GIS基本原理与ArcGIS软件简介 - 图文

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。

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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。

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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(x1, y1; x2, y2; x3, y3; …, 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

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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

矢量数据结构 优点： （1）表示地理数据的精度较高 （2）严密的数据结构，数据量小 （3）用网络连接法能完整地描述拓扑关系 （4）图形输出精确美观 （5）图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现 缺点： （1）数据结构复杂 优点： （1）数据结构简单 （2）空间数据的叠置和组合十分容易方便 （3）各类空间分析都很易于进行 （4）数学模拟方便 （5）技术开发费用低 缺点： 栅格数据结构 （1）图形数据量大 （2）矢量多边形地图或多边形网很难用叠置方法与栅（2）用大像元减少数据量时，可识别的现象结构将格图进行组合 损失大量信息 （3）显示和绘图费用高，特别是高质量绘图、彩色绘（3）地图输出不精美 图和晕线图等 （4）难以建立网络连接关系 （4）数学模拟比较困难 （5）投影变换花的时间多 （5）技术复杂，多边形内的空间分析不容易实现 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）。

1.3 ArcGIS 9软件体系结构

ArcGIS 9是ESRI开发的新一代GIS软件，是世界上应用广泛的GIS软件之一。它由数据、数据服务器ArcSDE，以及4个应用基础框架（桌面软件Desktop、服务器GIS、嵌入式GIS和移动GIS）组成，如图1.4所示。

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图1.4 ArcGIS 9体系结构

从图1.4中可以看出，其最下部分是数据层，包括存储在文件或是数据库中的数据及以XML形式存在的数据。这些数据都可以通过数据服务器ArcSDE来给应用层面的软件体系提供GIS系统所需要的数据。ArcGIS 9应用程序又可以分为4个部分：桌面软件Desktop、服务器GIS、嵌入式GIS和移动GIS。谈到应用软件，不得不提的是ArcObjects组件。ArcObjects组件是一套共享的GIS组件，其包含了大量的可编程组件，用户可以利用这些组件迅速搭建一个新的GIS应用系统。

1.3.1 ArcGIS桌面产品（Desktop GIS）

ArcGIS桌面产品是一系列整合的应用程序的总称，其包含诸如ArcMap、ArcCatalog、ArcToobox及ArcGlobe等在内的用户界面组件。其功能可分为以下几个级别：ArcView、ArcEditor和ArcInfo，而ArcReader则是一个免费地图浏览器组件。每个级别的功能如下：

? ArcReader是一个免费地图浏览器，可以查看、打印用其他ArcGIS桌面产品生成的

所有地图和数据格式。它还具有简单的浏览和查询功能。

? ArcView提供了复杂的制图、数据使用、分析，以及简单的数据编辑和空间处理工具。 ? ArcEditor除包括了ArcView中的所有功能之外，还包括了对Shapefile和Geodatabase

的高级编辑功能。

? ArcInfo是一个全功能的旗舰式GIS桌面产品。它扩展了ArcView和ArcEditor的高

级空间处理功能，还包括传统的ArcInfo Workstation应用程序（如Arc、ArcPlot、ArcEdit、AML等）。

其中，ArcView、ArcEdior、ArcInfo是三级不同的桌面软件系统，共用通用的结构、通用的编码基数、通用的扩展模块和统一的开发环境，功能由简单到复杂，其结构体系如图1.5所示。

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图1.5 ArcGIS Desktop体系结构

因为ArcView、ArcEditor和ArcInfo的结构都是统一的，所以地图、数据、符号、地图图层、自定义的工具和接口、报表和元数据等都可以在这三个产品中共享和交换使用。使用者不必去学习和配置几个不同的结构框架。这是使用统一结构的优点。

三级桌面都由同样的应用环境构成——ArcMap、ArcCatalog、ArcScene、ArcGlobe。

1．ArcMap

ArcMap是ArcGIS Desktop产品中的一个主要应用程序。它具有基于地图的所有功能，包括制图、地图分析和编辑。ArcMap可以用来浏览、编辑地图及基于地图的分析，其软件界面如图1.6所示。

图1.6 ArcMap软件界面

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ArcMap提供两种类型的地图视图：地理数据视图和地图布局视图。

? 在地理数据视图中，用户能对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS数据集。

内容表界面（Table Of Contents）帮助用户组织和控制数据框中GIS数据图层的显示属性。数据视图是任何一个数据集在选定的一个区域内的地理显示窗口。 ? 在地图布局视图中，用户可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他地图元素，

如比例尺、图例、指北针和参照地图等。通常，ArcMap可以将地图组成页面，以便

打印和印刷。 2．ArcCatalog

ArcCatalog是管理空间数据存储和数据库设计，以及进行元数据的记录、预览和管理的应用程序。ArcCatalog应用模块可以帮助使用者组织和管理其所有的GIS信息，例如地图、数据集、模型、元数据、服务等，其软件界面如图1.7所示。它包括了下面的工具：

图1.7 ArcCatalog软件界面

? 浏览和查找地理信息。

? 记录、查看和管理元数据。

? 定义、输入和输出GeoDatabase结构和设计。

? 在局域网和广域网上搜索和查找的GIS数据。 ? 管理ArcGIS Server。

不同的使用者可以分别利用ArcCatalog不同的功能。一般GIS使用者可以使用ArcCatalog组织、发现和使用GIS数据，同时也使用标准化的元数据说明它们的数据。GIS数据库的管理员可以使用ArcCatalog定义和建立GeoDatabase。GIS服务器管理员则使用ArcCatalog管理GIS服务器框架。

3．ArcToolbox

空间处理是通过对已有数据的分析得到新信息的过程，是GIS一个关键的功能。许多GIS行为中都使用空间处理进行批处理。用户可以使用空间处理功能产生高质量的数据，对

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数据的质量实行QA/QC的检查，以及进行建模和分析。

ArcToolbox是一个包含了一系列用于空间处理的工具集，其具有空间处理和空间分析的功能。ArcToolbox内嵌在ArcCatalog和ArcMap中，在ArcView、ArcEditor和ArcInfo中都可以使用，其软件界面如图1.8所示。

ArcToolbox具有许多复杂的空间处理功能，包括的工具有数据管理、数据转换、Coverage的处理、矢量分析、地理编码和统计分析。

4．ModelBuilder

ModelBuilder为设计和实现空间处理模型（包括工具、脚本和数据）提供了一个图形化的建模框架，其软件界面如图1.9所示。模型是数据流图示，它将一系列的工具和数据串起来以创建高级的功能和流程。用户可以将工具和数据集拖动到一个模型中，然后按照有序的步骤把它们连接起来以实现复杂的GIS任务。

图1.8 ArcToolbox软件界面图 图1.9 ModelBuilder软件界面

ModelBuilder是一个高效的机制，它能让用户和用户组织内外的人共享用户的方法和流程，其也为创建和执行复杂的 GIS 过程提供了一个交互机制。

5．ArcGlobe

ArcGlobe是ArcGIS桌面系统中3D分析扩展模块中的一部分。它提供了全球地理信息的连续、多分辨率的交互式浏览功能，其软件界面如图1.10所示。

像ArcMap一样，ArcGlobe也是使用GIS数据层，显示GeoDatabase和所有支持的GIS数据格式中的信息。ArcGlobe具有地理信息的动态3D视图。其图层放在一个单独的内容表中，将所有的GIS数据源整合到一个通用的全球框架中。它能处理数据的多分辨率显示，使数据集能够在适当的比例尺和详细程度上可见。

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ArcGlobe的统一交互式地理信息视图使得GIS用户整合并使用不同GIS数据的能力大大提高。ArcGlobe将成为广受欢迎的应用平台，完成编辑、空间数据分析、制图和可视化等通用GIS工作。

除了ArcView、ArcEditor和ArcInfo三级桌面软件之外，桌面软件Desktop还包括一系列的可选扩展模块。例如，ArcGIS Spatial Analyst具有约200个栅格建模工具；3D Analyst包含44种TIN和地形分析的空间处理工具。ArcGIS的Geostatistical Analyst还提供克里格（kriging）和面插值的工具。另外，还有ArcPress、Publisher、Maplex等，如图1.11所示。

图1.10 ArcGlobe软件界面 图1.11 ArcGIS扩展模块

1.3.2 嵌入式GIS（Embedded GIS）

在实际应用中，有些GIS软件要求简单、有针对性的用户界面，它们通过高级的GIS逻辑执行一些具体的任务。例如，很多组织只需要简单的数据编辑器而不是一个完整功能的桌面GIS。客户化的GIS应用也要具有高度灵活的可定制性。用户界面是为了给不熟悉GIS的用户使用GIS功能。因此，软件开发者需要有一个可编程的GIS工具包，在构建应用时提供常规的GIS功能。

ArcGIS Engine提供的工具可以满足这些需求。在嵌入式GIS支持方面，ArcGIS 9提供了ArcGIS Engine工具，它提供了嵌入式的GIS组件，能用来在一个组织内建立应用，为用户提供有针对性的GIS功能。ArcGIS Engine是为每个用户的特定需求提供有针对性的GIS功能实现的基础。

ArcGIS Engine是用于构建定制应用的一个完整的嵌入式的GIS组件库。利用ArcGIS Engine，开发者能将ArcGIS功能集成到一些应用软件，如Microsoft Office Word和Excel中，还可以为用户提供针对GIS解决方案的定制应用。

ArcGIS Engine可以在Windows、UNIX和Linux桌面上运行并支持一系列的应用软件开

发环境，例如：Visual Basic 6.0、Microsoft Visual Studio .NET和各种Java开发环境，详见 表1.2。

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表1.2 ArcGIS Engine支持的操作系统平台和编程语言 Windows C++ Java COM .NET C++ Java UNIX和Linux ArcGIS Engine开发包主要由控件、工具条和工具及对象库三个关键部分组成。其可以帮助使用者建立广泛的GIS应用，并在任何应用中嵌入GIS功能。一些GIS部门想为他们的终端用户创建特定的附带工具的GIS浏览窗口。在其他情况下，一部分GIS功能与其他工具结合，可完成一些重要的任务和工作流程。

1.3.3 服务器GIS（Server GIS ）

GIS软件可以被集中地管理在应用服务器和网络服务器上。通过网络，向任意数量的用户提供各种GIS功能。企业GIS用户可以使用传统的高级的GIS桌面软件、网络浏览器、定制的应用、移动计算设备，以及数字设备等连接到中央GIS服务器，获得GIS服务。这些服务器GIS能够提供丰富的功能。例如：

? ? ? ? ?

管理大型GIS数据库。

通过Internet提供地理信息。

维护中心GIS网络门户以提供数据挖掘和使用。

集中提供各种高级GIS功能给一个机构内部的多用户访问。 企业GIS数据库的后台处理。

? 分布式GIS计算（例如分布式GIS数据管理和分析）。 ? 通过Internet提供丰富的GIS功能。

ArcGIS9包含3种服务端产品，分别是ArcSDE、ArcIMS和ArcGIS Server。 1．ArcSDE

ArcSDE是ArcGIS与关系数据库之间的GIS通道。它允许用户在多种数据管理系统中管理地理信息，并使所有的ArcGIS应用程序都能够使用这些数据。

ArcSDE是ArcGIS软件系统的一个关键部件，它是一个先进的空间数据服务器软件。通过ArcSDE的桥接作用，用户可以很方便地在多种数据库平台上存储、管理和使用地理信息。ArcSDE为DBMS提供了一个开放的接口。它为任意的客户端应用，例如ArcIMS或ArcGIS Desktop，提供了一个在DBMS中存储、管理和使用空间数据的通道。这些DBMS平台包括Oracle、Oracle with Spatial/Locator、Microsoft SQL Server、IBM DB2和Informix等。

2．ArcIMS

ArcIMS是一个可伸缩的网络地图服务器软件。它被广泛地用于向大量的网络用户发布网络GIS地图、数据和元数据。

ArcIMS使网站能够提供GIS数据、交互式地图、元数据目录以及特定的GIS应用。通

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第1章 GIS基本原理与ArcGIS软件简介

常，ArcIMS用户通过他们的Web浏览器，借助ArcIMS内含的HTML或Java应用程序来访问这些GIS服务。此外，ArcIMS服务还能够被更多的客户端访问，如ArcGIS Desktop、ArcGIS Engine应用、ArcReader、ArcPad、ArcGIS Server节点、MapObjects for Java应用，以及各种使用HTTP和XML进行网络通信的无线设备。

当ArcIMS的客户端给服务器发送一个请求时，ArcIMS服务器根据请求进行处理并将处理结果发给客户端。通常的ArcIMS请求包括地图生成、提取特定范围的地理数据，或元数据搜索。ArcIMS提供一系列的GIS网络传输服务。最常见的ArcIMS服务是，给各种类型的客户端提供交互式的地图。

ArcIMS网络发布功能主要有：影像渲染、要素流功能、数据查询、数据提取、地理编码、元数据目录服务、元数据目录浏览和搜索应用、ArcMap Server、网络地图应用、可选ArcIMS扩展、Data Delivery扩展、GIS Portal扩展、Route Server等方面。

3．ArcGIS Server

ArcGIS Server是一个中心应用服务器，它包含一个可共享的GIS软件对象库，能在企业和Web计算框架中建立服务器端的GIS应用。ArcGIS Server提供给企业和网络应用开发者的是一个具有丰富GIS功能的服务器GIS产品。

ArcGIS Serve主要用来构建分布式的、多层的企业信息系统配置。它可以让开发者和系统设计员实现一个集中的GIS，支持多用户访问。集中的GIS应用（如Web应用）能够减少在每台机器上安装和管理桌面应用的费用。ArcGIS Server提供Web服务的能力，也使得GIS能够与其他的IT系统有效集成，如关系数据库、Web服务器及企业应用服务器。

1.3.4 移动GIS（Mobile GIS）

近年来，移动技术的发展使得GIS信息以数字地图格式存储在功能强大的移动计算机中，并被带到野外，这提供了野外环境下对企业级地理信息访问的手段。机构可以在企业级数据库和应用中加入实时（或接近实时）的信息，快速地分析、显示，并运用现时的精准数据进行决策。

在移动GIS方面，ArcGIS 9提供了实现简单GIS操作的ArcPad和实现高级GIS复杂操作的Mobile ArcGIS Desktop System。ArcPad工具如图1.12所示，其是ArcGIS实现简单的移动GIS和野外计算的解决方案；ArcGIS Desktop和ArcGIS Engine集中组建的Mobile ArcGIS Desktop Systems一般在高端平板电脑上执行，以执行GIS分析和决策分析的野外工作任务。

ArcPad通过手持和移动设备为野外用户提供数据访问、制图及GIS分析和GPS集成功能。使用ArcPad可以简单快速地采集数据，并在对数据的合法性与有用性进行及时的验证方面有显著的改进。ArcPad具有的潜在应用有很多，如野外数据采集、财产损失评估、动植物栖息地研究、野外军事作业、街道标志编目、人行道管理、电杆维护、仪表读数等各个方面。

图1.12 ArcPad

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ArcPad的常用功能主要有以下方面：

? 支持满足工业标准的矢量和栅格影像的显示。 ? 通过无线技术作为ArcIMS的客户端访问数据。

? 地图导航，包括平移和缩放，空间书签及定位到当前GPS位置等功能。 ? 查询要素，显示超链接，定位要素。 ? 地图测量：包括距离，面积和方位。

? 连接到GPS，并通过GPS导航。

? 简单的编辑：通过鼠标、笔或者GPS输入，创建和编辑空间数据。

? 移动的地理数据库编辑：通过ArcGIS从数据库中检出数据，并进行转换和投影；用ArcPad在野外进行编辑，并且把改变的数据提交给中心GIS数据库。 ? GIS野外工作自动化的应用开发。

ArcPad支持符合企业界标准的矢量地图（Shapefile）及栅格影像（MrSID影像格式）的显示，野外获取的数据能很容易地上传到办公室里的主数据库中。

ArcGIS桌面和ArcGIS Engine 也可以运行在便携式电脑或平板电脑上，用户可以在野外进行数据采集、分析和制定决策。

1.4 ArcGIS 9软件简介与软件安装

美国环境系统研究所（Environment System Research Institute，ESRI）从1978年以来，相继推出了多个版本系列的GIS软件，其产品不断更新扩展，构成适用各种用户和机型的系列产品。20世纪90年代以来ESRI在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表GIS最高技术水平的全系列ArcGIS产品。

在常见的GIS系统中，ESRI的ArcGIS以其强大的分析能力占据了大量市场，成为主流的GIS系统。ArcGIS 9由ESRI在2004年推出，是一个统一的地理信息系统平台。ArcGIS 9不仅是一个全面的GIS平台，而且还是一个可伸缩的GIS平台，为用户构建一个完善的GIS系统提供完整的解决方案。

1.4.1 ArcGIS 9软件特色

ArcGIS 9是ESRI发布的功能比较强大而又完善的版本。ArcGIS 9的一个主要目标是与现有的ArcGIS 8.3平台的功能及数据模型完全兼容，使得最终用户和开发商可以很方便地对系统进行升级，同时在软件稳定性、测试、空间数据库伸缩性和栅格处理的性能方面作了改进；提供强大的跨平台支持能力，包括Windows、UNIX和Linux平台，这为用户提供了更加灵活的配置选择。

1．制图编辑的高度一体化

在ArcGIS中，ArcMap提供了一体化的完整地图绘制、显示、编辑和输出的集成环境。相对于以往所有的GIS软件，ArcMap不仅可以按照要素属性编辑和表现图形，也可直接绘

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第1章 GIS基本原理与ArcGIS软件简介

制和生成要素数据；可以在数据视图按照特定的符号浏览地理要素，同时也可在版面视图生成打印输出地图；有全面的地图符号、线形、填充和字体库，支持多种输出格式；可自动生成坐标格网或经纬网，能够进行多种方式的地图标注，具有强大的制图编辑功能。

ArcGIS在前期ArcInfo版本的基础上，增强了提供给制图人员的工具，并且支持以前版本的所有功能。ArcMap在提供给制图人员生产高质量印刷地图的布局工具的同时，还提供了一个艺术化的地图编辑环境。具有强大功能和人性化特点，可以完成任意地图要素的绘制和编辑。

2．便捷的元数据管理

ArcGIS可以管理其支持的所有数据类型的元数据，可以建立自身支持的数据类型和元数据，也可以建立用户定义数据的元数据（如文本、CAD、脚本），并可以对元数据进行编辑和浏览。ArcGIS可以建立元数据的数据类型很多，包括ArcInfo Coverage、ESRI Shapefile、CAD图、影像、GRID、TIN、PC ARC\\INFO Coverage、ArcSDE、Personal ArcSDE、工作空间、文件夹、Maps、Layers、INFO表、DBASE表、工程和文本等。

ArcCatalog模块用来组织和管理所有的GIS信息，如地图、数据集、模型、元数据、服务等，支持多种常用的元数据，提供了元数据编辑器及用来浏览的特性页，元数据的存储采用了XML标准，对这些数据可以使用所有的管理操作（如复制、删除和重命名等）。ArcCatalog也支持多种特性页，它提供了查看XML的不同方法。在更高版本的ArcGIS中，ArcCatalog将提供更强大的元数据支持。

3．灵活的定制与开发

ArcGIS 9的Desktop部分通过一系列可视的GIS应用操作界面，满足了大多数终端用户的需求，同时，也为更高级的用户和开发人员提供了全面的客户化定制功能。

ArcMap提供了多个被添加到界面上的不同工具条来对数据进行编辑和操作，用户也可以创建添加自定义的工具。ArcCatalog和ArcMap的基础是Microsoft公司的组件对象模型（COM），所以可以说ArcGIS是完全COM化的，对于需要对ArcGIS进行结构定制和功能扩展的高级开发人员来说，这是非常有吸引力的。任何COM兼容的编程语言，如Visual C++、Delphi或者Visual J++都能用来定制和扩展ArcGIS。

ArcGIS还提供了工业标准的VBA（Visual Basic for Application），用于所有的脚本编程和定制工作。ArcMap和ArcCatalog这两个模块的VBA编辑器，可以让用户编写定制的脚本，并作为宏来运行和保存、添加到界面上的命令按钮里。

4．ArcGIS 9的新功能

与ArcGIS 8相比，ArcGIS 9最大的变化是增加了两个基于ArcObject的产品：面向开发的嵌入式ArcGIS Engine和面向企业用户基于服务器的ArcGIS Server。这两个产品都支持包括Windows、UNIX和Linux在内的跨平台技术。

3D Analyst是ArcGIS 8的扩展模块，主要提供空间数据的三维显示功能。在ArcGIS 9中，三维模块有很大进步，且在已有的3D Analyst的基础上第一次推出全球3D可视化功能，并将模块整合为新的桌面应用平台ArcGlobe。该平台具有与ArcScene相似的地图交互工具，可以与任何在三维地球表面有地理坐标的空间数据进行叠加显示。

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第1篇 ArcGIS数据创建与管理

ArcGIS 9特别增强了栅格数据的存储、管理、查询和可视化能力，可以管理上百个GB到TB数量级的栅格数据，允许其有属性，并可与矢量数据一起存储并成为空间数据库的一个重要组成部分。

ArcGIS 9还推出了一种标准、开放的空间数据库格式。它直接利用XML Schema形式，提供了对包括矢量、栅格、测量度量值和拓扑在内的所有空间数据类型的访问。在以前版本中，例如数据集合并等高级空间处理功能一般由ArcInfo Workstation或XML完成，现在这些功能都可以在ArcGIS 9桌面端实现。

1.4.2 ArcGIS 9软件安装

ArcGIS 9软件安装首先需要获得相关软件以及运行许可。下面详细介绍其安装步骤，假设把安装软件存放在E盘根目录下。

（1）获取ArcGIS 9软件安装包，运行“…\\ ARCGIS_9\\ARCINF9.0CD1”目录下面的starup.exe文件，弹出软件安装初始界面，如图1.13所示。

（2）安装License管理文件。在软件安装初始界面中选择Install ArcGIS License Manager选项，弹出License管理软件安装界面，如图1.14所示。

图1.13 ArcGIS 9软件安装初始界面图 图1.14 License管理软件安装对话框

（3）选择License文件。单击License管理软件安装界面中的Browse按钮，在弹出文件选择对话框中选择所购买的注册文件license.dat，然后单击“确定”按钮，关闭文件选择对话框，回到选择License文件对话框界面，如图1.15所示。

（4）单击Next按钮，出现如图1.16所示的License File Summary对话框，确认其中的License文件信息。

（5）单击Next按钮，弹出如图1.17所示的Installation Summary对话框。确认安装的总结信息后，单击Install按钮，弹出如图1.18所示Installing安装进度对话框。

（6）安装结束后会弹出Installation Complete对话框，如图1.19所示。在Installation Complete对话框中选择No,I will restart my computer later选项，弹出Notice对话框，如图1.20所示，单击OK按钮。最后单击Installation Complete对话框中的Finish按钮结束License的安装。

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