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1第一章GIS的概念和需求理解GIS的三种角度：GIS是一个用于管理、分析和显示地理信息的系统。地理信息可以通过一系列地理数据集来表达。而地理数据集则通过使用简单的，普通数据结构来为地理信息建模。GIS包含了一套用以处理地理数据的综合工具。我们可以从多个角度来理解地理信息系统是如何工作于地理信息的：1．从空间数据库的角度看：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．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．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ESRIArcGIS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。从空间数据库的角度：GIS是世界上独一无二的一种数据库――空间数据库（Geodatabase）。它是一个“用于地理的信息系统”。从根本上说，GIS是基于一种使用地理术语来描述世界的结构化数据库这里我们来回顾一些在空间数据库中重要的基本原理。地理表现形式作为GIS空间数据库设计工作的一部分，用户要指定要素该如何合理的表现。例如，地块通常用多边形来表达，街道在地图中是中心线（centerline）的形式，水井表现为点等等。这些要素会组成要素类，每个要素类都有共同的地理表现形式。每个GIS数据集都提供了对世界某一方面的空间表达，包括：基于矢量的要素（点、线和多边形）的有序集合2诸如数字高程模型和影像的栅格数据集网络地形和其它地表测量数据集其他类型数据，诸如地址、地名和制图信息描述性的属性除了地理表现形式以外，地理数据集还包括传统的描述地理对象的属性表。许多表和空间对象之间可以通过它们所共有的字段（也常称为“关键字”）相互关联。就像它们在传统数据库应用中一样，这些以表的形式存在的信息集和信息3关系在GIS数据模型中扮演着非常关键的角色。空间关系：拓扑和网络空间关系，比如拓扑和网络，也是一个GIS数据库的重要部分。使用拓扑是为了管理要素间的共同边界、定义和维护数据的一致性法则，以及支持拓扑查询和漫游（比如，确定要素的邻接性和连接性）。拓扑也用于支持复杂的编辑，和从非结构化的几何图形来构建要素（例如，用线来构建多边形）。地理要素共享几何形状。可以使用节点、边、面的关系来描述要素的几何形状网络是描述一个能够相互贯通的GIS对象相连的图。这对于模拟路径和交通、管线、设备、水文学以及其它基于网络的应用非常重要。4在这个网络示例中，街道要素代表连接它们的端点（称为“连接”）的边。转向模型可用于控制从一边到另一边的通行能力专题图层与数据集:GIS将空间数据组织成一系列的专题图层和表格。由于GIS中的空间数据集具有地理参考，因此它们具有现实世界的位置信息并互相叠加。GIS集成了多种类型的空间数据在一个GIS中，同类型的地理对象集合被组织成图层，例如地块、水井、建筑物、正射影像以及基于栅格的数字高程模型（DEM）。明确定义的地理数据集对于一个实用的地理信息系统是相当重要的，同时专题信息集合使用层来组织，这样的思想也是GIS数据集一个关键的思想。数据集可以用于表达：原始量测值（例如卫星影像）经过解译的信息通过空间分析和建模处理而得来的数据通过层之间共同的地理位置，我们可以很容易地得到多个层之间的空间关系。GIS使用普通的对象类来管理这些简单的图层，同时凭借一套功能丰富的工具获取数据层之间的关键联系。GIS会使用通常是来自不同组织机构，并且具有各种表现方式的大量数据集。因此对于GIS数据集很重要的是：使用简单并易于理解易于同其他的地理数据集结合使用能够被有效地编辑与校验5能够形成具有内容详实，使用和目标描述明确的清晰文档任何的GIS数据库或者用基于文件的数据组织方式都遵循这些共同的原则与概念。每个GIS都需要有一个机制依据这些原则来描述地理数据，并且通过一套综合的工具来使用和管理此信息。从空间可视化的角度：空间可视化是指生成地图以及其它地理信息的表现形式，包括交互式地图，3D场景，简报，图表，基于时间的浏览以及表现网络关系的图解示意图。GIS使用包括交互式的地图和其它视图来对地理数据集进行操作。地图为人们如何方便地、交互地使用地理信息提供了一个强有力的途径。对于大多数的GIS应用来说，交互式地图提供了主要的用户界面，并且在不同级别的应用中――从手持移动设备的到基于浏览器的网络绘图以至高端的桌面GIS，都可以看到交互式地图的应用。GIS地图类似于静态的、打印出来的地图，所不同的是你能够交互地使用它们。你可以方便地漫游、缩放一幅交互式地图，可以让某些图层在适合的比例尺下自动显示或关闭。你可以基于任意的属性给一个图层设置符号。例如，你可以根据地块的类型给它们施以不同的颜色，或者根据水井的水量给代表水井的点设置不同尺寸的符号。你也可以在一幅交互式地图中指定地理对象来获取更多的关于这个对象的信息，并执行空间查询和分析。例如，你可以找到学校附近200米以内的所有特定类型的商店，或者找到选定的道路500以内的所有沼泽地。此外，大部分的GIS用户是通过交互式的地图来编辑空间数据的。6地图用以表达地理信息，执行大量基于地图的任务，包括高级的数据编辑、制图、分析、查询和外业数据采集除地图以外，其他交互式的视图，如按照时间顺序发生的事件描述，全球模拟图，以及图解都在GIS中被作为某种表现方式而使用。GIS用户通过交互地图，实施众多的从简单到复杂的GIS任务。这也是对于一个组织来说一种最主要的获得GIS信息的方式。开发人员经常嵌入地图到定制的应用中，许多用户也为某种GIS应用在Internet上发布Web上使用的地图。按照时间顺序模拟台风的轨迹7使用图解显示输气管道在用户开发的应用中嵌入地图使用ArcGlobe显示珠穆朗玛峰的登山路线以上四个例子分别为在追踪分析（TrackingAnalyst）中显示基于时间的信息（此信息可以被记录为事件），ArcGISSchematics的例子，使用MapControl控件实现地块搜索的陷入式开发应用的例子和一个ArcGlobe显示的效果。从空间处理的角度：从另外一个角度来看GIS是一系列地理数据集的和应用于这些数据集的操作工具。地理数据集可以是原始的量测（比如卫星图像），被分析者解析和编译出来的信息（例如道路，建筑物，土地类型），或者使用分析和模型运算从其他数据源中得来的信息。空间处理指的是用来生成派生数据集的工具和处理过8程。GIS包括了一套丰富的工具来处理和作用于地理信息。这一工具集通常被用来操作GIS信息对象比如数据集，属性字段，以及地图打印用的制图元素。这些综合的命令和数据对象结合在一起就构成了空间处理框架的基础。数据＋工具＝新的数据GIS工具是建立复杂处理过程的基石。对一个已有数据应用一个工具处理是为了得到新的数据结果。在GIS中，使用空间处理的框架将这些集中了多个步骤的操作贯穿起来。把一系列的操作串起来就形成了一个处理模型，这个模型可以被用来自动执行和记录许多GIS中的空间处理任务。这种处理组合和应用过程就被认为是空间处理。一个完整的GIS包括常规的信息和一组丰富的用于处理信息的GIS操作。例如，ArcGIS拥有一套丰富的语言，以及上千个应用于各种GIS数据类型的操作工具空间处理过程空间处理通过为数据从一种结构到另外一种结构的变换过程建模来实现多种GIS任务。例如，从多种格式导入数据，整合这些数据到GIS中，对导入的数据执行一些标准质量和有效性的检查，这样的一个过程就可以用空间处理建立成模型。自动执行和重复这些流程是GIS一个强大的能力。它已经被广泛的使用于GIS应用和方案中。用来建立空间处理流程的一种途径就是按照一定的顺序来执行一些命令。用户可以在ArcGIS中使用ModelBuilder通过图形的方式编写这样的过程，他们也可以使用先进的脚本编辑工具比如Python，VbScript，和JavaScript来写脚本。空间处理实际上可以在GIS的所有方面都加以应用，如数据的自动化生成和编辑，数据的管理，分析和建模以及高级制图。9在一个空间处理框架中，GIS包含一组工具和可以被处理的数据类型。在ArcGIS中可以创建，执行和共享这些多步骤的空间处理操作数据编辑使用空间处理创建的能自动执行的程序是需要能保证数据的质量和完整性的，以便能够执行重复的质量保证/质量控制（QA/QC）任务。应用空间处理方式来自动完成工作流有助于一系列工作流程的共享和传递，完成批处理任务以及记录派生数据的关键操作分析和建模空间处理对于建模和分析来说是一个关键的框架，一些通常的建模应用包括：为适宜性，可行性，预测和选择评估而建立的模型整合GIS外部模型模型共享在一个组织内可被共享的通用模型数据管理在所有的GIS应用中，管理GIS的数据流是非常重要的。GIS用户应用空间处理的功能从数据集中导入导出数据，以多种格式发布数据，如地理标记语言（GML）规范，连接相邻的数据集，更新GIS数据库的结构以及在数据库中执行批处理。10合并已有数据，创建新数据制图高级空间处理工具可以被用来获得多比例的地图，完成地图综合操作以及为打印高质量的地图产品自动执行许多绘图QA/QC工作流程。GIS信息管理:地理信息管理与标准的信息技术体系结构有很多相同的概念和特征，并且同样可以在集中式的，企业级的环境中运行良好。例如，GIS数据集可以在关系型数据库中被管理，就像其他的企业信息一样。许多高级应用逻辑通常都可以应用于存储在数据库管理系统（RDBMS）中的数据。像其他的事务性企业信息系统一样，GIS可以管理地理数据库中数据连续的变化以及更新。但是GIS和它们在许多重要的方面还是有所不同。GIS数据是复杂的GIS数据在要素的数量和大小方面都是巨大的。例如一个普通人口业务查询只会从DBMS中提取几行数据，而绘制一幅GIS将会需要从数据库中查询出成百上千的记录。加上每一条记录获得的栅格和矢量的几何属性将会更大。GIS数据还有复杂的关系和结构，比如网络，地形和拓扑。GIS数据编辑是高级而专业的工作建立和维护GIS的空间数据库需要完整的编辑应用。遵循地理规则及命令的专业空间处理对于维护地理和栅格数据的完整性和行为规则是必要的。因此，GIS数据编辑的花费是高昂的。这也是为什么用户不得不经常共享数据集的原因之一。一个地理信息系统是事务性的11野外离线数据编辑的工作流程和在其他的数据库管理系统一样，许多的数据更新通常会应用于GIS数据库。因此GIS数据库，和其他的数据库一样，必须支持更新事务。但是，GIS用户有一些特殊的事务需求。这里有一个主要的概念就是长事务。在GIS中，一个单一的编辑操作能涉及到多个表格中的多行的变化。在用户提交之前，需要能做undo和redo的操作。编辑会话能维持几个小时甚至几天。在许多情况下，对数据库的更新过程需要经过一系列的阶段。例如公用设施管理行业中，通常的工作阶段包括“设计”，“已提交”，“认可”，“在建”和“建成”。这个进程从根本上说是可以循环的。工作流程产生以后，分配给工程师，然后随着时间的进展从一个阶段到另一个阶段进行，最后，这些改变被“提交”，12或者回复到原有的共享数据库状态。GIS工作流程可以持续几天几个月。然而GIS数据库仍然需要持续的支持日常的操作。其他的用户对共享的数据库可能需要形成各自的数据浏览视图和数据库状态。其他的一些GIS数据工作流程例子包括：离线编辑：一些用户需要有从数据库中取出一部分，然后复制它到另外一个独立的系统中去的能力。例如对于野外编辑，你可以拿出一部分数据到野外进行编辑，更新，然后提交