GIS和空间分析的基本方法1.docx

1、GIS和空间分析的基本方法1第一部分 GIS 和空间分析的基本方法第一章 ArcGIS入门：数据管理及基本的空间分析工具1地理信息系统（GIS ）是一种计算机信息系统，用于获取、存储、处理、查询、分析及显示地理数据。在 GIS众多功能中，制图一直是它的一项主要功能。本章的首要目的是演示如何借助GIS进行电脑制图。主要技巧包括空间与非空间（属性）数据的管理以及二者之间的联系。但是，GIS远不只是一种制图工具，随着 GIS软件功能越来越强大，界面越来越友好，它在空间分析中的应用越来越广。本章第二个目的是介绍 GIS的一些基本空间分析工具。鉴于ArcGIS在教育、商业及政府机构中的广泛应用，本书采用

2、它作为主要的软件平台来完成GIS任务。除非特别说明，本书所有 GIS操作都是基于 ArcGIS9.0。各章结构的安排类似：先从基本概念着手，介绍 GIS方法的基本内容；然后用案例来使者熟悉刚刚介绍的 GIS方法。本章第1.1节简要介绍ArcGIS中的空间及属性数据管理，第 1.2节为案例1A，通过绘制库婭霍加县的人口密度分布图来演示基于 GIS作图的基本过程。第 1.3节介绍ArcGIS中基本的空间分析工具，包括空间查询、空间连接、地图叠加等。第 1.4节为案例1B，演示了一些空间分析工具：提取克里夫兰市的普查小区，生成多边形邻接矩阵。在高级空间统计研究如 空间聚类和空间回归分析中，我们常常用

3、多边形邻接矩阵来定义空间权重（参见第九章）。本书假设读者具有初极 GIS知识。本章不会涵盖所有的 ArcGIS功能。相反，它只是回顾ArcGIS的主要功能，给读者一个”热身赛”，以便引导读者继续学习章节中的一些高级空间分析 方法。1.1ArcGIS中的空间和属性数据管理因为本书选择 ArcGIS作为主要的软件平台，所以有必要简单介绍一下它的主要模块及功能。ArcGIS是美国环境系统研究所（ESRI）2001年发布的一种基于图形界面（ GUI）的软件 2平台，用以代替以前基于命令行的 Arcinfo。ArcGIS包括3个主要模块：ArcCatalog、ArcMap和ArcToolbox 。 Ar

4、cCatalog用于查看、管理空间数据文件。 ArcMap用于显示、分析、编辑空间及属性数据。 ArcToolbox 整合了各种数据管理和数据分析工具箱，包括地图投影管理、数据 格式转换以及实现早期的 ArcInfo 命令。在 ArcGIS9.0 中， ArcToolbox 可以从 ArcMap 或 ArcCatalog 界面中激活。大部分（但不是全部）早期 ArcInfo 命令都可以在 ArcGIS 中实现。对 于有些命令或功能，我们作空间分析还是用的较勤 ,仍然需要用到 ArcInfo 的命令行界面。例如，在附录 1 中讨论了如何用 ArcInfo Workstation 来读取、输出 A

5、SCII 文件。第二章中的案例 2 介绍了如何用 ArcInfo Workstation 来计算网络距离。1.1.1 地图投影及空间数据模型GIS 不同于其他信息系统的一个显著特点是它能够管理地理或空间（区位）数据。为了理 解这一点，我们需要具备地理坐标系统的基础知识，例如，我们需要了解经纬度及用 x、 y 坐标在各种平面坐标系上的表示方法。将地球的椭球表面转换为平面，或在不同平面坐标系之间 进行转换的过程称为地图投影。在 ArcGIS 中， ArcMap 会自动地将不同坐标系的数据转化为 最先添加的图层坐标系，这个过程一般称为即时投影变换（ on-the-fly reprojections

6、）。但是， 如果数据量较大的话，这个过程可能会花很多时间。所以，同一个项目里面的所有图层最好用 同一种投影。美国常用的投影有两种：通用横轴墨卡托投影（ UTM ）和州平面坐标系统（State Plane Coordinate System, SPCS）。 严格来说，SPCS并不是单一的一种投影，它可能 使用三种投影中的一种：兰伯特等角圆锥投影、横轴墨卡托投影、斜轴墨卡托投影。为了尽量 减少变形,南北向长条形的州或地区使用横轴墨卡托投影,东西向长条形的州或地区使用兰伯 特等角圆锥投影。有些州（如阿拉斯加、纽约州）可能用不只一种投影。更多内容,读者可以 参阅ESRI公司ArcGIS光盘上的 理解地

7、图投影” PDF文件。在 ArcGIS 中查看空间数据图层的投影,可以在 ArcCatalog 中点击该图层,然后选择Metadata Spatial，或者在 ArcMap 右键单击图层，依次选择 layer Properties Source。在 ArcToolbox 中进行投影相关操作的办法为：依次点击 Data Management Tools Projections and Transformations ,在投影与变换工具箱（ Projections and Transformations ）下,投影定义工具（Define Projection ）将新建一个包含投影参数的投影文件（

8、PRJ），或者矫正原来的错误投影。投影定义工具只是标记地理数据的正确坐标系统，坐标系统本身不会被改变。对 于矢量空间数据，选择 Feature Project，将坐标系统从一种投影转换到另一种投影，并生成一个新的图层。本工具中提供了如下一些选项：创建新坐标系统，使用一个现存的坐标系统， 从一个地理数据中输入坐标系统。对于栅格数据，则选择 Raster Project Raster.GIS可以处理矢量和栅格两种空间数据。在处理矢量数据时， GIS用地理坐标点来构建点、线、面等要素；在处理栅格数据时， GIS借助按行列排列栅格单元来表征空间要素。栅格数据的结构比较简单，模型构造相对容易。社会经济应

9、用中大多使用矢量数据，本书的大部分 GIS应用也使用矢量数据。大部分商业 GIS软件都提供了矢量、栅格数据的互相转换。在ArcGIS中，可以通过调用 ArcToolbox中的转换工具（Conversion Tools ）来实现。ESRI公司的早期GIS软件使用coverage数据模型。后来在开发 ArcView软件包时，采用了 shapefiles数据模型。在 ArcGIS 8及以后的版本中，开始使用 geodatabase模型，代表了面向对象数据模型的新趋势。面向对象的数据模型把物体的几何特征（空间数据）也当作一种属 性数据来存储，而传统的 coverage和shapefiles模型是将空间

10、和属性两种数据单独存储的。一般而言，社会经济分析中的空间数据和属性数据常常来自不同的渠道，在用 GIS进行制图或分析之前的一个基本任务是把他们连接在一起。这就涉及到下面将要介绍的属性数据管理了。1.1.2属性数据管理及属性连接GIS数据分为两类，即空间数据和属性数据。空间数据表征地图要素的几何特征，属性数 据则描述要素的一些特征。属性数据往往以表格或表格文件的方式存储。 Shapefile属性表使用dBase 数据格式，Arcinfo Workstation 使用 INFO 格式，geodatabase表格使用 Microsoft Access 格式。ArcGIS也能够读取几种 ASCII数据

11、格式，包括逗号分隔和 tab分隔的文本文件。附录 1讨介绍了用ArcGIS输入/输出ASCII数据的方法，如果要用 GIS和其它软件（如 SAS）进行高级分析，或者自己编写一些程序来完成复杂的任务，这种数据转换是非常重要的操作。基本的数据管理任务，有些用 ArcCatalog或ArcMap都可以实现，而其他一些任务则只有其中一种工具可以完成。例如，新建数据表或删除 /拷贝一个数据表都只能在 ArcCatalog中实现（前面我们曾提到， ArcCatalog可以用于查看和管理 GIS数据文件）。数据表的创建过程 为：右键单击将要在里面创建数据表的文件夹，选择 new即可。而要删除或拷贝数据表，只

12、要在ArcCatalog中右键单击该数据表，然后单击 Delete （或Copy）即可。如果要在一个数据表中新增一个变量（可能是在 shape文件属性表或dBase文件中新增一列或是在 Arcinfo workstation的INFO文件中新增一项）， ArcCatalog和ArcMap 都可以胜任。删除INFO文件中的某一项也可以任选 ArcCatalog或ArcMap之一来完成；但是，删除dBase文件中的一列则只能用 ArcMap来实现。例如，在 shape文件属性表中新增一列，可以用ArcCatalog来实现，即右键点击 shape文件 Properties Fields，在空白行里面

13、输入新建列4的名字，并定义数据类型即可。在 ArcMap中，则要先打开数据表 Options Add Field。在 ArcMap中删除一列，可以打开数据表，然后右键单击该列，然后选 Delete Field即可。如果要进行列之间数据的运算，可以用 ArcMap :打开数据表 右键单击列 Calculate Values。此 外，在ArcMAP中，可以通过右键单击列，然后选择 Statistics来得到一些基本的统计参数。在GIS中，我们常常使用的属性连接，是基于某一个相同列将两张表的信息连接在一起。被连接的表可能是一个与特定地理数据库有关的属性表，也可能是一个独立的数据表。在进行 属性连接时

14、，公共标签的名字可以不同，但它们的数据类型必须匹配。数据表之间的连接关系 有多种：一对一、多对一、一对多、多对多。一对一或多对一连接是通过 ArcGIS中的join来完成的。但是，一对多或多对多连接则不能用 join来实现，这需要用 ArcGIS中的relate来关联两张表，在关联的同时会保持两张表各自独立。在进行关联（ relate ）时，是从一张表中选取一条或多条记录，然后从另一张表中选取若干条关联记录。表 1.1列出了上述连接的关系及所用的ArcGIS工具。连接（join）或关联（relate）是通过 ArcMap来实现的。在地图目录中，右键单击空间数 据或目标表格，然后依次选择 Joi

15、 ns and Relates Join （或Relate），然后，在连接数据对话框中选择“Joinattributes from a table。连接只是暂时的，并不会新建数据表，如果退出项目时不保存的话，下次再打开时连接就没有了。可以把连接后的结果输出为新的数据表从而永久地保 存。一旦属性信息连接到空间图层，我们就可以用 ArcGIS方便地制图了。在 ArcMAP中，右键单击图层，选择 Properties，在弹出的对话框中选择 Symbology。在这里，我们可以选取某一列指标来绘制地图，可以选择要素显示的颜色和图例，设置显示的模板。地图要素（比例 尺、指北针、图例）可以从主菜单中插入（

16、 In sert ）51.2案例1A :绘制俄亥俄州库娅霍加县人口密度模式图对于那些不太熟悉 GIS的读者，如果能够通过简单地点击几下鼠标就可以亲自绘制一张地5图，则可以很快尝 GIS的甜头，克服对GIS复杂性的神秘感。本节通过一个例子来演示如何在GIS连接空间和非空间信息，并用于绘制地图。在接下来的操作中，我们将演示第 1.1节里面介绍的大部分功能。完成一个GIS项目开始之前先要收集相关数据。一般而言，我们可以使用现存的数据。在美国社会经济应用研究中，美国人口普查局发布的拓扑集成地理编码参照文件（ TIGER ）及十年一度的人口普查数据是空间数据和属性数据的主要来源。这两种数据都可以从普查局

17、的网站下载（WWW.census.gov。熟练的 ArcGIS用户可以直接下载 TIGER数据，然后用 TIGER 转换工具提取所需空间数据。依次点击 ArcToolbox里面的Coverage Tools Con version ToCoverage Advaneed Tiger Conversion （或 Basic Tiger Conversion）即可激活 TIGER 转换工 具。转换过程可能会花些时间，而转换之后的数据可能还需要进一步的加工。所幸的是，一些网站提供了业已处理好的 ArcGIS格式（shapefiles或coverage）的TIGER空间数据下载服务。ESRI发布Arc

18、GIS软件时，附送有包含这些数据的光碟。如果空间数据是交换格式（e00）的，则可以很方便地进行转换：依次点击：ArcToolbox Coverage Tools Con version To Coverage Import from In tercha nge File 。在下面的案例中，我们将直接使用从ESRI网站下载的shapefile空间数据。尽管读者可以自己下载数据，但为方便起见，本书光盘中提供了所需数据：1. shape 文件：tgr39035trt002. dBase 文件：tgr39000sf1trt.dbf 。在本书中，所有计算机文件、变量名以及某些工程中将要用到的命令行都用

19、CourierNew字体。F面是分步介绍的操作过程。1.下载空间数据登录 ESRI公司的网站，进入至U 2000 年人 口普查 TIGER/Line Data 页面： tigerline。选择 Ohio 州 Cuyahoga 县，下 载2000的普查小区数据，为压缩后的 shape文件。解压后得到名为 tgr39035trt00 的shapefile图层。在tgr39035trt00 这个文件名中，tgr 表示它来源于 TIGER文件，39是州的FIPS编码，035是县的编码，trt00 表示2000的普查数据。Shapefile图层至少包含 3个 文件：.dbf、.shp、.shx。有些还包

20、括其他一些文件如 .prj、.sbx、.avl、.xml。为方便起见，本书余下部分一律用单数形式的 “shapefile指代一个shapefile图层所有文件。2.转换到UTM投影在ArcCatalog中，查看shapefile文件tgr39035trt00 的投影，发现它使用的是地理坐标系统。在 ArcToolbox 中，依次选择 Data Management Tools Projections and Transformations Feature Project ,激活投影变换对话框。在对话框中，选择 tgr39035trt00.shp 作为输入数据，将输出数据命名为 cuyautm.

21、shp ，定义输出坐标系统为UTM(zone 17 , units meters)。在这里，我们从一个现存的数据集中提取投影文件来定义输 出的坐标系统：点击 OutputCoordinate System旁的图标，激活空间参照属性对话框 Import clevbnd 。图1.1为本任务的对话框。点击 ok执行任务。3. 计算shap efile文件中面要素的面积在ArcMap中(本书中除非特别说明， ArcMap是我们ArcGIS的默认工作环境)，打开cuyautm 的属性表，右键单击 Options按钮，选择Add Field，新增一列area，设置数据类型为双精度Double。右键单击列a

22、rea，选择Calculate Values以计算面积。在对话框中，点击Advaneed,在第一个文本框中输入下述 VBA命令，Dim dblArea as doubleDim pArea as lAreaSet pArea = shapedblArea = pArea.area在第二个文本框，即 area= ”下面的文本框中输入dblArea 。点击0K计算面积。图1.2为计算面积的对话框示例。需要说明的是，在更新的 ArcGIS版本（如9.2）中，计算面积很简单：右键单击列 area ，选择 Calculate Geometry，然后在对话框中的 Property项选 Area、Units

23、 项选 Square Meters sq m 以计算面积。4下载属性数据 7属性数据可以从上面同一个网站下载，选择 “2000census tract demographics （SF1）即可。属性数据 tgr39000sf1trt.dbf 是整个俄亥俄州的数据，为 dBase格式，SF1表示Summary File 1 （即基于普查短表的 100%普查的汇总数据）。这里的 dBase文件并不包含所有的普查变量。如要获取完整的普查数据，可以访问2000年人口普查网站： http:/www.eensus.gov/main/www/cen2000.html 。处理 SF1、SF3 等文件时，需要知

24、道 2000 年人口普查数据的结构，并要用到一些数据分析软件如 SAS、Accesso SF3就是基于普查长表的1%抽样数据。5. 提取凯霍加县的属性数据在ArcMap 中，添加并打开表 tgr39000sf1trt.dbf 。点击表右下角的选项按钮（Options） 选择 Select By Attributes 输入 SQL （结构查询语言）语句： county= 035并按Apply，执行查询（第1.3节有更多关于ArcGIS的查询操作）。所有凯霍加县的数据将被选中。点击 Options键，将结果输出（Export）名为cuya2k_popu.dbf 的文件。如果愿意，这一步可以略过，即

25、直接将表 tgr39000sf1trt.dbf 连接到图层cuyautm ，所得结果将自动去掉其他县的数据。这里设计这一步是为了让读者练习属性查询这一功能。6. 连接空间数据和属性数据右键单 击图层 cuyautm Joi ns and Relates Join，基于公共标签 STFID 将表 cuya2k_popu.dbf 连接到 cuyautm 。STFID是每个普查小区的唯一标志码，包含州（ 2位）、县（3位）及普查小区（6为）的编码。图 1.3显示了空间数据和属性数据的连接方式及与地图要素的关系。7. 添加并计算人口密度右键单击图层 cuyautm ，选择 Open Attribute

26、 Table，打开属性表以检查连接结果。在连 接后的表中，列的名称由两部分组成，第一部分为原表名，第二部分为列名。 例如，cuyautm.area 表示该列为 cuyautm 属性表中的 area 变量，tgr39000sf1trt.STFID表示表tgr39000sf1trt.dbf 中的STFID （变量名过长时会自动截短）。在本书后续讲解（例如计算公式、表连接等操作）中，除非为了强调，当我们提到列名称时，将省略源表名。单击Options按钮 Add Field，新增一列 popuden，此列将显示在 cuyautm 属性表的最 后，但位于表 cuya2k_popu.dbf 第一列之前。右

27、键单击列 popude n ，选择 CalculateValues，输入公式 1000000*POP2000/area 。在公式中，POP2000 和 area 都是通过直接双击最上面对话框中的列名称来实现的，这样既可以节省时间，也可以减少直接输入可 能出现的错误。在本书后续讲解中，为简单起见，我们只列出计算公式如 popude n=1OOOOOO*POP2OOO/area 。注意到地图投影的单位是米，而人口密度的单位为每平方公里的人口数，所以我们公式中乘上了 1000,000。8. 绘制人口密度模式图右键单击图层 cuyautm Properties Symbology Quantities

28、 Graduated Colors，基于 popude n 绘制人口密度图。我们可以尝试不同的分类方法、分类数及色彩方案。在主菜单中，选择 View Layout View 来预览地图。在主菜单中，选择 In sert Lege nd （ Scale Bar, North Arrow 等），可以插入比例尺、指北针、图例等地图要素。图 1.4 为研究区内的人口密度图，北部的那一大片空白区域为伊利湖。本图中的人口密度 分级是作图者自己定义 （Customized） 。1.3ArcGIS 中的空间分析工具：查询、空间连接、地图叠加许多空间分析任务需要利用空间要素之间的位置关系，进行查询（ queri

29、es）、空间连接（spatial joins ）及地图叠加（ map ove rlays ） 。这三种都是空间分析的基本工具。 查询包括属性（非空间）查询和空间查询。属性查询是基于属性表来提取在该属性表中的 属性信息，或对应的空间图层中的空间信息。在 ArcMap 中进行属性查询，有两种办法（ 1）从主菜单中选择 Selection by Attributes ；（ 2）在一个打开的数据表中，选择 Options 按钮 Selection by Attributes 。两种方法都是基于属性变量用 SQL 查询语句来选择空间要素（或只是简单地从一个独立的属性表中选取若干条记录）。案例 1A 第

30、5 步中已经用到了这个功能。在主菜单的 Selection 菜单下，另有一个选项为交互式选择方法（ Interactive Selection Method ）， 就是用鼠标在屏幕（地图或属性表）上选择要素。与其他信息系统相比， GIS 的一个独特之处在于它的空间查询能力，即能够基于不同图层 要素之间的位置关系进行信息查询。主菜单 Selection 菜单有一个 Selection by Location 选项， 它可以基于一个图层中的要素与另一个图层中的要素之间的位置关系进行查询。可供查询的空 间位置关系包括相交（ intersect） 、在一定范围之内（ are within a dist

31、ance of ）、完全包含（ completely contain ）、完全在范围之内（ are completely within ），等等。 查询（属性查询或空间查询）所得结果可以输出为新的数据文件：（ 1）用右键单击源图层，然后选择Data Export Data，可以将查询所得空间要素输出为新的图层文件；（ 2）单击数据表中的 Options 按钮 Export ，可以将结果保存为数据表。属性连接是基于两表的共同列进行的，而空间连接是基于两个图层空间要素的位置关系如 重叠、近邻等来完成的。我们用源图层和目标图层来区分不同图层在空间连接时的作用相异：源图层的属性经过空间连接后就转换到目标图层中了。如果源图层中的一个对象对应于目标图 层中的一个或多个对象，则是一个简单的空间连接（ Simple join ）。例如，将县域多边形图层 （源图层）空间连接到学校位置（目标图层）的点图层，县图层的属性（如 FIPS 编码、县 名、县长名）就转到那些落入县域边界内的学校。如果源图层的多个对象对应于目标图层的一 个对象，就可能进行两种操作：汇总连接（ summarized join ）和距离连接（ distance join ）。汇总连接是指将源图层的数值属性进行汇总（例如