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1ARC/INFO在生态学中的应用国庆喜2000年2第一章前言早在30年前，一些地理学家们就在构思一种能在计算机上存储和管理信息的系统。近十年来，这种技术已经发展成熟起来，即地理信息系统（GIS），并得到了广泛的应用。例如土地利用规划，自然资源管理，环境评估和规划，生态学研究，急救车船的派遣，地貌研究，商业用途等等。GIS可以说是当前计算机最广泛的应用领域。为什么人们对GIS的兴趣与日俱增？因为GIS所提供的处理数据的手段可以帮助我们认识目前人类所面临的棘手问题——滥伐热带林，酸雨，城市化迅速，人口过多，饥饿，疾病的蔓延，全球气候变化所带来的影响，等等。GIS可以帮助我们将这些问题的相关数据组织起来，并阐明它们之间的空间关系。从而为制定更明智的决策提供依据。GIS之所以发展得如此迅速，首先归因于急速下降的计算机硬件价格，使更多的人对GIS不再是可望而不可得。更重要的原因是，我们逐渐意识到我们的世界离不开地理学（及其描述数据），几乎每个决策都受到地理因素的制约和影响。我们尽可能以最短的路径派遣救火车去火场；研究疾病时，要确定流行的地区和蔓延速度；研究某物种的分布，需要了解该物种与气候、地貌等因素的关系，等等，就要求掌握尽可能详尽的地理信息，因此也促进了GIS技术的发展。GIS可用于广阔的领域，如区域开发战略研究、农村或城市发展规划、专业分析与专业制图、地形制图和地形分析、地籍制图和地籍管理、市政工程设计、航空摄影和遥感卫星分析与制图等。至今仍存在难于克服的弱点，如数据标准、地理分析模型、空间分析精度和查询速度等，地理信息模式并不是简单的算术运算，例如在土地质量评价、土地适宜性评价、土壤侵蚀评价、环境质量评价、生产潜力分析、农业结构优化、区域开发方案等工作中，若需要应用计算机来模拟，必须先建立相应的数学模型。GIS的概念“一种将计算机硬件、软件、地理数据及使用者的目的组织起来的集合体，可以有效地获得、存储、更新、处理、分析和表现各种形式的地理相关信息。”虽然这个定义比较确切，被广泛接受，但对新学者却没有多大的益处，目前可以考虑这个简单的定义：“能够存储和使用数据来描述地球表面位置的计算机系统。”很多计算机程序，如AUTOCAD、SAS等，也可以处理简单的地理或空间数据，那么为什么他们就不能称作GIS呢？答案是：只有能够对数据进行空间操作的才能称为GIS。GIS可以链接不同系列的数据，例如，假设你想知道每个国家生产的粮食中，用于出口部分的百分比。你已经找到了你要的数据，但是每个国家的粮食总产量的数据存储在一个文件中，而粮食出口数据却存储在另一个文件中，你必须将这两个文件组合起来3才能解决这个问题。一旦将文件组合之后，让计算机给出答案就轻而易举。为什么数据的链接如此重要？设想一下，如果对某个地区有两套数据，例如县的年收入和住房平均费用。每套数据都可以单独分析和制图。当然也可以将他们组合起来，得到更多的信息。但是，假如你有20套该县的数据，就可能有上百万个组合。尽管并不是所有的组合都有意义（例如失业与土地类型），你也可以比单独处理这些数据回答更多的问题。要做到这一点，你需要GIS。GIS能够回答的问题1．位置问题。即“在某个特定位置有什么”的问题。位置可以用多种方式描述，如名称，邮编，地理参照物等。2．条件问题。即“在哪里”的问题。这个问题与上述相反，并且需要依靠空间分析来回答。这个问题要求找到满足某个条件的地点。（比如要找到一块无林地，要求是面积为2000平方米，距离公路100米以内，土壤可以支撑建筑物）。3．趋势问题。即“自从……以来发生了哪些变化？”的问题。可以观察某地区随时间的变化。4．格局问题。这个问题较为复杂。比如要确定核电站附近的居民，其死亡是否主要由癌症所致。5．模型问题。即“如果……，会发生什么？”的问题。例如如果一条新道路加入网络，或一种有毒物质渗漏至当地水源供应的地方时，会发生什么事情。回答这些问题需要有关地理学以及其他的信息。需要注意的几个问题GIS并不仅仅是一个简单的计算机制图系统，尽管它能够以各种比例尺、各种投影方式和各种颜色制图。GIS是一个分析工具。它的主要优点在于使你确定图形特征之间的空间关系。GIS并不是以传统的方式存储图形，它存储数据，你可以用来绘制图形以满足不同需要。GIS将空间数据与某一地图特征的地理信息连接起来。这个信息作为图形特征的属性被存储起来。例如，在地图上表示道路的一条线只能告诉你道路的位置，为了查找道路宽度和铺设材料类型等信息，你必须查询数据库。总之，GIS不存储地图或图像，它存储数据库。数据库的概念是GIS的核心，也是GIS与其他绘图系统的主要区别。4第二章地理数据概念在一个GIS项目中，第一步是建立一个数字地图数据库。必须明确应该存储哪些信息，如何记录数据，以及如何使用这个地图数据库。地理数据的表示地图的信息有两种。一种是空间信息。描述地理特征的位置和形状，以及与其他特征的空间关系。一种是关于这些特征的描述信息。地图用点、线、颜色、图形符号和文字等形式，通过地理特征符号来表示现实世界。这里先介绍点、线、面的特征。点特征：表示有关特征的位置信息，用特定的符号或标识来表示。当某一特征太小，无法用线或面表示时，一般使用点特征。如水井、电线杆等。也可用点表示没有面积的位置，如山峰。线特征：表示线型特征，如公路、河流、管线等。当某一特征太窄，无法表示面积时，一般使用线特征。也可以是没有宽度的特征，如等高线。在ARC/INFO中，“线”即指弧。面特征：面特征是指用边界线包围起来的同质区域。如国家、县、水体。ARC/INFO的主要基本空间特征有：点：定义为空间的一对XY或XYZ坐标。线：定义为一系列有顺序的空间点。面：由一组或多组线围成的多边形。结点：线的起点或终点。其中只作为一条线的起点终点的叫悬挂结点。有两条线通过或既是一条线的起点又是其终点叫伪结点，因为去掉此结点，不影响围成的多边形及线的连通关系。。存储地理数据一个数字地图数据库包括两类信息：空间的和描述性的。计算机存储一系列的文件，包含有地图特征的空间或描述性的数据。GIS的能力在于它可连接两种数据，并且保持地图特征之间的空间关系。将图形数据与表数据集成在一起，增强了分析数据的能力。你可以通过地图来获取表数据库信息，或者基于表数据库信息来生成地图。地球表面的特征是用点、线、面绘制在二维的平面图上的。可以用x，y坐标系统（Cartesian）将图上位置与实际位置联系起来。每个点都有x，y坐标对，线特征是用一5组有序的x，y坐标来记录的，面特征用一组x，y坐标对定义的封闭的弧线表示。刚才所阐述的坐标其实都使用页面单位，如英尺或厘米，来测量图上距离，或查找某一x，y坐标位置。但地图通常要表示现实世界的坐标，那么这些坐标就代表了地球表面某处的真实位置。在任一研究区域，都可以根据需要和可能选择地理要素，通常应包括基本地理要素，如河流、地形、居民点、交通等。其每一要素在ARC/INFO中称为“层”，即要素层。如果面对一个较大的研究区域，可以划分成若干个子区，称为分区（Title），分区方法可以是地形图分幅、行政区、自然区、流域范围等。对于每一个要素层，视其复杂程度，进一步分解为若干个子层，例如水网，可以区分出河流和湖泊，前者是线状要素，后者是多边形。又如点状要素和面状要素不能共存于一个子层中，因为每一个多边形都具有一个内部标识点。ARC/INFO将每个分区中的每一个子层的图形形式称为MAPSHEET，其中对应的数字形式叫做Coverage，前者是资料加工、数字化的基本单元，后者是计算机管理、编辑和存储的基本单元。ARC/INFO的各种功能都是围绕着如何输入、编辑、处理和显示Coverage提出来的。ARC/INFO提供了灵活的管理方式，采用了索引和文件相结合的方法，每一个Coverage下，总是由若干文件组成。用户可以在任何一层操作ARC/INFO，解决不同的问题。每个Coverage由下列文件组成：1，TIC文件，即地面控制点文件，是用来进行几何纠正和坐标变换的参考点文件，最少由4个TIC点组成。2，BND文件，即控制一个Coverage的范围文件，在图形编辑、图形输出中起到边界控制作用。3，ARC文件，即弧段文件。弧段是基本存储单元，一个弧段的数据包括两端节点和弧段上的特征点（转弯点）坐标组成。对应于ARC文件的是AAT文件，即弧段属性文件，它表达每个弧段的基本特征，包括起始和终止节点号，弧段左右两边的多边形记录号，弧段内部记录号，弧段用户识别号，弧段长度。4，POINT文件，如果存在点状特征时，数字化后就会产生这种文件，并对应于产生点的属性文件——PAT文件。5，LAB文件，即多边形内部标识点文件，它对应的属性存放于多边形属性文件PAT中。6，POLY文件，即多边形索引文件，只存储每个多边形对应弧段号和弧段总数，对应于属性文件PAT。第三章空间数据的录入录入空间数据即是将地图特征转换为计算机中的数字格式。在ARC/INFO中，一幅数字地图称作一个Coverage，手工获取空间数据的过程称作数字化（Digitizing）。6数据的获取方法地图上的数据可以通过对每个特征的数字化来获取，或者使用扫描仪来获取整页的特征，已经知道坐标值的数据也可通过输入x，y坐标来获取。数字化将地图上的空间特征转换为数字格式。构成地图的点、线、面特征转换成x，y坐标。单个的坐标代表一个点；一系列坐标代表一条线；一条或多条线构成一个区域，里面有一个标识点，来标记这个面特征。因此数字化就是获取一系列点和线的过程。数字化的4个步骤一、使用好的底图二、设计你的流程三、准备地图1．标明Tic点并给他们指定单独的名字。他们必须是已知的点，具备现实世界的坐标。2．绘制一个新边界，比实际的稍大3mm或1/8inch，将内部的线延长至边界外，这样可以确保你数字化的数据会完全充满研究区域。然后可以使用研究区域的实际边界来剪掉所有超出边界的数据。四、数字化地图这一步需要使用ARC/INFO的ARCEDIT功能。ARC/INFO的数字化过程使用数字化仪输入数据：1．启动ARC/INFO。2．建立子目录例如creatworkspaceland3．进入land子目录&workspaceland4．ARC：&station99995．ARC：Arcedit6．DIGITIZER9100COM2STREAM7．COORDINATEDIGITIZER8．CREATETICCOV建立一新的Coverage。TICCOV是一个空的Coverage。提示符要求输入Tic点，在以后的转换中，要用到这些Tic点。9．Tic点和边界输入完毕后，可以向Ticcov中加入任何特征。输入完Tic点后，可以使用命令将Tic点绘制出来供检查。在使用绘制命令DRAW之前，必须用Drawenvironment（简写为DE）命令来告诉ARCEDIT你想要绘制哪些7特征。例：Arcedit：DRAWENVIRONMENTTICIDArcedit：DRAW如果没有显示出所有的Tic点，可以用MAPEXTENT命令来重置显示区域大小。例：Arcedit：MAPEXTENTTICTICCOVArcedit：DRAW到目前为止，我们已经建立了一个Tic点主文件Ticcov。现在让我们在这基础上建立一个新的Coverage，即LANDDG01。这个Coverage的Tic点将从主Tic点文件Ticcov中拷贝过来。Arcedit：CREATELANDDG01TICCOV当追加Arcs（弧段）到新的Coverage之前，应设置结点捕获环境。使两条ARCS的两个结点在一定距离内可以自动连接合并。这样可以保证arc与相邻的arc正确地连接。默认的结点捕获范围很小，可使用NODESNAP命令重新设置。例如：Arcedit：NODESNAPCLOSEST0.05当初设置的绘图环境包括了Tic点和它们的ID。在数字化开始之前，应将弧（arcs）、结点（nodes）、标识点（labelpoints）都加进绘图环境中。Arcedit：D