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1、第第1 1章章 GISGIS基本原理与基本原理与ArcGISArcGIS软件简介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，简称GIS）技术也得到）技术也得到了飞速的发展。目前，地理信息系统软件了飞速的发展。目前，地理信息系统软件ArcGIS已成为全世已成为全世界用户群体最大、应用领域最广泛的界用户群体最大、应用领域最广泛的GIS软件平台。其软件平台。其ESRI公司已成为公
2、认的、世界领先的公司已成为公认的、世界领先的GIS软件供应商。本章将详细软件供应商。本章将详细介绍地理信息系统与介绍地理信息系统与ArcGIS软件的基本原理和基础知识。软件的基本原理和基础知识。1.1 GIS1.1 GIS概述概述地理信息系统技术是一门综合性的技术。其发展共经历地理信息系统技术是一门综合性的技术。其发展共经历了了20世纪世纪60年代初始发展阶段、年代初始发展阶段、70年代发展巩固阶段、年代发展巩固阶段、80年年代推广应用阶段以及代推广应用阶段以及90年代以来的蓬勃发展阶段。随着地理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，信息产品的建立和数字
3、化信息产品在全世界的普及，GIS已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。活、学习和工作不可缺少的工具和助手。1.1.1 GIS1.1.1 GIS的基本概念的基本概念地理信息系统（地理信息系统（GIS）是一门集计算机科学、信息学、）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
4、，以提供对规划、管理、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。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。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可以通过管理、分析、通讯进行复杂图案识别以及空间建模和空间数据挖掘。空间建模和空间数据挖掘。1.1.2 GIS1.1.2 GIS系统的组成系统的组成一个一个GIS系统的组成，可以分为系统的组成，可以分为5个主要部分：硬件、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。
5、软件、数据、人员和方法。下面简要介绍各个部分。 1硬件硬件 2软件软件 3数据数据 4人员人员 5方法方法1.1.3 GIS1.1.3 GIS的主要功能的主要功能一个完整的地理信息系统（一个完整的地理信息系统（GIS）可以具有以下）可以具有以下5个方个方面的功能。面的功能。l数据采集与编辑功能数据采集与编辑功能l数据的存储和管理功能数据的存储和管理功能l制图功能制图功能l空间查询与空间分析功能空间查询与空间分析功能l二次开发和编程功能二次开发和编程功能1.2 GIS1.2 GIS空间数据组织与结构简介空间数据组织与结构简介地理空间数据是地理空间数据是GIS系统的基础组成部分，其也是系统的基础组
6、成部分，其也是GIS软件的直接操作对象。应该说整个软件的直接操作对象。应该说整个GIS系统都是围绕空间数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。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系统中两种从数据结构上来说，矢量和栅格是地理信息系统中两种主要的空间数据结构。主要的空间数据结构。1.2.1 1.2.1 栅格数据结构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
7、应的属性值，从而来表示地理实体的一种数据组织形给出相应的属性值，从而来表示地理实体的一种数据组织形式。简单地讲，式。简单地讲，栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元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由行列确定它的位置并有一个相应的属性值。相应的属性值。1.2.2 1.2.2 矢量数据结构矢量数据结构与栅格数据相对应，矢量数据是与栅格数据相对应，矢量数据是GIS中的另一种基本数据类型。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
8、标的方式，尽可能地将相邻的坐标串表达。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。点、线和面等地理实体表现得精确无误。1.2.3 1.2.3 栅格矢量数据结构的比较栅格矢量数据结构的比较从图形质量出发，最初研究和发展的是矢量数据处理技术。从图形质量出发，最初研究和发展的是矢量数据处理技术。但到但到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。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
9、析（交通运输网、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。量结构的数据库容量大幅度增加。1.3 ArcGIS 91.3 ArcGIS 9软件体系结构软件体系结构ArcGIS 9是是ESRI开发的新一代开发的新一代GIS软件，在世界上应用最为软件，在世界上应用最为广泛。它由数据、数据服务器广泛。它由数据、数据服务器ArcSDE及及4
10、个应用基础框架组成，即个应用基础框架组成，即桌面软件桌面软件Desktop、服务器、服务器GIS、嵌入式、嵌入式GIS和移动和移动GIS。1.3.1 ArcGIS1.3.1 ArcGIS桌面产品（桌面产品（Desktop GISDesktop GIS）ArcGIS桌面产品是一系列整合的应用程序的总称，其桌面产品是一系列整合的应用程序的总称，其包含诸如包含诸如ArcMap、ArcCatalog、ArcToobox以及以及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和和ArcInfo，而，而ArcRe
11、ader则是一个免费则是一个免费地图浏览器组件。地图浏览器组件。1ArcMap2ArcCatalog3ArcToolbox4ModelBuilder5ArcGlobe1.3.2 1.3.2 嵌入式嵌入式GISGIS（Embedded GISEmbedded GIS）在实际应用中，有些在实际应用中，有些GIS软件要求简单、有针对性的用户软件要求简单、有针对性的用户界面，它们通过高级的界面，它们通过高级的GIS逻辑执行一些具体的任务。例如，逻辑执行一些具体的任务。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。客户
12、化的GIS应用也要具有高度灵活的可定制性。用户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界面是为了给不熟悉GIS的用户使用其功能。因此，软件开发的用户使用其功能。因此，软件开发者需要有一个可编程的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工具包，在构建应用时提供常规的GIS功能。功能。1.3.3 1.3.3 服务器服务器GISGIS（Server 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中。通过网络，向任意数量的用户提供各种GIS功能。企业功能。
13、企业GIS用户可以使用传统的、高级的用户可以使用传统的、高级的GIS桌面软件、网络浏览桌面软件、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器、定制的应用、移动计算设备、以及数字设备等连接到中央央GIS服务器，获得服务器，获得GIS服务。服务。 这些服务器这些服务器GIS能够提供丰能够提供丰富的富的GIS功能。功能。1ArcSDE2ArcIMS3ArcGIS Server1.3.4 1.3.4 移动移动GISGIS（Mobile GISMobile GIS）在移动在移动GIS方面，方面，ArcGIS 9提供了实现简单提供了实现简单GIS操作的操作的ArcPad和实现高级和实现高
14、级GIS复杂操作的复杂操作的Mobile ArcGIS Desktop System。1.4 ArcGIS 91.4 ArcGIS 9软件简介与软件安装软件简介与软件安装美国环境系统研究所（美国环境系统研究所（Environment System Research Institute，ESRI）从）从1978年以来，相继推出了多个版本系列的年以来，相继推出了多个版本系列的GIS软件，其产品不断软件，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。更新扩展，构成适用各种用户和机型的系列产品。20世纪世纪90年代以来，年代以来，ESRI在全面整合了在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智
15、能、网络技术及其他与数据库、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最高技术水平的全最高技术水平的全系列系列ArcGIS产品。产品。在常见的在常见的GIS系统中，系统中，ESRI的的ArcGIS以其强大的分析能力占据了大以其强大的分析能力占据了大量市场，成为主流的量市场，成为主流的GIS系统。系统。ArcGIS 9由由ESRI在在2004年推出，是一个统年推出，是一个统一的地理信息系统平台。一的地理信息系统平台。ArcGIS 9不仅是一个全面的不仅是一个全面的GIS平台，而且还是平台，而且还是一个可伸缩的一
16、个可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完善的平台，为用户构建一个完善的GIS系统，提供完整的解决系统，提供完整的解决方案。方案。1.4.1 ArcGIS 91.4.1 ArcGIS 9软件特色软件特色ArcGIS 9是是ESRI发布的功能比较强大而又完善的版本。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的一个主要目标是与现有的ArcGIS 8.3平台的功能和数据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级，同时在软件稳
17、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，包括能方面作了改进；提供强大的跨平台支持能力，包括Windows、UNIX和和Linux平台，这为用户提供了更加灵活的配置选择。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制图编辑的高度一体化2便捷的元数据管理便捷的元数据管理3灵活的定制与开发灵活的定制与开发4ArcGIS 9的新功能的新功能1.4.2 ArcGIS 91.4.2 ArcGIS 9软件安装软件安装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可。下面
18、就假设把安装软件存放在E盘根目录下，来详细地盘根目录下，来详细地介绍其安装步骤。介绍其安装步骤。1.5 ArcGIS 91.5 ArcGIS 9常用矢量数据模型简介常用矢量数据模型简介目前，目前，GIS数据模型和格式有数据模型和格式有200多种。多种。ArcGIS 9常用常用矢量数据模型主要包括矢量数据模型主要包括Shapefile、Coverage和和GeoDatabase等等3种。种。1.5.1 Shapefile1.5.1 ShapefileShapefile文件是美国环境系统研究所（文件是美国环境系统研究所（ESRI）所研制的）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。
19、文件系统格式文件，是工业标准的矢量数据文件。Shapefile将空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表中的几何对象存为以坐标点集表示的图形文件SHP文件。文件。Shapefile文件并不含拓扑（文件并不含拓扑（Topological）数据结构。）数据结构。一个完整的一个完整的ESRI的的shape文件至少文件至少包括包括3个文件，详细内容如个文件，详细内容如下。下。1主文件主文件2索引文件索引文件3dBASE表表4其他文件其他文件1.5.2 Coverage1.5.2 C
20、overage1981年，年，ESRI推出他的第一个商业推出他的第一个商业GIS软件软件ArcInfo，它，它采用的是第二代地理数据模型采用的是第二代地理数据模型Coverage数据模型，也被称为地数据模型，也被称为地理相关模型（理相关模型（Georelational Data Model）。）。Arc/Info 确认确认c后面的斜杠是否正确后面的斜杠是否正确 采用一种混合数据模型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。在数据则使用关系数据模型。在Coverage中，主要用弧
21、段、节点、标中，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、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、注记和覆盖范围、注记和链链 确认表述是正确确认表述是正确。1Arc/Info数据结构与存储方式数据结构与存储方式2Arc/Info文件结构文件结构3Arc/Info文件的优势文件的优势4Arc/Info文件的不足文件的不足1.5.3 GeoDatabase1.5.3 GeoDatabaseGeoDatabase数据模型是数据模型是ESRI公司在公司在Arcinfo中推出的一种新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
22、是建立在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、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。数据特征和更易建立特征之间的各种关系。1GeoDatabase数据模型的结构数据模型的结构2GeoDatabase数据模型的优点数据模型的优点1.6 1.6 小结小结本章简单介绍了一些本章简单介绍了一些GIS的基本理论知识，并就的基本理论知识，并就GIS的两大空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，探讨了两间数据组织与结构
23、（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，软件进行了详细地介绍，包括包括ArcGIS 9软件的结构、体系和安装等。最后对软件的结构、体系和安装等。最后对ArcGIS 9软件所软件所特有的矢量数据结构进行了讲解。特有的矢量数据结构进行了讲解。本章的重点在于本章的重点在于ArcGIS 9软件结构体系，掌握其结构体系和功软件结构体系，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，对多读者可能是初学者，对GIS还不太了解。其实理解还不太了解。其实理解GIS基础知识以基础知识以及及ArcGIS使用的数据结构也很重要，这也是本章的难点。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，书籍与资料，在理解在理解GIS基本理论与知识的基础之上，再来熟悉基本理论与知识的基础之上，再来熟悉ArcGIS软件是很软件是很有必要的。有必要的。
