2007-11.27(6) http://www.geo-spatial.net 杨克诚 GIS 空间分析－使用ArcGIS 2007-11.27(6) http://www.geo-spatial.net 杨克诚

空间数据处理 3.3空间数据处理 3.3.1 GIS 中的地图投影 3.3.3 矢量数据的校准 3.3.3 空间数据处理

3.3.1 GIS 中的地图投影 3.1.1.1 地理坐标系（Geogrpahic Coordinate System） 地理坐标系使用基于经纬度坐标的坐标系统 描述地球上某一点所处的位置。 某一个地理坐标系是基于一个基准面来定义。

基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面 在ArcGIS中基于这三个椭球，建立了我国常用的三个基准面和地理坐标系： GCS_WGS1984(基于WGS84 基准面) GCS_BEIJING1954(基于北京1954基准面) GCS_XIAN1980(基于西安1980基准面) 椭球体 长半轴 a（米） 短半轴b（米） Krassovsky（北京54采用） 6378245 6356863.0188 IAG 75（西安80采用） 6378140 6356755.2882 WGS 84 6378137 6356752.3142

地理坐标系不是平面直角坐标系

3.3.1.2投影坐标系（Projected Coordinate Systems） 投影坐标系使用基于X,Y值的坐标系统来描述地球上某个点所处的位置。这个坐标系是从地球的近似椭球体投影得到的，它对应于某个地理坐标系。 投影坐标系由 以下参数确定 地理坐标系（由基准面确定，比如：北京54、西安80、WGS84） 投影方法（比如高斯－克吕格、Lambert投影、Mercator投影）

在ArcGIS中提供了几十种常用的投影方法 北京1954投影坐标系和西安1980坐标系都是应用高斯－克吕格投影，只是基准面、椭球、大地原点不同。

我国所使用的地图投影： 我国的基本比例尺地形图(1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万)中， 大于等于50万的均采用高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger)，又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)； 小于50万的地形图采用正轴等角割园锥投影，又叫兰勃特投影(Lambert Conformal Conic)； 海上小于50万的地形图多用正轴等角园柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator) 我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。

通过ArcToolbox中数据管理工具中“投影及变换”工具定义及进行投影变换。 可以实现地理坐标系与投影坐标系的变换、地理坐标系间的转换（北京54－>WGS84，北京54<->西安80） 目前还不支持 WGS84->北京54和西安80的变换

3.3.1.3 地理变换 地理变换是一种在地理坐标系（基准面）间转换数据的方法，当将矢量数据从一个坐标系统变换到另一个坐标系统下时，如果矢量数据的变换涉及基准面的改变时，需要通过地理变换来实现地理变换或基准面平移 在ArcGIS中预定义了我国常用的北京1954、西安1980基准面和WGS 1984基准面。

三参数方法 The simplest datum transformation method is a geocentric, or three-parameter, transformation.The eocentrictransformation models the differences between two datums in the X,Y,Z coordinate system. One datum isdefined with its center at 0,0,0. The center of the other datum is defined at some distance (ΔX,ΔY,ΔZ) in meters away.

七参数法： A more complex and accurate datum transformation is possible by adding four more parameters to a geocentric transformation. The seven parameters are three linear shifts (ΔX,ΔY,ΔZ), three angular rotations around eachaxis (rx,ry,rz), and scale factor(s).

3.3.1.4 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，需要将一种投影的地理数据转换成另一种投影的地理数据，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：

仿射变换（AFFINE） 投影变换(PROJECTIVE) 相似变换（SIMILARITY ）

3.3.2 矢量数据空间校准 Spatial Adjustment 功能通过以下方法： 变换 橡皮拉伸 边界捕捉 实现 平面坐标系的转换 仿射方法 投影方法 相似方法 橡皮拉伸 边界捕捉 实现 平面坐标系的转换 校准有误差的矢量数据 将数据配准到指定坐标系下 拼接分幅数据

ArcView GIS 3 Geoprocessing 3.3.3 空间数据处理 GeoProcessing 空间间数据处理是基于已有数据派生新数据的一种方法。是通过空间分析方法来实现的。包括矢量数据的： 融合 剪切 拼接 合并（并集） 相交（交集） ArcView GIS 3 Geoprocessing ArcGIS 9 ArcToolbox Dissolve：融合 Data Management toolbox > Generalization toolset > （融合）Dissolve tool Merge：拼接 Data Management toolbox > General toolset > Append tool Clip：剪切 Analysis toolbox > Extract toolset > Clip tool Intersect：相交 Analysis toolbox > Overlay toolset > Intersect tool Union：合并 Analysis toolbox > Overlay toolset > Union tool

3.3.3.1剪切要素Clipping Analysis toolbox > Extract toolset > Clip tool 用一个多边形图层去裁剪另一个图层：根据一个图层剪切另一图层中的要素 这个操作使用一个多边形主题（或者主题中选定的要素）去裁剪另一个点要素或线要素或多边形要素主题，从而生成一个新的主题。派生的主题中将只包含处于用来裁剪的多边形边界内的要素。 几何上，位于多边形要素范围内的输入图层要素得到保留。 属性上，输入图层的要素属性得到继承。但要注意，面积等字段值仍为原来之值，可能需要重新计算更新；

示例：给你一幅全省土地利用图，再给你陆良县行政边界图，就可以利用裁剪操作制作一幅陆良县土地利用图，前提条件是两幅图坐标一致。

3.3.3.2 融合：基于某个字段消除公共边 Dissolve—Data Management Tools toolbox > Generalization toolset > Dissolve tool 基于属性的要素合并这个功能可以将主题中某一字段取值相同且相邻的要素合并成一个要素。你可以通过界面选取输入的图层和合并依据的属性。 几何上，某字段值相同并且有公共边的两个多边形被合并； 属性上，该字段值得到保留，其它字段可根据需要进行汇总（求和，求平均…）；

示例：现有一个县界图层，每个县有它所属地区的代码，通过对该代码进行融合操作，可以得到地区界图层。

3.3.3.3拼接图层 Merge（Append）—Data Management Tools toolbox > General toolset > Append tool 拼接操作可以把具有相同要素类型的两个或更多的图层合并成一个图层。 几何上，新图层包含原来两个图层的全部信息； 属性上，你指定一个图层，让新图层的字段结构与其相同。该指定图层的字段值得到保留，而另一图层中的要素，其字段根据新图层中是否存在同名同类型字段被取舍；

示例：某一幅图由多人合做，现要将各人所做之结果合在一起，可以使用拼接操作。但若需要精确的拓扑关系，还需要在ArcInfo中进一步处理。

3.3.3.4合并（并集） Union—Analysis toolbox > Overlay toolset > Union tool 图层合并这个功能将两个图层进行联合运算，派生新的图层。 几何上，新图层中为输入图层叠加了多边形图层的分划信息；全部要素均得到保留。 属性上，新图层中要素属性值包含了其原始值以及多边形值；

示例：给你乡镇界线图和自然保护区界线图，请你计算各个乡镇中涉及各个自然保护区的面积和位置，以及没有涉及自然保护区的面积；

3.3.3.5相交 Analysis toolbox > Overlay toolset > Intersect tool 图层相交这个功能将两个图层进行地理相交运算。输入图层要素类型可以是多边形或线，相交图层必须是多边形，输出图层的属性包含两张图层的属性。 几何上，新图层中为输入图层叠加了多边形图层的分划信息；多边形层要素范围之外的元时要素被抛弃； 属性上，新图层中要素属性值包含了其原始值以及多边形值；

示例1：给你乡镇界线图和自然保护区界线图，请你计算各个乡镇中涉及各个自然保护区的面积和位置； 示例2：给你乡镇界线图和道路分布图，请你计算各个乡镇中道路总长度及路网密度；

4.1 空间分析基础 1. 空间数据 2. 空间分析过程 3. 常用空间分析

4.1.1 空间数据 空间数据（也称地理数据）是地理信息系统的一个主要组成部分 。 什么是空间数据？ 空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它是GIS所表达的现实世界经过模型抽象后的内容，一般通过扫描仪、键盘、光盘或其它通讯系统输入GIS。

4.1.1.1空间数据的表示 对现实世界的几何抽象 点 空间数据的几何特点 线 面 体 在某一尺度下，可以用点、线、面、体来表示各类地理空间要素 面 体 空间数据的几何特点 对现实世界的几何抽象

GIS数据的两种表示方法 栅格表达 矢量表达 现实世界

矢量数据 矢量数据是地理要素的一种概念模型，在矢量模型下，地理要素被表现为点、线、面等几何形式，在ArcGIS中我们称之为要素类。. Shap文件 Coverages 地理数据库：Geodatabases CAD 文件 Event 事件数据表 不规则三角网络 (TINs)

矢量数据存储型模 矢量数据库模型中，可以将图形数据和属性数据同时存储在一个数据表中，每一个图层对应这样一个数据表。

矢量数据的结构 三种基本的矢量数据模型 Points Lines Polygons Point Line Polygon Spatial objects with no area but can have attached attributes. A single set of coordinates (X, Y) in a coordinate space. Lines Spatial object made up of connected points (nodes). Have no width. Polygons Closed areas that can be made up of a circuit of line segments. Line segments that make up a portion of a polygon. (X,Y) (X2,Y2) (X3,Y3) (X4,Y4) (X5,Y5) Line Point Polygon

在矢量存储中表达拓扑关系 节点 Node 弧段 Arc 始节点FNode，终节点TNode

点要素： Id, x, y. 线要素： 弧段/节点(Fnode, Tnode)列表 弧段坐标

点要素： Id, x, y. 线要素： 弧段/节点(Fnode, Tnode)列表 弧段坐标 多边形： 多边形/弧段列表 左/右多边形列表

几种常见的拓扑关系

栅格数据 栅格数据结构又称为网格数据 是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素，有行列号定义，并包含一个代码，表示该像素的属性值 栅格数据集是使用大小一致的栅格单元来表示现实世界中的要素的，每个栅格单元可以通过行－列（r,c）坐标定位。

在定义格格单元的大小时，我们需要平衡信息的精确性和数据量之间的矛盾。 栅格单元代表的尺度越小，表达的信息就越精确。 栅格单元代表的尺度越大，存储数据所需要的空间就更少，同时，表达的信息也就不精确。

栅格数据的类型 Raster data includes: images Grids

栅格数据存储模型

栅格数据的表达 Real world Value =0 =1 =2 =3 Grid Triangles Hexagons Point Line Real world Column Value Row =0 =1 =2 =3 RASTER Grid Area Triangles Hexagons

矢量和栅格的转换 只需要根据点或线的某个属性对相应栅格点进行赋值即可

4.1.1.2 Shape文件 Shape文件是一种基础的矢量数据文件，可以用来存储点、线、面等几何形状的位置及属性信息。Shape 这一称谓不是很准确，因为，每个Shape文件由三个文件组成： 后缀为.SHP 和 .SHX 的文件用以存储要素的几何信息，后缀为. DBF 的文件用来存储要素的属性信息。 Shape文件只能包含一个要素类，因此，线状河流和面状湖泊必须分别存储为不同类型的Shape文件。

Shape文件只能包含单一的要素类，不能将要素类组织成要素集，要素属性是存储在dBase数据表中。 Shape文件还可以包含其它类型的文件，比如坐标系定义文件(后缀PRJ).、元数据文件（比如：河流.shp.xml)。

4.1.1.3 Coverages Coverage:一种拓扑数据结构，一般的GIS原理书中都有它的原理论述。目前ArcGIS中仍然有一些分析操作只能基于这种数据格式进行操作。 Coverage 是一个或多个要素类的集合，这些要素类存储在某一个文件夹中。 比如，土地利用数据中，多边形要素用来表示地块的面积，线状要素用来表示地块间的边界，这两种数据可以同时存在一个Coverage中。在Coverage 文件夹中，包含多个文件：要素几何数据文件、属性数据文件等。

在Coverage中，存储要素属性的数据表是以 INFO格式存储（ArcInfo中的一种文件格式），与Shape文件不同，Coverage中可以将要素的拓扑信息（长度、面积、连通性、相邻关系）作为属性表的一部分来存储。INFO数据表有一个标识字段（关键字段）cover# (具体比如： landusecover#) ，通过关键字段关联要素的几何数据与属性表。

4.1.1.4 Geodatabase 地理数据库（以下Geodatabase简称GeoDB）是一种在关系数据库管理系统（RDBMS）中存储点、线、面状矢量数据的一种格式。 Geodatabase:有两种格式， 1.Personal Geodatabse 用来存储小数据量数据，存储在Access的mdb格式中。 2.ArcSDE Geodatabse 存储大型数据，存储在大型数据库中Oracle,Sql Server,DB2等。可以实现并发操作，不过需要单独的用户许可。 在GeoDB中，你可以将具有相同坐标系和处于共同地理范围内的要素类组织成为要素集。 类似Coverage，可以在GeoDB要素中存储拓扑关系。比如，具有拓扑关系的几何网络可以建模要素间的联通性。

GeoDB通过关系数据库管理系统中的数据表实现要素类的存储。每个要素是数据表中的一行。要素的几何数据就存储在数据表中的“Shape”字段中。

4.1.1.6 Event 数据表 点事件数据表（XY数据表）：包含有特别的字段来存储坐标信息，这种坐标是经纬度的地理坐标或是某种投影坐标。 这类数据是通过测量方式获取的。比如，普通的GPS接收机接收到的数据都可以导出为带分隔符的文本文件，其中就包含有GPS航点的坐标信息。可以将这些数据导入为INFO、dBASE或Geodatabase 属性表的格式，然后根据其中的坐标信息生成点要素类

路径事件数据表

4.1.1.7 TIN(Triangulated Irregular Network) 在TIN数据模型中，将具有（X,Y,Z）坐标值且在空间分布上不规则的点连接成三角形，这些相邻的三角形形成一个网络用以表示现实世界中的某些特征。 尽管TIN 也是一种矢量数据格式，但由于它不能表达单个要素所以是特殊的矢量格式。 TIN 用于表示一个表面，或者说是连续的数据，而不能表示离散的数据

TIN 数据模型

TIN借助于形状不规则的三角形网来表示一个表面。三角形是由具有（X,Y,Z）三维坐标值 的点定义的。.

TIN 可以表示连续的表面，比如地形的不规则三角网.。放大显示表面时，可以看到这是由多个相邻的三角形网络构成的。

4.1.1.8 影像:Images 栅格数据有两种：一种是由单一的层构成的称为栅格，另一种是由多层复合而成的称为影像（比如，多波段的卫星照片） 二值（黑，白）影像数据是典型的栅格数据。 而卫星影像等数据包含了多个波段的信息，是分层存储的，每个波段的数据存储在一层中，每层中记录了某一波段范围内电磁光谱的反射系数。通过给每一层赋不同的颜色（R,G,B），可以生成合成影像，增强某方面的信息，以利于评价土地覆盖、植被密度等因素。.

对于具有地理参考信息的影像可以根据其空间坐标信息组织成为一个集合。称之为影像目录。这样，在逻辑上，可以得到一个由多个文件组成的单一的影像。 在GIS中影像数据可以有多种用途，比如，航空照片、卫星影像、地图扫描数据，在建立地理参考信息后，可以提供地球表面的空间位置信息。.

影像数据，诸如，航空照片、扫描的地图，在进行地理配准后可以作为地图中的一层. 并非所有的栅格数据集都具有地理参考信息。对于这些数据，可以将其用作地理空间要素的一个属性，比如，我们在查询某个消防栓是，可以查询这个消防栓的图片

4.1.1.9 栅格: Grids 除了影像外，ArcGIS 还支持一种称为GRID的栅格数据格式。 有两种类型的栅格数据：连续数据和离散数据。这两种数据和结构是相同的，都是由一定大小的栅格单元组成的矩阵表示。不同之处在于，连续栅格数据中栅格单元的值可以是浮点数，栅格单元的值域是一个连接变化的区间; 而离散栅格数据中，栅格单元的值是整型数，值域区间是离散的有限区间。 连续栅格通常用于表示可度量和具有一定数量的数据，普通的例子比如：高程、降雨量等。

连续栅格，比如上图显示的高程栅格，通常表示具有度量的数据。连续栅格数据没有与之关联的属性表 离散栅格通常表示分类或描述性的数据。经典的例子如：分区数据，土地利用，植被等，在这些数据中，栅格单元的值表示的不是要素的度量和数量，而是描述性的信息，比如：“居民地”、“商业用地”等。在ArcGIS Grid离散栅格模型中有缺省的属性表，存储在后缀为.VAT的文件中。比如，土地利用栅格中，Landuse.VAT 记录了每个栅格单元的地类编码和同一类型的栅格单元的数目。

DEM 数据 存储高程数据的栅格称为 Digital Elevation Model (DEM). 每个像元 只有一个高程值.