ArcGIS地理信息系统分析与应用

本书简要介绍了地理信息系统软件ArcGIS的发展变革，针对ArcGIS 10.3的基本组成及几个重要模块的主要功能和应用范围进行了介绍。以GIS数据输入及处理、栅格编辑、地理配准、投影转换、拓扑查错、栅格计算、重分类、距离分析、密度分析、缓冲区分析、叠加分析、网络分析等为例介绍了基本的操作和应用方法。在此基础上，以土地利用、灾害评估、洪水淹没、农田保护、土壤分析、粮食估产、资源配置、设施选址、矿产预测为例，介绍了地理信息系统在这些领域的综合应用。本书注重理论与实践、软件与工程、教学与科研、项目与应用、基础与综合等方面的结合，融入了大量生产与科研成果，以及工程项目应用案例。本书可作为地理信息科学、遥感科学与技术、测绘工程、地质学、管理学、环境科学等专业本科生和研究生的教材，也可供地质矿产、国土资源、地理测绘、市政工程、城乡规划、交通旅游、水利水电、环境科学、灾害评估、作战指挥等领域的研究人员使用。

晁怡，出生于1975年，女，中国地质大学（武汉）副教授，2007年毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业，博士学位。现主要从事地理信息系统原理、空间分析与建模的教学和科研工作。参与和主持纵向、横向科研项目十余项，参与和主持校级、省级教学项目多项，多次指导学生参与全球和全国性学科竞赛获奖，并获得“优秀指导老师”多项。发表科研和教学论文二十余篇。

目 录

第1章 ArcGIS介绍 1
1.1 ArcGIS总览 1
1.2 ArcMap 2
1.3 ArcCatalog 5
1.4 ArcToolbox 6
1.5 ArcScene 9
1.6 本章小结 10
第2章 GIS数据输入 11
2.1 输入简介 11
2.2 坐标点输入 13
2.2.1 问题提出 13
2.2.2 手工输入坐标点 13
2.2.3 表格数据转换点要素 15
2.3 屏幕矢量化 18
2.3.1 数据说明 19
2.3.2 矢量化前的准备 19
2.3.3 编辑矢量化 21
2.3.4 ArcScan矢量化 22
2.4 数据转换 26
2.4.1 问题提出 26
2.4.2 ArcGIS其他格式转入 26
2.4.3 其他GIS软件格式转入 27
2.5 属性数据输入 27
2.5.1 问题提出 27
2.5.2 数据说明 28
2.5.3 手工键盘输入 28
2.5.4 属性连接 30
第3章 GIS数据处理 34
3.1 栅格编辑 34
3.1.1 问题提出 34
3.1.2 数据准备 34
3.1.3 编辑栅格 35
3.2 地理配准 36
3.2.1 问题提出 36
3.2.2 配准图像 36
3.3 投影转换 38
3.3.1 问题提出 38
3.3.2 数据准备 38
3.3.3 设置坐标系 38
3.3.4 投影转换 40
3.4 拓扑查错 41
3.4.1 问题提出 41
3.4.2 数据准备 41
3.4.3 新建并验证拓扑 42
第4章 栅格分析 45
4.1 栅格计算 45
4.1.1 问题和数据分析 45
4.1.2 数学运算 45
4.1.3 函数运算 47
4.2 重分类 47
4.2.1 问题和数据分析 47
4.2.2 重分类工具 48
4.2.3 其他重分类工具 49
4.3 距离分析 49
4.3.1 问题和数据分析 49
4.3.2 欧氏距离工具 50
4.3.3 成本距离工具 52
4.4 密度分析 54
4.4.1 问题和数据分析 54
4.4.2 点密度分析 55
4.4.3 核密度分析 56
4.5 粮食产量预测 58
4.5.1 问题和数据分析 58
4.5.2 预测2004年粮食产量 58
第5章 矢量分析 60
5.1 缓冲区分析 60
5.1.1 问题和数据分析 60
5.1.2 点的缓冲区 60
5.1.3 线的缓冲区 62
5.1.4 面的缓冲区 64
5.2 叠加分析 68
5.2.1 问题和数据分析 68
5.2.2 相交 68
5.2.3 擦除 74
5.2.4 联合 76
5.2.5 标识 77
5.2.6 交集取反 80
第6章 网络分析 82
6.1 网络模型的建立 82
6.1.1 网络模型元素 82
6.1.2 建立网络数据集 83
6.1.3 建立几何网络 89
6.2 路径分析 92
6.2.1 问题和数据分析 92
6.2.2 寻找最短路径 92
6.2.3 寻找最佳路径 100
6.3 寻找最近设施 101
6.3.1 问题和数据分析 101
6.3.2 查找最近设施 102
6.4 创建服务区域 106
6.4.1 问题和数据分析 106
6.4.2 建立服务区域 107
6.5 位置分配 110
6.5.1 问题和数据分析 110
6.5.2 建立位置分配 110
6.6 建立OD成本矩阵 117
6.6.1 问题和数据分析 117
6.6.2 建立OD矩阵 118
6.7 几何网络分析 123
6.7.1 问题和数据分析 123
6.7.2 网络路径分析 123
6.7.3 网络连接要素分析 125
第7章 数字高程模型分析 127
7.1 GRID的建立 127
7.1.1 问题和数据分析 127
7.1.2 离散点生成GRID 128
7.1.3 TIN生成GRID 129
7.2 TIN的建立 131
7.2.1 问题和数据分析 131
7.2.2 离散点生成TIN 131
7.2.3 GRID生成TIN 133
7.3 DEM应用 134
7.3.1 问题和数据分析 134
7.3.2 地形因子分析 134
7.3.3 可视性分析 139
7.3.4 三维显示 142
第8章 综合分析应用 144
8.1 农田保护区域分析 144
8.1.1 问题和数据分析 144
8.1.2 添加数据 144
8.1.3 找出洪水淹没区域 144
8.1.4 寻找可耕种区域 147
8.1.5 确定水坝保护的可耕种区域 148
8.1.6 将研究区域土质重分类 149
8.2 商店选址评价 150
8.2.1 问题和数据分析 150
8.2.2 确定商店的服务范围 151
8.2.3 分析消费者特征 156
8.2.4　确定服务范围内的潜在客
户数 160
8.3　度假村选址 162
8.3.1　问题和数据分析 162
8.3.2　确定Kerri林地以外的区域 162
8.3.3　确定坡度小于3%的区域 164
8.3.4　提取年平均温度高于16.5℃的
区域 166
8.3.5　确定度假村地址 170
8.4　燕麦试验田选址 174
8.4.1　问题和数据分析 174
8.4.2　数据预处理 175
8.4.3　条件检索 178
8.4.4　缓冲区分析 184
8.4.5　叠加分析 186
8.4.6　确定面积满足要求的区域 188
8.5 洪水灾害损失的分析 190
8.5.1 问题和数据分析 190
8.5.2　数据预处理 192
8.5.3　受灾区域分析 200
8.5.4　灾害损失估计 204
8.6　土壤肥沃度分析 209
8.6.1　问题和数据分析 209
8.6.2　加载数据 209
8.6.3　分析土壤类型与钾元素含量的
关系 213
8.6.4　空间集中性计算 216
8.7　在成矿预测中的应用 221
8.7.1　问题提出 221
8.7.2　研究区地质概况 221
8.7.3　数据准备 221
8.7.4　成矿条件和找矿标志分析 222
8.7.5　铜矿预测 231
第9章 空间统计分析 236
9.1 度量地理分布 236
9.1.1 问题提出 236
9.1.2 数据准备 236
9.1.3 中心要素 237
9.1.4 平均中心 238
9.1.5 标准距离 239
9.1.6 中位数中心 240
9.1.7 方向分布 241
9.1.8 线性方向平均值 242
9.2 聚类分布制图 243
9.2.1 问题提出 243
9.2.2 数据准备 243
9.2.3 聚类和异常值分析 244
9.2.4 热点分析 247
9.2.5 分组分析 248
9.2.6 相似搜索 249
第10章 空间分析建模 252
10.1 模型构建器简介 252
10.2 问题提出 253
10.3 数据准备 253
10.4 在模型构建器中执行工具 254
10.4.1 创建新模型 254
10.4.2 向模型中添加工具和数据 254
10.4.3 工具参数设置 254
10.4.4 添加到画布显示 257
10.4.5 运行模型 257
10.4.6 保存模型 257
10.5 使用模型构建器创建工具 258
10.5.1 打开模型 258
10.5.2 显示工具参数 258
10.5.3 创建模型参数 259
10.5.4 重命名模型元素 259
10.5.5 重设模型参数顺序 261
10.5.6 设置模型参数类型 262
10.5.7 对模型参数设置过滤器 263
10.5.8 为输出数据设置符号系统 263
10.5.9 管理中间数据 264
10.5.10 更改模型的常规属性 264
参考文献 266

前    言
随着地理信息科学的发展，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）也在资源管理、测绘地理、城乡规划、市政工程、灾害监测、国防建设、警务安防、交通指挥、道路导航、医疗卫生、农业生产、环境保护、宏观决策等领域被广泛应用。各大高校的测绘、遥感、地理、地质、环境、管理等相关专业已将GIS设置为必修或选修课程。
作为一门实践性很强的课程，GIS的实践教学一直备受重视。中国地质大学（武汉）的“地理信息系统”课程已经开设了近20年，按照教学大纲和教学计划的要求，实践课时占相当大的比例。作者通过对多年教学经验进行总结，已出版图书《地理信息系统分析与应用》和《地理信息系统分析与实践教程》，分别对ArcView、ArcGIS 9.3、MapGIS 6.7和MapGIS K9的操作进行了介绍。近几年，ArcGIS发展迅速，版本更新较快，有的模块和操作变化较大，原有教材中关于ArcGIS的介绍和说明已经不能满足实践教学的需要，因此，在原教材的基础上，本书以ArcGIS 10.3为平台，不仅更新了原教材部分操作说明，还针对实践教学过程中发现的不足，添加了ArcGIS地质应用的案例，以及空间统计和空间分析建模的内容。
全书共分10章，第1章简要介绍ArcGIS的发展沿革，并对ArcGIS 10.3的核心产品ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox、ArcScene等进行介绍；第2章～第6章对包括数据输入、处理、管理、分析、显示等的GIS基本操作进行介绍；第7章对GIS软件中建立数字高程模型和对数字高程模型分析做了介绍；第8章在前几章的基础上，以项目应用为例，介绍GIS的综合应用；第9章针对数据挖掘的基础—空间统计分析进行介绍；第10章以ModelBuilder为例介绍在ArcGIS中进行空间分析建模的方法。本书正文中加粗的字表示对话框或工具、按钮名称，斜体字表示菜单名。
在本书的编写过程中，作者结合了多年教学、科研经验和应用案例，注重理论与实践结合、软件与工程结合、教学与科研结合、项目与应用结合、基础与综合结合，将生产与科研成果、工程项目应用案例、ArcGIS开发技术融入教材编写过程中，力图使本书突出以下特点。
一是循序渐进。在介绍基本操作的基础上，再结合实际应用案例介绍ArcGIS 10.3的综合应用。通过综合应用案例的实践，使读者能够举一反三，在学习和行业应用中借鉴使用。
二是点拨启发。在本书中，对于一些操作技巧和注意事项，以Tips的方式进行提示，同时，对于一些有价值的问题，提出思考问题，希望引发读者的深入思考，将理论应用到实践，使学习更加深入。
三是联想关联。在ArcGIS中，可以通过不同的操作过程实现相同的目的。对于这种情况，本书或者给出操作步骤，或者给出在本书中的参考操作位置，以方便读者查阅、对比。
四是行业应用。基于本书作者的科研背景，给出了市面上大多数ArcGIS实践教学书中都没有涉及的地质领域的应用，拓展了ArcGIS的应用案例。
本书主要由晁怡和郑贵洲策划并组织编写，参加编写的人员还有杨乃、彭俊芳。研究生王晓慧和林青对本书的部分实践案例进行了验证，对部分文本进行了校对。本书从2015年开始着手编写，书中的案例先后在ArcGIS 10.0，ArcGIS 10.1，ArcGIS 10.2中进行了验证，直至最终完成时以ArcGIS 10.3为平台。虽然本书在编写中经过了多个版本的改动，但在逐年的修改和学生实践课程的应用过程中，作者也在不断优化本书的编排和案例描述，希望本书能更好地为读者服务。在此也对参与本书案例实现和操作验证的所有学生表示感谢。
本书在编写和出版过程中受到以下项目的资助：中国地质大学（武汉）实验技术研究项目，中央高校教改基金本科教学质量工程项目—地理信息科学专业校企示范实习基地及实践模式构建（ZL201616），中国地质大学（武汉）研究生教育教学改革项目—依托国家GIS 工程中心学术型研究生科研创新能力培养（YJG2017215），中国地质大学（武汉）研究生院A类实践基地建设项目（YJD2018701），湖北省教学研究项目—依托国家GIS工程中心地理信息科学专业立体式创新实践平台与体系构建（2015155）。
虽然本书编写的时间较长，也经过了几轮的检校，但百密一疏，再加上作者水平有限，书中难免有不妥之处，盼广大读者批评指正，以便进一步完善本书内容。批评意见请发至邮箱[email protected]。

编  著  者