空间数据投影变换与处理.docx

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空间数据投影变换与处理

项目4空间数据投影变换与处理

4.1案例教学

4.1.1任务要求

罗平县煤矿资源比较丰富，根据其主要煤矿的分布情况，县煤炭局划分出了若干个矿区。

根据目前已经掌握的地图数据情况，我们需要计算出每个矿区的面积分布情况，也需要知道各个乡镇的交通情况；同时，为了更有效地实现矿区的管理，需要把整个县根据某些条件划分为几个块，分别派给相应的煤矿单位进行管理。

4.1.2学习目标：

1，熟悉地图投影变换基本方法和内容，并领会其实际用途；

2，掌握空间数据处理（融合、拼接、剪切、交叉、合并等）的基本方法和原理，并领会其基本用途；

3，掌握利用已有的坐标文件生成相应矢量图层数据的基本方法，并领会其基本用途。

4.1.3材料准备

软件环境：

ArcGIS9.2DeskTop

数据准备：

乡镇分布.shp矿区分布.shp主要公路.shp,河流.shp，全站仪.txt

4.1.4操作步骤

4.1.4.1熟悉数据

打开arccatalog窗口,连接并打开该项目包含所用数据的文件夹project4A的路径，如：

D:

\arcgis_book\ProjectData\project4A，查看文件组织时，可能会发现只有shp文件，而没有看到”全站仪.txt”的坐标文件。

选择菜单“tools”“options”，打开选项对话框，在general对话框中，在“whichtypeofdatadoyouwantthecatalogtoshow”下，找到并选中“textfile”，这样，就可以在Arccatalog中显示txt坐标文件了。

图4-1添加数据类型

图4-2 项目文件组织

打开Arcmap，新建一个空白地图文件，添加project4A文件夹下的4个图形数据（除了片区分布.shp），暂时不添加“全站仪.txt”坐标数据，根据数据类型，调整好层的关系和要素符号，如图4-3：

图4-3数据视图

4.1.4.2投影变换

观察图4-3的底部，就会发现该地图数据组所用的是地理坐标，这会给我们后续的操作带来麻烦，因为我们需要知道每个矿区的面积情况或每个乡镇的面积大小、道路长度情况等，所以，我们需要先把地理数据的坐标转换为以米为单位的平面坐标，这就要用到投影变换功能了。

首先查看图层所用的地理坐标类型：

选择一个图层，如“乡镇分布”，查看其属性，在属性对话框中，选择“source”标签，在“datasource”组框中包含了该图层所用的坐标系统情况，可以发现，这里所用的是西安80坐标系，如图4-4：

图4-4查看坐标系统

（1），定义投影

点击ArcMapStantard标准工具栏上的按钮

启动Arctoolbox（也可以在ArcCatalog中的工具栏上启动它）。

在Arctoolbox中，打开datamanagementtools工具箱，选择projectionsandtransformations下的defineprojection，打开定义投影对话框。

在“inputdatasetorfeatureclass”下选择一个要素文件，如“乡镇分布”。

图4-5定义投影

在“coordinatesystem”下，点文本框右边的按钮，进入“spatialreferenceproperties”对话框，点“select”按钮，进入预定义坐标选择对话框，在对话框中选择：

GeographicCoordinateSystemsAsiaXian1980.prj，确定，退出，完成了坐标定义，但如果该文本框中已经有了一个坐标名称，说明该图层已被定义了投影，若不符合要求，可以进行修改。

图4-6选择定义坐标

这种投影定义方法一次只能定义一个数据的投影，对于多个数据需要进行投影定义时就比较麻烦，需要一个一个地进行投影定义（我们这个案例就属于这种情况）。

假如这多个数据所用坐标系统一致，可以考虑使用批定义的方法，该工具在：

“samples”工具箱中，打开该工具箱，选择datamanagementprojectionsbatchdefinecoordinatesystem（如图4-5）。

建议试试用这种方法进行所有文件的坐标系定义。

（2），投影变换

假如只是单个文件的投影变换，可以执行“projectionsandtransformations”“feature”“project”命令。

但我们这里有多个数据文件，这样未免有点麻烦，可以使用批投影方法：

打开“datamanagementtools”工具箱，执行“projectionsandtransformations””feature”下的“batchproject”脚本工具，打开批投影对话框，点击“inputfeatureclassordataset”的文本框右边的打开按钮，定位到project4A文件夹，把该文件夹下的数据全部选中（包括个别现在还没有加入到arcmap中的数据），点“add”，就可以把要进行投影变换的数据全部添加进来。

如图4-7：

图4-7批投影设置

在继续之前，先回到你的工作目录中，在project4A下创建一个子文件夹，命名为“FinalData”。

在“batchproject”中，点击“outputworkspace”文本框右边的按钮，选择刚才创建的文件夹“FianlData”，点击“add”，这样，就可以把该文件夹作为投影后文件的存储空间。

（如图4-7）

点击“outputcoordinatesystem”文本框右边的按钮，进入“spatialreferenceproperties”对话框，选择目标坐标系统。

在这个项目中，根据已有数据的坐标覆盖范围情况，应该把它们投影到高斯投影6度带的18带（或者是东经105度），同时，根据项目的要，我们不希望在坐标前加带号。

在“XYcoordinatesystem”中，点“select”按钮，在跳出的对话框中依次选择：

ProjectedCoordinateSystemsGaussKrugerXian1980Xian1980GKCM105E。

（在这里请注意，假如选择的是Xian1980GKZone18.prj,也一样正确设置了投影坐标系，但投影后的结果会在X坐标前面加上带号18，所以，在实际应用中，应该要按照需求选择不同的投影带设置）。

图4-8设置空间参考

完成后，点“add”按钮，退出选择对话框，点“应用”、“确定”，退出空间参考对话框，实现输出坐标系的选择。

（如图4-8）

最后，在“batchproject”对话框中点“OK”按钮，就开始进行投影变换了。

完成后，重新打开arcmap，创建空地图文档，添加“FinalData”文件夹下的要素层，观察坐标和datasource属性，就会发现已经由原来的地理坐标变为平面投影坐标。

图4-9投影后效果

现在可以进行要素的面积查询了吗？

我们可以试一下，选择tools工具栏上的“identify”按钮工具，查询下某个乡镇的属性，会发现，其面积属性并没有变成以平面坐标米为单位的面积，而还是原先的经纬度计算结果，也就是说，面积属性还是不能用（如图4-10）。

可以利用字段计算器的方法实现多边形面积的计算。

图4-10面积和长度查询

打开“乡镇分布_shp”的属性表，向属性表中添加一个字段：

面积，数据类型为double。

图4-11添加字段

添加完字段后，打开“ editor”工具栏，选择“startediting”激活编辑功能，在“矿区分布”的属性表中右键点击“面积”字段列，然后点击fieldcalculator;跳出“fieldcalculator”对话框，选中选择框“advanced”，然后在”pre-logicVBAscriptcode”下面的文本框中，输入如下脚本代码：

DimOutputAreaasdouble

DimpAreaasIarea

SetpArea=[shape]

OutputArea=pArea.area

在“面积=”下方的文本框中输入变量名：

OutputArea，完成后，确定，就可以实现各个多边形面积的计算了。

图4-12字段计算器

图4-13面积计算结果

用同样的方法，请计算出“矿区分布”中每个矿区的面积。

完成之后，退出编辑状态。

4.1.4.3数据处理

假设由于管理的需要，打算把整个罗平县划分为4个部分，同时也把矿区区分开来，划分方法是：

南北方向大致为公路走向，东西方向大致为久龙河方向。

分完区后，每个区可以单独计算其区域面积和所有矿区面积，在管理上互不影响，完成某个任务后再把分区合并起来就可实现整个任务，具有分布式任务分配的意味。

（注意：

后面操作要使用的数据在“FinalData”文件夹下）

（1）区域分块

实现分块可以考虑裁减要素的方法，前提是必须把裁减范围以多边形要素的形式出现。

根据前面分区的基本原则，本项目生成了一个多边形要素：

片区.shp，把该要素加入到当前地图文档中，调整顺序，使之处于最底层，同时，把该文件要素的背景颜色改为“无颜色”，使之透明。

激活“片区”，使用选择工具并选中图层中的左上角的多边形要素，注意确保不要选中“乡镇分布”中的要素。

图4-14多边形选择

单击

，进入arctoolbox，打开analysistools工具箱，选择extract下的clip裁减工具，双击打开：

在inputfeatures下选择“乡镇分布”；

在clipfeatures下选择“片区”；

在outputfeatureclass下指定输出路径为：

…\priject4A\FinalData\乡镇分布_shp_clip。

图4-15裁减设置

设置完成后，点“OK”按钮，就开始进行裁减,选中要素范围内的“乡镇分布”的要素被裁减出来。

用同样的方法，依次选中“片区”中其他的三个面状要素，重复以上步骤，从而得到4个裁减结果：

乡镇分布_shp_clip，乡镇分布_shp_clip1，乡镇分布_shp_clip2，乡镇分布_shp_clip3。

完成后，关闭其他的层，查看裁减后的结果。

图4-16裁减得到的4个图层

（2）拼接图层

当4个片区各自都完成某一项任务，或是其他目的为得到全局效果，可以考虑把分开的片区拼接起来。

在arcmap中新建一个地图文档，加载在裁减步骤中生成的4个图层文件。

单击

，打开arctoolbox。

打开“datamanagementtools”工具箱，选择并双击“general”下的“append”命令，打开“append”拼接对话框。

打开“appenddataset”下拉框，依次选择“乡镇分布_shp_clip1”、“乡镇分布_shp_clip2”、“乡镇分布_shp_clip3”3个图层，或点击后面的添加按钮，导航到相应文件夹添加她们；用同样的方法，在“targetdataset”下拉框中选择图层“乡镇分布_shp_clip”，这样做，是为了把其他3个图层拼接到“乡镇分布_shp_clip”中。

设置完成后，点“OK”。

图4-17拼接设置

图4-18拼接后的图层

拼接完成后，右键点击图层“乡镇分布_shp_clip”，在跳出的右键菜单中执行操作“data”“Exportdata”，进行图层导出操作。

在跳出的导出数据对话框中，指定导出数据到目录“project4A\FinalData”中，名称为“PJTC.shp”（如图4-19）。

图4-19导出数据

（3）要素融合

新建一个地图文档，添加上一步生成的拼接图层：

PJTC.shp，会发现，有几个乡镇在拼接线处被分成两块或多块（如图4-18），需要把拼接线消除掉，这要用到arctoolbox中的“dissovel”融合功能。

打开arctoolbox，选择工具箱“datamanagementtools”，执行“generalization”“dissovel”命令，打开“dissovel”对话框，在inputfeatures下拉框中选择PJTC.shp，在outputfeatureclass文本框中输入结果文件路径，在“dissovel_fields..”下选择“名称”字段（如图4-20）。

图4-20要素融合设置

完成后，点“OK“，系统将根据选择的字段的值对要素进行融合，即把属性字段“名称”中名称相同的要素合并成一个要素（如图4-21）。

图4-21要素融合前后对比

类似的方法，假如融合时使用字段“所属”进行操作，最后的结果会是什么？

（4），图层合并

在arcmap中新建一个地图文档，加载“FinalData”下的乡镇分布.shp和矿区分布.shp，调整顺序，使矿区分布图层在上方。

打开arctoolbox，打开analysistools工具箱，执行“overlay”“union”命令，打开union合并对话框，在inputfeatures下拉框中选择要进行合并的2个图层：

乡镇分布.shp、矿区分布.shp，在outputfeatureclass文本框中输入或选择输出路径和结果文件名，比如：

D:

\project4A\FinalData\乡镇分布_shp_Union.shp，在JoinAttributes下选择all，说明合并2个图层所有的属性，设置完成后，点“OK“进行合并操作。

其结果如图4-22：

图4-21图层合并工具

图4-22图层合并结果

合并完成后，查看输出要素的属性表，可以发现，新要素的属性包含了原2图层的所有属性字段，其中，字段“矿区名称”为非空白的多边形要素表示有矿区覆盖，空白的则没有矿区覆盖。

为了显示清楚，右键单击图层“乡镇分布_shp_Union”，执行操作“properties”“symbology”，设置图例为“uniquevalues”方式，字段为“矿区名称”，设置完成后，点击按钮“addallvalues”（如图4-22）。

（4）图层相交

在图层合并的基础上继续进行。

执行“overlay”“intersect”命令，打开intersect对话框，在inputfeatures下拉框中选择要进行相交的2个图层：

乡镇分布.shp、矿区分布.shp，在outputfeatureclass文本框中输入或选择输出路径和结果文件名，比如：

D:

\project4A\FinalData\乡镇分布_shp_intersect.shp，在JoinAttributes下选择all，设置完成后，点“OK“进行相交操作。

其结果如图4-24：

图4-23图层相交工具

图4-24图层相交结果

请查看下相交结果文件的属性，用它和“矿区分布”图层的属性和合并图层结果文件的属性进行相比较，看看是否有什么不同。

4.1.4.4坐标文件生成数据

目前各类测量仪器所测出来的多是坐标数据，比如手持GPS，RTK，全站仪等，可以把这些数据导入arcmap中生成点文件。

启动arcmap，新建一个地图文档，在图层控制面板（TOC）窗口中切换到“source”数据源视图，单击

按钮添加project4A文件夹下的“全站仪.txt”文件，该数据是一个添加了文件头的全站仪数据。

图4-24全站仪数据文件

图4-25选择添加坐标数据

数据添加进来后，执行菜单命令：

“tools”“addXYdata…”，跳出添加XY坐标数据对话框，在“chooseatablefrom…”下选择加入的坐标表格数据：

全站仪.txt，在“Xfield”右边选择“X”，在“Yfield”右边选“Y”，点下面的“edit”，进入“spatialreferenceproperties”空间参考属性对话框，为坐标数据选择坐标系。

在这里，必须要先知道坐标数据所用的坐标系，这里，用的是基于54坐标系的高斯投影，点“spatialreferenceproperties”对话框中的select…按钮，选择：

ProjectedCoordinateSystemsGaussKrugerBeijing1954Beijing19543DegreeGKCM105E.prj。

确定后，跳出一个警示对话框，选“确定”，这样就生成了一个根据坐标的点事件图层，但就如警示所说，这个图层不可以进行选择、编辑等操作，要想实现这些功能，需要把事件图层导出来。

图4-26事件图层

在TOC中，右键选中根据全站仪数据生成的时间图层，在跳出的菜单中执行“data”“export”命令。

图4-27导出数据

在跳出的导出数据对话框中，指定导出文件到FinalData文件夹下，文件名称为TS.shp。

这样就完成了根据全站仪坐标数据生成图层的过程。

图4-28导出数据设置

4.1.5基础知识

4.1.5.1地理坐标系

地理坐标系（geographiccoordinatesystem）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的，基准面是利用一个特定的椭球体对特定地区的地球表面的逼近，因此各个国家或地区都有各自的基准面。

表4-1我国常用的3种基准面及其参数

椭球体

长半轴a/m

短半轴b/m

Krassovsky（北京54采用）

6378245

6356863

IAG75（西安80采用）

6378140

6356755

WGS84

6378137

6356752

在arcgis中，基于表4-1中的3个椭球体，建立了我国常用的3个基准面和地理坐标系：

●GCS_WGS1984（基于WGS84基准面），该坐标系统属于地心坐标系，目前该坐标系在我国GIS中使用不多，主要在使用GPS进行定位时获取，并且在多数情况下，需要将其转化北京54或西安80坐标系。

●GCS_BEIJING1954（基于北京54基准面），该坐标系统属于参心坐标系，该坐标系统于1954年建立，是由前苏联1942年坐标系统经联测和平差计算引申到我国的，目前相当一部分的基础地图资料都是以该坐标系统作为框架。

●GCS_XIAN1980（基于西安80基准面），也是一种参心坐标系，是鉴于北京54坐标系存在的种种问题，为了适应发展的需要所建立起来的。

该坐标系统统一，精度比较好，可直接满足1：

5000甚至更大比例尺测图的需要，我国已在国民经济各个领域大量使用该坐标系统，以逐步取代北京54坐标系统。

4.1.5.2投影坐标系

投影坐标系（projectedcoordinatesystem）使用基于平面的X、Y值的坐标系统来描述地球上某个点的位置。

这种坐标系统是从地球近似椭球体的投影中得到的，它对应于某个地理坐标系。

投影坐标系主要由地理坐标系和投影方法两个参数确定。

而地理坐标系又由某个椭球体对应的基准面所确定，比如北京54，西安80等；而投影方法根据不同的投影方式又分为不同的类型，我国常用的比如：

高斯—克吕格（Gauss-Kruger）投影、兰勃特（Lambert）投影、墨卡托（Mercator）投影等，在ArcGIS中提供了几十种常用的投影方法。

目前我国在地图投影的使用上，在基本比例尺地形图中，主要有如下原则：

在大于等于50万比例尺的地形图均采用高斯-克吕格投影，其中，小于1万的地形图采用6度带投影，大于1万的地形图采用3度带投影；

小于50万的地形图采用正轴等角割圆锥投影，即兰勃特投影；

海上小于50万的地形图多用正轴等角圆柱投影，即墨卡托投影

另外，在高斯投影中，又由于使用基准面的不同，又分为基于北京54的高斯投影和基于西安80的高斯投影。

4.1.5.3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。

当将地理数据从一个坐标系统变换到另外一个坐标系统时，假如数据的变换涉及到了其基准面的改变，就需要通过地理变换来实现地理坐标系的变换或基准面的平移。

主要的地理变换方法有三参数法和七参数法。

其中七参数为X平移、Y平移、Z平移、X旋转、Y旋转、Z旋转以及尺度比参数，若忽略旋转参数和尺度比参数则为三参数方法，三参数法为七参数法的特例。

这里一个常见的地理变换就是：

通过手持、静态GPS或RTK手段获取的基于WGS84的坐标与北京54、西安80坐标之间的相互转换。

4.1.5.4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。

4.1.5.5Arctoolbox

Arctoolbox是ArGISDesktop中的一个软件模块，内嵌在ArcCatalog和ArcMap中，在arcview、arceditor和arcinfo中都可以使用。

Arctoolbox由多个工具集（toolset）构成，能够完成不同类型的任务，每个主工具集中还包含了不同级别的子工具集，子工具集中包含了若干工具。

根据应用的需要，我们可以在Arctoolbox中创建新的自定义的工具箱，在工具箱中可以建立不同的模型、或实现特定任务的脚本；另外，我们还可以对Arctoolbox中的工具箱和工具进行复制、移动、重命名等管理任务。

Arctoolbox下包含了若干个工具箱，其主要工具箱下包含工具的作用如下：

1，3D分析工具（3Danalysttools）:

使用3D分析工具可以创建和修改TIN或栅格表面，并从中抽出相关信息。

2，分析工具（analysistools）：

对于所有类型的矢量数据，分析工具提供了一整套的处理方法，主要有合并、裁减、相交、判别、拆分、缓冲区、近邻、点距离、频度、统计等。

3，制图工具（cartographytools）：

制图工具与arcgis中其他大多数工具有着明显的目的性差异，它是根据特定的制图标准来设计的，包含了3种掩膜工具。

4，转换工具（conversiontools）：

包含了一系列不同数据格式的转换工具，主要有栅格数据、shapefiles、coverage、table、dbase，以及CAD到geodatabase的转换等。

5，coverage工具（coveragetools）：

提供了一系列强大的工具来实现各种地理处理过程，且输入输出都只能是coverage格式，主要实现分析、数据管理和数据转换等功能，通过workstation执行。

6，数据管理工具（datamanagementtools）：

提供了多种工具来管理和维护要素类，数据集，数据层以及栅格数据结构。

7，地理编码工具（geocodingtools）：

地理编码又称为地理匹配，是建立地理位置坐标与给定地址一致性的过程。

使用该工具可以给各个地理要素进行编码操作，建立索引等。

8，地理统计分析工具（geostatisticalanalysttools）：

地理统计分析工具提供了广泛全面的工具，用它可以创建一个连续表面或者地图，用于可视化及分析。

9，线性要素工具（linearregerencingtools）:

生成和维护线状地理要素的相关关系，如实现由线状coverage到路径（route），有路径事件（event）属性表到地理要素类的转换等。

10，空间分析工具（spatialanalysttools）：

空间分析工具提供了很丰富的工具来实现基于栅格的分析。

在GIS三大数据类型中，栅格数据结构提供了用于空间分析的最全面的模型环境。

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