第1章GIS基本原理与ArcGIS软件简介随着信息技术的发展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。
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年代推广应用阶段及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、学习及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。
简单地讲，GIS就是一个将地理信息（回答在什么地方的信息）和描述信息（回答是什么的信息）结合在一起的计算机软件。
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。
信息系统具有采集、处理、管理和分析功能的系统，它能为企业部门或组织的决策过程提供有用的信息。
地理信息系统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，用于分析和处理一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。
GIS可以通过管理、分析、通信进行复杂图案识别及空间建模和空间数据挖掘。
它与其他系统的差别从空间数据来看，GIS强调地理信息，来源于计算机辅助地理制图，范围领域涉及全球。
在GIS中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。
GIS的应用领域非常广泛，尤其是在近几十年，取得了惊人的发展。
其广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通信、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。
第1章GIS基本原理与ArcGIS软件简介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．硬件硬件是指操作GIS所需的一切计算机资源。
目前的GIS软件可以在很多类型的硬件上运行，从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。
一个典型的GIS硬件系统除计算机外，还包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外部设备。
2．软件软件是指GIS运行所必须的各种程序。
它包括计算机系统软件和地理信息系统软件两部分。
地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具。
主要的软件部件有：输入和处理地理信息的工具，数据库管理系统工具，支持地理查询、分析和可视化显示的工具，容易使用这些工具的图形用户界面GUI。
3．数据数据是一个GIS系统最基础的组成部分。
地理空间数据是GIS的操作对象，也是现实世界经过模型转换的一种抽象性表达。
数据包括空间数据和属性数据。
空间数据的表达可以采用栅格和矢量两种形式。
空间数据表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向及几何拓扑关系。
一个GIS系统必须建立在准确合理的地理数据基础上。
数据来源包括室内数字化和野外采集，或是其他数据的转换，也可以从商业数据提供者处直接购买。
4．人员人是地理信息系统中重要的构成要素。
GIS不同于一幅地图。
它是一个动态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统。
它还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善及应用程序开发，并采用空间分析模型提取多种信息。
GIS应用的关键是掌握实施GIS来解决现实问题的人员素质。
这些人员既包括从事设计、开发和维护GIS系统的技术专家，也包括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。
一个GIS系统的运行班子应由项目负责人、信息技术专家、应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。
5．方法这里的方法主要是指空间信息的综合分析方法，即常说的应用模型。
它是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。
GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的。
如基于GIS的矿产资源评价模型、灾害评价模型等。
·3·第1篇ArcGIS数据创建与管理1.1.3 GIS的主要功能一个完整的地理信息系统（GIS）具有以下5个方面的功能。
❑数据采集与编辑功能：主要包括图形数据采集与编辑以及属性数据编辑与分析等功能。
❑数据的存储和管理功能：包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作、通信功能等。
❑制图功能：根据GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量地图或栅格地图。
地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图，如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高城图等。
用户还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图，如坡度图、坡向图、剖面图等。
❑空间查询与空间分析功能：包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析、地学分析、数字高程模型的建立、地形分析等。
❑二次开发和编程功能：用户可以在自己的编程环境中调用GIS的命令和函数，或者GIS系统将某些功能做成专门的控件供用户开发使用。
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、分析和表现展开的。
理解地理空间数据有助于读者更加深入地认识GIS软件的操作对象，并可以帮助读者更加轻松地掌握和理解GIS软件的一些操作过程及其原理和方法。
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。
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，如图1.1所示。
矢量结构包含有拓扑信息，通常应用于空间关系的分析；栅格数据则易于表示面状要素，主要应用于空间分析和图像处理。
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。
图1.2就是一幅栅格数据的图像。
对于空间数据而言，栅格数据包括各种遥感数据、航测数据、航空雷达数据、各种摄影的图像数据，以及通过网格化的地图图像数据如地质图、地形图和其他专业图像数据。
从类型上看，又分为二值图、灰度图、256色索引和分类图（单字节图）、64K的高彩图（索引图、分类图和整数专业数据）（双字节图）、RGB真彩色图（3字节图）、RGBP透明真彩色叠加图等。
·4·第1章 GIS 基本原理与ArcGIS 软件简介·5·图1.1 地理空间数据表现形式 图1.2 栅格图 用栅格数据表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。
这就意味着地表一定面积内（像元地面分辨率范围内）地理数据的近似性，如平均值、主成分值或按某种规则在像元内提取的值等。
另一方面，栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。
像元大小相对于所表示的面积较大时，对长度、面积等的度量有较大影响。
这种影响除对像元的取舍外，还与计算长度、面积的方法有关。
关于栅格数据的编码问题，读者可以阅读相关资料加深理解，此处不再详述。
1.2.2 矢量数据结构与栅格数据相对应，矢量数据是GIS 中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、面地理实体表现得精确无误。
任何点、线、面实体都可以用直角坐标点x ，y 来表示。
这里x ，y 可以对应于地面坐标经度和纬度，也可以对应于数字化时所建立的平面坐标系x 和y 。
对于点，则是一组(x , y )；对于线，则是多组(x 1, y 1; x 2, y 2; x 3, y 3; …, xn , yn )；而对于多边形，也是多组(x , y )坐标，但由于多边形封闭，坐标必须首尾相同。
这些点是由光滑的曲线间隔采样而来。
图1.3就是一幅矢量数据的图像。
几乎所有的GIS 软件都有自己特定格式的矢量数据。
目前最常用的矢量数据格式有Arc/Info 的Coverage 、e00，方正智绘的mrg ，MapInfo 的mif ，AutoDesk 的dxf 、dwg ，Intergraph 的dgn 等。
矢量数据结构是人们最熟悉的图形表达形式。
矢量数据坐标空间假定为连续空间。
因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。
1.2.3 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。
但到20世纪70年代后期，许多实际工作者都图1.3 矢量图第1篇ArcGIS数据创建与管理认为在很多情况下栅格方案更有效。
例如，多边形周长、面积、总和、平均值的计算、从一点出发的半径等，在栅格数据中都简化为简单的计数操作。
此外栅格坐标是规则的，删除和提取数据都可按位置确定窗口来实现，比矢量数据结构方便得多。
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。
栅格结构和矢量结构都有各自的优点和局限性。
两种数据结构的比较如表1.1所示。
表1.1栅格结构和矢量结构优缺点比较对于一个与遥感相结合的地理信息系统来说，栅格结构是必不可少的。
因为遥感影像是以像元为单位的，可以直接将原始数据或经处理的影像数据纳入栅格结构的地理信息系统。
而对地图数字化、拓扑检测、矢量绘图等，矢量数据结构又是必不可少的。
较为理想的方案是采用两种数据结构，即栅格结构和矢量结构并存。
由于栅格和矢量数据在GIS应用过程中各有其优缺点，所以，一般情况下，同一个GIS 系统能够处理、存储栅格和矢量数据。
对同一研究区域而言，有时为了分析处理问题的方便，也需要实现栅格和矢量数据间的转换（如扫描图像的矢量化，地形图的栅格化）。
