shipin11 2007-3-12 14:04
1 ArcGIS简介
1.1安装说明
1.1.1ArcView(单用户使用许可)的安装
ArcView(单用户使用许可)即ArcView-Single Use.试用版(Evaluation Edition)
也属于这种.这两种软件的安装过程基本相同,只是在注册的时候略有差别.
ArcView的安装对话框说明了如果在如何您的机器上安装Arcview,您可以
选择安装到本地机器或者安装到网络机器,本向导讨论如何安装到本地机器,如
果需要安装到网络机器,请查看相应的文档.如果需要进行单用户安装,请选择
第一个安装选项.
ArcView的安装包含了可选择的ArcGIS的扩展和其他模块.如果需要安装
可选模块,在安装的时候请选择complete选项或者custome选项,complete选项
将安装所有的可选择的模块,custom允许你选择相应的模块.有的可选模块需
要额外的注册,注册向导将告诉您如何进行注册.
注意:要安装的目标目录不能包含空格.
当ArcView安装结束的时候,安装向导会提示您安装可选的模块.安装向导
也会提示您安装例子数据ArcGIS Tutorial Data和Crystal Reports 9.0.
当所有的模块都安装完成之后,安装向导会提示你进行注册.在进行注册前,
ArcView将无法使用.选择一种注册模式,然后注册向导会提示您如何进行注册.
注:
1. ArcView试用版(EvaluationEdition)注册时,需输入注册号码
(RegistrationNumber),
女口:EVA881681009;
2. ArcView正式软件注册时,需输入软件锁号(KeyNumber),如
KEY3700541(见软件锁上印刷的数字);同时还需要输入序列号,请留意产品的
交货单.
5
1.1.2ArcGIS(浮动使用许可)的安装
ArcGIS (浮动使用许可)即ArcGIS-Concurrent,使用浮动的license.浮动的
License允许您对License进行集中的管理,浮动的License的核心是License管
理器,只要在一台机器上安装了License管理器,局域网内的其他机器也可以使
用该机器上的License.
图1.1 License管理器示意图
ArcGIS (浮动使用许可)软件的安装跟单用户使用许可的软件差别不大,只是
需要安装浮动的license.由于License管理器(License Manager)已经安装在局域
网内一台计算机上,所以其他计算机在安装时只要访问该计算机上的License即
可.如下图所示,选择Install ArcGIS on a network.
图1.2 ArcGIS安装界面
6
License Manager Server中输入安装有License的计算机的名称,查找到
License后继续安装即可.
图1.3 License Manager Server输入界面
1.2 ArcGIS体系结构
图1.4 ArcGIS体系结构图
7
ArcGIS不是一个孤立的GIS软件,而是具有统一,严整,完备,可伸缩集
成体系结构的系列GIS平台,它可以适应GIS用户由低到高的广泛需求.ArcGIS
由三个重要部分组成:ArcSDE,ArcIMS,ArcGIS桌面软件.
1.2.1服务器端
1. ArcSDE——空间数据管理中心
ArcSDE是一个高效的海量空间数据库引擎.ArcSDE将空间数据和相关的属
性数据统一放在工业标准的DBMS下进行管理,支持多用产并发访问操作.
ArcSDE在企业级的GIS应用中扮演了一个重要的基础角色.ArcSDE结合了多
用户编辑和对空间数据库的事务处理,与ArcEditor和ArcInfo紧密结合支持对
多用户空间数据库的设计,建立,编辑和共享.ArcSDE支持Oracle,Microsoft SQL
Server,IBMDB2和Informix等基于工业标准的数据库平台.
2. ArcIMS——空间信息网络发布中心
ArcIMS是互联网地图服务器,是基于Internet的分布式空间信息和GIS服务
器.ArcIMS提供了Internet/Intranet环境下的地图服务能力.ArcIMS客户端浏
览器可以是标准的浏览器,如IE,也可以是ESRI免费提供的ArcExplorer专用
地图浏览器.所有的ArcGIS的桌面客户端(ArcInfo,ArcEditor,ArcView,
ArcExplorer和ArcIMS Viewer)都可以通过Web从ArcIMS服务器动态地获取矢
量数据流.这些新的图层类型可以象本地数据一样完成符号化,制图,查询,简
单编辑和分析工作.
1.2.2客户端
ArcGIS的客户端包括ArcInfo,ArcEditor,ArcView,ArcGIS扩展模块,
ArcExplorer,ArcReader和ArcIMSViewer(即通用浏览器),此外,还有很多ESRI
公司其他的软件产品:MapObjects for windows(MO-WIN),MapObjects for
Java(MO-Java),ArcPad等.
ArcGIS桌面软件:一个一体化的高级的GIS应用平台,是指ArcView,
ArcEditor和ArcInfo.它们分享通用的结构,通用的代码基础,通用的扩展模块
和统一的开发环境.从ArcView,ArcEditor到ArcInfo,功能由简到繁.
1. ArcView8
ArcView 8提供了核心的制图和GIS功能.可以完成数据的创建,编辑,显
示,查询,符号定制管理,动态的投影转换,内嵌的VBA开发环境,对Shape
8
文件和基于Access数据库的个人化Geodatabase的编辑工具,支持注记等;使用
ArcView可以完成任何从简单到复杂的GIS任务,包括制图,数据管理,地理分
析,数据编辑和地理处理并使用VBA进行客户化.
2. ArcEditor8
ArcEditor8包含了ArcView8软件的所有功能,还增加了对Geodatabase的编
辑能力.增加的功能包括,支持多用户编辑,版本管理,数据模型定制与扩展,
与要素关接的注记和尺寸标注要素类.ArcEditor提供对ESRI支持的所有矢量数
据格式的建立和编辑能力.
3. ArcInfo8
ArcInfo 8除了包括ArcView 8和ArcEditor8的所有功能外,还增加了高级的
空间处理能力.ArcInfo是一个完全的GIS数据建立,转换,更新,查询,制图
和分析系统.所有的ArcGIS桌面软件都由一组相同的应用环境构成:ArcMap,
ArcCatalog和ArcToolbox.通过这三个应用的协调工作,可以完成从简单到复杂
的GIST作,包括查询检索,制图,数据管理,空间统计,空间分析和空间处理.
还包括与Internet~图和服务的整合,地理编码,高级数据编辑,高质量的制图,
动态投影,元数据管理,对近40种数据格式的直接支持等.
(1)ArcMap
ArcMap是ArcGIS桌面系统的核心应用.它把传统的空间数据编辑,查询,
显示,分析,报表和制图等GIS功能集成到一个简单的可扩展的应用框架上.
图1.5 ArcMap地理数据视图
9
在该应用中,我们可以操作地图.地图是一个包含地理窗口或视图的制图版
面,它由一系列图层,图例,比例尺,指北针和其他制图元素组成.
ArcMap可以以不同的视图显示地图——地理数据视图和版面视图——在此
环境中,你可以完成一系列高级的GIS任务.
图1.6 ArcMap版面视图
(2)ArcCatalog
ArcCatalog用于组织和管理所有GIS数据.它包含一组工具用于浏览和查找
地理数据,记录和浏览元数据,快速显示数据集及为地理数据定义数据结构.
图1.7 ArcCatalog组织管理GIS数据
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图1.8 ArcCatalog预览GIS信息
(3)ArcToolbox
ArcToolbox是一个简单的包含了各种用于空间处理的GIS工具的应用.有
两个版本的ArcToolbox-随ArcInfo提供的完整版和随ArcView和ArcEditor提供
的简化版.
图1.9 ArcToolbox用于空间处理和数据转换
11
2 数据格式的转换
2.1 e00格式转换成其他格式
1. e00格式转换成Coverage
ArcToolBox → 转换工具(Conversion Tools) → 导入到Coverage(Import to
Coverage)→ 从ESRI中间交换文件导入ArcView(ArcView Import from
Interchange File) → 在"输入文件"中输入e00的路径及文件,在"输出数据集"
中输入要生成的Coverage的路径及名称 → 确定完成转换.
图2.1 e00格式转换成Coverage
2. Coverage格式转换成ShapeFile
ArcToolBox → 转换工具(Conversion Tools) → 从Coverage导入(Export
from Coverage) → Coverage导入到ShapeFile(Coverage to ShapeFile) → 在"输
入Coverage"中输入Coverage的路径及文件,在"Feature class"中选择Poly,Line
或Point类型,在"Data type mapping"中选择投影类型,在"输出ShapeFile"中输
入要生成的ShapeFile的路径及名称 → 确定完成转换.
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图2.2 Coverage格式转换成ShapeFiles
2.2 CAD格式转换成Geodatabase
首先,在ArcCatalog中新建一个Personal Geodatabase.
ArcCatalog → 在放置Geodatabase的目录上击右键 → New →Personal
Geodatabase → 生成一个Personal Geodatabase.
图2.3 在ArcCatalog中生成一个Personal Geodatabase
13
ArcToolBox → 转换工具(Conversion Tools) → 从CAD导入(Export from
CAD) →CAD格式转换成Geodatabase(CAD to Geodatabase) → 在"输入CAD
文件"中输入CAD的路径及文件,在"Select an existing CAD feature class"中选择
PolyLine或Point等类型,在"Output Geodatabase"中输入要导入的Geodatabase
的路径及名称 → 确定完成转换.
图2.4 CAD格式转换成Geodatabase
3数据的显示和查询
3.1数据的打开和显示
3.1.1数据的打开
ArcMap → 选择An existing map → 双击Browse for maps → 选择要打开
的文件(*.mxd).
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图3.1 在ArcMap中打开数据
3.1.2数据视图和版面视图
ArcMap → View菜单 → Data View数据视图.
图3.2 ArcMap的数据视图
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ArcMap → View菜单 →Layout View版面视图.
图3.3 ArcMap的版面视图
3.1.3图层,数据集,地图
图3.4 ArcMap的图层,数据集,地图
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ArcMap中,左边是内容表(Table of contents),右边是地图.在内容表中,
列出了所有的图层并指示出它们在地图中的表现方式.可以将图层进一步组织为
数据集(Data frames),使数据框中包含的图层可以同时进行操作,比如数据集
的对比.
图3.5 ArcMap的数据集的应用
3.1.4管理内容表
如图3.4所示,排在内容表中上部的图层在地图窗口中显示在排在内容表中
下部的图层的上面,为了不遮盖其他图层,面图层一般应排在内容表的下部.
点击图层前面的使之变成,可以看到该图层的详细信息;将图层前面
的中的"√"去掉,可以使该图层不显示.
3.1.5修改符号属性
点击schools图层的点符号 → 显示其符号选择窗口,在该窗口中重新选择
符号 → 新符号在地图窗口中显示.如图3.6～图3.8所示.
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图3.6 ArcMap中修改符号属性1图
图3.7 ArcMap中修改符号属性2图
图3.8 ArcMap中修改符号属性3图
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3.1.6符号的定制
Tools → Styles → Style Manager,弹出ArcMap的符号管理器如图3.9所示 →
选中Line Symbols → 在右边Symbol contents窗口的空白区域击鼠标右键 → 点
击New → 点击Line Symbol → 得到New Line Symbol.
图3.9 ArcMap的符号管理器
在Style Manager中双击New Line Symbol → 弹出Symbol Property Editor →
选择Type为Cartographic Line Symbol→ Color选择白色 → Width选择2.2 → 单
击Template tab → 将小格子拉到11的位置 → 点击将前面的4各格子涂黑.
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图3.10 ArcMap的符号属性编辑1图
在Symbol Property Editor 的Layers下点击+号增加1层 → Color选择黑色
→ Width选择3 → 确定完成铁路符号的定制.
图3.11 ArcMap的符号属性编辑2图
3.1.7标记要素
在内容表中右键点击要标记的层并点击属性 → 选择Labels tab → 选择标
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记使用的Label Field → 确定.
图3.12 ArcMap中选择要标记的字段
在Draw toolbar中点击Label button(点击New Text旁边的dropdown arrow
选择) → 选择position和label style → 在要标记的位置点击鼠标.
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图3.13 ArcMap中的要素标记
3.1.8自动标记要素
和图3.12类似,在内容表中右键点击要标记的层并点击属性 → 选择Labels
tab → 选中Label Features → 选择标记使用的Label Field → 确定,该层所有的
要素自动标记.
在内容表中右键点击已标记的层并点击Label Features,可清除该层的自动标
记;复选,重新自动标记.
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图3.14 ArcMap中开关自动标记
3.1.9设置显示阀值
在地图窗口中调整到合适的显示比例 → 右键点击要设置显示阀值visible
scale的图层 → 点击Visible Scale Range选择设置Maximum Scale或Minimum
Scale.
已设置显示阀值的可以点击Clear Scale Range取消.
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图3.15 ArcMap中开关自动标记
3.2数据的选择与查询
3.2.1设置可选图层
点击Selection菜单下的Set Selectable Layers → 在弹出窗体中选中要选择的
层 → 再点击Selection菜单下的Interactive Selection Method 中的Create New
Selection → 在工具栏中点击Select Features工具 → 点击要选择的要素(可以按
住Shift键进行更多选择).
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图3.16 ArcMap中设置可选图层1图
图3.17 ArcMap中设置可选图层2图
3.2.2属性选择查询
点击Selection菜单下的Select By Attributes → 在弹出窗体中选中要选择的
层 → 选择selection method → 双击一个field添加field name到expression box
→ 给表达式添加操作符operator → 选择values → 点击Ve r i f y按钮验证表达式
的正确性 → 应用执行.
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图3.18 ArcMap中属性选择查询
3.2.3空间选择查询
点击Selection菜单下的Select By Location → 在弹出窗体中选择selection
method → 选中要选择的层 → 选择执行的selection method → 选择要执行选择
的层 → 选中use selected features → 选中Apply a buffer → 应用执行.
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图3.19 ArcMap中空间选择查询
3.2.4查询结果的保存
右键点击包含选择集的图层→ 选择Data → Export Data → 在Export框中选
择Selected features → 输入Output file路径及文件名 → 保存.
图3.20 ArcMap中查询结果的保存
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3.2.5创建查询结果的统计
右键点击包含选择集的图层→ 选择Open Attribute Table → 选择Selected显
示 → 右键点击AREA字段头选择Summarize.
图3.21 ArcMap中查询结果的统计1图
在弹出窗口中选择summary statistics的方法 → 选择output table 的路径及
文件名 → 确定执行.
图3.22 ArcMap中查询结果的统计2图
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4数据的编辑
4.1编辑环境
4.1.1 Editor工具条
Editor工具条如图4.1所示.
图4.1 Editor工具条
4.1.2开始和结束编辑会话
点击Editor → Start Editing,开始编辑会话;点击Editor → Stop Editing,结
束编辑会话.
4.1.3选取,拖动和旋转要素
点击Edit按钮,选取要素,被选要素高亮.
选取要素后,左键按住不放可以拖动要素.
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选取要素后,点击Rotate按钮可以旋转要素.
4.2创建新要素
4.2.1创建线要素
1. 草图工具
2. 打断工具
3. 中点工具
a单击编辑工具条中的中点工具;
b在图中点击两点画一条线;
d这条线的中点将作为新创建的线的一个点;
e继续画线,每一条线的中点将作为新创建线的点.
4. 距离-距离工具
a单击编辑工具条中的距离-距离工具;
b单击图中任意一点,以此点为圆心画圆,按D键后输入数字,确定半径;
c单击图中任意一点,以此点为圆心画圆,按D键后输入数字,确定半径;
d两个圆的交点作为创建线的一个点;
e按上述方法继续创建线的其他点.
5. 方向—距离工具
a单击编辑工具条中的方向-距离工具;
b单击图中任意一点,确定方向后单击;
c单击图一点,以此点为圆心画圆,按D键后输入数字,确定半径;
d圆与线的交点将做为新创建线的一点;
e按上述方法继续创建线的其他点.
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6. 弧线工具
7. 中点弧工具
a单击编辑工具条中的工具中点弧工具;
b点击弧线的起点;
c点击弧线的终点;
d移动鼠标确定合适的弧度.
8. 切线工具
a在画完一段弧线之后,单击编辑工具条中的工具切线工具;
b点击任意一点画第二个点;
c确定的弧线和原来的弧线相切.
9. 追踪工具
4.3编辑存在要素
4.3.1编辑节点
Start Editing后,在Task栏选择Modify Feature,点击Edit工具 → 点击小方
块形的节点,可以进行移动,删除等操作.
图4.2 ArcMap中编辑节点
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4.3.5要素的合并
选择要合并的两个或两个以上的要素,点击Merge或Union.Merge执行合
并,原要素删除;Union产生一个新的合并要素,原要素不变.
4.3.6 要素的延伸和裁剪
Start Editing后,在Task栏选择Extend/Trim Features → 点击Edit按钮 → 选
择要延伸或裁剪的线段 → 点击Sketch工具 → 绘制线段,完成延伸或裁剪.
图4.3 ArcMap中要素的延伸和裁剪
Start Editing后,在Task栏选择Cut Polygon Features → 点击Edit按钮 → 选
择要裁剪的多边形 → 点击Sketch工具 → 绘制线段完成裁剪.
图4.4 ArcMap中要素的裁剪
4.4 编辑属性
4.4.1 查看属性
Start Editing后,点击Edit工具 → 选择要查看属性的要素→ 点击Attributes
按钮 → 弹出属性表.
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图4.5 ArcMap的数据编辑中查看属性
4.4.2 添加和修改属性
如图4.5所示,可以在要素的某一字段的Va l u e 列中更改属性值,回车即可
保存.
也可以对图层的所有要素的某一字段修改属性值,如图4.6所示.
图4.6 ArcMap的数据编辑中查看属
4.4.3 复制和粘贴属性
属性表支持复制和粘贴操作,可以复制和粘贴属性值.
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图4.7 ArcMap的数据编辑中查看属
4.5空间配准
4.5.1使用地理参考工具栏
在菜单栏点鼠标右键,选取影像配准工具Georeferencing.
图4.8 ArcMap的影像配准工具
鼠标右键单击target layer(矢量层)选择Zoom to Layer → 选择Georeferencing
下的Fit To Display → 点击Control Points工具添加控制点(在光栅图上点击一个
位置点,再点击矢量图上的相应位置点) → 添加更多的控制点使配准更精确 →
点击View Link Table可以查看添加的控制点的信息 → 点击Georeferencing下的
Update Georeferencing保存更改信息(和光栅图同名但拓展名为.aux)→ 可以点
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击Rectify将校正后的光栅图另存为一个文件.
图4.9 ArcMap中影像配准
5数据的管理
5.1内容标签
Contents窗口有四种浏览方法:大图标,列表,详细列表,缩略图.
图5.1 ArcCatalog的内容浏览工具条
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图5.2 ArcCatalog的内容标签
5.2预览标签
在预览窗口能够执行Zoom In, Zoom Out, Pan, Full Extent, and Identify的操
作.
图5.3 ArcCatalog的预览工具条
图5.4 ArcCatalog的预览标签
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5.3元数据标签
元数据窗口显示地图数据的描述信息.其中,Description描述数据的状态,
存储及访问信息;Spatial描述数据的坐标系,空间信息;Attributes描述数据的
字段信息.
图5.5 ArcCatalog的元数据工具条
图5.6 ArcCatalog的元数据标签
5.4设置显示数据类型
选择Tools菜单下的Options → 在General tab中可以设置Catalog显示的数
据类型.
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图5.7 ArcCatalog中设置显示数据类型
5.5创建新ShapeFile等
在放置ShapeFile的目录上击右键 → New → ShapeFile → 设置
ShapeFile的属性,包括Point,Line,Polygon等类型和坐标系 → 生成.
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图5.8 ArcCatalog中创建新ShapeFile
6 制图与输出
6.1 地图输出
通过一个练习(见using ArcMap P23),了解地图输出的有关功能,主要包
括:
1. 地图模板
2. 数据框
3. 地图制图和整饰的要素
4. 页面设置
5. 预览和打印输出.
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6.2 矢量数据的获取,从纸质地图到矢量地图
在GIS的几何数据采集中,如果几何数据已存在于其它的GIS或专题数据库
中,那么只要经过转换装载即可;对于由测量仪器获取的几何数据,只要把测量
仪器的数据传输进入数据库即可,测量仪器如何获取数据的方法和过程通常是与
GIS无关的.
对于栅格数据的获取,GIS主要涉及使用扫描仪等设备对图件的扫描数字化,
这部分的功能也较简单.因为通过扫描获取的数据是标准格式的图像文件,大多
可直接进入GIS的地理数据库.
从遥感影像上直接提取专题信息,需要使用几何纠正,光谱纠正,影像增强,
图像变换,结构信息提取,影像分类等技术,主要属于遥感图像处理的内容.
因此,以下主要介绍GIS中矢量数据的采集.GIS中矢量数据的采集主要包
括地图跟踪数字化与地图扫描数字化,以及屏幕跟踪数字化.
一,地图跟踪数字化
跟踪数字化是目前应用最广泛的一种地图数字化方式,是通过记录数字化
板上点的平面坐标来获取矢量数据的.其基本过程是:将需数字化的图件(地图,
航片等)固定在数字化板上,然后设定数字化范围,输入有关参数,设置特征码
清单,选择数字化方式(点方式和流方式等),就可以按地图要素的类别分别实施
图形数字化了.
由于跟踪数字化本身几乎不需要GIS的其它计算功能,所以跟踪数字化软
件往往可以与整个GIS系统脱离开,因而可单独使用.
地图跟踪数字化时数据的可靠性主要取决于操作员的技术熟练程度,操作员
的情绪会严重影响数据的质量.操作员的经验和技能主要表现在能选择最佳点位
来数字化地图上的点,线,面要素,判断十字丝与目标重合的程度等能力.
二,地图扫描数字化
扫描数字化是目前较为先进的地图数字化方式,也是今后的发展方向,但
要实现完全自动化还要做大量艰巨的努力,目前所能提供的扫描数字化软件是半
自动化的,还需做相当的人机交互工作.地图扫描数字化的基本思想是:首先通
过扫描将地图转换为栅格数据,然后采用栅格数据矢量化的技术追踪出线和面,
采用模式识别技术识别出点和注记,并根据地图内容和地图符号的关系,自动给
矢量数据赋属性值.
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根据目前的技术水平,首先要对所扫描的彩色地图进行分版处理,通常分
为黑版要素,水系版要素,植被要素和地貌要素,也可以直接对分版图进行扫描,
然后由软件进行二值化,去噪音等处理,经常需要进行一些编辑,以保证自动跟
踪和识别的进行;在软件自动进行跟踪和识别时,仍需要进行部分的人机交互,
如处理断线,确定属性值等,有时甚至要人工在屏幕上进行数字化.
与地图跟踪数字化相比,地图扫描数字化具有速度快,精度高,自动化程度
高等优点,正在成为GIS中最主要的地图数字化方式.
地图扫描数字化的自动化程度高,但必须具有一些对扫描后的地图数据的
预处理能力,同时,由于其最后结果同地图跟踪数字化的结果是相同的,因而还
必须具有地图跟踪数字化所具有的一些功能.
三,屏幕跟踪数字化过程
当数据量不是特别大,精度要求不是特别高的时候,可以采用一种折中的方
法,就是屏幕跟踪数字化.结合实例介绍屏幕跟踪数字化的过程.
1. 纸质地图准备.
2. 建立新的图层或者打开已有的图层,并进行坐标系统,范围的设置.
3. 在纸质地图上建立控制点,扫描.
4. 配准纸质地图.
所有图件扫描后都必须经过扫描纠正,对扫描后的栅格图进行检查,以确保
矢量化工作顺利进行.
对影像的配准有很多方法,下面介绍一种常用方法.
(1) 打开ArcMap,增加Georeferncing工具条.
(2) 把需要进行纠正的影像增加到ArcMap中,会发现Georeferncing工
具条中的工具被激活.
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(3) 在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标,即控制点.可以是经纬
线网格的交点,公里网格的交点或者一些典型地物的坐标,我们可以从
图中均匀的取几个点.如果我们知道这些点在我们矢量坐标系内坐标,
则用以下方法输入点的坐标值,如果不知道它们的坐标,则可以采用间
接方法获取.
(4) 首先将Georeferncing工具条的Georeferncing菜单下Auto Adjust不
选择.
(5) 在Georeferncing工具条上,点击Add Control Point按钮.
(6) 使用该工具在扫描图上精确到找一个控制点点击,然后鼠标右击输
入该点实际的坐标位置,如下图所示:
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(7) 用相同的方法,在影像上增加多个控制点,输入它们的实际坐标.
(8) 增加所有控制点后,在Georeferencing菜单下,点击Update Display.
(9) 更新后,就变成真实的坐标.
(10) 在Georeferencing菜单下,点击Rectify,将校准后的影像另存.
后面我们的数字化工作是对这个校准后的影像进行操作的.
5. 分层矢量化.
通过上面的操作我们的数据已经完成了配准工作,下面我们将使用这些配准
后的影像进行分层矢量化.此时创建新的图层时可以直接导入第4步中创建
图层的坐标系统了.
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7空间数据处理
本章通过几个练习,介绍空间数据处理有关的几个问题,主要包括:
投影的概念
投影的分类
投影变换
影像配准
空间配准
空间数据处理是指针对数据本身进行的操作,包括数据转换,数据重构与数
据抽取,使系统存储和采集的数据能满足用户的特定需求.不产生新的信息.
数据转换主要解决几何配准的问题,包括几何纠正,投影变换和辐射纠正.
辐射纠正是对图像而言,由成像系统的中心投影变换为正射投影.对我们而言用
途不大,所以在这一章关于数据转换主要介绍投影变换.
数据重构是指针对数据本身进行的某种格式的再建,解决结构和类型上的统
一.包括结构变换(栅格到矢量或矢量到栅格),类型的转换,数据的压缩,边
沿匹配.数据压缩主要是对栅格数据的,边沿匹配在ArcGIS中体现在空间配准
上,在这一章里主要介绍空间配准.
数据提取是指针对数据本身进行的有条件的提取,以满足某种特定的需求.
包括类型提取,窗口提取,布尔提取,空间内插等.关于数据提取部分主要介绍
空间内插,放在第八章结合实例介绍.
7.1 坐标系统
目前,世界各国,各地区已建立了各种规模和类型的GIS,这些系统为经济,
国防等各个领域的科学决策提供了依据,发挥了重要的作用.但是不论每个应用
型的GIS的服务目的是什么,每个GIS自身的数据必须是在统一的地理参照系
下的数据,也就是说要有统一的坐标系和高程系.
一,地球的形状
地球近似球体,其表面高低不平,极其复杂.
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假想将静止的平均海水面延伸到大陆内部,可以形成一个连续不断的,与地
球比较接近的形体.把该形体视为地球的形体,其表面就称之为大地水准面.
但是,由于地球内部物质分布不均匀和地面高低起伏不平,使各处的重力方
向发生局部变异,处处与重力方向垂直的大地水准面显然不可能是一个十分规则
的表面,且不能用简单的数学公式来表达,因此,大地水准面不能作为测量成果
的计算面.
为了测量成果计算的需要,选用一个同大地体相近的,可以用数学方法来表
达的旋转椭球来代替地球,且这个旋转椭球是由一个椭圆绕其短轴旋转而成的.
凡是与局部地区(一个或几个国家)的大地水准面符合得最好的旋转椭球,称为
参考椭球.经过长期的观测,分析和计算,世界上许多学者和机构算出了参考椭
球的长短半径的数值.
我国1952年前采用的海福特椭球,1953年起改用克拉索夫斯基椭球,1978
年后开始采用1975年国际椭球,并以此建立了我国新的,独立的大地坐标系.
二,坐标系
坐标系——确定地面点或空间目标位置所采用的参考系.与测量相关的主要有
地理坐标系和平面坐标系.
(1)地理坐标系(Geographic Coordinate System)
我们在ArcView和ArcInfo中经常看到这种坐标系,它是一种用三维球面来
定义地物位置的坐标系,地面上任一点M的位置可由经度λ和纬度φ来决定,
记为M(λ,Φ).经纬度是衡量地物点到地心和地球曲面之间的角度的.坐标原点
在本初子午线和赤道的交点,因此地理坐标系被分为四个象限.
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经纬度具有深刻的地理意义,它标示物体在地面上的位置,显示其地理方位(经
线与南北相应,纬线与东西相应),表示时差,此外,经纬线还标示许多地理现
象所处的地理带,如气候,土壤等部门都要利用经纬度来推断地理规律.
虽然经纬度可以准确的定位,但是他们并不是标准的度量单位,只有赤道上
一个经度带的距离与一个纬度带的距离相接近,因为纬线中只有赤道是大圆,而
所有的经线圈都是大圆.
(2)平面坐标系
将椭球面上的点通过投影的方法投影到平面上时,通常使用平面坐标系.平
面坐标系分为平面极坐标系和平面直角坐标系.
平面极坐标系采用极坐标法,即用某点至极点的距离和方向来表示该点的位
置的方法,来表示地面点的坐标.主要用于地图投影理论的研究.
平面直角坐标采用直角坐标(笛卡尔坐标)来确定地面点的平面位置.可以通
过投影将地理坐标转换成平面坐标.
三,高程系
高程——由高程基准面起算的地面点的高度.
而高程基准面是根据多年观测的平均海水面来确定的.也就是说,高程(也称
海拔高程,绝对高程)是指地面点至平均海水平的垂直高度.
地面点之间的高程差,称为相对高程,简称高差.
46
由于不同地点的验潮站所得的平均海平面之间存在着差异,所以,选用不同
的基准面就有不同的高程系统.
一个国家一般只能采用一个平均海水面作为统一的高程基准面.我国的高程
基准原来采用"1956年黄海高程系",由于观测数据的积累,黄海平均海水面发
生了微小的变化,因此启用了新的高程系,即"1985年国家高程基准".
在采用新的高程基准后,对已有地图的等高线高程的影响可忽略不计.
7.2 投影的实质
不规则的地球表面可以用地球椭球面来替代,地球椭球面是不可展曲面,而
地图是一个平面,将地球椭球面上的点映射到平面上来的方法,称为地图投影.
对于较小区域范围,可以视地表为平面,这样就可以认为投影没有变形.但
对于大区域范围,甚至是半球,全球,这种投影方法就不太适合了.这时,可以
考虑另外的投影方法,例如,可以假设地球按比例尺缩小成一个透明的地球仪那
样的球体,在其球心,球面或球外安放一个发光点,将地球仪上经纬线(连同控
制点及地形,地物图形)投影到球外的一个平面上,即成为地图.下图是将地球
表面投影在平面上的透视投影示意图.
透视投影示意图
实际上这种直观的透视投影方法亦有很大的局限性,例如,只能对一局部地
区进行投影,且变形有时较大,同时往往不能将全球投影下来,多数情况下不可
能用这种几何作图的方法来实现.科学的投影方法是建立地球椭球面上的经纬线
网与平面上相应的经纬线网相对应的基础上的,其实质就是建立地球椭球面上点
的坐标(λ,φ)与平面上对应的坐标(x,y)之间的函数关系,用数学表达式表示为:
47
这是地图投影的一般方程式.当给定不同的具体条件时,就可得到不同种类
的投影公式.
7.3 投影分类
由于要将不可展的地球椭球面展开成平面,且不能有断裂,那么图形必将在
某些地方被拉伸,某些地方被压缩,因而投影变形是不可避免的.
投影变形通常包括三种,即长度变形,角度变形和面积变形.
(1) 按投影变形性质分类
根据地图投影中可能引入的变形的性质,可以分为等角投影,等面积投影和
任意投影三种.
等角投影保证了投影后任意点的由任意两条微分线段构成的角度不产生变
形,这种投影可以使得投影前后的形状保持不变,因而也称之为正形投影.
等面积投影保证了投影前后面积保持不变,对微分面积如此,对整个区域的
较大面积亦如此.
任意投影在投影后既不保持角度不变,又不保持面积不变,它同时存在着长
度,角度和面积的变形.在任意投影中,如果存在某一方向上长度不变时,我们
将之称为等距离投影.
等角与等面积是相互抵触的,也就是说等角是以牺牲等面积为代价的;同样
等面积也是以牺牲等角为前提的;任意投影虽然存在着各种变形,但各种变形比
较均衡.
(2) 根据投影面及其位置分类
在地图投影中,我们首先将不可展的地球椭球面投影到一个可展曲面上,然
后将该曲面展开成为一个平面,得到我们所需要的投影.通常采用的这个可展曲
面有圆锥面,圆柱面,平面(曲率为零的曲面),相应地可以得到圆锥投影,圆柱
投影,方位投影.同时我们还可以由投影面与地球轴向的相对位置区分为正轴投
影(投影面的中心轴与地轴重合),斜轴投影(投影面的中心轴与地轴斜向相交),
48
横轴投影(投影面中心轴与地轴相互垂直).各种投影都具有一定的局限性,一般
地说,距投影面越近,变形就越小.为了控制投影的变形分布,我们可以调整投
影面与椭球体面的相交位置,根据这个相交位置,又可以进一步得到各种投影相
应的切投影(投影面与椭球体相切)和割投影(投影面与椭球体相割).对这一体系
的分类可以用给出,其中1,5,9表示的是3种割投影. 此外,尚有的方位,
伪圆锥,伪圆柱等许多类型的投影,此处从略.
常用投影示意图
7.4 GIS中的地图投影
GIS所存贮记录,管理分析,显示应用的内容是地理信息,而地理信息的描述
必须要有指定的地理参照系,且地理位置应以地理坐标或平面坐标的方式表示出
来.
地图不仅是GIS的重要数据源,而且是表示地理信息的最佳媒介.也就是说,
在GIS中,地理信息基本上都是以地图的方式显示给用户的,用户也是在地图
上进行空间信息的查询的,GIS空间分析的结果也是以地图的形式显示出来的,
GIS输出的成果中大部分是地图,等等.
由于GIS大多是以地图的方式来显示地理信息的,而地图是平面,地理信息
则是在地球椭球面上的,因此,地图投影在GIS中是不可缺少的.
例如,当GIS的地理数据库中的地理数据是以地理坐标(即经纬度)来存贮时,
对于输入的以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换来转换成地理坐标,然
后才能装入到GIS的地理数据库中,而当需要显示或输出地图时,则必须将地
理数据库中的地理坐标表示的空间数据通过投影变换成指定投影的平面坐标.
49
在GIS中,地理数据的显示往往可以根据用户的需要,指定各种投影.但当
所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时,往往采用与国家基本系列地
图所用的投影.我国常用的地图投影的情况为:
(1) 我国基本比例尺地形图(1:100万,1:50万,1:25万,1:10万,1:5万,
1:2.5,1:1万,1:5000)除1:100万外均采用高斯—克吕格投影为地理基础;
(2) 我国1:100万地形图采用了Lambert投影,其分幅原则与国际地理学会规定
的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致.
(3) 我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属
于同一投影系统的Albers投影(正轴等面积割圆锥投影);
(4) Lambert投影中,地球表面上两点间的最短距离(即大圆航线)表现为近于直
线,这有利于地理信息系统中和空间分析量度的正确实施.
1. 高斯—克吕格投影
高斯—克吕格投影是一种横轴等角切椭圆柱投影.它是将一椭圆柱横切于地球
椭球体上,该椭圆柱面与椭球体表面的切线为一经线,投影中将其称为中央经线,
然后根据一定的约束条件即投影条件,将中央经线两侧规定范围内的点投影到椭
圆柱面上,从而得到点的高斯投影.
高斯投影
高斯投影的特点为:
(1)中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴;
(2)等角投影;
(3)中央经线上没有长度变形.
50
由此可见,高斯投影的最大变形处为各投影带在赤道边缘处,为了控制变形,
我国地形图采用分带方法,即将地球按一定间隔的经差(6°或3°)划分为若干相互
不重叠的投影带,各带分别投影.1:2.5万至1:50万的地形图均采用6°分带
方案,即从格林尼治零度经线起算,每6°为一个投影带,全球共分为60个投影
带.我国领土位于东经72°到136°之间,共包括11个投影带(13带～22带).1:
1万及更大比例尺地形图采用3°分带方案,全球共分为120个投影带.下图给出
了高斯投影的6°带和3°带分带方案.
高斯-克吕格投影30带与60大分带示意图
为了制作地图和使用地图的方便,通常在地图上都绘有一种或两种坐标网,即
经纬线网和方里网.
经纬线网——即指由经线和纬线所构成的坐标网,又称地理坐标网.
在1:1万——1:20万比例尺的地形图上,经纬线只以图廓线的形式直接表
现出来,并在图角处注出相应度数.为了在用图时加密成网,在内外图廓间还绘
有加密经纬网的加密分划短线(图式中称"分度带"),必要时对应短线相连就可以
构成加密的经纬线网.1:25万地形图上,除内图廓上绘有经纬网的加密分划外,
图内还有加密用的十字线.
我国的1:50万——1:100万地形图,在图面上直接绘出经纬线网,内图廓
上也有供加密经纬线网的加密分划短线.
方里网——是由平行于投影坐标轴的两组平行线所构成的方格网.因为是每
隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线,所以称之为方里网,由于方里线同时又是平
行于直角坐标轴的坐标网线,故又称直角坐标网.
直角坐标网的坐标系以中央经线投影后的直线为X轴,以赤道投影后的直线
为Y轴,它们的交点为坐标原点.这样,坐标系中就出现了四个象限.纵坐标
从赤道算起向北为正,向南为负;横坐标从中央经线算起,向东为正,向西为负.
51
我国位于北半球,全部X值都是正值.在每个投影带中则有一半的Y坐标值
为负.为了避免Y坐标出现负值,规定纵坐标轴向西平移500km(半个投影带的
最大宽度不超过500km).这样,全部坐标值都表现为正值了.
2. 正等角圆锥投影
这种投影,是假想圆锥轴和地球椭球体旋转轴重合并套在椭球体上,圆锥面
与地球椭球面相割,将经纬网投影于圆锥面上展开而成.其经线表现为辐射的直
线束,纬线投影成同心圆弧(图3—5).
正等角割圆锥投影及其经纬线图形
圆锥面与椭球面相割的两条纬线圈,称之为标准纬线(φ1 ,φ2) .采用双
标准纬线的相割比采用单标准纬线的相切,其投影变形小而均匀.
投影变形的分布规律是:
(1)角度没有变形,即投影前后对应的微分面保持图形相似,故亦可称为正形投
影;
(2)等变形线和纬线一致,同一条纬线上的变形处处相等;
(3)两条标准纬线上没有任何变形;
(4)在同一经线上,两标准纬线外侧为正变形(长度比大于1),而两标准纬线之间
为负变形(长度比小于1),因此,变形比较均匀,绝对值也较小;
(5)同一纬线上等经差的线段长度相等,两条纬线间的经线线段长度处处相等.
52
7.5 投影变换
当系统所使用的数据是来自不同地图投影的图幅时,需要将一种投影的几何
数据转换成所需投影的几何数据,这就需要进行地图投影变换.
地图投影变换的实质是建立两平面场之间点的一一对应关系.假定原图点的
坐标为 x , y (称为旧坐标),新图点的坐标为X,Y(称为新坐标),则由旧坐标变
换为新坐标的基本方程式为:
实现由一种地图投影点的坐标变换为另一种地图投影点的坐标就是要找出上
述关系式.投影变换的方法有很多,其中反解变换法(又称间接变换法)更有助于
我们对投影的理解.这是一种中间过渡的方法,即先解出原地图投影点的地理位
置λ,对于x,y的解析关系式,将其代入新图的投影公式中求得其坐标.
7.6 实例一:影像配准和坐标系转换
已有数据:
珠江流域行政区划详细图:bount.shp
珠江流域行政区划图(区级):bount_proj.shp
扫描珠江流域分区位图:map.bmp
其中:bount.shp没有投影,鉴别方法:
(1) Windows目录下,没有bount.prj文件
(2) ArcCatalog中,bount属性\字段\shape\空间参考为unknown,在ArcMap
中查看,,map单位为度而且不可改变,说明它使用的是地理坐标系.
Bount_proj有投影,可以查看
(1) 可以用记事本打开Bount_proj.prj
(2) 在ArcCatalog中查看
(3) 在ArcMap中新建地图,添加数据bount_proj,查看dataframe的属性,
投影.
53
注:不同数据添加顺序,dataframe的投影设置可能会不同.
1. 查看位图
根据经纬网形状判断它的投影类型.
目的:变换矢量图层的投影,然后配准.因为通过控制点进行影像配准只是
对影像进行:平移,旋转和缩放,并不能改变位图上的投影数据.而配准的目的
是让栅格图像和矢量数据很好的切合.所以我们的步骤可以解释为定义一个地图
坐标系,然后把扫描位图找到合适的位置和角度放在这个坐标系内.
判断结果:认为它跟bount_proj的很像,因此可以将bount的投影转成
bount_proj的投影.
2. 在ArcCatalog里或者用ArcToolbox制定bount现在的坐标系,为地理坐标系,
beijing54
ArcToolbox\数据管理工具\投影\定义投影.这时不是变换投影,而是告诉系
统现在的数据用了什么投影.
3. ArcToolbox里的投影向导,为大地坐标系的数据进行投影,可以选择投影或者
导入已有的投影.
4.配准.均匀布点,但如果强调某一地区的显示精确性,可在这一地区多加控
制点.
7.7 实例二:矢量数据的校准,匹配.
已有数据:bount.shp,政区.shp
1. ArcToolbox将以上两种数据转化为coverage:bount_cov和政区_cov.
转换结果,投影信息丢失,变成大地坐标系.
2. 查看两者的Tic文件,定义的是四个角点的坐标.
3. 将bount_cov拷贝并重新命名为zhengqu_cov
4. 在ArcMap中打开bount.cov,看看政区图应该在这副图的什么范围,
用draw拉一个框,记下四个角点的坐标
5. 在zhengqu_cov的tic中输入范围坐标,角点输入顺序,左下开始逆
时针.
54
6. ArcToolbox转换工具transform:政区_cov转为zhengqu_cov
7. 如果需要投影,可同时选择两个文件投影到同一个坐标系.
8 3D分析
通过5个练习(详见Using ArcGIS 3D Analyst第二章)重点掌握以下几个内
容:
三维数据的生成:
通过高程点生成TIN;
在三维场景中如何将二维矢量特征表达成三维.
根据TIN生成剖面,通视分析
贴影像纹理
三维场景飞行
Exercise 1:Draping an image over a terrain surface
1. 打开3D分析扩展模块
2. 在ArcCatalog中预览3D数据,预览方式为3D View,右键打开3D View
tools.
3. 启动ArcScene并添加数据(TIN和TIF)
TIN是一个表示高程的起伏表面,而图像是一个平面,可以理解为高程
值都为0,也就相当于海平面.因此两个图层叠置的时候,可以看到TIN
中高出海平面的部分,而低于海平面的部分被隐藏了.
4. 贴影像纹理.图像层属性对话框\Base Heights tab页,Obtain heights for
layer from surface.
在ArcScene中,可以将一层(包括grid,image或者2D Features)覆盖
在一个地形表面上(可以是TIN或者是grid).
5. 夸大高度.(Scene properties).
55
专题一:TIN与DEM
TIN是数字高程模型(DEM)的一种表达方式.
一,数字高程模型(DEM)的概念
数字高程模型(DEM),也称数字地形模型(DTM),是一种对空间起伏变化的连
续表示方法.由于DTM隐含有地形景观的意思,所以,常用DEM,以单纯表
示高程.
尽管DEM是为了模拟地面起伏而开始发展起来的,但也可以用于模拟其它二
维表面的连续高度变化,如气温,降水量等.对于一些不具有三维空间连续分布
特征的地理现象,如人口密度等,从宏观上讲,也可以用DEM来表示,分析和
计算.
DEM有许多用途,例如:在民用和军用的工程项目(如道路设计)中计算挖
填土石方量;为武器精确制导进行地形匹配;为军事目的显示地形景观;进行越
野通视情况分析;道路设计的路线选择,地址选择;不同地形的比较和统计分析;
计算坡度和坡向,绘制坡度图,晕渲图等;用于地貌分析,计算浸蚀和径流等;
与专题数据,如土壤等,进行组合分析;当用其它特征(如气温等)代替高程后,
还可进行人口,地下水位等的分析.
二,DEM的表示方法
(1)拟合法
拟合法是指用数学方法对表面进行拟合,主要利用连续的三维函数(如富立叶
级数,高次多项式等).但对于复杂的表面,进行整体的拟合是不可行的,所以,
通常采用局部拟合法.
局部拟合法将复杂表面分成正方形的小块,或面积大致相等的不规则形状的
小块,用三维数学函数对每一小块进行拟合,由于在小块的边缘,表面的坡度不
一定都是连续变化的,所以应使用加权函数来保证小块接边处的匹配.
用拟合法表示DEM虽然在地形分析中用的不多,但在其它类型的机助设计
系统(如飞机,汽车等的辅助设计)中应用广泛.
(2)等值线
56
等值线是地图上表示DEM的最常用方法,但并不适用于坡度计算等地形分
析工作,也不适用于制作晕渲图,立体图等.
(3)格网DEM
格网DEM是DEM的最常用的形式,其数据的组织类似于图像栅格数据,只
是每个象元的值是高程值.即格网DEM是一种高程矩阵(如下图).其高程数据
可直接由解析立体测图仪获取,也可由规则或不规则的离散数据内插产生.
格网DEM的优点是:数据结构简单,便于管理;有利于地形分析,以及制作
立体图.其缺点是:格网点高程的内插会损失精度;格网过大会损失地形的关键
特征,如山峰,洼坑,山脊等;如不改变格网的大小,不能适用于起伏程度不同
的地区;地形简单地区存在大量冗余数据.
100 110 120 140 110 105 90
120 115 130 135 120 110 100
135 120 120 130 130 120 110
145 130 115 120 120 115 118
150 140 135 130 135 120 110
145 135 150 140 138 125 120
(4)不规则三角网DEM(TIN)
不规则三角网DEM直接利用原始采样点进行地形表面的重建,由连续的相互
联接的三角面组成(如图4—4),三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点
的密度和位置.不规则三角网DEM的优点是:能充分利用地貌的特征点,线,
较好地表示复杂地形;可根据不同地形,选取合适的采样点数;进行地形分析和
绘制立体图也很方便.其缺点是:由于数据结构复杂,因而不便于规范化管理,
难以与矢量和栅格数据进行联合分析.
57
通常所说的DEM即指格网DEM和不规则三角网DEM,地形分析也基于此.
Exercise 2:Visualizing contamination in an aquifer
目的:显示地下水污染情况和工厂的关系,以及工厂的治理优先级.
1. 打开地下水Scene文档.(groundwater.sxd),查看数据类型和信息.
2. 显示污染物的扩散和浓度.(将污染物浓度层congrd贴在plume的表面上,
进行三维显示).(base heights,并改变显示颜色)
3. 显示污染物与水井之间的关系.Wells\properties\Extrusion\Calculate
Extrusion Expression.(因为水井深度都是负值,所以从基准面往下画).
4. 显示工厂的治理优先级.Extrusion \priority*100.然后使用Quantities方
法显示.
专题二:如何将2D Feature显示为3D
1. 从地形表面获取高程值.Base heights
2. Extrusion.通过一列的值或输入一个常数将2D的地物显示为3D
3. 3D Analyst菜单\convert\Feature to 3D.同样也是通过一列或者表达式赋Z
值,或者是从地形表面获取高程值,与上述两种方法的效果相同,不同
的是输出新的结果文件.
另外,将栅格数据显示为3D,也是采用从地形表面获取高程值的办法.
Exercise 3:Visualizing soil contamination and thyroid cancer rates
已有数据:土壤中的CS137浓度的样点数据和甲状腺癌的病发率的样点数
据
目的:显示土壤污染与甲状腺癌病发率的关系
1. 为CS137浓度样点创建3D特征点.方法是:菜单中的convert;并夸大
Z值.
2. 为病发率样点创建3D特征点.方法:Extrusion.
58
3. 从CS137样点数据创建平面.方法是反距离加权插值.
4. 改变插值平面的显示.改变颜色;3维显示:从自己获取高程值.这是因
为该平面本身就是以高程值为属性的栅格图.
5. 通过属性选择地物.菜单selection\select by attributes.选择条件:
INCID1000>=0.5,也就是病发率大于等于千分之0.5的.
6. 利用属性表统计.Open attribute table.通过selected按钮只显示选中的.
然后右击cases列进行统计.
专题三:空间内插方法
已知一批空间数据,它可以是离散的也可以是分区的,从这些数据中推求
一个函数关系式,使该关系式最好的逼近这些已知的空间数据,并能根据该函数
关系式推求出区域范围内其他任意点或任意分区的值,这种通过已知点或分区的
数据推求出任意点或分区数据的方法称为空间数据的内插.它是地理信息系统数
据处理常用的方法之一,广泛应用于等值线自动制图,数字高程模型的建立,不
同区域界线现象的相关分析和比较研究等等.
通过内插可以生成或补充原始数据的不足,可以使原来离散分布的数据变
成规则的格网数据.
ArcGIS空间分析包括如下内插方法:
样条(Spline)
样条用一种数学函数来估计值,最小化所有的表面曲率,逼近曲面一种方
法.样条函数易操作,计算量不大,它与空间统计方法相比具有以下特点:不需
要对空间方差的结构做预先估计;不需要做统计假设,而这些假设往往是难以估
计和验证的;同时,当表面很平滑时,也不牺牲精度.样条函数适合于非常平滑
的表面,一般要求有连续的一阶和二阶导数;它适合于根据很密的点内插等值线,
特别是从不规则三角网(TIN)内插等值线.
样条函数的缺点是难以对误差进行估计,点稀时效果不好.
Inverse Distance Weighted (IDW)
反距离加权法是最常用的空间内插方法之一.它认为与未采样点距离最近
的若干个 点对未采样点值的贡献最大,其贡献与距离成反比.
59
∑
=
n
1
ii)Zd(Z
i
W=
式中,Z是估计值,Zi是第i(i=1,…,n)个样本,di是距离.以数据点到
待求点的距离给予适当的权重,按最小二乘法平差原理求解.权的值应与距离成
反比,间距愈近,对待求点测定值的影响应愈大.如取
W = 1 / dp或[(R-d)/d]p
式中d为待定点到数据点间的水平距离, p是距离的幂,它显著影响内插的
结果,它的选择标准是最小平均绝对误差.Husar等的研究结果表明,幂越高,
内插结果越具有平滑的效果.
Kriging
克里格法是空间统计方法的一种.所谓空间统计方法,其基本假设是建立
在空间相关的先验模型之上的.假定空间随机变量具有二阶平稳性,或者是服从
空间统计的本征假设(in trinsic hypothesis).则它具有这样的性质:距离较近的
采样点比距离远的采样点更相似,相似的程度或空间协方差的大小,是通过点对
的平均方差度量的.点对差异的方差大小只与采样点间的距离有关,而与它们的
绝对位置无关.空间统计内插的最大优点是以空间统计学作为其坚实的理论基
础,可以克服内插中误差难以分析的问题,能够对误差做出逐点的理论估计;它
也不会产生回归分析的边界效应.缺点是复杂;另一个缺点是变异函数.
克里格法的优点是以空间统计学作为其坚实的理论基础,物理含义明;不
但能估计测定参数的空间变异分布,而且还可以估算估计参数的方差分布.克里
格法的缺点是计算步骤较烦琐,计算量大,且变异函数有时需要根据经验人为选
定.
Exercise 4:Building a TIN to represent terrain
1. 打开并浏览数据.
2. 从点生成TIN.Vipoint points数据中包含一个SPOT字段,存储的是这一
点的高程值.Create TIN from feature.观察生成的TIN.
3. adding features to a TIN
4. 从TIN获取高度,设置显示
60
5. 制作剖面图
6. 通视分析
7. 最陡路径,可以用于分析径流方向.
专题四:创建TIN
1. 从矢量数据创建TIN
TIN通常由矢量数据创建生成的,可以用带有高程值的点,线,多边形来生
成TIN.但也并不是所有的矢量Feature都带有高程值.
可以使用一种或多种矢量数据一次创建TIN,也可以分步进行,也就是先用
一种矢量数据创建TIN,然后使用add Feature to TIN来修改TIN.
常用的是从高程测样点生成TIN,这些点就成为TIN中的顶点,它们决定了
整个平面的形状.
往TIN中加入的线称为breakline,可以有高程值也可没有高程值,它们就
成了TIN中三角形的边.Breakline可以是溪流,边界,道路等等.Breakline可
以分为两种:soft和hard
hard breakline:表示在TIN表面上坡度不连续,往TIN中加入hard breakline
通常会带来坡度的突然变化.例如山坡上的一条路.
Soft breakline:将边加入了TIN,但是不影响地表的形状.例如政界线.
加入多边形包括四种类型:clip,erase,replace,fill
clip:定义了插值的边界,落在边界外的数据就被除去了.例如行政界限.
Clip的边界成为新的边界.也有soft和hard的区别,与上同理.
Erase:落在边界内的数据被除去.
Replace:用插入的ploygon代替原来的该区域的地形表面.例如湖.
Fill:给区域所有三角形赋整数值.内不改变地形表面的高度.
2. 从栅格数据创建TIN
convert raster to TIN.
61
Exercise 5:Working with animations in ArcScene
1. 使用Capture View
2. 使用飞行工具
3. 使用书签设置拍照路线
4. 使用Group Animation 设置层之间的可视情况
5. 使用Animation Manager隐藏飞行路线
6. 改变Options中的Duration,改变放映速度.
7. 沿预定义的路线移动物体
8. 沿预定义路线创建动画
专题五:三维动画制作
一,如何制作动画
在ArcScene 中提供了制作动画的工具条,能够制作数据动画,视角动画和
场景动画.动画是由一条或多条轨迹组成,轨迹控制着对象属性的动态改变,例
如,场景背景颜色的变化,图层视觉的变化或者观察点的位置的变化.轨迹是由
一系列帧组成,而每一帧是某一特定时间的对象属性的快照,是动画中最基本的
元素.在ArcScene中可以通过以下几种方法生成三维动画:
1,通过创建一系列帧组成轨迹来形成动画:在动画工具条中提供了创建帧的
工具,如下图:
62
我们可以通过改变场景的属性(例如场景的背景颜色,光照角度等),图层
的属性(图层的透明度,比例尺等)以及观察点的位置来创建不同的帧.然后用
创建的一组帧组成轨迹演示动画.其中,动画功能会自动平滑两帧之间的过程.
比如,可以改变场景的背景颜色由白变黑,同时改变场景中光照的角度来制作一
个场景由白天到黑夜的动画.
2,通过录制导航动作或飞行创建动画:点击动画控制器上的录制按钮开始
录制,在场景中通过导航工具进行操作或通过飞行工具进行飞行,操作结束后点
击录制按钮停止录制.这个工具类似录相器,将场景中的导航操作或飞行动作的
过程录制下来形成动画.
3,通过捕捉不同视角,并自动平滑视角间过程创建动画:通过导航工具将
场景调整到某一合适的视角,用动画工具条上的捕捉视角命令捕捉此时的视角,
然后将场景调整到另一个合适的视角,再次用捕捉命令捕捉视角,依次可捕捉多
个视角.动画功能会自动平滑两视角间的过程,形成一个完整的动画过程.
4,通过改变一组图层的可视化形成动画效果:通过动画制作工具条中的创
建组合动画命令,选择图层组,控制一组图层的可视化生成动画效果.例如,可
以用一组显示洪水淹没过程的图层生成洪水演进的动画效果.
5,通过导入路径的方法生成动画:选择场景中存在的路径要素,用动画工
具条中的沿路径飞行命令制作沿路径飞行的动画效果,此时可以设置飞行时的一
些参数来控制飞行过程中的视觉效果.或用图层沿路径移动命令制作某一图层沿
路径移动的动画轨迹.
以上是五种基本的动画制作方法,动画制作完成后,可以通过动画控制器中
63
的播放按钮演播动画.
二,编辑和管理动画属性
动画的帧或轨迹创建完成之后,我们还可以用动画管理器编辑和管理组成动
画的帧和轨迹.另外,通过它我们也能改变帧的时间属性,并可预览动画播放效
果.下图是动画管理器.
三,保存动画
我们在ArcScene中制作的动画可以存储在当前的场景文档中,即动画可以
保存在SXD文档中;也能存储成独立的ArcScene动画文件(*.asa)用来与其他
的场景文档共享;同时我们也能将动画导出成一个AV I文件,被第三方的软件
调用.
9 空间分析模块
9.1 空间分析简介
空间分析是GIS的最大特色,GIS的发展中具备了一系列的分析方法和模型.
大多是基于栅格数据的.在ArcGIS中我们可以直接用这些工具,而不必追问其
原理和算法.空间分析不但能从各种已有的数据源中的信息生成合适的表面表
达,还可以从多种叠加专题类型里生成新的信息,其结果可以用来作为最初提出
的问题的建议方案.
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但是,空间分析不仅仅是分析,更重要的是解决问题,要得到正确的结果,
就要求提供正确的信息,另外就是要建立正确的概念模型.例如一个学校选址问
题,有了地形等数据,最重要的是我们要知道学校选址应该符合什么样的条件,
考虑什么样的因素.
建立了正确的概念模型之后,就是要选择合适的分析方法,一步步得到我们
所要的结果;最后就是要选择合适的方式表达分析的结果.
ArcGIS空间分析提供了丰富的,强大的空间建模和分析功能.这个扩展模
块可以创建基于栅格的数据,并对其查询,分析,绘图.另外,它也可以提供矢
量-栅格的一体化分析.用它你可以生成数据,分析数据间的关系,选择最佳地
点,计算两点间距离代价.
理解栅格数据
栅格数据(raster):通过cell表示位置信息,而cell的值可以是高度,土地利
用类型的代码,坡度值,方向代码等等.也可以根据需要赋予它不同的含义,例
如本来是记录的某种并发率(每个cell所代表的实际范围内的统计值),我们可
以将它解释为高度,在3D分析中,将其拉伸为高度,则更直观看出其数量关系.
另外cell的值也可以为空,即nodata,因此栅格数据可以表示连续的现象,比如
温度,高度,也可以表示不连续的现象.栅格的边长成为空间分辨率.
9.2 显示数据和功能简介
1. 启动空间分析.
2. 在ArcMap中添加数据.
3. 调整显示方式.
4. 在地图上高亮显示选择集.
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5. 信息工具.
6. 设置空间分析属性:工作路径,分析范围,空间分辨率.空间分辨率越
小意味着分析的精细,也意味着计算量的增加.根据分析用途选择合适
的分辨率.
7. 直方图.
8. hillshade.Azimuth(方位角):正北为0度,然后顺时针转计算角度,用
来指定光照来源.Altitude(高度角):用来定义光线的倾斜度,可以理解
为太阳高度角.Z factor:用来定义高度与平面x,y之间的单位换算关系.
9. 设置透明度.
10. 关掉其他图层.
9.3 选址分析
使用各种表面分析功能,为新的学校选址.
首先分析学校选址需要考虑的因素:坡度,距离已有学校的距离,距离娱乐
场所的距离,占用土地的土地利用类型.然后一步一步从已有数据分析获取所需
信息.
1. 打开数据.(elevation, landuse, rec_sites, schools),设置工作路径.
2. 获取坡度.Spatial Analyst\Surface Analyst\slope.根据高度获取坡度.
3. 计算到娱乐场所的距离.Spatial Analyst\distance\Straight Line.对每个栅
格计算它到最近的娱乐场所的直线距离.
4. 同样计算到现有学校的直线距离.
现在已经获得了所有所需的信息了,接下来是如何分析这些信息,选择出最
合适的地址,如何让结果一步步更明朗的显示出来.我们使用重新分类.所谓重
新分类就是为已有的数据重新设定统一的衡量标准,这个统一的衡量标准就是适
宜建新学校的适宜程度,对每一个栅格都将其根据适宜程度划分类别(级别).
我们将这种适宜程度划分为10个级别,1-10,级别越高表示越适合建立新学校.
1. 对坡度重新分类.显然坡度越小越好.Spatial Analyst\reclassify:input
slope,Reclass field:Va l u e;点击Classify按钮:Equal interval,10;重
新设置每个级别的值,坡度越小级别越高.
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2. 对到娱乐场所的距离重新分类,同上操作,距离越小越好,级别越高.
3. 对到现有学校的距离重新分类,同上操作,学校越分散越好,所以距离
越小级别越低.
4. 对土地利用类型重新分类.不同用地类型适宜建设新学校的程度也不相
同.我们定义,Agriculture的适宜程度为10,built_up的适宜程度为3,
Barren land为6,Brush为5,Forest为4,Water和Wetland则不能建设.
所以选中这两行,按delete entries.然后选中复选框:changing missing
values to nodata,则他们的级别变为nodata.然后重新设置Reclass of
landuse的显示.
5. 加权综合分析.以上四种因素对新校选址的影响力度并不相同,所以为
每种因素设定其权重.到娱乐场所的距离:50%;到现有学校的距离:
25%;土地利用类型:12.5%;坡度:12.5%.Spatail Analyst\raster Calculator.
然后输入新栅格值的表达式..计算.这称为地图的代数操作.
6. 对于计算产生的新的图层,改变其显示符号,分为10个级别,选择颜色
系列,同时改变nodata的显示方式为空.选中最后三个高级别的行,改
变为一种比较明亮的颜色.此时图上新校选址就很明显了.
9.4 最佳路径
为新建的学校修建道路,与已有道路连接,因此就成为查找新校到特定点的
最短路径了.但是修路并不是直线距离最短就可以了,而是要考虑修路的代价.
因此我们分析的首要步骤就是要计算修路代价.它的影响因素有:土地利用类型,
坡度.同样还是采用重新分类,设定10个代价级别.
1. 在ArcCatalog里创建shapefile,为其选择投影.在ArcMap中创建新
Feature,表示新的学校选址.
2. 为坡度重新分类.等间距,10个级别.坡度越小,代价越小.
3. 为landuse重新分类.Agriculture的代价为:4,built_up:9,Barren land
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为6,Brush为5,Forest为8,Water:10;Wetland则不能建设.所以选中这行,
按delete entries.然后选中复选框:changing missing values to nodata,则其级别
变为nodata.然后重新设置Reclass of landuse的显示.
5. 合并两层的代价值.代数相加.计算,然后改变显示.
6. 计算到新校址的代价距离,同时创建方向.
代价距离函数是根据cost栅格层提供的cost值,为每一个栅格计算经由
花费最小路径,到达最近的源点花费代价的累加值.
而方向则是为每个cell指明相邻的cell究竟哪一个在最短路径上.然后
用方向代码表示.
7. 计算最短路径.
8. 显示结果.
补充,生成cost_weighted distance时,还可以生成Allocation.当有多个源点
时,Allocatiaon可以为每一个cell指明它是属于哪一个源的,也就是到哪一
个源点最近.
9.5 如何获得连续的栅格数据
1. 点密度图
simple和kenel两种.设置搜索半径,落在搜索区域内的点(或线)的值的总
和除以搜索面积,点密度图可以更好的观察点或线在区域内的分布情况.
2. 点内插
3. TIN到栅格
9.6 其他功能
等值线,挖方填方,通视分析,结构转换等.
