空间数据库设计实验指导书
成都信息工程学院环境工程系地理信息系统专业本科用
目录
第一部分基本操作 (1)
Ex1：ArcGIS Desktop及PCI基本操作 (1)
Ex2：ArcGIS Workstation基本操作 (9)
Ex3：基于PCI的栅格数据地理参考 (13)
Ex4：基于PCI的遥感图像配准（自学） (21)
Ex5：林业小班空间数据采集 (24)
Ex6：等高线空间数据采集 (29)
Ex7：栅格和矢量的剪裁和拼接 (36)
Ex8：投影转换 (50)
Ex9：Geodatabase数据库建立 (56)
第二部分空间数据库设计 (64)
课程设计内容（8学时） (64)
附1 空间数据库设计实验报告 (65)
附2 空间数据库综合设计样例 (66)
附3 空间数据库设计实验评分标准 (67)
第一部分基本操作
空间数据库构建的主要工作是如何将数据科学、合理地输入到计算机，满足系统功能的需要。空间数据库采集的主要对象是空间数据，因此，涉及到空间数据采集的基本技术，包括栅格图像的空间参考、矢量化、栅格和矢量图像拼接剪裁等。这些知识是进行空间数据库建设的必备知识。
Ex1： ArcGIS Desktop及PCI基本操作
一、目的
ArcGIS8.3包括两个部分，一是Desktop ArcInfo，包括三个应用：Arc Map、Arc Catalog 和Arc Toolbox。Arc Map实现了地图数据的显示、查询和分析；Arc Catalog用于基于元数据的定位、浏览和管理空间数据；Arc Toolbox是由常用数据分析处理功能组成的工具箱。
Geomatica软件是加拿大PCI公司开发的用于摄影测量分析、遥感影像处理、几何制图、GIS分析、雷达数据分析、以及资源管理和环境监测的多功能软件系统。
通过本次实验，应该掌握：
1、初步掌握ArcGIS8 Desktop ArcInfo的基本组成
2、熟悉ArcGIS8 Desktop ArcInfo中ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox常用的操作；
3、了解遥感图像处理软件PCI及安装方法；
4、掌握在PCI中显示遥感图像的方法。
二、实验准备
1、软件准备：ArcGIS8.3、PCI Geomatica V8.2
2、数据准备：教案Data文件夹下：Data\Shapefile\；Data\Cover\；教案Data\遥感
\chengdu.pix。
三、实验内容（2学时）
1、ArcMap示例——显示Coverage和ShapeFile1）启动ArcMap：开始——程序——ArcGIS ——ArcMap。
2）启动后在弹出的对话框选择A new empty map，即不马上添加图层。
3）添加ShapeFile图层：File——Add Data或按纽，在弹出的对话框中打开教案Data
文件夹下的Shapefile子文件夹，如图所示：
思考：从该对话框能否根据每个图层显示的图标判断Shapefile特征类型（即是点图层、线图层还是多边形图层）？
4）在添加图层后，地图显示区显示添加的图层空间数据，在左边的图层列表中添加了当前图层的名称，如图：
5）删除刚添加的图层：在图层列表中右键点击需删除的图层，在弹出的菜单中点击Remove 即可。
6)添加Coverge图层：File——Add Data或按纽，在弹出的对话框中打开教案Data文件夹下的Cover子文件夹，如图所示：
思考：从该对话框可以看出Shapefile图层图标和Coverage图层图标的区别吗？对于Coverage，能根据图标判断Coverage类型特征吗？
7）选中对应项，点击对话框右下侧的Add按纽，即可添加Coverage图层的默认要素类，如多边形Coverage添加的是Polygon要素类，线Coverage添加的是Polyline要素类。如果想添加多边形Coverage的Arc特征，在上对话框中，双击对应项，弹出该Coverage要素集的所有要素类，选择对应要素即可。
思考：不同特征的Coverage主要有哪些要素类？怎样将多边形的Polygon、Arc、Label等特征添加到地图中？
2、ArcCatalog使用示例——管理空间数据1）启动ArcMap：开始——程序——ArcGIS——ArcCatalog，运行界面如图所示：
2）在目录列表框（左侧的文件列表框）中右键点击Data文件夹，弹出的菜单中执行New——Folder，给定新文件夹的名称MyVector，即可在Data文件夹中新建一文件夹MyVector。
3）类似2）的方法，右键点击1个数据项，执行Copy，然后右键点击刚刚新建的文件夹MyVector，执行粘贴，即可实现数据项的复制。
思考：删除数据项怎样实现，在ArcCatalog中删除的项能否被复原？
怎样在新建的文件夹中新建1个新多边形Shapefile矢量文件？
4）在ArcCatalog中浏览空间数据和属性数据：在左侧的文件列表框选中矢量或栅格图层，在右侧视图区顶部选择Preview项，如图：
如果要查看属性数据或在空间数据和属性数据之间切换，可在右侧视图区底部的Preview的下拉框中选择Tabel或切换到Geography。
3、ArcToolBox使用示例——缓冲区分析
1）启动ArcToolBox：开始——程序——ArcGIS——ArcToolBox，运行界面如图所示：
2）定位Buffer工具：Analysis Tools——Proximity——Buffer。
3）双击Buffer，弹出如图所示对话框：
4）在第一栏Input Coverage执行按纽，确定Coverage文件路径。
5）在第二栏Feature Item下拉框确定做缓冲区的特征类型。如多边形Coverage可选择Poly。6）在Buffer distance中选择缓冲区距离确定的方法，如Fixed distance（相同的距离）；From Item（依据某数字属性字段）。缓冲区距离确定的方法不同，具体参数也不同，如Fixed distance，需要确定缓冲区距离值，From Item需要确定属性字段。
7）设置缓冲区生成的结果保存的Output Coverage。
8）单击OK，即可执行缓冲区分析。
9）如果需要获取帮助信息，可点击Help按钮。
思考：对比缓冲区结果，缓冲区分析的原理是什么？能够用于那些方面？
4、PCI软件的安装
1）正常安装\PCI8.2\SetUp.exe，在安装过程中出现的InstallShield Wizard对话框中只选择第一项，如图：
2）执行\pci8.2_nEWpATCH\pci8.2_patch3）将Target File置为安装目录\Geomatica_v82\exe\pcic820.dll4）点击Start按扭就可以正常使用了。
5、利用PCI 显示遥感\数据
pix是PCI的默认遥感数据格式，该文件格式支持多波段遥感数据的存储。本例数据为TM 遥感卫星影像，成像时间为20000502，共有7个波段（每个波段相当与1幅灰度图像，像元取值范围为0-255），其波段序号与对应的波段波段名称为：TM1（蓝）、TM2（绿色）、TM3（红色）、TM4（近红外）、TM5（短波红外）、TM6（热红外）、TM7（短波红外）。
1）、启动PCI：开始——程序——PCI Geomatica V8.2——PCI Geomatica V8.2。启动后的界面如图所示。
2）点击右边的箭头，界面上增加了一些功能，如图：
3）执行ImageWorks（如上图中的红色框所示），弹出如图所示对话框ImageWorks Configuration：
4）点击Use Image File…，在弹出的对话框中确定打开的路径为教案Data\遥感下的chengdu.pix，并执行打开按纽或双击文件关闭该对话框。此时ImageWorks Configuration 对话框如下所示：
5）拖动Reduce to后面的滚动条，该滚动条的含义是将原图像的百分之多少加载到内存，滚动条越接近100%，显示的图像越清晰，但占用内存越大，一般的遥感图像的数据量都是可观的，因此，必须要在图像清晰程度和内存花消两者中有合理的取舍。本例的遥感数据不大，可以拖动至100%。
6）点击Accept或Accept & Load，即可加载显示图像，其默认的显示通道组合为：图像的第1波段赋给红色显示枪，第2波段赋给绿色显示枪；第3波段赋给蓝色显示枪。显示结果如图所示（左边所示的为显示主窗口，右边所示的为控制面板Control Panel）：
7）在控制面板的Enhancements（如上图的红色边框），点击、、、、
可实现不同的增强效果，点击不使用增强效果；右边的+、-按纽用于设置亮度、对比度。
8）显示主窗口（上左图）中，执行File——Load Image，在弹出的对话框（如下图所示）定义显示器显示枪R、G、B对应的波段。
下图的红色框中的1表示显示器显示枪R；2表示显示器显示枪G；3表示显示器显示枪B。各文本框中的数字表示遥感图像的波段序号。因此，下图中是将R设置为3波段、G设置为2波段、B设置为1波段。
单击Load或Load & Close关闭该对话框，并在控制面板Control Panel点击增强处理后，此时主图像窗口显示的图像接近真彩色，如图：
思考：为什么这样组合接近真彩色？
怎样组合波段数据使显示的图像为假彩色遥感图像？伪彩色遥感图像呢？
四、上机作业
按照流程验证上述过程
Ex2： ArcGIS Workstation基本操作
一、目的
ArcGIS8.3包括两个部分，一是Desktop ArcInfo；二是Workstation ArcInfo，有提供了最基本的GIS功能，包括数据录入和编辑、投影变换、制图输出、查询分析及其分析功能（缓冲区分析、叠加复合分析等等），主要有Arc、ArcEdit、ArcPlot等模块。
通过本练习，应该掌握：
1、初步学会使用Arc
2、初步学会使用ArcEdit
3、初步学会使用ArcPlot；
二、实验准备
1、软件准备：ArcGIS8.3
2、数据准备：教案Data文件夹下：Data\Cover\；Grid\chengdu。
三、实验内容（2学时）
1、Arc使用示例——查看Coverage文件1）进入Dos：开始——运行——输入cmd——确定。
2）进入Arc：输入Arc，回车，如图所示：
3）查看当前工作区：输入w，回车。
思考：显示当前工作区是什么路径？为什么是这个路径？
4）利用ArcCatalog在C：\根目录新建1文件夹work，并将教案Data文件夹下的多边形Coverage：Province拷贝至该文件夹。
5）回到Dos窗口，改变Arc当前的工作区：输入&workspace，回车，由于&workspace还需要参数，不能执行指定操作，系统提示了&workspace的用法：
从上图可以看出，必须要在&workspace后跟上新工作区的路径。（<>为必选参数）
6）在键盘上按下F3键，可以弹出上次输入的命令&workspace，在此基础上输入c:\work。（注：如果要回到上上次的命令，可在键盘上按键；同理，按键可以向后。）
7）再输入w，回车。查看当前工作区的变化。
8）输入lc，查看当前工作区的所有Coverage。
练习：Commands命令、lw命令，Help命令。
9）退出Arc，输入Quit，回车。
10）退出Dos，输入Exit，回车。
2、ArcPlot使用示例——显示Coverage1）进入Arc模块，设置当前工作区为C:\work。2）进入ArcPlot模块，输入ArcPlot。
3）设置输出设备为显示器：输入display 9999，回车后又弹出1个地图窗口，如图所示：
4）设置显示地图范围：输入MapExtent Province。
5）设置绘图的线颜色：输入LineColor Red。
6）如果想设置其他颜色，请输入Help，在索引栏输入Linecolor，查看帮助。
检查获取帮助的能力：如果想设置颜色为rgb（255，123，100），怎么办？
7）设置多边形填充颜色：输入ShadeColor Blue。
8）设置线的输出宽度：输入LineSize 0.01。
9）使用填充颜色绘制填充多边形：polygonshades，由于未输入必要参数，不能执行指定操作，系统提示了polygonshades的用法：
10）认识Workstation命令的格式：
格式：命令{参数列表}
参数：〈〉为必选参数；
{ }为可选参数，可根据实际情况选择。当只选择多个参数中后边的参数时，则前边的参数项均用“#”代替；若后边的参数均为可选参数，但都不需设置时，可以省略。
|表示或的意思，即在各项中挑选其中的一项。
11）如果对上面的Polygonshades有疑问，请输入Help，获取帮助信息。
12）续前，使用填充颜色绘制填充多边形。输入PolygonShades Province 1000，观看地图窗口的变化。
13）绘制多边形边线，输入Polygons Province，观察地图窗口的变化。
14）清除图形：输入Clear，观察地图窗口的变化。
思考：上例中，如果先输入Polgons命令，再输入Polgonshades，有什么差别？哪种方案较好？
15）退出ArcPlot：输入Quit。
3、ArcEdit使用示例——编辑多边形Coverage1）在上例中，退出ArcPlot，退回到了Arc，因此，可直接在Arc提示符下输入ArcEdit，就进入了ArcEdit模块。（而且工作区维持不变，仍为C:\work）。
进入后，提示符变为ArcEdit，类似ArcPlot，也显示了1个地图窗口。
注：ArcEdit和Arcplot显示地图的方法存在一定的差异，也就是说，不能将ArcPlot的地图显示方法直接应用于ArcEdit中。
2）编辑环境设置（输入下面的各条命令，除Editcover必须在editfeature之后，arcsnap on *最好在draw 之后外，其余的顺序可以改变：
display 9999 设置输出设备为显示器
drawen arc poly node 显示弧段、多边形、节点
nodecolor node red 用红色显示所有节点
nodesnap closest 设置最近节点捕捉方式
mapextent Province 设置显示地图范围editcover Province 设置编辑的Coverage
editfeature poly 设置编辑的特征为多边形
draw 绘图
arcsnap on * 自定义弧段捕捉半径arcsnap on *使用说明：*表示由用户在地图窗口交互式地确定弧段捕捉半径。输入该命令后，请在地图窗口鼠标单击，然后拖曳画圆，确定圆的适当半径后，再单击鼠标。圆的半径即为捕捉半径。
3）编辑操作：
add poly 增加多边形
add line 通过增加弧段的方式增加多边形
oops 撤消编辑
Add Poly使用示例：输入Add Poly后，在地图窗口中鼠标单击出一连串的点以绘制多边形。为了完成各种多边形编辑操作，还需要查看ArcEdit窗口，如图：
注意各选项的意义，每个选项对应一个数字键盘，如要删除上一个点，按数字键4，如要结束多边形的绘制，需要按数字键2。
Add Line使用方法类似Add Poly。
4)为了避免磁盘数据混乱,请在本次实验完毕之前在Arc提示符下删除当前工作区的多边形Coverage，输入命令Kill Province All，回车。
四、上机作业
使用ArcEdit数字化成都市街道,生成Coverage数据。
[知识必备]1、在Arc提示符新建Coverage：Create
2、由于需要数字化道路，因此还需要对新Coverage构建拓扑，使其成为线Coverage，方法是在Arc中输入：Clean 新Coverage名称 # # # LINE
3、在ArcEdit模块中数字化过程参照本此实验的指导，这里需要注意的是，数字化之前应该将成都街道chengdu这个Grid数据作为背景显示在数字化窗口中，方法是：在ArcEdit中设置MapExtent为chengdu，然后输入：Image chengdu。这样做后使用Draw命令时连同背景Grid也显示在数字化窗口中了！（注意，在Draw之前，还应该设置drawen）
4、本作业只需将数字化窗口展示出来即可。
Ex3：基于PCI的栅格数据地理参考
一、目的
通过本练习，应该掌握：
1.加深对地理参考、几何校正、多项式校正数据内插等相关概念的理解；
2.熟练掌握利用PCI进行地理参考的技术路线和方法。
二、实验准备
1、软件准备：PCI Geomatica8.2
2、数据准备：教案Data\栅格专题图\地形图.tif；Data\栅格专题图\林相图.tif。
三、实验内容（2学时）
1、启动PCI软件。
2、启动PCI的GCPWorks模块。
3、设置Methematical Model为Polygonnomial，Source of GCPS为User Entered Coordnates。
4、点击Accept，弹出如下所示对话框（PCI GCPWorks V8.0），并点击Select Uncorrected Image，确定未校正图像为地形图.tif。
5、确定路径之后，弹出三个对话框，依次为Uncorrected Image Selection、Uncorrected
Image Overview、显示波段设置对话框。
6、由于该图为灰度图像，因此只有一个波段。双击该波段三次，R、G、B文本框都自动赋为1（波段号），也可直接在文本框中输入波段号。点击Load，结果如图：
思考：如果R文本框为1，G，B未赋波段号，结果怎样？7、点击Close关闭显示波段设置对话框（也可以在6步中确定好波段组合后，直接点击Load & Close按纽）。接下来是定义地理参考（Georeferencing Units），如图，关闭显示波段设置对话框后PCI GCPWorks V8.0 对话框Define Georeferencing Units可用，点击它，弹出Georeferencing System Definition：
8、参考地形图，设置高斯投影参数：在Metre下拉框中选择Other，并在随后弹出的对话框中选择TM——Transverse Mercator（Gauss-Krueger），然后点击Accept，随后弹出参数设置对话框，设置投影参数，点击Accept关闭该弹出对话框。
注：投影参数的设置包括True Origin（中央经线Longitude和中央纬线Latitude）以及Scale和False，请参照教案对其正确设置，如果未设置正确，必将前功尽弃，如果确实不知道，请问老师，谢谢。
回到Georeferencing System Definition对话框中（如上图），点击Earth Model，选择Ellipsoids选项，设置椭球体：E015——Krassovsky1940。点击Accept关闭弹出的对话框，并点击Georeferencing System Definition对话框中的Accept，关闭Georeferencing System Definition对话框。9、此时PCI GCPWorks V8.0 对话框Collect GCPs可用，点击Collect GCPs，弹出GCP Selection and Editing对话框：
10、利用GCP Selection and Editing对话框、Uncorrected Image Selection对话框、Uncorrected Image Overview对话框选取控制点。方法为：1）首先在Uncorrected Image Overview中鼠标单击需要增加控制点的大致区域，出现绿色十字叉，然后在Uncorrected Image Selection对话框中点击Load按纽，更新其图像为十字叉附近的区域（如下图）。
2）在Uncorrected Image Selection对话框中，通过鼠标单击图像区域的方式将十字叉定位至方里网交叉点，利用放大镜将图像放大，然后对方里网交叉点进行精确定位。
思考：为什么这里要强调方里网交叉点进行精确定位？
3）精确定位后，在GCP Selection and Editing对话框中输入控制点的空间参考坐标Georef，以上图为例，精确定位后，Georef的E应该输入255000，N应该输入3250000，然后在GCP Selection and Editing对话框中点击Accept as GCP，增加一个控制点，如下图：
提示：
（1）类似方法选择3个控制点后，以后增加控制点时Georef文本框就具有自动提示功能，精确定位后可直接对文本框数字进行更改，而不需要查看原图的方里网标记；选择了(2+1)(2+2)/2+1个控制点后，2次多项式可用（如上图的红色框所示的Model栏下的单选框2nd），依次类推，
注：①多项式次数确定应根据图像情况而定，若图像变形小，次数可选低一点；否则，应该高一点。图像变形情况可依据GCP Selection and Editing对话框的Error判断。如果选择了次数n，其选择的控制点应该比（n+1）（n+2）/2+1还要多选几个控制点，否则可能出现校正的错误，这是因为刚好不等于更好。
②GCP Selection and Editing对话框中各控制点的Error值最好在0-1之间。
③教案上讲的是对于多项式校正，至少需要选择（n+1）（n+2）/2个控制点，但在PCI 中需要至少选（n+1）（n+2）/2+1个控制点。
（2）在选择控制点时，尽量分布均匀，变形大的地方控制点应多点。（3）为了避免重复工作，在未完成控制点选取而退出之前，请执行GCP Selection and Editing对话框中的File菜单的Save GCPs或Save GCP Text File，前者将控制点保存至原图象的Segment中，后者将其保存为一个文本文件，下次在Collect GCPs时，可直接执行File菜单下的Load GCPs或Load GCP Text File。
11、选取足够多的控制点后，在Model栏再次确定多项式次数，可供选择的最高次数与控制点数有关。点击Close关闭GCP Selection and Editing对话框，回到PCI GCPWorks V8.0 对话框，点击Preform Registration to Disk，如图：
弹出对话框Disk to Disk Registration，如下图：
在改对话框中，可设置Resampling Mode：最临近法采样、双线性内插法、立方卷击法等，一般选择最临近法采样（Nearest）。
点击New Output File，在随后弹出的对话框中确定新文件的路径及名称，这里设为newput.tif。
点击打开，随后弹出的对话框设置文件格式为Tiff，单击OK，弹出Tiff文件设置，设置File Type为One Channel Gray Scale（因为原图像就只有一个波段），如图：