GIS原理实习一操作指南.doc

GIS软件应用-ArcGIS

实验一、使用 ArcMap浏览地理数据
一、实验目的
1. 了解地理数据是如何进行组织及基于“图层”进行显示的。
2. 认识ArcMap 图形用户界面。
3. 通过浏览与地理要素关联的数据表，你可以了解地理数据是如何与其属性信息进行连接的。
4. 掌握GIS两中基本查询操作，加深对其实现原理的理解。
5. 初步了解设置图层显示方式－图例的使用。
二、实验准备
软件准备：确保你的计算机中已经正确安装了ArcGIS Desktop 9.x软件(ArcView , ArcEditor , 或 ArcInfo )如果不确定, 请与你的指导老师协商。
实验数据――Redlands市土地利用及街区矢量数据，下载地址：http://www.geo- （Ex1.rar）
预备知识：
l 理解GIS的三种角度
1． GIS就是空间数据库：GIS 是一个包含了用于表达通用 GIS 数据模型（要素、栅 格、拓扑、网络等等）的数据集的空间数据库。
2． GIS就是地图：从空间可视化的角度看：GIS 是一套智能地图，同时也是用于显示地表上的要素和 要素间关系的视图。底层的地理信息可以用各种地图的方式进行表达，而这些表现方式可以 被构建成“数据库的窗口”，来支持查询、分析和信息编辑。
3．GIS是空间数据处理分析工具集： 从空间处理的角度看，GIS 是一套用来从现有的数据集获取新数据集的信息转换工 具。这些空间处理功能从已有数据集提取信息，然后进行分析，最终将结果导入到数据集中。
这三种观点在 ESRI ArcGIS Desktop 中分别用 ArcCatalog（GIS 是一套地理数据集的观点）、 ArcMap（GIS 是一幅智能的地图）和 ArcToolbox（GIS 是一套空间处理工具）来表达。这 三部分是组成一个完整 GIS 的关键内容，并被用于所有 GIS 应用中的各个层面。
ArcMap 是 ArcGIS Desktop 中一个主要的应用程序，具有基于地图的所有功能，包括制 图、地图分析和编辑。
主要原理：查询数据
(两种最基本的查询)
根据位置查询要素属性或通过属性来查询要素的功能是每个桌面 GIS软件必须提供的功能。查询，通常是通过语句或表达式来定义的，用以在从地图上及数据库中选择要素。
最普通的GIS查询就是确定在指定的位置有什么。在这类查询中，用户知道他感兴趣的要素的位置，但是想进一步了解与之相关的特征。在GIS中，这是很容易实现的，因为地图显示区中的地理要素与它们的属性是(描述性的特征)相互关联的，属性信息是存储在数据库中的。

在GIS中，你可以在地图上点击一个要素来查看数据库中与之相关联的属性。

另一类型的GIS 查询是确定符合给定条件的要素它的位置在哪里。 在这种情况下，用户知道要素的重要特征，他想要找出具有这些特征的那些要素的具体位置。.

假定你想查找人口数大于2000万的内陆国家。你应该使用这个限定条件创建一个查询表达式。 一旦GIS找到符合查询限定条件的要素，将会在地图上高亮显示这些要素。

三、实验步骤及方法
第1步 启动 ArcMap
启动ArcMap。. 执行菜单命令：开始>>所有程序>> ArcGIS>> ArcMap

当出现 ArcMap 对话框时, 点击 "一个新的空地图" 单选按钮，然后点击 OK. 确定。
你现在将可以看到ArcMap 的操作界面

如果你的ArcMap 界面与上面的图看起来不一样，也不用在意，这不会对练习的结果产生影响。
当你在ArcMap中进行各种操作时，你的操作对象是一个地图文档。 一个地图文档可以包含多个数据框架，根据数据集依次形成数据框架。一个地图文档是存储在扩展名为.mxd 文件中。
第2步 检查要素图层
执行菜单命令 File>>Open.
浏览到包含有你下载的练习数据的文件夹 (比如： D:\ArcgisEx\Ex1) 然后点击 Redlands.mxd.

点击 Open 按钮。
打开地图文档 Redlands 后, 你会看到加州Redlands市的地图。地图显示以图层表示的几种地理要素。 一个图层表示某种专题信息。
在ArcMap窗口的左边区域称为图层控制面板（TOC），它显示的是图层列表。窗口的右边区域显示的是图层控制面板中各图层的图形内容。
例如, 所有油炸圈饼店是点要素(以房屋符号表示) 且被组合成名为Donut Shops图层。名为Land use的图层表示Redlands市土地利用现状，在这个图层中，根据多边形的地类将其组合成不同类型的土地利用多边形。

第3步 显示其它图层
 在地图中显示其它图层，铁路、街道、及ESRI的位置。
选中Railroads图层旁边的检查框. Redlands市的铁路就会显示在图中。.
现在，选中Streets 旁边的检查框就可以显示Redlands 市的街道。

注意：图层ESRI没有被显示。稍后，你将学习如何显示它。

第4步 查询地理要素
  在ArcMap中，通过在地图显示区点击某个要素你就可以查询其属性，了解它是什么东西。
首先，你应放大地图，这样你更清楚地查看单个的要素。 你可以使用一个先前创建的书签，这个书签存储着包含ESRI和附近街道的地理区域。
执行菜单命令 “视图”(View)>>“书签”( Bookmarks)>>“ESRI”
当前显示区就被调整到书签ESRI所定义的区域。注意到，现在所有街道根据其名称显示了标注信息，你可以很容易找到ESRI所处的位置。地图文档的创建已决定了街道及ESRI的标注信息只在某个特定的比例尺范围才显示出来，在这个比例尺下它们可以很容易地找到。

在“工具”(Tools)工具栏上，点击查询按钮。 如果看不到“工具”(Tools)工具栏，在菜单“帮助”(Help)的右边的菜单栏上点击右键，然后点击“工具”（Tools）选项。
在表示纽约街道（名为New York）的线要素上点击(就在街道名左边的红色线段)。
查询结果窗口打开并显示数据库中名为New York的街道的所有属性。你可能需要将查询结果窗口放大，才能看到所有的属性。

你可以 "闪烁显示" 被查询的要素以观察它在地图中所处的区域。
为方便查看，将查询结果窗口移到不碍眼的位置，这样你可以同时看到这个要素在地图上的位置。 查询结果窗口的左边，点击 New York (街道的名称) ，这时，可以观察到这个要素在地图中“闪现”。
从“图层”下拉列表框中选择“所有图层”，然后在在图上再次点击代表“New York”的那条街道。
查询结果窗口现在包含了“Land use”图层中与选中的街道相交的地块 。
在查询结果窗口的左边区域，点Land use左边的加号 (+), 然后点击第一个要素(可能会列出不只一个要素)。这样，选定地块的所有属性都会显示出来。

通过在显示区内点击，可以继续查询其它的要素。.
点击“查询结果窗口”右上角的"X" 结束查询。

第5步 检查其它属性信息
 在你浏览显示在图层列表（TOC）中某些图层的属性信息之前，你要重置ArcMap地图文档的显示区域为原来的显示区域。地图显示区域可以通过地图书签来定义。地图书签是为了防止地图显示变得混乱，可以通过书签恢复到原来的显示区域和显示风格。执行菜单命令“视图”>>“书签”>>“Original” 。
地图显示区将显示这些图层：Donut Shops, Railroads, Streets, 及 Land Use.

在图层列表（TOC）中，选中Railroads然后点击右键执行“打开属性表”命令。

这时会显示与“Railroads” 图层相关的属性表窗口。这个表中的每一行是一个记录，每个记录表示“Railroads”图层中的一个要素。.
请注意：图层中要素的数目也就是数据表中记录的个数被显示在属性表窗口的底部，在这个例子中，有11个记录，其中有一个记录被选中。稍后，你将了解如何选中记录。向右拖动滚动条查看其它的属性。
完成后，请关闭属性表窗口。
同样的方法，查看图层－ Donut Shops的属性表。

关闭属性表.
最后，打开图层－Land Use 的属性表。注意到每个要素 (记录) 有一个属性(字段)－LU_ABV ，它是记录的是地类代码(土地类型的缩写) 。在地图中，就是根据这个属性字段的值来确定每个地块的渲染方式的。

完成后关闭属性表。 

第6步 设置并显示地图提示信息
地图提示以文本方式显示某个要素的某一属性，当你保持将鼠标放在某个要素之上时，将会显示地图提示。使用地图提示是获取指定要素属性信息比较简单的一种方式。
将鼠标指针停留在代表圈饼点位置的一个符号的中心位置，可以显示圈饼点的名称。

你可以在图层属性对话框中设置，地图提示信息来自于数据表中的哪一个字段。
在图层列表中(TOC), 右键点击图层－ Donut Shops 的名字，然后点击“属性”命令。在出现的属性对话框中，点击“字段”选项页。通过设置主显示字段来设定地图提示信息的对应字段。你可以指定任一个属性字段作为地图提示字段。默认情况下，ArcGIS使用字段“Name”作为地图提示字段。你可以改变为其它的字段。
在主显示字段下拉列表框中，选中字段：Address.。

点击OK 按钮关闭图层属性对话框。将鼠标保持在图层－ Donut Shops 中的任意一个要素之上。这个要素的“Address”就为作为地图提示信息显示出来。

第7步 根据要素属性设置图层渲染样式
 现在，图层－Streets 是以单一符号进行渲染，每个要素都是同一种符号。你可以根据要素的属性来设置不同的渲染方式。
首先，在图层列表(TOC)中反选Land use 边上的检查框（将√去掉），从而关闭图层Land Use 的显示。 然后右键点击图层－Streets，点“属性”菜单命令。在出现的图层属性对话框中，点击“符号”选项页。

在对话框的左边区域，有地图渲染方式列表。 点击“类别”，依次点击“唯一值”。在“值字段”下的下拉列表中，选择字段“CLASS”。

点击按钮“添加全部值”。

点击按钮“应用”(Apply)，先不要击点“确定”，移动图层属性对话框到不碍眼的位置，这样你就可以看到地图的显示发生了变化。现在，图层－streets 就以会根据属性字段－ CLASS的取值不同而采用不同的符号表示。

在图层属性对话框中的渲染方式列表中，点“要素”，然后点“确定”按钮，恢复原先的渲染方式和显示风格。
第8步 根据属性选择要素
  有时，你可能需要显示满足特定条件的哪些要素。在这一步中，你将要选择及定位第10号州际公路。
在图层列表(TOC)中，反选图层――Railroads 边上的检查框，关闭这个图层。因为下面的操作不需要显示这个图层。
执行菜单命令<选择>－> <通过属性选择>。
在属性选择对话框中，你可以构造一个查询条件。通过构造表达式：Select * From Street WHERE ”STR_NAME”=”I 10” , 可以从数据库中找出第10号州际公路。选中的要素将会在属性表及地图中高亮显示。.
具体操作如下：
在图层下拉列表中，选择Streets。在方法下拉列表中，确定“创建一个新的选择集”被选中。在字段列表中，调整滚动条，双击“STR_NAME”。然后，点击“＝”按钮。 再点击“得到唯一值”按钮，在唯一值列表框中，找到“I 10”后双击。.

点击“应用”按钮。将“属性选择”对话框移到不碍眼的益，这样，你将可以方便地看到地图显示效果。

注意：在地图显示区中属性为“I 10 ”的第10号州际公路被高亮显示。选中的这些线段是第10号州际公路的组成部分。
关闭“属性选择对话框”。 

第9步 使用空间关系选择地理要素
现在你将选择处于距 10号州际公路1000米范围内的所有油炸圈饼店，这样如果 你开车从帕姆斯普林到洛杉矶，饥肠辘辘时就可以很快找到歇脚的地方，可以美餐一顿。
执行菜单命令“选择”>>“通过位置选择”。
在“位置选择”对话框中，对过选择操作，形成如下的一个表达式，“我想要从图层――Donut Shops 中选择要素，这些要素位于距图层――Street 中被选中的要素1000米的区域内”。
选中检查框“对要素进行缓冲区操作”，缓冲距离设为1000 米。.

点“应用”按钮，点“关闭”按钮。
这时，在地图显示区中，处于沿10号州际公路1000米缓冲区范围内的油炸圈饼点就会被高亮显示。

在图层列表(TOC)中，右键点击图层―― Donut Shops ，然后点“打开属性表”命令。图层――donut shops中被显中的哪些要素就被高亮显示出来。

关闭属性表。.
上面的操作是通过空间分析实现的。在以后的课程中，你将会学会更多的更深入的空间分析功能的使用。

第10步 退出 ArcMap
执行菜单命令File >>Exit 关闭 ArcMap。点击 No ，如果系统提示保存修改(save changes)。
四、实验报告要求
做出书面报告，包括原理、过程和结果。具体内容如下：
1. 学习本实验预备知识相关材料，结合GIS原理总结ArcGIS Desktop 主要特点。
2. GIS 中两种基本查询的原理是什么？
3. 回答如下问题：
a) 在 ArcMap中, 打开 Redlands.mxd。街道名称为“NEW YORK”的是什么类型的道路？Local street（本地街道）Minor street（次要街道）Interstate（州际道路）Major street（主要街道）
b) 在ArcMap中, 打开Redlands.mxd 。在Railroads图层中有多少条铁路线？
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GIS软件应用-ArcGIS

实验二、空间数据库管理及属性编辑
一、实验目的
1. 利用ArcCatalog管理地理空间数据库，理解Personal Geodatabse空间数据库模型的有关概念。
2. 掌握在ArcMap中编辑属性数据的基本操作。
3. 掌握根据GPS数据文件生成矢量图层的方法和过程。
4. 理解图层属性表间的连接(Join)或关联(Link)关系。
二、实验准备
预备知识：
ArcCatalog 用于组织和管理所有 GIS 数据。它包含一组工具用于浏览和查找 地理数据、记录和浏览元数据、快速显示数据集及为地理数据定义数据结构。
ArcCatalog 应用模块帮助你组织和管理你所有的 GIS 信息，比如地图，数据集，模型， 元数据，服务等。它包括了下面的工具：
l 浏览和查找地理信息。
l 记录、查看和管理元数据。
l 创建、编辑图层和数据库
l 导入和导出 geodatabase 结构和设计。
l 在局域网和广域网上搜索和查找的 GIS 数据。
l 管理 ArcGIS Server。
ArcGIS 具有表达要素、栅格等空间信息的高级地理数据模型，ArcGIS支持基于文件和DBMS(数据库管理系统)的两种数据模型。基于文件的数据模型包括Coverage、Shape文件、Grids、影像、不规则三角网(TIN)等GIS数据集。
Geodatabase 数据模型实现矢量数据和栅格数据的一体化存储，有两种格式，一种是基于Access文件的格式－称为Personal Geodatabase， 另一种是基于Oracle或SQL Server等RDBMS关系数据库管理系统的数据模型。
GeoDatabase是 geographic database 的简写，Geodatabase 是一种采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型。 Geodatabase是ArcGIS软件中最主要的数据库模型。
Geodatabase 支持在标准的数据库管理系统（DBMS）表中存储和管理地理信息。
在Geodatabase数据库模型中，可以将图形数据和属性数据同时存储在一个数据表中，每一个图层对应这样一个数据表。
Geodatabase可以表达复杂的地理要素（如，河流网络、电线杆等）。比如：水系可以同时表示线状和面状的水系。

基本概念：要素数据集、要素类

数据准备：
数据文件：National.mdb ，GPS.txt （GPS野外采集数据），请从课程相关网站下载。
软件准备：
ArcGIS Desktop 9.x ---ArcCatalog
三、实验内容及步骤
第1步 启动ArcCatalog打开一个地理数据库

当ArcCatalog打开后，点击, 按钮 （连接到文件夹）. 建立到包含练习数据的连接（比如“E:\ARCGIS\EXEC2”）,

在ArcCatalog窗口左边的目录树中, 点击上面创建的文件夹的连接图标旁的 (+)号，双击个人空间数据库－ National.mdb。打开它。.

在National.mdb中包含有2个要素数据集、1个关系类和1个属性表
第2步 预览地理数据库中的要素类
在ArcCatalog窗口右边的数据显示区内，点击“预览”选项页切换到“预览”视图界面。在目录树中，双击数据集要素集－“WorldContainer”，点击要素类－“Countries94”激活它。

在此窗口的下方，“预览”下拉列表中，选择“表格”。现在，你可以看到Countries94的属性表。查看它的属性字段信息。

花几分钟，以同样的方法查看一下National.mdb地理数据库中的其它数据。
第3步 创建缩图，并查看元数据
在目录树中，选择地理数据库National中的要素类－Countries94，切换到“预览视图”，点击工具栏上的放大按钮，将图层放大到一定区域，然后再点，生成并更新缩略图。这时，切换到“内容”视图界面下，并在目录树中选择要素集－“WorldContainer”，数据查看方式更改为“缩略图方式”。.注意，此时，要素类“Countries94”的缩图图是不是发生了改变

点击“元数据”选项页，查看当前要素类的元数据，了解当前要素类是采用什么坐标系，都有哪些属性字段，字段的类型等信息。在元数据工具栏中，从样式表中选择不同的样式，可以看到，元数据显示的格式发生了变化。

点击元数据导出按钮，可以将元数据导出为多种格式，这里我们选择为“HTML”格式，确定后，元数据将被保存在指定路径下的.htm文件中，从资源管理器中，打开这个.htm文件，查看导出后的元数据信息。

第4步 创建个人地理数据库(Personal Geodatabase-PGD)
在PGD数据库中创建属性表然后录入数据。
l 在创建的地理数据库之间要完成数据库的概念设计，每一个图层对应一个数据表，在ArcCatalog中“要素类”（Feature Class）的概念与之对应。可以将多个要素类组织成为一个“要素集”（Feature DataSet），在同一个要素集中的要素类都具有相同的地理参考（坐标系相同）。
l 在ArcCatalog的目录树中，定位到E：盘，右键点击这E:盘，在出现的菜单中，选择[新建]>>[文件夹]，文件夹名称改为myGeoDB 。右键选中这个文件夹，在出现的菜单中，点击[新建]>>[个人Geodatabase]，这时会创建一个名称为 “新建个人Geodatabase.mdb”的数据库文件，将之改名为：“Yunnan”。
l 右键点击数据库文件 “Yunan.mdb”,在出现的菜单中，选择[导入]>>[要素类multiple],在出现的对话框中，打开要导入要素：云南县界prj.shp/云南县城prj.shp/云南道路prj.shp (这些文件在Exece2文件夹下，按住Shift键并点击鼠标可同时选择多个Shape文件)

确定后可以看到这三个图层已经被导入到数据库Yunan.mdb中

l 右键点击数据库文件 “Yunan.mdb”,在出现的菜单中，选择[新建]>>[要素集]

l 在出现的对话框中输入要素集的名称、点击按钮“编辑”为其指定一个坐标系

在这里，我们设定坐标系为：GCS_WGS_1984（即Geographic Coordinate System>>World>>WGS 1984.prj），这是一种被GPS采用的地理坐标系。
l 右键点击新建的要素集-Kunming，在出现的菜单中选择[新建]>>[要素类]，在出现的对话框中输入要素类的名称－公交站点，点击<下一步>,再次点击<下一步>按钮。在出现的对框中选择“Shape”字段，修改字段的几何类型为“点”（表示此要素类中将要存储的要素类型是点要素，我们准备用来存储公交站点）

注意：要素类的空间参考也被默认地设置为GCS_WGS_1984 ，与要素集中指定的坐标系相同。

在出当前的对话框中，我们新加两个字段“站点名称”、“公交站点编号”，数据类型都设置为“Text”.点击“完成”按钮。
l 这样我们就完成了要素类的定义。可以将这个要素类（图层）加入的ArcMap中，进行数字化的工作，从背景地图中提取公交站点的位置。
l 新建数据表：右键点击地理数据库－Yunnan.mdb，在出现的菜单中，选择[新建]>>[表]，输入表名称：公交线路，点<下一步>,再次点<下一步>，在对话框中，新添加两个字段 “公交站点编号”、“公交线路”（数据类型都设为Text）

点击“完成”，结束属性表的定义。
l 创建公交站点到公交线路一对多的关系（1:M）：右键选择地理数据库－Yunnan.mdb，在出现的菜单中选择<新建>-<关系类>，对以下内容进行设定，其它设置接受默认选项即可。

指定源表和目标表

选择关系类型为一对多关系，这样可以建立公交站点到公交线路一对多的关系，因为经过一个公交站点的公交线路有多条，这样，在我们从公交站点分布图是查询某个公交站点时就可以查询经过这个站点的所有公交线。

设定主键和外键
点击下一步，直到完成关系类的定义。
l 以上步骤完成后，ArcCatalog中就可以看到，在地理数据库Yunana.mdb中，有一个要素集（Kunming），其中包含一个要素类(公交站点)、一个数据表（公交线路）、一个关系类（公交站及公交线1:M）

第5步 拖放数据到ArcMap中
启动ArcMap，新建一个空的地图文档，通过拖放的方式添加上面所创建的数据到ArcMap中：
在ArcCatalog中，点击“内容”选项页，在目录树中，点击地理数据库－Yunnan.mdb，将要素类－“公交站点”及属性数据表“公交线路”拖放到ArcMap中。
 关闭ArcCatalog，激活ArcMap窗口。
第6步 编辑属性数据及进行1：M的空间查询
为了让大家了解属性编辑的过程，我们需要在要素类公交站点中添加3个公交站点。（这只作演示使用，实际的数字化过程还需要加载经过配准后的扫描地图作为背景）。
首先，在工具栏显示区的空白处点击右键，在出现的菜单在选中“编辑器”，从而打开编辑器工具栏。

在编辑器工具栏中，点击“编辑器”下拉菜单，选择“开始编辑”命令。按下按钮，在地图显区内随意地添加3个公交站点。

在图层列表控制面板（TOC）中，右键选择图层－“公交站点”，在出现的菜单中，选择“打开属性表”命令，将显示公交站点的属性编辑窗口，在其中输入站点名称和公交站点编号。字段OBJECTID是关键字段，是自动生成的不需要输入。

在图层列表控件面板（TOC）中，点击“数据源”选项页，切换到数据源视图下，右键选择属性表－“公交线路”，在出现的菜单中，选择“打开”命令，将会显示“公交线路”的属性编辑窗口。按下图所示输入几条公交线路（公交站点编号、公交线路）。

点击“编辑器”工具栏中的“编辑器”下拉菜单，选择“停止编辑”命令，将以上所作的编辑结果保存。
点击属性查询按钮，查询地图显示区中任意公交站点的属性，可以看到经过公交站－“云南大学”的公交线路有3条，可进一步查询每条公交线路的详细数据。

第7步 导入GPS数据，生成图层
各类手持GPS接收机采集到的数据可以通过相关软件（比如MapSource等）导入到ArcMap中。

GPS数据文件
启动ArcMap，切换到数据源视图。点击按钮添加GPS数据，选择对应的GPS数据文件(可以是.txt格式、dBase等格式)，这里GPS数据文件为：澜沧江GPS.txt

选中要添加的GPS数据文件
根据GPS数据生成图层：
执行菜单命令：[工具] >>[添加XY数据]，在“添加XY数据”窗口中，选择已添加的XY数据表，指定X坐标字段（东经）和Y坐标字段（北纬），按“编辑”按钮，选择坐标系统。一般GPS系统采用的坐标系统为WGS_1984。

确定后，在地图显示区域中，就会根据GPS数据文件中采集的坐标信息创建点状的事件图层。

在图层控制面板（TOC）中，右键选中根据GPS数据文件生成的事件图层。在出现的菜单中，执行[数据]>>[导出数据]命令：

在导出数据对话框中，指定要导出的文件名称及存储位置。这样就完成了由GPS数据文件生成图层的过程。
四、实验报告要求

实验报告应包括以下内容：
1) 阐述基本原理和概念(要素类、要素数据集)
2) Geodatabse 空间数据库模型的特点。
3) 1:M 空间查询的实现原理及应用实例。
4) 比较连接(Join)和关联(Link)关系的区别和应用。

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