《基于GIS的数量方法与应用》中文教材第一章

第一部分GIS和空间分析的基本方法2第一章ArcGIS入门：数据管理及基本的空间分析工具地理信息系统（GIS）是一种计算机信息系统，用于获取、存储、处理、查询、分析及显示地理数据。在GIS众多功能中，制图一直是它的一项主要功能。本章的首要目的是演示如何借助GIS进行电脑制图。主要技巧包括空间与非空间（属性）数据的管理以及二者之间的联系。但是，GIS远不只是一种制图工具，随着GIS软件功能越来越强大，界面越来越友好，它在空间分析中的应用越来越广。本章第二个目的是介绍GIS的一些基本空间分析工具。鉴于ArcGIS在教育、商业及政府机构中的广泛应用，本书采用它作为主要的软件平台来完成GIS任务。除非特别说明，本书所有GIS操作都是基于ArcGIS9.0。各章结构的安排类似：先从基本概念着手，介绍GIS方法的基本内容；然后用案例来使者熟悉刚刚介绍的GIS方法。本章第1.1节简要介绍ArcGIS中的空间及属性数据管理，第1.2节为案例1A，通过绘制库婭霍加县的人口密度分布图来演示基于GIS作图的基本过程。第1.3节介绍ArcGIS中基本的空间分析工具，包括空间查询、空间连接、地图叠加等。第1.4节为案例1B，演示了一些空间分析工具：提取克里夫兰市的普查小区，生成多边形邻接矩阵。在高级空间统计研究如空间聚类和空间回归分析中，我们常常用多边形邻接矩阵来定义空间权重（参见第九章）。本书假设读者具有初极GIS知识。本章不会涵盖所有的ArcGIS功能。相反，它只是回顾ArcGIS的主要功能，给读者一个”热身赛”,以便引导读者继续学习章节中的一些高级空间分析方法。1.1ArcGIS中的空间和属性数据管理因为本书选择ArcGIS作为主要的软件平台，所以有必要简单介绍一下它的主要模块及功能。ArcGIS是美国环境系统研究所（ESRI）2001年发布的一种基于图形界面（GUI）的软件平台，用以代替以前基于命令行的ArcInfo。ArcGIS包括3个主要模块：ArcCatalog、ArcMap和ArcToolbox。ArcCatalog用于查看、管理空间数据文件。ArcMap用于显示、分析、编辑空123间及属性数据。ArcToolbox整合了各种数据管理和数据分析工具箱，包括地图投影管理、数据格式转换以及实现早期的ArcInfo命令。在ArcGIS9.0中，ArcToolbox可以从ArcMap或ArcCatalog界面中激活。大部分（但不是全部）早期ArcInfo命令都可以在ArcGIS中实现。对于有些命令或功能，我们作空间分析还是用的较勤,仍然需要用到ArcInfo的命令行界面。例如，在附录1中讨论了如何用ArcInfoWorkstation来读取、输出ASCII文件。第二章中的案例2介绍了如何用ArcInfoWorkstation来计算网络距离。1.1.1地图投影及空间数据模型GIS不同于其他信息系统的一个显著特点是它能够管理地理或空间（区位）数据。为了理解这一点，我们需要具备地理坐标系统的基础知识，例如，我们需要了解经纬度及用x、y坐标在各种平面坐标系上的表示方法。将地球的椭球表面转换为平面，或在不同平面坐标系之间进行转换的过程称为地图投影。在ArcGIS中，ArcMap会自动地将不同坐标系的数据转化为最先添加的图层坐标系，这个过程一般称为即时投影变换（on-the-flyreprojections）。但是，如果数据量较大的话，这个过程可能会花很多时间。所以，同一个项目里面的所有图层最好用同一种投影。美国常用的投影有两种：通用横轴墨卡托投影（UTM）和州平面坐标系统（StatePlaneCoordinateSystem，SPCS）。严格来说，SPCS并不是单一的一种投影，它可能使用三种投影中的一种：兰伯特等角圆锥投影、横轴墨卡托投影、斜轴墨卡托投影。为了尽量减少变形，南北向长条形的州或地区使用横轴墨卡托投影，东西向长条形的州或地区使用兰伯特等角圆锥投影。有些州（如阿拉斯加、纽约州）可能用不只一种投影。更多内容，读者可以参阅ESRI公司ArcGIS光盘上的“理解地图投影”PDF文件。在ArcGIS中查看空间数据图层的投影，可以在ArcCatalog中点击该图层，然后选择MetadataSpatial，或者在ArcMap右键单击图层，依次选择layerPropertiesSource。在ArcToolbox中进行投影相关操作的办法为：依次点击DataManagementToolsProjectionsandTransformations，在投影与变换工具箱（ProjectionsandTransformations）下，投影定义工具（DefineProjection）将新建一个包含投影参数的投影文件（PRJ），或者4矫正原来的错误投影。投影定义工具只是标记地理数据的正确坐标系统，坐标系统本身不会被改变。对于矢量空间数据，选择FeatureProject，将坐标系统从一种投影转换到另一种投影，并生成一个新的图层。本工具中提供了如下一些选项：创建新坐标系统，使用一个现存的坐标系统，从一个地理数据中输入坐标系统。对于栅格数据，则选择RasterProjectRaster.GIS可以处理矢量和栅格两种空间数据。在处理矢量数据时，GIS用地理坐标点来构建点、线、面等要素；在处理栅格数据时，GIS借助按行列排列栅格单元来表征空间要素。栅格数据的结构比较简单，模型构造相对容易。社会经济应用中大多使用矢量数据，本书的大部分GIS应用也使用矢量数据。大部分商业GIS软件都提供了矢量、栅格数据的互相转换。在ArcGIS中，可以通过调用ArcToolbox中的转换工具（ConversionTools）来实现。ESRI公司的早期GIS软件使用coverage数据模型。后来在开发ArcView软件包时，采用了shapefiles数据模型。在ArcGIS8及以后的版本中，开始使用geodatabase模型，代表了面向对象数据模型的新趋势。面向对象的数据模型把物体的几何特征（空间数据）也当作一种属性数据来存储，而传统的coverage和shapefiles模型是将空间和属性两种数据单独存储的。一般而言，社会经济分析中的空间数据和属性数据常常来自不同的渠道，在用GIS进行制图或分析之前的一个基本任务是把他们连接在一起。这就涉及到下面将要介绍的属性数据管理了。1.1.2属性数据管理及属性连接GIS数据分为两类，即空间数据和属性数据。空间数据表征地图要素的几何特征，属性数据则描述要素的一些特征。属性数据往往以表格或表格文件的方式存储。Shapefile属性表使用dBase数据格式，ArcInfoWorkstation使用INFO格式，geodatabase表格使用MicrosoftAccess格式。ArcGIS也能够读取几种ASCII数据格式，包括逗号分隔和tab分隔的文本文件。附录1讨介绍了用ArcGIS输入/输出ASCII数据的方法，如果要用GIS和其它软件（如SAS）进行高级分析，或者自己编写一些程序来完成复杂的任务，这种数据转换是非常重要的操作。基本的数据管理任务，有些用ArcCatalog或ArcMap都可以实现，而其他一些任务则只有其中一种工具可以完成。例如，新建数据表或删除/拷贝一个数据表都只能在ArcCatalog中实35现（前面我们曾提到，ArcCatalog可以用于查看和管理GIS数据文件）。数据表的创建过程为：右键单击将要在里面创建数据表的文件夹，选择new即可。而要删除或拷贝数据表，只要在ArcCatalog中右键单击该数据表，然后单击Delete（或Copy）即可。如果要在一个数据表中新增一个变量（可能是在shape文件属性表或dBase文件中新增一列或是在ArcInfoworkstation的INFO文件中新增一项），ArcCatalog和ArcMap都可以胜任。删除INFO文件中的某一项也可以任选ArcCatalog或ArcMap之一来完成；但是，删除dBase文件中的一列则只能用ArcMap来实现。例如，在shape文件属性表中新增一列，可以用ArcCatalog来实现，即右键点击shape文件PropertiesFields，在空白行里面输入新建列的名字，并定义数据类型即可。在ArcMap中，则要先打开数据表OptionsAddField。在ArcMap中删除一列，可以打开数据表，然后右键单击该列，然后选DeleteField即可。如果要进行列之间数据的运算，可以用ArcMap：打开数据表右键单击列CalculateValues。此外，在ArcMAP中，可以通过右键单击列，然后选择Statistics来得到一些基本的统计参数。在GIS中，我们常常使用的属性连接，是基于某一个相同列将两张表的信息连接在一起。被连接的表可能是一个与特定地理数据库有关的属性表，也可能是一个独立的数据表。在进行属性连接时，公共标签的名字可以不同，但它们的数据类型必须匹配。数据表之间的连接关系有多种：一对一、多对一、一对多、多对多。一对一或多对一连接是通过ArcGIS中的join来完成的。但是，一对多或多对多连接则不能用join来实现，这需要用ArcGIS中的relate来关联两张表，在关联的同时会保持两张表各自独立。在进行关联（relate）时，是从一张表中选取一条或多条记录，然后从另一张表中选取若干条关联记录。表1.1列出了上述连接的关系及所用的ArcGIS工具。连接（join）或关联（relate）是通过ArcMap来实现的。在地图目录中，右键单击空间数据或目标表格，然后依次选择JoinsandRelatesJoin（或Relate），然后，在连接数据对话框中选择“Joinattributesfromatable”。连接只是暂时的，并不会新建数据表，如果退出项目时不保存的话，下次再打开时连接就没有了。可以把连接后的结果输出为新的数据表从而永久地保46存。一旦属性信息连接到空间图层，我们就可以用ArcGIS方便地制图了。在ArcMAP中，右键单击图层，选择Properties，在弹出的对话框中选择Symbology。在这里，我们可以选取某一列指标来绘制地图，可以选择要素显示的颜色和图例，设置显示的模板。地图要素（比例尺、指北针、图例）可以从主菜单中插入（Insert）i。1.2案例1A：绘制俄亥俄州库娅霍加县人口密度模式图对于那些不太熟悉GIS的读者，如果能够通过简单地点击几下鼠标就可以亲自绘制一张地图，则可以很快尝GIS的甜头,克服对GIS复杂性的神秘感。本节通过一个例子来演示如何在GIS连接空间和非空间信息，并用于绘制地图。在接下来的操作中，我们将演示第1.1节里面介绍的大部分功能。完成一个GIS项目开始之前先要收集相关数据。一般而言，我们可以使用现存的数据。在美国社会经济应用研究中，美国人口普查局发布的拓扑集成地理编码参照文件（TIGER）及十年一度的人口普查数据是空间数据和属性数据的主要来源。这两种数据都可以从普查局的网站下载（）。熟练的ArcGIS用户可以直接下载TIGER数据，然后用TIGER转换工具提取所需空间数据。依次点击ArcToolbox里面的CoverageToolsConversionToCoverageAdvancedTigerConversion（或BasicTigerConversion）即可激活TIGER转换工具。转换过程可能会花些时间，而转换之后的数据可能还需要进一步的加工。所幸的是，一些网站提供了业已处理好的ArcGIS格式（shapefiles或coverage）的TIGER空间数据下载服务。ESRI发布ArcGIS软件时，附送有包含这些数据的光碟。如果空间数据是交换格式（e00）的，则可以很方便地进行转换：依次点击：ArcToolboxCoverageToolsConversionToCoverageImportfromInterchangeFile。在