第1章GIS基本原理与ArcGIS软件

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1、第1章 GIS基本原理与ArcGIS软件简介随着信息技术的发展以及应用领域的不断扩大，尤其是 计算机技术以前所未有的速度快速发展，地理信息系统（ Geographic Information System，简称GIS）技术也得到了飞 速的发展。目前，地理信息系统软件ArcGIS已成为全世界用 户群体最大、应用领域最广泛的GIS软件平台。其ESRI公司 已成为公认的、世界领先的GIS软件供应商。本章将详细介绍 地理信息系统与ArcGIS软件的基本原理和基础知识。1.1 GIS概述地理信息系统技术是一门综合性的技术。其发展共经历 了20世纪60年代初始发展阶段、70年代发展巩固阶段、80年 代推广

2、应用阶段以及90年代以来的蓬勃发展阶段。随着地理 信息产品的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS已 经成为确定性的产业，并逐渐渗透到各行各业，成为人们生 活、学习和工作不可缺少的工具和助手。1.1.1 GIS的基本概念地理信息系统（GIS）是一门集计算机科学、信息学、 地理学等多门科学为一体的新兴学科。它是在计算机软件和 硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和 综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、 决策和研究所需信息的空间信息系统。 GIS通常也被认为是一种决策支持系统，它具有信息系 统的一般特点。 GIS可以通过管理、分析、通讯进行复杂图案识别以及 空间建

3、模和空间数据挖掘。1.1.2 GIS系统的组成一个GIS系统的组成，可以分为5个主要部分：硬件、 软件、数据、人员和方法。下面简要介绍各个部分。1硬件2软件3数据4人员5方法1.1.3 GIS的主要功能一个完整的地理信息系统（GIS）可以具有以下5个方 面的功能。 l数据采集与编辑功能 l数据的存储和管理功能 l制图功能 l空间查询与空间分析功能 l二次开发和编程功能1.2 GIS空间数据组织与结构简介地理空间数据是GIS系统的基础组成部分，其也是GIS 软件的直接操作对象。应该说整个GIS系统都是围绕空间数 据的采集、加工、存储、分析和表现等来展开的。 从数据结构上来说，矢量和栅格是地理信息

4、系统中两种 主要的空间数据结构。1.2.1 栅格数据结构基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构。我们可 以把它看作是将空间分割成有规则的网格，并在各个网格上 给出相应的属性值，从而来表示地理实体的一种数据组织形 式。简单地讲，栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元 由行列确定它的位置并有一个相应的属性值。1.2.2 矢量数据结构与栅格数据相对应，矢量数据是GIS中的另一种基本数据类型。 它的特点是通过记录对象的边界来表达空间对象，如一条线由一系列 相邻的坐标串表达。矢量数据结构通过记录坐标的方式，尽可能地将 点、线和面等地理实体表现得精确无误。1.2.3 栅格矢量数据结构的比较从图形质量出发

5、，最初研究和发展的是矢量数据处理技术。 但到70年代后期，许多实际工作者都认为在许多情况下，栅格方 案更有效。 另一方面，相互连接的线网络和多边形网络则仍需应用矢量 数据结构模式。因为矢量结构更有利于网络分析（交通运输网、 给排水网等）和制图应用。但是矢量表示的多边形网络、线网络 数据结构中包括了大量拓扑信息即关系数据等多余数据，也使矢 量结构的数据库容量大幅度增加。1.3 ArcGIS 9软件体系结构ArcGIS 9是ESRI开发的新一代GIS软件，在世界上应用最为 广泛。它由数据、数据服务器ArcSDE及4个应用基础框架组成，即 桌面软件Desktop、服务器GIS、嵌入式GIS和移动GI

6、S。1.3.1 ArcGIS桌面产品（Desktop GIS）ArcGIS桌面产品是一系列整合的应用程序的总称，其 包含诸如ArcMap、ArcCatalog、ArcToobox以及ArcGlobe 等在内的用户界面组件。其功能可分为以下几个级别 ArcView、ArcEditor和ArcInfo，而ArcReader则是一个免费 地图浏览器组件。 1ArcMap 2ArcCatalog 3ArcToolbox 4ModelBuilder 5ArcGlobe1.3.2 嵌入式GIS（Embedded GIS）在实际应用中，有些GIS软件要求简单、有针对性的用户 界面，它们通过高级的GIS逻辑执

7、行一些具体的任务。例如， 很多组织只需要简单的数据编辑器而不是一个完整功能的桌面 GIS。客户化的GIS应用也要具有高度灵活的可定制性。用户 界面是为了给不熟悉GIS的用户使用其功能。因此，软件开发 者需要有一个可编程的GIS工具包，在构建应用时提供常规的 GIS功能。1.3.3 服务器GIS（Server GIS ）GIS软件可以被集中地管理在应用服务器和网络服务器 中。通过网络，向任意数量的用户提供各种GIS功能。企业 GIS用户可以使用传统的、高级的GIS桌面软件、网络浏览 器、定制的应用、移动计算设备、以及数字设备等连接到中 央GIS服务器，获得GIS服务。 这些服务器GIS能够提供丰

8、 富的GIS功能。 1ArcSDE 2ArcIMS 3ArcGIS Server1.3.4 移动GIS（Mobile GIS）在移动GIS方面，ArcGIS 9提供了实现简单GIS操作的ArcPad 和实现高级GIS复杂操作的Mobile ArcGIS Desktop System。1.4 ArcGIS 9软件简介与软件安装美国环境系统研究所（Environment System Research Institute， ESRI）从1978年以来，相继推出了多个版本系列的GIS软件，其产品不断 更新扩展，构成适用各种用户和机型的系列产品。20世纪90年代以来， ESRI在全面整合了GIS与数据

9、库、软件工程、人工智能、网络技术及其他 多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表GIS最高技术水平的全 系列ArcGIS产品。 在常见的GIS系统中，ESRI的ArcGIS以其强大的分析能力占据了大 量市场，成为主流的GIS系统。ArcGIS 9由ESRI在2004年推出，是一个统 一的地理信息系统平台。ArcGIS 9不仅是一个全面的GIS平台，而且还是 一个可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完善的GIS系统，提供完整的解决 方案。1.4.1 ArcGIS 9软件特色ArcGIS 9是ESRI发布的功能比较强大而又完善的版本。 ArcGIS 9的一个主要目标是与现有的ArcGIS 8.3

10、平台的功能和数据 模型完全兼容，使得最终用户和开发商可以很方便地对系统进行升 级，同时在软件稳定性、测试、空间数据库伸缩性和栅格处理的性 能方面作了改进；提供强大的跨平台支持能力，包括Windows、 UNIX和Linux平台，这为用户提供了更加灵活的配置选择。 1制图编辑的高度一体化 2便捷的元数据管理 3灵活的定制与开发 4ArcGIS 9的新功能1.4.2 ArcGIS 9软件安装ArcGIS 9软件安装首先需要获得相关软件以及运行许 可。下面就假设把安装软件存放在E盘根目录下，来详细地 介绍其安装步骤。1.5 ArcGIS 9常用矢量数据模型简介目前，GIS数据模型和格式有200多种。

11、ArcGIS 9常用 矢量数据模型主要包括Shapefile、Coverage和GeoDatabase 等3种。1.5.1 ShapefileShapefile文件是美国环境系统研究所（ESRI）所研制的GIS 文件系统格式文件，是工业标准的矢量数据文件。Shapefile将空 间特征表中的非拓扑几何对象和属性信息存储在数据集中，特征 表中的几何对象存为以坐标点集表示的图形文件SHP文件。 Shapefile文件并不含拓扑（Topological）数据结构。 一个完整的ESRI的shape文件至少包括3个文件，详细内容如 下。 1主文件 2索引文件 3dBASE表 4其他文件1.5.2 Cov

12、erage1981年，ESRI推出他的第一个商业GIS软件ArcInfo，它 采用的是第二代地理数据模型Coverage数据模型，也被称为地 理相关模型（Georelational Data Model）。 Arc/Info 确认c后面的斜杠是否正确 采用一种混合数据模型 定义和管理地理数据。空间数据使用拓扑数据模型来表示，而属性 数据则使用关系数据模型。在Coverage中，主要用弧段、节点、标 识点和多边形来表示地图上的点、线、面，除此之外，还有控制点 、覆盖范围、注记和链 确认表述是正确。 1Arc/Info数据结构与存储方式 2Arc/Info文件结构 3Arc/Info文件的优势 4

13、Arc/Info文件的不足1.5.3 GeoDatabaseGeoDatabase数据模型是ESRI公司在Arcinfo中推出的一种新 型面向对象数据模型，即第三代数据模型。它是建立在DBMS之上 的统一的、智能化的空间数据库。其目的是为了让用户能更容易、 更自然地表示GIS数据特征和更易建立特征之间的各种关系。 1GeoDatabase数据模型的结构 2GeoDatabase数据模型的优点1.6 小结本章简单介绍了一些GIS的基本理论知识，并就GIS的两大空 间数据组织与结构（栅格、矢量数据结构）进行了介绍，探讨了两 种结构的优缺点。紧接着本章对ArcGIS 9软件进行了详细地介绍， 包括ArcGIS 9软件的结构、体系和安装等。最后对ArcGIS 9软件所 特有的矢量数据结构进行了讲解。 本章的重点在于ArcGIS 9软件结构体系，掌握其结构体系和 功能对于有针对性地学好本软件有着致关重要的铺垫作用。另外， 很多读者可能是初学者，对GIS还不太了解。其实理解GIS基础知识 以及ArcGIS使用的数据结构也很重要，这也是本章的难点。 在学习本章的过程中应该注意结合其他有关GIS书籍与资料， 在理解GIS基本理论与知识的基础之上，再来熟悉ArcGIS软件是很 有必要的。