软件应用软件应用ArcGISArcGIS主讲：石云主讲：石云课程简介软件应用ArcGIS课程是本专业本科生的专业模块课程，拟通过该门课程的学习，使学生掌握ArcGIS软件平台的相应的操作，加深对GIS基本原理的理解和领会，掌握该软件的各个模块功能，能够熟练地使用该地理信息系统平台，进行地理信息数据采集、空间数据库组织、空间数据处理、空间分析，得到相应的地理信息系统问题的解决方案。 核心教材 教科书：汤国安,杨昕等.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程，北京，科学出版社。 地理信息系统实习教程,宋小冬等，科学出版社 参考书：党安荣等，ArcGIS 8 Desktop地理信息系统应用指南，北京，清华大学出版社。第一章 导论GIS是一个用于管理、分析和显示地理信息的系统。地理信息可以通过一系列地理数据集来表达。而地理数据集则通过使用简单的，普通数据结构来为地理信息建模。GIS包含了一套用以处理地理数据的综合工具。 一、地理信息系统我们可以从多个角度来理解地理信息系统是如何工作于地理信息的： 1 从空间数据库的角度看：GIS是一个包含了用于表达通用GIS数据模型（要素、栅格、拓扑、网络等等）的数据集的空间数据库。理解GIS的三种角度： 2 从空间可视化的角度看：GIS是一套智能地图，同时也是用于显示地表上的要素和要素间关系的视图。底层的地理信息可以用各种地图的方式进行表达，而这些表现方式可以被构建成“数据库的窗口”，来支持查询、分析和信息编辑。3 从空间处理的角度看：GIS是一套用来从现有的数据集获取新数据集的信息转换工具。这些空间处理功能从已有数据集提取信息，然后进行分析，最终将结果导入到数据集中。GIS是世界上独一无二的一种数据库空间 数据库（Geodatabase）。它是一个“用于地理的信 息系统”。从根本上说，GIS是基于一种使用地理术 语来描述世界的结构化数据库 。GIS 将空间数据组织成一系列的专题图层和表 格。由于 GIS 中的空间数据集具有地理参考，因此 它们具有现实世界的位置信息并互相叠加。这里我们来回顾一些在空间数据库中重要的基 本原理： 从空间数据库的角度作为GIS空间数据库设计工作的一部分，用户要指定要素该如何合理的表现。例如，地块通常用多边形来表达，街道在地图中是中心线（centerline）的形式，水井表现为点等等。这些要素会组成要素类，每个要素类都有共同的地理表现形式。1 . 地理表现形式 （空间）每个GIS数据集都提供了对世界某一方面的空间表达，包括： 基于矢量的要素（点、线和多边形）的有序集合; 栅格数据集诸如数字高程模型和影像; 网络 ; 地形和其它地表 ; 测量数据集 ; 其他类型数据，诸如地址、地名和制图信息; 除了地理表现形式以外，地理数据集还包括传统的描述地理对象的属性表。许多表和空间对象之间可以通过它们所共有的字段（也常称为“关键字”）相互关联。就像它们在传统数据库应用中一样，这些以表的形式存在的信息集和信息关系在GIS数据模型中扮演着非常关键的角色。 2 . 描述性的属性 拓扑和网络 空间关系，比如拓扑和网络，也是一个GIS数据库的重要部分。 使用拓扑是为了管理要素间的共同边界、定义和维护数据的一致性法则，以及支持拓扑查询和漫游（比如，确定要素的邻接性和连接性）。拓扑也用于支持复杂的编辑，和从非结构化的几何图形来构建要素（例如，用线来构建多边形）。地理要素共享几何形状。可以使用节点、边、面的关系来描述要素的几何形状。 3 . 空间关系： 网络是描述一个能够相互贯通的 GIS 对象相连的图。这对于模拟路径和交通、管线、设备、水文学以及其它基于网络的应用非常重要。 在这个网络示例中，街道要素代表连接它们的端点（称为“连接”）的边。转向模型可用于控制从一边到另一边的通行能力 。GIS将空间数据组织成一系列的专题图层和表格。由于GIS中的空间数据集具有地理参考，因此它们具有现实世界的位置信息并互相叠加。 在一个GIS中，同类型的地理对象集合被组织成图层，例如地块、水井、建筑物、正射影像以及基于栅格的数字高程模型（DEM）。明确定义的地理数据集对于一个实用的地理信息系统是相当重要的，同时专题信息集合使用层来组织，这样的思想也是GIS数据集一个关键的思想。 4 .专题图层与数据集: 空间可视化是指生成地图以及其它地理信息的表现形式，包括交互式地图，3D场景，简报，图表，基于时间的浏览以及表现网络关系的图解示意图。GIS使用包括交互式的地图和其它视图来对地理数据集进行操作。地图为人们如何方便地、交互地使用地理信息提供了一个强有力的途径。对于大多数的GIS应用来说，交互式地图提供了主要的用户界面，并且在不同级别的应用中从手持移动设备的到基于浏览器的网络绘图以至高端的桌面GIS，都可以看到交互式地图的应用。 从空间可视化的角度： 除地图以外，其他交互式的视图，如按照时间顺序发生的事件描述，全球模拟图，以及图解都在 GIS 中被作为某种表现方式而使用。 GIS 用户通过交互地图，实施众多的从简单到复杂的 GIS 任务。这也是对于一个组织来说一种最主要的获得 GIS 信息的方式。开发人员经常嵌入地图到定制的应用中，许多用户也为某种 GIS 应用在 Internet 上发布 Web 上使用的地图。 从另外一个角度来看 GIS 是一系列地理数据集的和应用于这些数据集的操作工具。地理数据集可以是原始的量测（比如卫星图像），被分析者解析和编译出来的信息（例如道路，建筑物，土地类型），或者使用分析和模型运算从其他数据源中得来的信息。空间处理指的是用来生成派生数据集的工具和处理过程。 从空间处理的角度： GIS 包括了一套丰富的工具来处理和作用于地理信息。这一工具集通常被用来操作 GIS 信息对象比如数据集，属性字段，以及地图打印用的制图元素。这些综合的命令和数据对象结合在一起就构成了空间处理框架的基础。数据工具新的数据 空间处理 实际上可以在 GIS 的所有方 面 都加以应 用，如： 数据的自动 化生成和编 辑 数据的管理 分析和建模 高级制图GIS工具是建立复杂处理过程的基石。对一个已有数据应用一个工具处理是为了得到新的数据结果。在GIS中，使用空间处理的框架将这些集中了多个步骤的操作贯穿起来。把一系列的操作串起来就形成了一个处理模型，这个模型可以被用来自动执行和记录许多GIS中的空间处理任务。这种处理组合和应用过程就被认为是空间处理。 一个完整的 GIS 包括常规的信息和一组丰富的用于处理信息的 GIS 操作。ArcGIS 拥有一套丰富的语言，以及上千个应用于各种 GIS 数据类型的操作工具 。这三种观点在ESRI ArcGIS中分别用ArcCatalog（GIS是一套地理数据集的观点）、ArcMap（GIS是一幅智能的地图）和ArcToolbox（GIS是一套空间处理工具）来表达。这三部分是组成一个完整GIS的关键内容，并被用于所有GIS应用中的各个层面。 Internet的发展，DBMS技术的长足进步，面向对象编程 语言，移动设备以及GIS的广泛使用已经促使GIS有更加开阔 的前景和发挥更加重要的作用除了GIS桌面产品，GIS软件可以被集中在应用服务器上 和Web服务器上，把GIS的功能通过网络传递给任意多的用 户；可以集中一些GIS逻辑，将其嵌入和部署在用户定制的 应用中；为野外GIS业务在移动设备上部署GIS软件的应用也 多了起来。企业GIS用户使用传统高级的GIS桌面软件，使用Web浏 览器，专门的应用程序移动计算设备以及其它数字化设备连 接中心GIS服务器。GIS平台涉及的范围在不断的扩展。ArcGIS产品线正是为满足这种需求的发展而产生，从而 为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台。 二、 ArcGIS发展背景ArcGIS是美国ESRI公司开发的GIS软件产品。ESRI是全球最大的GIS厂家，其产品的市场占有 率一直保持全球第一。1981年， ESRI发布了它的第一套商业GIS软件 ARC/INFO，此后，ARC/INFO的版本不断更新， 1999年12月，发布了ARC/INFO 8。2001年4月ESRI 推出ArcGIS8.1，这是一套基于工业标准的GIS软件 家属产品，提供了功能强大，并且简单易用的完整 的GIS解决方案。2004年，正式推出ArcGIS9 ， 2010年，正式推出ArcGIS10 (中文版)。三、 ArcGIS概述1. ArcGIS体系结构ArcGIS作为一个可伸缩的平台，无论是在桌面，在服务 器，在野外还是通过Web，为个人用户也为群体用户提供 GIS的功能。ArcGIS 9是一个建设完整GIS的软件集合，它包 含了一系列部署GIS的框架： ArcGIS Desktop一个专业GIS应用的完整套件 ; ArcGIS Engine为定制开发GIS应用的嵌入式开发组件 ; 服务端GISArcSDE，ArcIMS和ArcGIS Server ; 移动GISArcPad以及为平板电脑使用的ArcGIS Desktop 和Engine ;桌面GIS（ArcGIS Desktop），嵌入式GIS（ArcGIS Engine）以及服务器GIS （ ArcGIS Server ）都是基于一 套共同的GIS 组件实现的，这些组件被称为ArcObjects 1.1 Desktop GIS对于那些利用GIS 信息进行编辑，设计的GIS 专业人士来说，桌面GIS 占有主导地位。GIS 专业人士使用标准桌面作为工具来设计，共享，管理和发布地理信息。ArcGIS Desktop 是一个集成了众多高级GIS 应用的软件套件，它包含了一套带有用户界面组件的Windows 桌面应用（ArcMap、 ArcCatalog、 ArcToobox 、ArcScene 和ArcGlobe）。它们具有统一的界面，既可以独立运行，又可以相互调用，可以实现任何从简单到复杂的GIS任务，包括制图、地图分析、数据编辑、数据管理、可视化和空间处理。ArcMap、ArcCatlog、ArcToolbox ArcView：提供全面的制图、数据使用及分析、 简单的编辑与数据处理功能。 ArcEditor：具有ArcView的全部功能、此外包含高 级的编辑功能、可实现对Shape文件和 Geodatabase地理数据库的编辑。 ArcInfo：是全功能的桌面级GIS旗舰产品。它提供 了比ArcEditor 更多的功能，可以实现高级的地理 空间数据处理。还包含了早期的，基于命令方式的 GIS产品ArcInfo Workstaion。ArcGIS Desktop有三个层次的产品1.2 Server GISGIS 与生俱来就是一个分布式信息系统 。目前，存在着一个广泛的认同那就是在大多 数地理信息系统中，数据层和数据表都来源于多 个组织。每个 GIS 组织机构生成了一些数据内容 ，但并不是全部，至少总有一些数据层来源 于 本组织之外。对数据的需求促使用户用最为有效 和快速的方法去获取数据，包括从其他 GIS 用户 中取得数据库的一部分。由此，GIS 的数据管理 就分布于许多用户之间了。 GIS 用户通过部署一个集中式的GIS 服务器在 大型组织之内以及Internet 的用户之间发布和共 享地理信息。服务器的GIS 软件适用于任何集中 执行GIS 计算，并计划扩展支持GIS数据管理和空 间处理的场合。除了为客户端提供地图和数据服 务，GIS 服务器还在一个共享的中心服务器上支 持GIS 工作站的所有功能，包括制图，空间分析 ，复杂空间查询，高级数据编辑，分布式数据管 理，批量空间处理，空间几何完整性规则的实施 等等。 ArcSDE一个在多种关系型数据库管理系统中管理地理 信息的高级空间数据服务器。ArcSDE 是一个位于Arc