ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程（第二版）

定　　价：69 元

丛书名：地理信息系统理论与应用丛书

• 作者：汤国安，杨昕等编著
• 出版时间：2012/4/1
• ISBN：9787030338969
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：P208 
• 页码：579
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16开

内容简介

本书是作者在总结多年教学与科研工作经验，并分析总结了上一版教材的应用情况及ArcGIS 10软件新特点的基础上编写完成。书中主要介绍ArcGIS的应用基础、ArcGIS空间分析工具，以及地学分析实例。内容包括ArcGIS简介、ArcGIS应用基础、空间数据的采集与组织、空间数据的转换与处理、空间数据的可视化表达、GIS空间分析导论、矢量数据的空间分析、栅格数据的空间分析、三维分析、地统计分析、水文分析、空间分析建模，以及综合分析练习。此外，本书还配备具有典型性意义的实例分析及大量的随书练习资料，并在光盘中辅以相应数据，以便于参考练习。
本书强调科学性、系统性、实用性与易读性的结合，可作为高等院校地理信息系统、地理学、测绘学等相关专业学生的教材，也可作为科学研究、工程设计、规划管理等部门的科技人员的参考书。

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作者介绍

汤国安 1961年生，浙江宁波人，教授，博士生导师。1998年获奥地利萨尔茨堡大学地理信息系统专业博士学位。现任南京师范大学地理科学学院副院长。主要从事地理信息系统及数字地形分析等方面教学与研究工作。主持包括国家863重点项目，国家自然科学重点项目在内的多项科学研究项目；出版研究专著3部、教材9部，发表研究论文150余篇；曾获省部级科技进步奖（3项），国家教学成果二等奖及教育部“高等学校教学名师奖”。
杨昕 1976年生，陕西西安人，副教授。2007年获南京师范大学地图学与地理信息系统专业博士学位。现在南京师范大学地理科学学院任教。主要从事数字地形分析、GIS空间分析等方面的研究。主持包括国家自然科学基金，教育部博士点基金在内的多项科学研究项目；出版教材4部，发表研究论文30余篇；获省部级科技进步奖，江苏省优秀博士学位论文，江苏省精品教材、南京师范大学教学十佳等奖励。

文 摘

第1 章　导　　论
随着信息社会的到来， 人类社会进入了信息大爆炸的时代。面对海量信息， 人们对信息的要求发生了巨大变化， 对信息的广泛性、精确性、快速性及综合性要求越来越高。随着计算机技术的出现及其快速发展， 对空间位置信息和其他属性类信息进行统一管理的地理信息系统也随之快速发展起来， 在此基础上进行空间信息挖掘和知识发现是当前亟待解决的问题， 也是GIS 研究的热点和难点之一。地理信息系统空间分析也越来越凸显其重要作用。
1.1 　地理信息系统
1.1.1 　基本概念
地理信息系统（geographical information system ， GIS） 是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。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， 主要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。
1.1.2 　GIS 系统构成
一个完整的地理信息系统主要由四个部分构成， 即硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员。其中计算机硬件、软件系统是GIS 使用工具， 空间数据库反映了GIS 的地理内容， 而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表达方式。
1.硬件系统
计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理配置的总称， 可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置， 是GIS 的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系， 受硬件指标的支持或制约。GIS 由于其任务的复杂性和特殊性， 必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器等。这些硬件组件协同工作， 向计算机系统提供必要的信息， 使其完成任务， 也可以保存数据以备现在或将来使用， 或将处理得到的结果或信息提供给用户。
2.软件系统
GIS 运行所需的软件系统有三个。
1） 计算机系统软件
由计算机厂家提供的、为用户使用计算机提供方便的程序系统， 通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序， 以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS 日常工作所必需的软件。
2） 地理信息系统软件和其他支持软件
包括通用的GIS 软件包， 也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统、CAD 等， 用于支持对空间数据的输入、存储、转换、输出和与用户接口等操作。
3） 应用分析程序
系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定任务的程序， 是系统功能的扩展与延伸。在GIS 工具支持下， 应用程序的开发应是透明的和动态的， 与系统的物理存储结构无关， 并能随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题或区域数据， 构成GIS 的具体内容， 这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分， 也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序， 而应用程序的水平在很大程度上决定系统应用的优劣和成败。
3.系统开发、管理与使用人员
人是构成GIS 的重要因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期， 处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统， 还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新， 以及系统扩充完善、应用程序开发， 并灵活采用地理分析模型提取多种信息， 为研究和决策服务。地理信息系统专业人员是地理信息系统应用的关键， 而强有力的组织是系统运行的保障。
4.地理空间数据
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。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通信设备输入GIS ， 是系统程序作用的对象， 是GIS 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS ， 其地理空间数据的种类、精度均不相同， 包括以下三种信息。
1） 已知坐标系中的位置
已知坐标系中的位置即几何坐标， 标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置， 如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。
2） 实体间的空间关系
实体间的空间关系通常包括： 度量关系， 如两个地物之间的距离远近； 延伸关系（或方位关系） ， 定义了两个地物之间的方位； 拓扑关系， 定义了地物之间连通、邻接等关系， 是GIS 分析中最基本的关系， 其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系、边界线与面实体间的构成关系、面实体与岛或内部点的包含关系等。
3） 与几何位置无关的属性
与几何位置无关的属性即通常所说的非几何属性或简称属性， 是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量两种。定性包括名称、类型、特性等； 定量包括数量和等级。定性描述的属性如土壤种类、行政区划等； 定量描述的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几何属性一般是经过抽象的概念， 通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性， 而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过对属性的操作运算实现的。因此， 属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。
1.1.3 　GIS 功能与应用
地理信息系统要解决的核心问题包括位置、条件、变化趋势、模式和模型， 据此，可以把GIS 功能分为五个方面。
1.数据采集与输入
数据采集与输入， 即将系统外部原始数据传输到GIS 系统内部， 并将这些数据从外部格式转换到系统便于处理的内部格式的过程。多种形式和来源的信息要经过综合和一致化的处理过程。数据采集与输入要保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。一般而论， 地理信息系统数据库建设的投资占整个系统建设投资的70 % 以上， 并且这种比例在近期内不会有明显的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容， 自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。扫描技术的改进、扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信息系统数据获取研究的关键技术。
2.数据编辑与更新
数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、投影变换及误差校正等； 属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。数据更新则要求以新记录数据来替代数据库中相对应的原有数据项或记录。由于空间实体都处于发展进程中， 获取的数据只反映某一瞬时或一定时间范围内的特征。随着时间推移， 数据会随之改变， 数据更新可以满足动态分析之需。
3.数据存储与管理
数据存储与管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤， 涉及空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据分析的功能， 在地理数据组织与管理中， 最为关键的是如何将空间数据与属性数据融为一体。目前大多数系统都是将二者分开存储， 通过公共项（一般定义为地物标识码） 来连接。这种组织方式的缺点是数据的定义与数据操作相分离， 无法有效记录地物在时间域上的变化属性。
4.空间数据分析与处理
空间查询是地理信息系统， 以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能。而空间分析是地理信息系统的核心功能， 也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别。模型分析是在地理信息系统支持下， 分析和解决现实世界中与空间相关的问题， 它是地理信息系统应用深化的重要标志。
5.数据与图形的交互显示
地理信息系统为用户提供了许多表达地理数据的工具， 其形式既可以是计算机屏幕显示， 也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件， 可以通过人机交互方式来选择显示对象的形式。尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能， GIS 不仅可以输出全要素地图， 也可根据用户需要， 输出各种专题图、统计图等。
地理信息系统的大容量、高效率及与其结合的相关学科的推动使其运筹帷幄， 成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术支撑， 也成为与空间信息有关各行各业的基本分析工具。其强大的空间分析功能及发展潜力使得GIS 在测绘与地图制图、资源管理、城乡规划、灾害预测、土地调查与环境管理、国防、宏观决策等方面得到广泛、深入的应用。
地理信息系统以数字形式表示自然界， 具有完备的空间特性， 它可以存储和处理不同地理发展时期的大量地理数据， 具有极强的空间信息综合分析能力， 是地理分析的有力工具。地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务， 更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务。因此， 研究广泛适用于地理信息系统的地理分析模型， 是地理信息系统真正走向实用的关键。
1.1.4 　GIS 技术与发展
地理信息系统的发展已近40 年， 用户的需要、技术的进步、应用方法的提高及有关组织机构的建立等因素， 深深影响着地理信息系统的发展历程。
20 世纪60 年代初期， 地理信息系统处于萌芽和开拓期， 注重空间数据的地学处理。该时期GIS 发展的动力来自于新技术的应用、大量空间数据处理的生产需求等方面， 专家兴趣与政府推动也起到积极的引导作用。进入70 年代， 地理信息系统进入巩固发展期， 注重空间地理信息的管理。资源开发、利用乃至环境保护问题成为首要解决之疑难， 需要有效地分析、处理空间信息。随着计算机技术的迅速发展， 数据处理速度加快， 为地理信息系统软件的实现提供了必要条件和保障。80 年代是地理信息系统的大发展时期， 注重空间决策支持分析。地理信息系统应用领域迅速扩大， 涉及许多的学科和领域， 此时地理信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场。90 年代是地理信息系统的用户化时期， 地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统， 社会对地理信息系统的认识普遍提高， 需求大幅度增加， 从而使得地理信息系统应用领域扩大化、深入化， 地理信息系统向现代社会最基本的服务系统发展。
进入21 世纪， GIS 应用向更深的层次发展， 展现新的发展趋势。
1.网络GIS （Web-GIS）
网络地理信息系统（Web-GIS） 指基于Internet 平台、客户端应用软件采用网络协议、运行在Internet 上的地理信息系统。一般由多主机、多数据库和多个客户端以分布式模式连接在Internet 上而组成， 包括以下四个部分： Web-GIS 浏览器（ browser） 、Web-GIS 服务器、Web-GIS 编辑器（ editor） 、Web-GIS 信息代理（ informationagent） 。Web-GIS 开拓了地理信息资源利用的新领域， 为GIS 信息的高度社会化共享提供了可能， 是传统GIS 发展的新机遇。
2.组件式GIS （Com-GIS）
组件式GIS 是GIS 技术与组件技术结合的产物。其基本思想是： 把GIS 的各种功能模块进行分类， 划分为不同类型的控件， 每个控件完成各自相应的功能。各个控件之间， 以及GIS 控件与其他非GIS 控件之间， 通过可视化的软件开发工具集成， 形成满足用户特定功能需求的GIS 应用系统。长期以来， 由于GIS 开发周期长、难度大， 在一定程度上制约了GIS 的发展。组件式GIS 的出现为新一代GIS 应用提供新的工具，具有集成灵活、成本低、开发便捷、使用方便、易于推广、可视化界面等优点， 一般有基础组件、高级通用组件、行业性组件三级结构。
3.虚拟现实GIS （VR GIS）
虚拟现实GIS （virtual reality GIS ， VR GIS） 在20 世纪90 年代开始出现， 是一种专门用于研究地球科学， 或以地球系统为对象的虚拟现实技术， 是虚拟现实与地理信息系统相结合的产物。近年来， VR GIS 甚至融入到Web-GIS 和Com-GIS 之中。理想的VR GIS 应具有四种特征。
（1） 对现实的地理区域非常真实的表达。
（2） 用户在所选择的地理带（地理范围） 内外自由移动。
（3） 三维（立体） 数据库的标准GIS 功能（查询、选择、空间分析等） 。
（4） 可视化功能必须是用户接口的自然整体部分。
VR GIS 的特点表现在以下几个方面： 区域表达的真实性； 空间、时间维的漫游、查询； 用户和系统之间的交互作用； 海量丰富的信息等。
4.时态GIS （TGIS）
时态GIS 是相对于静态GIS 而言的。现实中地理环境、事物和现象是不断发展变化的， 但静态GIS 仅对其进行“快照” 式表达， 只关心某一瞬间的地理现象， 对其前后的数据不保留， 也没有比较分析。而时态GIS 将时间概念引入到GIS 中， 跟踪和分析空间数据随时间的变化， 不仅描述系统在某时刻的状态， 而且描述系统沿时间变化之过程， 预测未来时刻将会呈现的状态， 以获得系统变化的趋势。
5.互操作GIS
目前GIS 系统大多基于具体的、相互独立的和封闭的平台开发， 采用各自不同的空间数据格式， 数据组织方式有很大差异， 这使得不同GIS 软件间交换数据很困难。为满足地理数据的共享和继承、地理操作的分布与共享等需求， 互操作GIS 被提上议事日程， 这是一个新的GIS 集成平台， 实现了在异构环境下多个地理信息系统或其应用系统之间的互相通信和协作。
6.3S 集成
虽然GIS 在其理论和应用技术上有很大发展， 但靠传统GIS 的使用却不能满足目前社会对信息快速、准确更新之要求。与GIS 独立、平行发展的全球定位系统（GPS）和遥感（RS） 则为GIS 适应社会发展的需求提供了可能性。目前， 国际上3S 的研究和应用开始向集成化方向发展。这种集成应用中， GPS 主要用于实时、快速地提供目标的空间位置； RS 用于实时提供目标及其环境的信息、发现地球表面的各种变化， 及时对GIS 数据进行更新； GIS 则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理和动态存取， 作为新的集成系统的基础平台， 并为智能化数据采集提供地学知识。
1.2 　GIS 空间分析
对地观测和计算机技术的发展大大加强了人们对空间信息的分析和处理能力。人们渴望利用这些空间信息来认识和把握地球和社会的空间运动规律， 进行虚拟、科学预测和调控， 迫切需要建立空间信息分析的理论和方法体系。地理信息系统自出现后， 吸取了所有能够利用的空间分析的理论和方法， 并将它们植入到GIS 系统中去。在GIS 系统支持下， 空间分析顺利得以实现并得到进一步飞跃； GIS 也因为有了空间分析这一强有力的理论支持而获得更强大的生命力和更广阔的发展空间。空间分析已被认为是地理信息系统中最核心、最重要的理论之一， 也是GIS 系统区别于其他计算机辅助设计系统的关键所在。
1.2.1 　空间分析
现代空间分析概念的提出， 起源于20 世纪60 年代地理和区域科学的计量革命。在起步阶段， 主要是将统计分析的定量手段用于分析点、线、面的空间分布模式。在60