空间数据库建库实验指导书.doc

空间数据库建库
实验指导书

成都信息工程学院环境工程系本科用

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目录

实验一 林相图空间参考 1
实验二 等高线数字化及数字高程的建立 7
实验三 投影转换 14
实验四 GEODATABASE的创建 18
实验五 空间数据库建库综合实验 24
附1 空间数据库建库实验报告 25
附2 空间数据库建库综合实验样例 26

实验一 林相图空间参考
一、实验目的
通过本练习，应该掌握：
1. 加深对地理参考、几何校正、多项式校正数据内插等相关概念的理解；
2. 熟练掌握利用ArcGIS进行地理参考的技术路线和方法。
二、软件准备
ArcGIS
三、数据准备
data\栅格专题图\地形图.tif；data\shapefile\省级行政区.shp
四、实验学时
2学时
五、实验要求
依据地形图.tif上的方里网，完成地形图的地理参考。要求地理参考后与data\shapefile\省级行政区.shp在ArcMap中正确叠加。

四、实验基础知识
1、地理参考
地理参考:将图像数据嵌入到一个空间参照系中的过程。空间参照系可以是地理坐标系统，也可以是投影坐标系统。

思考：地理参考与投影转换的区别？
2、我国标准地形图的空间坐标系统
我国1：50万到1：1万国家系列比例尺地形图均采用高斯投影（Transverse Mercator），其中1：50万到1：2.5万地形图采用高斯6度带投影，1：1万地形图采用3度带投影。
高斯投影的投影参数为：
（1）中央经线（longitude of central meridian ）：
6°分带：每带跨越经度6°， 东西经1带的范围为（0 °，6°] ，其余类推。中央经线依次为：3° 、9° …
3°分带：每带跨越经度3° ，本初子午线为0带中央经线，第1带中央经线为3 °，范围为1 °30‘到4 °30’，依次类推。
（2）中央经线上的比例尺（scale factor at central meridian）；使用数字1
（3）中央纬线（latitude of origin）：0 °
（4）西偏（false easting） ：500000米
（5）北偏（ false northing ）；0米
3、从扫描的栅格地形图上查阅地形图的基本参数
实验所用的数据是整幅地形图的一部分，该图的左上图阔、右上图阔和比例尺标记如下面三个截图所示：

4、地理参考的方法
地理参考的数学模型为：

转换公式中包含大量的待定系数，这些系数依靠既知扫描坐标和参考坐标的若干控制点求得。
地理参考两种情况：1）扫描图像上具有地理参考信息；2）同区域的已地理参考的空间数据（矢量或栅格）。本实验属于第一种情况。地形图上控制点依据方里网交叉点，坐标值如下图示意：

4、使用ArcGIS完成地理参考
在ArcMap中导入地形图.gif，并在工具区空白处右键，将Georeferencing工具条打勾：

Georeferencing工具条如下图所示：

Layer表示需要做地理参考的原始栅格数据；用于增加控制点；用于显示控制点表；Georeferencing下拉菜单中Recitfy用于依据控制点完成地理参考，也称图像校正。
Transformation菜单用于设置多项式几何校正的次数。ArcGIS支持最高的校正次数为3次。设校正次数为n，则至少需要的控制点为(n+1)*(n+2)/2+1。
地理参考依据的是ArcMap的显示坐标系统，请先正确设置ArcMap的显示坐标系统：

使用在方里网交叉点左键精度单击（可通过图像放大提高定位的精度），右键弹出的菜单中执行Input X and Y完成控制点参数的输入：

增加控制点后，可使用查看校正误差，下图中Residual为误差值，单位为像素。

地理参考时的注意事项：
1）多项式次数:依图像确定
2）控制点位置:精确
3）最少控制点：(n+1)(N+2)/2+1，最少<>最好
4）分布均匀，变形大的地方多选控制点
5）保存控制点:View Link Table -Save
6）ArcGIS中只支持将参考后的栅格数据以栅格数据集的形式存储于Geodatabase中。请事先在某目录下创建一个File Geodatabase，稍候将该栅格数据集保存于此。
点击Rectify后，在弹出对话框中确定新栅格的像元尺寸CellSize；图像重采样方法（Resample Type）(支持最邻近、双线性内插和三次卷积)、保存的位置、栅格数据集名称等。

7）地理参考依据的是ArcMap的显示坐标系统

扩展实验（学有余力的学生完成）
参照教案，对实验数据data\shapefile\chengdu.shp依据data\栅格专题图\含地理坐标的成都市.tif进行地理参考，要求实验结果chengdu.shp的空间调整可以正确叠加在含地理坐标的成都市.tif或其他具有空间坐标的图层上。

实验二 等高线数字化及数字高程的建立
一、实验目的
通过本练习，应该掌握：
1. 掌握数字化的相关技术；
2. 熟练掌握利用ArcGIS建立数字高程模型的方法。
二、软件准备
ArcGIS
三、数据准备
data\栅格专题图\地形图gcp.tif
四、实验学时
2学时
五、实验要求
依据地形图gcp.tif,选择其中一个方里网，数字化计曲线（粗的等高线），并输入高程；然后转换为格网DEM和TIN。

原始图像

数字化的矢量等高线

ArcScene中显示GRID格式的DEM

ArcScene中显示TIN
四、实验基础知识
1、等高线矢量化
等高线数字化流程为：
A、 创建等高线矢量数据（Shapefile或Geodatabase Feature Class）
创建等高线矢量数据既可在ArcCatalog中实现；也可在ArcMap中内嵌的Catalog中实现；还可以通过在ArcMap中绘制图形，直接转换为矢量数据。
a、在ArcCatalog创建

ArcCatalog中创建Shapefile

ArcCatalog中创建线状Shapefile
在创建Shapefile时，务必设置其空间坐标系。如下图，在ArcCatalog中可以使用Select选择一个预定义坐标系统；可使用Import将具有空间坐标系的其他图层的坐标系统定义导入给新的Shapefile；还可以使用New新建坐标系统。

b、ArcMap中创建Shapefile
ArcMap中使用绘图工具栏绘制线：

然后执行Convert Graphics To Features将图形转换为Shapefile：

注意，在ArcMap中设置新Shapfile的空间坐标系有两种方式：一是显示坐标系统；二是ArcMap已经导入的其他图层：

B、 建立高程字段，字段类型必须为数字型
高程字段既可在ArcCatalog中完成，也可在ArcMap中完成。在ArcMap中，打开属性表，执行Add Field。在增加字段之前，必须要停止编辑。
a、在ArcCatalog创建
在ArcCatalog中，右键图层——属性（Properties），在属性对话框的Fields选项卡中可输入新字段，如下图所示：

b、在ArcMap创建
首先图层右键，执行Open Attribute Table:

打开图层属性表

增加字段菜单
注意：Add Field菜单必须在停止编辑时才可用。
C、利用ArcMap的Editor以地形图gcp.tif为底图，完成数字化输入和高程赋值；
在ArcMap中，首先加载Editor工具条。执行Editor——Start Editing:

然后使用Line工具绘制线。

2、数字高程模型的建立
A、从等高线转换为格网DEM
使用Topo to Raster工具，如下图所示。添加数字化后的矢量等高线，设置Field为你建的高程字段；设置适当的输出像元尺寸（Output Cell Size），确定保存的GRID路径。

C、 从格网DEM转换为TIN
使用Raster To Tin工具，如下图所示。设置输入的栅格数据和保存的新TIN路径。

3、ArcScene中显示三维效果
启动ArcScene，添加格网DEM，设置基础高程依据图层本身，如下图所示：

对于TIN数据，直接添加到ArcScene即可。

扩展实验（学有余力的学生完成）
参照教案，任选data\ Lidar\下一个LAS文件，生成DEM，并计算出森林冠层密度。（提示，需要利用LIDAR数据依据高层植被生成一个数字表面，然后使用它减去DEM）。

实验三 投影转换
一、实验目的
通过本练习，应该掌握：
1. 理解投影定义、投影转换的概念及其区别；
2. 熟练掌握利用ArcGIS定义投影和投影转换的方法。
二、软件准备
ArcGIS
三、数据准备
data\shapefile\省级行政区.shp；data\shapefile\省会.shp；data\表格数据\山南地区乡政府.txt。
四、实验学时
2学时
五、实验要求
1）将省级行政区.shp、省会.shp和山南地区乡政府.txt三层数据在ArcMap中正确叠加显示，如下图所示：

2）完成省级行政区.shp投影转换，将其转换为Albers投影。投影参数如下：
1st standard parallel [0 0 0.00]: 25 0 0
2st standard parallel [0 0 0.00]: 47 0 0
central meridian [0 0 0.00]: 105 0 0
latitude of projection’s origin [0 0 0.00]: 0 0 0
false easting(meters): 0
false northing(meters): 0
四、实验基础知识
1、两种坐标系统
显示坐标系统：Layers的坐标系统
文件坐标系统：Layer的坐标系统
A、显示坐标系统
Layers的坐标系统。在ArcMap的Layers右键属性，在Coordinate System选项卡中可查看和更改。

显示坐标系统是地图显示时的坐标系统。地图由多个图层组成，这些图层即使是同一个区域的空间数据，也可能具有不同的文件坐标系统。通过使用统一的显示坐标系统，可将同区域的空间数据无缝地叠加显示。
B、文件坐标系统：图层本身存储的坐标系统。通过图层---右键---Properties---Source选项卡中查看。

GIS空间数据的坐标值通过文件方式存储。坐标值需要使用投影文件进行定义，才能与实际地面关联起来。对坐标值进行定义的投影文件反应的是该图层的文件坐标系统。空间数据的坐标值不可能丢失，除非将空间对象删除；但投影文件可能丢失。当对坐标值定义的坐标系统描述丢失后，坐标值就失去了与实地地面关联的信息。
2、ArcGIS显示空间数据的机制
Layers显示坐标系统默认依据第一个导入的图层的文件坐标系统，也可修改。
如果图层有坐标系统定义，图层自动转换文件坐标系统到显示坐标系统下显示。
3、常见的空间坐标系统

A、地理坐标系统
GCS_WGS_1984：Select-GCS-World
GCS_Xian_1980 ：Select-GCS-Asia
GCS_Beijing_1954 ：Select-GCS-Asia
B、投影坐标系统
Gauss Kruger Beijing 1954:Select-PCS-Gauss Kruger
Gauss Kruger Xian_1980:Select-PCS-Gauss Kruger
World_Mercator(等角正切圆柱):Select-PCS-World
WGS_1984_Web_Mercator:Select-PCS-World
Albers(正等积割圆锥):New-Albers
Lambert(正等角割圆锥):New-Lambert_Conformal_Conic
3、投影定义
为空间数据设置投影信息的过程。
方案1：ArcToolBox:Data Management Tools-Define Projection
方案2：ArcCatalog:Layer Properties
4、投影转换
将具有空间坐标系统的空间数据转换为另一个空间坐标系统，生成新的空间数据的过程。新空间数据以投影转换定义的目标坐标系统为文件坐标系统。由于文件坐标系统的转换，空间数据的坐标值被修改为新坐标系统的坐标值。
使用Project工具对矢量数据投影转换；使用Project Raster对栅格数据投影转换。

5、显示TXT文件
使用ArcMap的File——Add Data——Add XY Data实现，注意选择X、Y坐标字段。

6、Alber投影参数
由于我国位于中纬度地区,中国地图和分省地图经常采用割圆锥投影(Albers 投影),中央经线105度、第一条纬线25度、第二条47度。

常用的Albers投影参数如下：
1st standard parallel [0 0 0.00]: 25 0 0
2st standard parallel [0 0 0.00]: 47 0 0
central meridian [0 0 0.00]: 105 0 0
latitude of projection’s origin [0 0 0.00]: 0 0 0
false easting(meters): 0
false northing(meters): 0

实验四 Geodatabase的创建
一、实验目的
通过本练习，应该掌握：
1. Geodatabase的属性域、关系类、拓扑关系、子类型等相关概念；
2. 掌握属性域、关系类等的创建方法；
3. 掌握子类型建立及其子类型的属性域关联方法
二、软件准备
ArcGIS
三、数据准备
data\shapefile\forest.shp；data\表格数据\小班卡片.dbf。
四、实验学时
2学时
五、实验要求
1）创建一个File Geodatabase；
2）创建一个要素数据集，设置空间坐标系统；
3）导入forest.shp到要素数据集中，设名称为forest；
4）导入小班卡片.dbf至File Geodatabase中，设名称为小班卡片；
5）为forest.shp和小班卡片.dbf创建唯一吗；
6）创建forest和小班卡片的关系类；
7）依据forest的quhua（区划）字段建立子类型：
0—未知
1—禁伐
2—商用
3—限伐
8）依据quhua字段创建属性域，类型为Code Values

9）依据REALA（真实面积）字段建立属性域，类型为Range，最小值为10，最大值为10000。将该属性域与禁伐子类关联，即要求禁伐林面积不能小于10。
10）在ArcMap中对上规则进行合法验证。
四、实验基础知识
1、建立地理数据库
Geodatabase采用面向对象的技术管理地理空间数据。最早的Geodatabase为Personal Geodatabase，依托于Microsoft Access构建，空间数据存储大小受到限制，最大的存储容量为2G，不能在Personal Geodatabase中创建栅格数据集和网络数据集。
在ArcGIS 9.X之后，ESRI推出了File Geodatabase。该数据库由ESRI自行研发，空间数据存储量可达TB级，支持栅格数据集和网络数据集的创建。
ArcSDE为空间数据引擎，允许通过ArcSDE将空间数据存储于传统的关系型数据库管理系统如SQL Server、Oracle、DB2、Infomix等。ArcSDE中也采用Geodatabase方式管理空间数据，称为ArcSDE Geodatabase。

2、建立要素数据集
要素数据集是共享一个空间坐标系统的要素类的集合。
在创建要素数据集时，务必设置该数据集的空间坐标系统。
思考：两个同区域要素类导入前能在ArcMap正确叠放显示，导入到要素数据集后两新要素类却不能在ArcMap叠放，可能原因？

3、导入要素类
要素类是具有相同几何类型的要素的集合。
ArcCatalog具有两种方法创建要素类：
A、新建一要素类：右键要素数据集——New——Feature Class
B、转换已有的Feature Class：右键要素数据集——Import——Feature Class
4、属性域
属性域是Geodatabase种定义字段取值范围的要素。
在ArcCatalog中，数据库顶部定制属性域，然后在字段中使用。

属性域分为Code Values和Range两种类型。Code Values用于定义枚举值类表，被赋予Code Values属性域的字段在ArcMap中编辑时用户只能从下拉列表中选择；Range用于定义数值型字段的取值范围，被赋予Range属性域的字段可在ArcMap中进行合法验证。
属性域的字段类型必须要与关联的字段的类型一致。在ArcGIS中，同类型的属性域才能与相应的字段关联。

创建属性域后，右键要素类——Properties——Fields选项卡——选中要关联的字段——设置Domain为对应属性域，如下图所示：

5、子类型
要素类内部按一个Short或Long Integer字段划分次一级的组，每个组为一个子类。每个子类可定制自身的规则和行为，如小班根据区划类型分为4组，可设置禁伐林最小面积等。
在ArcCatalog中，图层右键——属性，弹出属性对话框，切换至SubTypes选项卡，可设施子类型依据的字段及其SubTypes列表，如下对话框所示：

上对话框中，Code列的取值对应于子类型字段的取值。
6、子类型的属性域（以禁伐林面积不能小于10为例）
新建属性域：

设置子类禁伐属性域：在ArcCatalog中，图层右键——属性，弹出属性对话框，切换至SubTypes选项卡，选中REALA字段，设置属性域，如下图所示：

合法性验证：
ArcMap导入Forest——Start Editing,全选Forest所有要素,Editor工具条——Validate Features
7、创建唯一码
通过ArcMap的字段计算功能创建唯一码。如创建forest的唯一码，首先创建长度为11的字符串型字段【XiaoBID】，选择该字段，通过Field Calculator输出如下公式完成计算：
CStr（[lcdm]*10^9+[zyqdm]*10 ^5 +[linbh]*10 ^3+[xiaobh] ）

8、关系类
要素类或表格对象类之间通过公共字段建立起来的关系。
简单关系类：生命周期独立，如地块与拥有者
复合关系类：生命周期一致，如道路与路灯
按PPT的提示可建立forest和小班卡片的关系类。但需要创建forest和小班卡片的唯一码。

实验五 空间数据库建库综合实验
在前面的基础知识掌握的基础上，你们已经有了构建一个地理信息系统的大体思路，并能使用相关技术解决实际建库过程中系列问题。因此，本部分是由学生自行设计题目，让学生分组（每组最多4人）完成空间数据库设计和数据采集过程。

课程设计内容（6学时）

参考题目1：根据教案文件夹下的成都.bmp或从网上下载某城市的专题图，构建一个面向某领域应用的简单数据库。需要其他数据，可在网上查找。
参考题目2：网上下载中国交通专题地图，构建一个面向交通主题应用的简单数据库。
参考题目3：建立三维数字化校园
课程设计的结果提交数据库设计报告和已完成的数据库。

附1 空间数据库建库实验报告
空间数据库建库实验报告
实验题目：

班级 姓名 学号 日期

一、 实验目的

二、实验准备
软件准备：
数据准备：

三、实验步骤

四、结果分析

附2 空间数据库建库综合实验样例
空间数据库建库实验报告

班 级：
实验人员名单及学号：
人员
学号
人员
学号

日 期：

一、设计题目：交通信息系统的构建
二．实验目的：通过建立空间数据库，掌握建库流程，学会如何转换地图的投影坐标，怎样为一幅地图创建坐标。如何建立属性信息。
三、需求分析
请描述………
四、功能分析和数据组织
根据系统要实现的功能，采集的数据应包括：…………..
四、数据库建设流程
4.1软硬件配置
4.1.1软件：专业软件
系统软件
4.1.2硬件：奔腾系列微机
4.2 数据采集流程
按照功能设计、数据组织，因此数据采集的流程为： ………………
五、数据库应用案例
5.1.查询
5.1.1从图到属性的查询
提示：在ArcMap中点击，然后在对应空间数据上点击，即可弹出相应的属性值列表，请举例并给出演示的图:
5.1.2从属性到图的查询
1.在Arcmap中打开select by Location
2在ArcMap打开属性表，然后选中记录，空间数据也相应选中，从而实现从属性到图的查询，请举例并给出相应图；
其他应用………