）的转换。

5）数据管理工具（DataManagementTools）：

提供了丰富且种类繁多的工具用来管理和维护要素类、数据集、数据层以及栅格数据结构。

7）地理编码工具（GeocodingTools）：

地理编码又叫地址匹配，是建立地理位置坐标与给定地址一致性的过程。

使用该工具可以给各个地理要素进行编码操作，建立索引等。

8）地统计分析工具（GeostatisticalAnalystTools）：

地统计分析工具提供了广泛全面的工具，用它可以创建一个连续表面或地图，用于可视化及分析。

9）线性要素工具（LinearReferencingTools）：

生成和维护线状地理要素的相关关系，如实现由线状Coverage到路径（Route），由路径事件（Event）属性表到地理要素类的转换。

10）空间分析工具（SpatialAnalystTools）：

空间分析工具提供了很丰富的工具来实现基于栅格的分析。

在GIS三大数据类型中，栅格数据结构提供了用于空间分析地的最全面的模型环境。

11）空间统计工具（SpatialStatisticsTools）：

空间统计工具包含了分析地理要素分布状态的一系列统计工具，这些工具能够实现多种适用于地理数据的统计分析。

2.环境设置介绍

对于一些特殊模型或者有特殊要求的计算，需要对输出数据的范围、格式等进行调整，ArcToolbox提供了一系列环境设置，可帮助完成此类问题。

在ArcToolbx中任意打开一个工具，点击对话框右下角的Environments按钮，打开EnvironmentsSetting对话框（图2.30）。

该窗口提供了五种设置，分别是GeneralSettings、CoverageSettings、GeodatabaseSettings、RasterAnalysisSettings和RasterGeodatabaseSettings。

图2.19EnvironmentSettings对话框

第三章空间数据的采集与组织

3.1Shapefile文件创建

3.1.1创建Shapefile和dBASE表

1.创建Shapefile后在ArcMap中编辑（一定得掌握）

2.创建dBASE表

3.1.2创建和删除属性项

3.3Geodatabase数据库创建

3.3.1Geodatabase概述

图3.1Geodatabase的数据组织

Geodatabase是按照层次型的数据对象来组织地理数据（图），这些数据对象包括对象类（ObjectClasses）、要素类（FeaturesClass）和要素数据集（Featuredataset）。

对象类是指存储非空间数据的表格（Table）。

要素类是具有相同几何类型和属性的要素的集合，即同类空间要素的集合。

要素数据集是共享空间参考下图并具有某种关系的多个要素类的集合。

3.3.2Geodatabase建立的一般过程

建立Geodatabase的第一步，是设计Geodatabase将要包括地理要素类、要素数据集、非空间对象表、几何网络类、关系类以及空间参考系统等；Geodatabase的设计完成之后，可以利用ArcCatalog建立数据库：

首先建立空的Geodatabase，然后建立其组成项，包括建立关系表、要素类、要素数据集等；最后向Geodatabase各项加载数据。

1.Geodatabase设计

2.Geodatabase建立

1）从头开始开始建立一个新的Geodatabase

2）移植已经存在的数据到Geodatabase

3.建立Geodatabase的基本组成项

4.向Geodatabase各项加载数据

5.进一步定义Geodatabase

3.3.3创建一个新的Geodatabase

图3.2在要素数据集中建立要素类

3.3.4建立数据库中的基本组成项

1.建立要素数据集

2.建立要素类

3.3.5向Geodatabase加载数据

可导入Shapefile、Coverage和dBASE表等到一个Geodatabase中，导入的数据作为新的要素类或新表存在。

在导入这些数据之前，这些要素类和表是不存在的。

1.导入数据

图3.3导出Shapefile

图导入要素类

图导入要素类到Geodatabase

2.载入数据

数据载入要求在Geodatabase中必须首先存在与被载入数据具有结构匹配的数据对象。

图3.4载入数据

3.4数据编辑

数据编辑是纠正数据错误的重要手段，包括几何数据和属性数据的编辑。

3.4.1图形编辑

进行数据编辑一般需要经过下列5个步骤：

（一定掌握）

1）加载编辑数据

2）打开编辑工具

3）进入编辑状态

4）执行数据编辑

5）保存数据编辑

6）结束数据编辑

示意图：

A.加载编辑数据

B．打开编辑工具

工具栏：

C．进入编辑状态

D．执行数据编辑

：

编辑工具。

双击对象，对象处于可编辑状态，如可以为线或面的边界线添加节点等操作。

：

画草图工具。

在数据视图区可以画草图，如点、线、面。

:

当前编辑执行的任务，如创建对象、分割对象等。

：

目标层，即编辑后的结果放在哪个图层。

F．保存数据编辑

G.结束数据编辑

1.基本编辑

（1）要素复制（掌握）

1）平行复制

2）缓冲区边界生成与复制

3）镜面复制

（2）要素合并

1）Merge操作

2）Union操作

3）Intersect操作

（3）要素分割操作

1）线要素分割

2）多边形要素分割

（4）线要素延长与裁剪

1）绘制草图延长线要素

2）按照长度裁剪线要素

3）按照边界线裁剪线要素

4）线要素翻转操作

（5）要素的变形与缩放

1）要素变形操作

2）要素缩放操作

（6）要素结点编辑操作（掌握）

1）添加结点

2）删除结点

3）移动结点

（7）剪贴、复制、粘帖、删除

（8）选择

：

编辑状态下的选择。

（9）画草图

以绘制多边形为例，在数据视图区单击绘制多边形的端点，可通过以下两种方式结束绘制：

●双击鼠标

●右击末端点，弹出快捷菜单，选择finishsketch。

（10）移动对象

首先使用

选择对象，然后使用鼠标拖动。

3.4.2属性编辑（一定掌握）

（1）进入编辑状态

（2）选中对象，然后单击Attributes

弹出：

图3.5Attributes对话框

（3）首先打开属性表，

弹出对话框，编辑数据。

图3.6图层属性表

第四章空间数据的转换与处理

原始数据往往由于在数据结构、数据组织、数据表达等方面与用户需求不一致而需要进行转换与处理。

本章分别介绍ArcGIS中的投影变换、数据格式转换以及数据裁切与拼接等内容。

4.1投影变换

由于数据源的多样性，当数据的空间参考系统（坐标系统、投影方式）与用户需求不一致时，就需要对数据进行投影变换。

同样，在完成本身有投影信息的数据采集时，为了保证数据的完整性和易交换性，要定义数据投影。

使用ArcToolbox工具。

首先启动ArcToolbox工具：

方法一：

单击ArcMap中的图标

方法二：

在ArcCatalog中以如方法一相同方式启动。

4.1.1定义投影（掌握）

找到DefineProjection，双击。

图4.1投影变换工具

选择坐标系统，然后单击OK。

图4.2DefineProjection对话框

查看投影文件,即数据文夹下的*.prj文件。

4.1.2投影变换

投影变换（Project）是将一种地图投影变换为另一种地图投影，主要包括投影类型、投影参数或椭球体等的改变。

1.栅格（Raster）数据的投影变换

双击ProjectRaster。

图4.3栅格数据投影变换工具

图4.4Project对话框

2.要素类（Feature）数据的投影变换（掌握）

双击Project。

图4.5要素类数据投影转换工具

图4.6Project对话框

4.1.3数据转换

数据变换是指对数据进行诸如放大、缩小、翻转、移动、扭曲等几何位置、形状和方位的改变等操作。

1．翻转（Flip）（掌握）

指将栅格数据沿通过数据中心点的水平轴线，进行上下翻转。

双击Flip。

图4.7Flip工具

图4.8Flip对话框

2．镜像（Mirror）

指将栅格数据沿通过数据中心点的垂直轴线，进行左右翻转。

双击Mirror。

图4.9Mirror工具

图4.10Mirror对话框

3．重设比例尺（Rescale）

4．旋转（Rotate）

5．移动（Shift）

6．扭曲（Warp）

4.2数据格式转换

ArcGIS中的空间数据主要有两种类型：

一是基于文件的空间数据；二是基于数据库的空间数据。

其中基于文件的空间数据类型包括对多种GIS数据格式的支持，如Coverage、Shapefile、Grid、Image和TIN。

空间数据的来源很多，如地图、工程图、规划图、照片、航空与遥感音像等，因此空间数据也有多种格式。

根据应用需要，需对数据进行格式转换。

转换是数据结构之间的转换，而数据结构之间的转换又包括同一数据结构不同组织形式间的转换和不同数据结构间的转换。

其中，不同数据结构间的转换主要包括矢量到栅格数据的转换和栅格到矢量数据的转换。

4.2.1数据结构转换

1．栅格数据项矢量数据的转换（掌握）

图4.11数据格式转换工具

图4.12RastertoPolygon对话框

2．矢量数据向栅格数据的转换

图4.13数据格式转换工具

图4.14FeaturetoRaster对话框

4.2.2数据格式转换

分别以矢量和栅格两种数据类型为例，简要介绍数据格式的转换操作。

1．CAD数据的转换

（1）数据输出为CAD格式（一定掌握）

图4.15输出为CAD工具

图4.16ExporttoCAD对话框

注：

一定要加.dwg后缀名。

（2）CAD的输入转换

图4.17ExporttoCAD对话框

2．栅格数据与ASCII文件之间的转换

（1）栅格数据向ASCII文件的转换

（2）ASCII文件向栅格文件的转换

4.3数据处理

第七章矢量数据的空间分析

7.1缓冲区分析