GIS原理实习二操作指南.docx

1、GIS原理实习二操作指南 GIS原理实习二操作指南 实验三、空间数据处理 一、实验目的 1. 掌握空间数据处理（融合、拼接、剪切、交叉、合并）的基本方法，原理。 领会其用途。 2. 掌握地图投影变换的基本原理与方法。 3. 熟悉 ArcGIS 中投影的应用及投影变换的方法、技术 4. 了解地图投影及其变换在实际中的应用。 二、实验准备 预备知识： ArcToolbox 是 ArcGIS Desktop 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 具有许多复杂的空间处理

2、功能，包括的工具有： 数据管理 数据转换 Coverage 的处理 矢量分析 地理编码 统计分析 空间间数据处理是基于已有数据派生新数据的一种方法。 是通过空间分析方法来实现的。 是基于矢量数据进行的，包括如下几种常用的操作： 融合，剪切，拼接，合并（并集），相交（交集）。 地理坐标系（Geogrpahic Coordinate System ） 地理坐标系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。 基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面。 椭球体 长半轴 a （米） 轴 短半轴 b （米）

3、Krassovsky （北京 54 采用） 6378245 6356863.0188 IAG 75 （西安 80 采用） 6378140 6356755.2882 WGS 84 6378137 6356752.3142 在 ArcGIS 中基于这三个椭球，建立了我国常用的三个基准面和地理坐标系： GCS_WGS1984(基于 WGS84 基准面) GCS_BEIJING1954(基于北京 1954 基准面) GCS_XIAN1980(基于西安 1980 基准面) 投影坐标系（Projected Coordinate Systems ） 投影坐标系使用基于 X,Y 值的坐标系统来描述地球上某个点

4、所处的位置。 这个坐标系是从地球的近似椭球体投影得到的，它对应于某个地理坐标系。 投影坐标系由 以下参数确定 地理坐标系（由基准面确定，比如： 北京 54、西安 80、WGS84） 投影方法（比如高斯克吕格、Lambert 投影、Mercator 投影） 在 ArcGIS 中提供了几十种常用的投影方法 北京 1954 投影坐标系和西安 1980 坐标系都是应用高斯克吕格投影，只是基准面、椭球、大地原点不同。 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，当将矢量数据从一个坐标系统变换到另一个坐标系统下时，如果矢量数据的变换涉及基准面的改变时，需要通过地理变换来实现地理变换或基

5、准面平移。 主要的地理变换方法有： 三参数和七参数法。 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。 实验数据： 云南县界.shp; Clip.shp 西双版纳森林覆盖.shp 西双版纳县界.shp 三、实验内容及步骤 空间数据处理 步骤： 将所需要的数据下载后，解压到 e:gisdata, 设定工作区:在 ArcMap 中 执行菜单命令： 工具选项，在空间处理选项页里，点击环境变量按钮，在环境变量对话框中的常规设置选项中，设定临时工作空间为 e:gisdata 第 第 1 步 裁剪要素 在 ArcMap

6、 中，添数据 GISDATA云南县界.shp，添加数据 GISDATAClip.shp （Clip 中有四个要素） 激活 Clip 图层。 选中 Clip 图层中的一个要素，注意确保不要选中云南县界中的要素！ 点击 打开 ArcToolbox， 指定输出要素类路径及名称，这里请命名为云南县界_Clip1 指定输入类： 云南县界 指定剪切要素： Clip（必须是多边形要素） 依次选中 Clip 主题中其它三个要素，重复以上的操作步骤， 完成操作后将得到共四个图层（云南县界_Clip1 , 云南县界_Clip2，云南县界_Clip3，云南县界_Clip4 ）。 第 2 步 拼接图层 在 ArcMa

7、p 中新建地图文档，加载你在剪切要素操作中得到的 四个图层 点击 打开 ArcToolbox 在 ArcToolbox 中执行追加命令 输出要素： 设定为 云南县界_Clip1, 输入要素： 依次添加其它三个图层 右键点击图层云南县界_Clip1，在出现的右键菜单中执行数据-导出数据 指定导入数据的路径和名称:YNOK.shp 通过以上操作我们就完成了将 4 个图层拼接为一个图层的处理。 新建一地图文档，加载数据 YNOK.shp，查看图层及打开其属性表看看与云南县界中的属性表有何区别。 第 第 3 步 要素融合 在拼接图层的基础上继续 执行融合命令 输入要素： 指定为 YNOK 融合字段：

8、选择为所属州，将根据这个字段的值对要素进行融合，YNOK 图层中所属州相同的要素将合并成一个要素 以上操作，根据指定字段的值，对现有图层中的要素进行融合，产生新的图层YNOK_Dissovle,打开并查看其属性表 类似地，重复以上过程，并将融合字段指定为： CHINESE ，看看结果有何不同属性表 类似地，重复以上过程，并将融合字段指定为： CHINESE ，看看结果有何不同 第 第 4 步 图层合并 在 ArcMap 中新建一个地图文档，加载数据 GISDATA西双版纳森林覆盖.shp 和 GISDATA西双版纳县界.shp 调整图层顺序，将西双版纳县界置于下方 打开 ArcToolbox，

9、在 ArcToolbox 执行联合命令 在联合对话框中 输入要素： 依次添加 西双版纳森林覆盖西双版纳县界两个图层 输出要素类： 设置为 Union.shp 查看输出要素类： Union 的的属性表，并检查属性 Type，其中为Y的表示有植被覆盖的区域，右键点击图层 Union,修改属性符号 （设置为唯一值图例，字段设置为 TYPE） 的属性表，并检查属性 Type，其中为Y的表示有植被覆盖的区域，右键点击图层 Union,修改属性符号 （设置为唯一值图例，字段设置为 TYPE） 思考题： 勐海县的总面积是多少平方公里？其中有森林覆盖的区域面积是多少？没有森林覆盖的区域面积是多少？ 没有森林覆

10、盖的区域面积是多少？ 第 第 5 步 图层相交 在图层合并练习的基础继续 在 ArcToolbox 中，执行相交命令 在相交对话框中 输入要素： 依次添加 西双版纳森林覆盖西双版纳县界两个图层 输出要素类： 设置为 Intersect.shp 查看 输出要素类 InterSect，并与西双版纳森林覆盖及图层合并操作所得结果Union进行比较，并进一步思考这类操作适合求解哪一些现实问题。 输出要素类 InterSect，并与西双版纳森林覆盖及图层合并操作所得结果Union进行比较，并进一步思考这类操作适合求解哪一些现实问题。 定义地图投影 第 第 6 步 定义投影 （1） 在 ArcMap 中新

11、建地图文档，添加第 4 步成生成的图层:Union.shp （2） 在 TOC 中，右键点击图层Union，查看属性,在属性对话框中，点击源选项页，查看这图层是什么坐标系 （3） 打开 ArcToolbox，执行命令定义投影命令 在定义投影对话框中，选择要素类： Union，点击坐标系输入框右边的按钮， 在出现的空间参考属性对话框中，选择一个地理坐标系，GCS_BEJING_1954 （注意： 前提是我们已知道图层 Union 是使用北京 1954 地理坐标系） 点击选择按钮，从预定义的坐标系中选择（坐标系统Geographic Coordinate SystemsAsiaBeijing 19

12、54.prj） （4） 在 TOC 中，右键点击图层Union，查看属性,在属性对话框中，点击源选项页，查看这个图层的坐标系是否已经被指定为北京 1954 地理坐标系 第 第 7 步 投影变换地理坐标系 北京 1954 坐标系转换 西安80 坐标系 （1） 在第 6 步的基础上进行 （2） 打开 ArcToolbox，执行命令定义投影命令 （3） 在投影对话框中，依次设定输入要素类为Union，输出要素类为Union_PRJ_BJ54.shp, 输出坐标系选择为BEJING_1954_GK_ZONE_17N 从预定义的坐标系中选择（坐标系统Projected Coordinate System

13、sGauss KrugerBeijing 1954Beijing 1954 GK Zone 17N.prj） （4） 确 定 后 ， 完 成 由 地 理 坐 标 系 GCS_BEJING_1954 到 投 影 坐 标 系 BEJING_1954_GK_ZONE_17N 的变换。 （5） 请参照以上过程，完成由投影坐标系BEJING_1954_GK_ZONE_17N 到投影坐标系 四、实验报告要求 回答第 4 步中的问题 没有森林覆盖的区域面积是多少？说明原理并给出结果。 提示： 面积单位是什么？如何转换成平方公里？ ， （1）基于第 4 步的结果， 用图层相减功能求出没有植被的区域， 得到一个

14、图层，检查此图层的坐标系是否已是投影坐标系（地图单位是米？），如果不是则将其转换为投影坐标系 （2）查找 ArcMap 中的联机帮助，以了解如何计算多边形的面积 提示： 用字段计算器 实验四、空间分析基本操作 一、实验目的 1. 了解基于矢量数据和栅格数据基本空间分析的原理和操作。 2. 掌握矢量数据与栅格数据间的相互转换、 栅格重分类(Raster Reclassify)、 栅格计算查询符合条件的栅格(Raster Calculator)、 面积制表（Tabulate Area）、 分区统计(Zonal Statistic)、 缓冲区分析(Buffer) 、采样数据的空间内插(Interpo

15、late)、 栅格单元统计（Cell Statistic）、 邻域统计（Neighborhood）等空间分析基本操作和用途。 3. 为选择合适的空间分析工具求解复杂的实际问题打下基础。 二、实验准备 预备知识： 空间数据及其表达 空间数据（也称地理数据）是地理信息系统的一个主要组成部分 。 空间数据是指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。 它是 GIS 所表达的现实世界经过模型抽象后的内容，一般通过扫描仪、键盘、光盘或其它通讯系统输入 GIS。 在某一尺度下，可以用点、线、面、体来表示各类地理空间要素。 有两种基本方法来表示空间数据：

16、一是栅格表达; 一是矢量表达。 两种数据格式间可以进行转换。 空间分析 空间分析是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术，其目的在于提取空间信息或者从现有的数据派生出新的数据，是将空间数据转变为信息的过程。 空间分析是地理信息系统的主要特征。 空间分析能力（特别是对空间隐含信息的提取和传输能力）是地理信息系统区别与一般信息系统的主要方面，也是评价一个地理信息系统的主要指标。 空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库。 空间分析运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段。 。 空间分析可以基于矢量数据或栅格数据进行，具体是情况要根据实际需要确定。 空间分析步骤 根据要

17、进行的空间分析类型的不同，空间分析的步骤会有所不同。 通常，所有的空间分析都涉及以下的基本步骤，具体在某个分析中，可以作相应的变化。 空间分析的基本步骤: a) 确定问题并建立分析的目标和要满足的条件 b) 针对空间问题选择合适的分析工具 c) 准备空间操作中要用到的数据。 d) 定制一个分析计划然后执行分析操作。 e) 显示并评价分析结果 空间分析实际上是一个地理建模过程，它涉及： 问题的确定、使用哪些空间分析操作、评价数据、以合适的次序执行一系列的空间分析操作、显示及评价分析结果。 实验数据： 实验数据包括： Slope1（栅格数据），Landuse （栅格数据）, landuse92,r

18、5yield,emidalat 街道图层 AIOStreets 和城市地籍图层： AIOZonecov 气温.shp,YNBoundary.shp (云南省的边界) 下载地址 http:/www.geo- 三、实验内容及步骤 空间分析模块 本章的大部分练习都会用到空间分析扩展模块，要使用空间分析模块首先在 ArcMap中执行菜单命令工具扩展，在扩展模块管理窗口中， 将空间分析前的检查框打勾。 然后，在 ArcMap 工具栏的空白区域点右键，在出现的右键菜单中找到空间分析项，点击该项，在 ArcMap 中显示空间分析工具栏。 执行空间分析工具栏中的菜单命令空间分析选项设定与空间分析操作有关的一些

19、参数。 这里请在常规选项中设定一个工作目录。 因为在空间分析的过程种会产生一些中间结果，默认的情况下这些数据会存储在 Windows 系统的临时路径下（C:temp），当设置了工作目录后，这些中间结果就会保存在指定的路径下。 空间分析工具栏 1. 了解栅格数据 在 ArcMap 中，新建一个地图文档，加载栅格数据： Slope1，在 TOC 中右键点击图层Slope1， 查看属性 在图层属性对话框中，点击数据源选项，可以查看此栅格图层的相关属性及统计信息。 打开空间分析工具栏，点击图标 ，查看栅格数据的统计直方图： 新建 ArcMap 地图文档： 加载离散栅格数据： Landuse，在 TOC

20、 中右键点击 Landuse ，打开属性表 查看字段Count可以看到每种地类所占栅格单元的数目 2. 用任意多边形剪切栅格数据( 矢量数据转换为栅格数据) 在 ArcCatalog 下新建一个要素类（要素类型为:多边形），命名为： ClipPoly.shp 在 ArcMap 中，加载栅格数据： Landuse、和 ClipPoly.shp 打开 编辑器 工具栏，开始编辑 ClipPoly ，根据要剪切的区域，绘制一个任意形状的多边形。 打开属性表，修改多边形的字段ID的值为 1，保存修改，停止编辑。 打 开 空 间 分 析 工 具 栏 执行命令： 空间分析转换-要素到栅格 指定栅格大小： 查

21、询要剪切的栅格图层 Landuse 的栅格大小，这里指定为 25 指定输出栅格的名称为路径 执行命令: 空间分析-栅格计算器 构造表达式： Landuse*polyClip4-polyclip4 ，执行 栅格图层： Landuse 和 用以剪切的栅格 polyClip4 之间的 相乘运算 得到的结果即是以任意多边形剪切的 Landuse 数据 3. 栅格重分类(Raster Reclassify) 通过栅格重分类操作可以将连续栅格数据转换为离散栅格数据 在 ArcMap 中，新建地图文档，加载栅格数据 Slope1，打开空间分析工具栏，执行菜单命令重分类 将坡度栅格重新分为 5 类： 0 8

22、、8 15 、15 25 、25 35、 35 度以上。 4. 栅格计算查询符合条件的栅格(Raster Calculator) 在 找出坡度在 25 度以下的区域 在上一步的基础上进行，执行空间分析工具栏上的命令： 空间分析栅格计算器 构造表达式 Slope1=25 满足条件的栅格赋值为 1，其余的栅格赋值为 0 5. 面积制表（Tabulate Area ） 在上一步的基础上进行。 加载 Landuse92 栅格图层，打开 ArcToolbox 在 ArcToolbox 中，执行Spatial Analyst Tools-Zonal下的面积制表工具 按上图所示，指定分区数据和输入栅格数据

23、打开得到的交叉面积数据表，观查其中的记录，理解本操作的意义是什么？ 6. 分区统计(Zonal Statistic) 在 ArcMap 中新建地图文档，加载栅格图层 r5yield (粮食产区分类图)、栅格 Organic(土壤有机质含量分布图) 在 r5yield 中，根据产量不同分为 5 个粮食产区 打开 ArcToolbox，执行Spatial Analyst Tools-Zonal下的区域统计到表分析工具，按上图所示指定参数，确认后得到如下一个数据表： 仔细研究上面的数据表，理解本操作的意义是什么？ 点击上面数据表中的选项按钮，执行创建图形命令 根据向导提示，设定参数，生成不同粮食产区

24、土壤有机质含量（平均值）的统计图表 从统计图中可以看出，产量最低区有较低的有机质含量，中产区有机质含量较高，这表明较高的有机质含量会带来较高的产量。 最高产量区有机质含量较低可能是其他因素的影响。 7. 缓冲区分析(Buffer) 添加缓冲区向导到菜单中 在 ArcMap 中，执行命令： 工具-定制 在出现的对话框中的 命令选项页。 在左边栏中，目录列表框中，选择工具 在右边栏中，命令列表框中，选择缓冲区向导 拖放缓冲区向导图标到菜单工具中，或者拖放到一个已存在的工具栏上。 关闭定制对话框 创建街道的线状缓冲区 新建地图文档，加载街道图层 AIOStreets 和城市地籍图层： AIOZone

25、cov （地图单位为： 米） 执行菜单命令： 选择通过属性选择 构造表达式： STR_NAME=CYPRESS ，从图层 AIOStrees 中，选择街道名称为CYPRESS 的街道 执行工具菜单中的缓冲区向导命令，或点击缓冲区向导图标，打开缓冲区向导对话框： 通过缓冲区向导，建立所选择街道的 50 米缓冲区（一个多边形图层） 得到沿街道CYPRESS的 50 米缓冲区 8. 空间关系查询 Select By Location： 根据位置选择 在上一步的基础上进行，找出与 街道CYPRESS的 50 米缓冲区相交的地块。 9. 采样数据的空间内插(Interpolate) 空间插值常用于将离散

26、点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。 空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。 数据： 气温.shp 中有两个字段 Y01 Y02 记录的是 16 个气象观测站，2019 年和 2019年的年平均气温，下面要通过空间内插的方法将点上的数据扩展到连续的空间上，得到气温空间分布图。 YNBoundary.shp 是云南省的边界 新建地图文档，加载图层： 气温.shp 、YNBoundary, 打开空间分析工具栏，执行菜单命令空间分析-内插成

27、栅格-样条 在样条函数内插对话框中，按下图所示指定参数 确定后，得到如下的气温空间分布图（通过修改图例得到相同的效果） 2019 年平均气温样条函数空间内插 参考以上操作，生成 2019 年的平均气温空间分布图： 2019 年平均气温样条函数空间内插 执行菜单命令空间分析-选项，通过设置 相关选项和参数，重新进行空间插值，得到如下的结果（用距离权重倒数内插方法） 10. 栅格单元统计（Cell Statistic ） 在上一步的基础上进行 现在我们要根据2019年和2019年的年平均气温得到多年平均气温空间分布图，打开空间分析工具栏，执行菜单命令空间分析-像素统计 2019、2019 年间平均

28、气温空间内插 11. 邻域统计（Neighborhood ） 邻域分析也称为窗口分析，主要应用于栅格数据模型。 地理要素在空间上存在着一定的关联性。 对于栅格数据所描述的某项地学要素，其中的(I，J)栅格往往会影响其周围栅格的属性特征。 准确而有效地反映这种事物空间上联系的特点，是计算机地学分析的重要任务。 窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口，并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，从而实现栅格数据有效的水平方向扩展分析。 支持的几种分析窗口类型： ArcMap 中，邻域统计功能所支持的各类算子 多数（Majority） 最大值

29、（Maximum ） 均值（Mean ） 中值（Median ） 最小值（Minimum ） 少数（Minority ） 范围（Range ） 标准差（Standard Deviation ） 总数（Sum ） 变异度（Variety ） 高通量（High Pass ） 低通量（Low Pass ） 焦点流（Focal Flow） 原始栅格 （总数 Sum） 邻域统计栅格 在 ArcMap 中新建地图文档，加载栅格数据： emidalat, 打开空间分析工具栏，执行邻域统计命令，按如下所示指定参数， 将得到一个经过邻域运算操作后的栅格： NbrMean of emidalat ，这是以 33 的格网，对 emidalat 栅格中的单元运用均值（Mean）算子进行邻域运算后得到的结果。 通过设置图例，使图层： NbrMean of emidalat 和 emidalat 有如下的效果，将地图适当放大，并在 TOC 面板中通过交替进行打开和关闭图层 NbrMean of emidalat 的操作，观察NbrMean of emidalat 和原始栅格间的差别。 四、实验报告要求 做出书面报告，包括原理、过程和结果。