ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程(第三版)

第1章 导论 随着信息社会的到来，人类社会进入了信息大爆炸的时代。面对海量信息，人们对于信息的要求发生了巨大变化，对信息的广泛性、精确性、快速性及综合性要求越来越高。随着计算机技术的出现及其快速发展，对空间位置信息和其他属性类信息进行统一管理的地理信息系统（GIS）也随之快速发展起来，在此基础上进行空间信息挖掘和知识发现是当前亟待解决的问题，也是GIS研究的热点和难点之一。GIS空间分析也越来越凸显出其重要作用。 1.1 地理信息系统 1.1.1 基本概念 地理信息系统（geographical information system，GIS）既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科，又是一项工程应用技术。它以地学原理为依托，在计算机软硬件的支持下，研究空间数据的采集、处理、存储、管理、分析、建模、显示和传播的相关理论方法与应用技术，以解决复杂的管理、规划和决策等问题。GIS处理和管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，主要用于分析和处理一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决各类复杂的地学问题。 1.1.2 GIS 构成 一个完整的GIS主要由五个部分构成，即硬件系统、软件系统、地理空间数据、地学模型和应用人员。其中，硬件、软件系统为GIS提供了运行环境；地理空间数据反映了GIS的地理内容；地学模型为GIS应用提供解决方案；应用人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其他几个构成部分。 1.硬件系统 硬件系统是计算机系统中的实际物理配置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器等。这些硬件组件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，使其完成任务，也可以保存数据以备现在或将来使用，或将处理得到的结果或信息提供给用户。 2.软件系统 GIS运行所需的软件系统如下。 1）GIS支撑软件 任何GIS软件都需要一个基础的运行环境。小到各种移动终端的GIS Apps，大到PC端的各类GIS平台，都离不开操作系统的支持。空间数据的存储和管理也通常使用发展成熟的大型数据库管理系统。例如，常用的操作系统包括移动端的安卓、苹果IOS，PC端的Windows、Linux和MacOS等；GIS数据的存储管理通常也需要依赖于大型的企业级数据库，GIS常用的数据库系统有Oracle、Microsoft SQL Server和PostgreSQL等。此外，可能还需要一些用于支撑GIS系统运行的其他支撑软件。 2）GIS平台软件 GIS功能的复杂性和需求的多样性决定了其平台软件在GIS中的重要地位。*为典型的GIS平台，如国外的ArcGIS商业平台、QGIS开源平台等，国内的有SuperMap和MapGIS等商业平台。这些大型GIS平台的主要表现形式为基础应用程序和软件开发包。这些GIS平台都必须运行或部署在支撑软件之上，主要用于完成各种GIS任务，其中，软件开发包可以扩展和定制满足特定领域业务需求的应用型GIS软件。 3）GIS应用软件 GIS的应用行业非常广泛。基础平台软件提供的功能并不能满足各行业对GIS的业务需求，这就需要GIS开发人员基于某个GIS平台已有的功能和开放的接口，结合某个行业的具体业务需求开发出符合行业需要的GIS应用系统，如与不动产相关的审批系统、与国土相关的土地资源管理系统、与城市规划相关的辅助决策系统，以及与地名相关的地名管理与信息化服务系统等。 3.地理空间数据 地理空间数据是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。它由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通信设备输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS，其地理空间数据的种类、精度均不相同，包括以下三种信息。 1）已知坐标系中的位置 已知坐标系中的位置即几何坐标，标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。 2）实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之间的距离远近；延伸关系（或方位关系），定义了两个地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻接等关系，是GIS分析中*基本的关系，其包括网络结点与网络线之间的枢纽关系、边界线与面实体间的构成关系、面实体与岛或内部点的包含关系等。 3）与几何位置无关的属性 与几何位置无关的属性即通常所说的非几何属性或简称属性，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量两种。定性包括名称、类型、特性等，定量包括数量和等级；定性描述的属性如土壤种类、行政区划等，定量描述的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而GIS的分析、检索和表示主要是通过对属性的操作运算实现的。因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。 4.地学模型 GIS的地学模型是根据具体的地学目标和问题，以GIS已有的操作和方法为基础，构建的能够表达或模拟特定现象的计算机模型。尽管GIS提供了用于数据采集、处理、分析和可视化的一系列基础性功能，而与不同行业相结合的具体问题往往是复杂的，这些复杂的问题必须通过构建特定的地学模型进行模拟。 GIS作为一门应用型学科，强大的空间分析功能支撑着其强大的发展潜力及其在相关行业广泛的应用。而以空间分析为核心并与特定地学问题相结合的地学模型，正是其价值的具体表现形式。因此，地学模型是GIS的重要组成部分。GIS地学模型的实现不依赖于软件，相同功能的模型可以在不同的GIS软件中实现。 5.应用人员 人是GIS重要的构成因素。GIS从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的GIS，还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新，以及系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。GIS专业人员是GIS应用的关键，而强有力的组织是系统运行的保障。 1.1.3 GIS功能与应用 GIS要解决的核心问题包括：位置、条件、变化趋势、模式和模型，据此，可以把GIS功能分为以下六个方面。 1.数据采集与输入 数据采集与输入，即将系统外部原始数据传输到GIS内部，并将这些数据从外部格式转换到系统便于处理的内部格式的过程。多种形式和来源的信息要经过综合和一致化的处理过程。数据采集与输入要保证GIS数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。一般而论，GIS数据库建设的投资占整个系统建设投资的70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成为GIS研究的重要内容，自动化扫描输入与遥感数据集成*为人们所关注。扫描技术的改进、扫描数据的自动化编辑与处理仍是GIS数据获取研究的关键技术。 2.数据编辑与更新 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、投影变换以及误差校正等；属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。数据更新则要求以新纪录数据来替代数据库中相对应的原有数据项或记录。由于空间实体都处于发展进程中，获取的数据只反映某一瞬时或一定时间范围内的特征。随着时间推移，数据会随之改变。数据更新可以满足动态分析之需。 3.数据存储与管理 数据存储与管理是建立GIS数据库的关键步骤，涉及空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据分析的功能，在地理数据组织与管理中，*为关键的是如何将空间数据与属性数据融为一体。目前大多数系统都是将二者分开存储，通过公共项（一般定义为地物标识码）来连接。这种组织方式的缺点是数据的定义与数据操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。 4.空间数据分析与处理 空间查询是GIS以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的*基本的分析功能。而空间分析是GIS的核心功能，也是GIS与其他计算机系统的根本区别。模型分析是在GIS的支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是GIS应用深化的重要标志。 5.数据与图形的交互显示 GIS为用户提供了许多表达地理数据的工具。其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，可以通过人机交互方式来选择显示对象的形式，尤其要强调的是GIS的地图输出功能。GIS不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，输出各种专题图、统计图等。 6.应用模型与系统开发功能 随着GIS在各行各业的应用越来越广泛，常规GIS无法满足各类型的应用需求。因此，GIS也具有相应的二次开发功能，用于开发满足特定行业需求的应用模型或应用软件系统。GIS的二次开发功能包通常会提供完整的API和开发环境。 GIS的大容量、高效率及其结合的相关学科的推动使其具有运筹帷幄的优势，成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术支撑，也成为与空间信息有关各行各业的基本分析工具。GIS强大的空间分析功能及发展潜力使得其在测绘与地图制图、资源管理、城乡规划、灾害预测、土地调查与环境管理、国防、宏观决策等方面得到广泛、深入的应用。 GIS以数字形式表示自然界，具有完备的空间特性，它可以存储和处理不同地理发展时期的大量地理数据，具有极强的空间信息综合分析能力，是地理分析的有力工具。GIS不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务。因此，研究广泛适用于GIS的地理分析模型是GIS真正走向实用的关键。 1.1.4 GIS技术与发展 GIS的发展已近40年，用户的需要、技术的进步、应用方法的提高以及有关组织机构的建立等因素，深深影响着GIS的发展历程。 20世纪60年代初期，GIS处于萌芽和开拓期，注重空间数据的地学处理。该时期GIS发展的动力来自新技术的应用、大量空间数据处理的生产需求等方面，专家兴趣与政府推动也起到积极的引导作用。进入70年代，GIS进入巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。资源开发、利用乃至环境保护问题成为首要解决之疑难，需要有效地分析、处理空间信息。随着计算机技术的迅速发展，数据处理速度加快，为GIS软件的实现提供了必要条件和保障。80年代是GIS的大发展时期，注重空间决策支持分析。GIS应用领域迅速扩大，涉及许多学科和领域，此时GIS发展*显著的特点是商业化实用系统进入市场。90年代是GIS的用户化时期，GIS已成为许多机构**的工作系统，社会对GIS的认识普遍提高，需求大幅度增加，从而使得GIS应用领域扩大化、深入化，GIS向现代社会*基本的服务系统发展。 进入21世纪，GIS应用向更深的层次发展，展现新的发展趋势。 GIS进入21世纪之后，尤其是2010年之后，随着计算机技术和智能设备的进一步发展，学界从GIS到地理信息科学，更加注重学科建设与学科创新；业界从GIS到地