根据ArcGIS的课程教学设计.doc

.- CHANG CHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 长春工程学院 勘查与测绘工程学院 课程设计 基于ArcGIS的长春工程学院湖东校区 地理信息系统设计 姓 名： 专 业： 测 绘 工 程 班 级： 测 绘 指导教师： 职 称： 年 月 日 长春工程学院勘查与测绘工程学院 地理信息系统课程设计评分表 班级： 学号： 姓名： 项 目 比例 评价标准 得分 出勤情况 10% 缺勤一次扣2分，扣满为止（10分） 口头答辩成绩 20% 回答问题是否准确，思路是否扼要清晰。（20分） 电子成果 30% 成果整理是否清晰，命名是否规范，地理数据是否完整；数据库设计是否完整、合理、规范，是否存在拓扑错误 （30分） 报告 40% 报告内容结构是否完整、全面、合理，论证是否充分，方案是否合理，层次是否清楚，结论是否严谨；设计计算及图表表达是否正确，表述是否精练，思路是否清晰，图文是否工整、规范，技术用语是否准确，格式是否规范。（40分） 总 分 评分教师： 2015年1月 日 目 录 1 引言 1 2 校园地理信息系统研究现状 3 3 长春工程学院湖东校区地理信息系统设计 3 3.1 系统分析： 3 3.2 系统设计 4 3.3 系统实施 10 3.4 编辑 12 3.5 地形图的配准 18 3.6 系统运行与维护 20 4 课程设计总结 21 参考文献 21 1 引言 1.1 课程设计的来源 地理信息系统课程设计是在完成地理信息系统的课堂教学后进行的，通过学生在课堂上所学到的知识进行课程设计。 1.2 课程设计目的 地理信息系统课程设计的目的是加深学生对地理信息系统基本概念、基本原理的理解，提高学生的地理信息系统的理论水平和分析问题、解决问题能力以及编写实习报告的能力。并且锻炼学生使用软件进行成图以及进行相关的分析能力。 1.3 课程设计要求 利用流行GIS软件进行数据采集，存储地理数据。建立较完整的基于GIS平台软件的一个小型地理信息系统。 1.4 课程设计应解决的主要问题 应用软件描绘出长春工程学院东校区地形图并对图形进行各种处理 1.5 课程设计时间 时间：2015年12月20日到2015年12月31日 1.6 地理信息系统概述 概念 地理信息系统（GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。 组成 地理信息系统包括硬件设备和软件系统两大部分。地理信息系统主要硬件设备有： ①数据采集装置，有各种类型的数字化仪； ②人机图形交互装置，可采用高分辨率的彩色图形显示器和输入部件； ③中央处理装置，通常使用不同类型的数字计算机； ④数据存储设备，作为计算机的外存设备，主要是大容量的磁盘和磁带机； ⑤图形输出设备，有矢量式或光栅式绘图机、静电式符号打印设备等。 地理信息系统软件分为系统软件和应用软件。系统软件包括计算机系统提供的操作系统、语言编译系统、数据库管理系统和数学库，还有数字化操作软件、基本的显示绘图软件等。应用软件范围广泛，功能多样，如处理多边形信息和网格信息的各种程序、多元统计分析程序、各种地理分析程序以及应用绘图程序等。 发展空间 许多学科受益于地理信息系统技术。活跃的地理信息系统市场导致了GIS组件的硬件和软件的低成本和持续改进。这些发展反过来导致这项技术在科学、政府、企业和产业等方面更广泛的应用，应用包括房地产、公共卫生、犯罪地图、国防、可持续发展、自然资源、景观建筑、考古学、社区规划、运输和物流。地理信息系统也分化出定位服务(LBS)。LBS使用GPS通过所在地与固定基站的关系用移动设备显示其位置(最近的餐厅,加油站,消防栓),移动设备(朋友,孩子,一辆警车)或回传他们的位置到一个中央服务器显示或作其他处理。随着GPS功能与日益强大的移动电子(手机、pda、笔记本电脑)整合，这些服务继续发展。 行业概况 作为数字地理信息系统行业领军者的北京傲唯刃道科技有限公司认为：供求关系是一个地理信息系统行业能否快速发展的前提。目前来看，市场需求是很大的，而供应方面却略显不足，尤其是拥有核心知识产权，专利产品及服务质量过硬的企业并不多，行业整体缺乏品牌效应。在需求旺盛的阶段，行业需求巨大，发展前景好，这是毋庸置疑的。傲唯刃道号召业内企业共同努力，尤其需要发挥尽善尽美的研发精神，进一步提高研发技艺，降低成本，真正解决客户的实际困难，严把质量关，提供最可靠的产品及服务。 指导思想 地理信息系统地理信息系统是一门综合性的应用学科，它对于学生的地理科学及信息科学、计算机科学基础要求比较高。同时，地理信息系统目前发展非常迅速，应用越来越广泛，因而尽管本课程是一门基础课程，其内容的更新速度确实非常迅速的。结合这些特点，基于课程目的和课程定位，本课程建设的基本指导思想是： 第一：坚持理论与实践相结合。本课程作为本科生的入门课程，对相关的基础概念、基础知识及基本原理需要进行充分、翔实的讲解，使学生牢固的予以掌握 第二：坚持基础理论体系与最新进展相结合。本课程讲授地理信息系统的完整的理论体系与框架，以便为学生的后续学习研究打好基础。 第三：坚持个性化教育的原则。地理信息系统是一个交叉学科，需要的专业背景知识较多，包括地理科学、信息科学及计算机科学等，同时其应用方向又非常广泛。 第四：积极运用新型的教学手段。针对课程中的重点与难点，本课程积极采用文字、图片、视频、动画等新型教学手段，以提高课程的趣味性，提高学生的参与程度，帮助学生进行理解和记忆。由于地理信息系统本身就是软件系统，因而课堂教学讲授中还采用了现场操作、现场演示的教学方法，并大力鼓励学生走上讲台进行操作，大大提高了学生的参与程度。 2 校园地理信息系统研究现状 随着地理信息系统(GIS)技术、网络技术的快速发展,数字城市、数字小区、数字校园的建设有了显著的成果。数字校园系统的研究与开发对提高校园管理水平有着重要意义。 在探讨了GIS国内外现状和发展趋势的基础上,研究了ArcGIS的概念和特点、体系结构、实现形式,同时对ArcGIS的发展、实现技术以及开发平台等重要技术特征进行系统的分析和比较。通过需求分析和功能分析,确定校园地理信息系统的主要功能:数据的存储与更新功能,信息检索、查询与分析功能,空间信息可视化功能,空间信息共享功能等。数据的规范通过数据编码来实现,根据一定的组织原则对数据格式进行了统一,并设计出了相应的校园地理信息系统空间数据库。论文探讨了基于ArcGIS10.1地图服务器的具体实现技术方案,详细的论述了系统的运行环境和体系结构以及ArcGIS的工作原理,在收集了现有校园的地理数据的基础上,矢量化了各种校园地理图件,并建立了数据库来存储空间数据库和属性数据数据,实现基于ArcIMS平台的校园地理信息系统。 论文取得的主要成果包括:研究建立了校园地理信息系统的领域模型、系统架构和结构设计;建立了通用的校园地理信息分类编码模型和数据组织模型;实现了大学校园地理信息系统实例,提供了高效率的数字化校园管理平台。 3 长春工程学院湖东校区地理信息系统设计 3.1 系统分析： 本系统的观点时间里一个长春工程学院湖东校区地理信息系统，通过对校园整体情况的分析，综合校园实地的基础与资料情况，针对本次课程设计我们提出了一些方法，例如，建立一个简单地校园地理信息数据库，运用本学期学习的ArcGIS软件进行处理和编辑。 主要是对长春工程学院湖东校区的校区概况进行分析调查，综合实地情况进行的设计。 本次调查需求的主要内容有一下几点： ① 建库数据的来源与测绘12级在大二数字化测图实习中的测图成果。 ② 获取数据的主要内容包括：校区内的各种建筑物、各种地物（路面、操场、草坪）。 ③ 本次实践主要是为了为长春工程学院湖东校区的学生提供一些校区详细信息，为了学校的发展提供一定的基础。 ④ 本次实践所获取的数据资料质量合格，完全能够适应本次实践，能建立一个合格长春工程学院湖东校区地理信息数据库。 可行性分析： (a) 数据库仅对本校学生有一定的认识作用，经济效益不明显，如果面向社会只能起到一个简单的演示作用。 (b) 本次实践都是我们自己通过所学习的知识进行的数据处理和建库，完全能够保证完成后任务的质量。 (c) 技术上的关键问题在于，如何对学校进行建库、属性的建立、拓扑关系的确定，以及影像的校正等。解决的计划主要是通过询问老师以及查询相关的辅导教材。解决的计划较为成功，大多数问题通过这些方法都已基本的得到了改善的完善。 (d) 本次实践获取的数据资料有以下： 一份校区cass数字化地形图 一份校区正射影像图 (e) 软件系统和开发能力只能保证数据库中现有的一些查询能力，但为了以后的有效补充分别在个各种查询中留有备用，以便为以后的进一步优化提供空间，但是开发能力可以完成系统的各项要求。 (f) 所提供的经费能有余地地保证任务完成及新系统产生效益估计。 (g) 任务的实践计划表合理并有适度的余量。 3.2 系统设计 3.2.1 总体设计 本次数据库的建立主要是满足同学对于本校大体情况的查询，目标是让本校同学能够在最短的时间和最简单直观的方法快速了解学校的情况。 数据库的总体结构是首先建立一个长春工程学院地理信息数据库，其次在数据库的基础上添加属性类，在进行地物的描绘工作，本次实践选用的ArcGIS 9.3。 本次实践设计的系统功能有：①查询功能②缓冲区建立③拓扑的建立 3.2.2 详细细化 该系统的查询功能建立初期应先建立一个长春工程学院数据库，然后在库中建立如下要素类：体育场、围栏、宿舍楼、教学楼、杂物楼、石砖路、草坪、路灯、道路、食堂等。 表1 体育场要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 体育场 name 文本 名字 面积 短整型 面积 备注 文本 备注 学号 长整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 SHAPE-Area 双精度型 面积 用途 文本 用途 表2 电线要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 电线 name 文本 名字 SHAPE-Length 双精度型 长度 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 长度 短整型 长度 表3 宿舍楼要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 宿舍楼 name 文本 名字 结构 文本 结构 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 SHAPE-Area 双精度型 面积 房间数 短整型 房间数 表4 教学楼要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 教学楼 name 文本 名字 房间数 短整型 房间数 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 结构 文本 结构 SHAPE-Length 双精度型 长度 SHAPE-Area 双精度型 面积 表5 行树要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 行树 name 文本 名字 树种 文本 树种 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 棵树 短整型 棵树 表6 石砖路要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 石砖路 name 文本 名字 SHAPE-Area 双精度型 面积 备注 文本 备注 学号 长整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 材质 文本 材质 用途 文本 用途 表7 路灯要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 路灯 name 文本 名字 备注 文本 备注 学号 长整型 学号 高度 双精度型 高度 表8 草地要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 草地 name 文本 名字 SHAPE-Area 双精度型 面积 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 面积 短整型 面积 表9 道路要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 道路 name 文本 名字 SHAPE-Area 双精度型 面积 备注 文本 备注 学号 长整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 表10 食堂要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 食堂 name 文本 名字 SHAPE-Area 双精度型 面积 备注 文本 备注 学号 长整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 表11 排水井盖要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 排水井盖 name 文本 名字 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 材质 文本 材质 表12 排污井盖要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 排污井盖 name 文本 名字 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 材质 文本 材质 表13 球场要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 球场 name 文本 名字 备注 文本 备注 学号 长整型 学号 用途 文本 用途 SHAPE-Length 双精度型 长度 SHAPE-Area 双精度型 面积 表14 花坛要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 花坛 name 文本 名字 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 SHAPE-Area 双精度型 面积 用途 文本 用途 表15 花棚要素类属性字段设计 字段名 数据类型 别名 OBJECTID 对象ID 花棚 name 文本 名字 备注 文本 备注 学号 短整型 学号 SHAPE-Length 双精度型 长度 SHAPE-Area 双精度型 面积 用途 文本 用途 3.3 系统实施 3.3.1 ArcCatalog简介 ArcCatalog是浏览、组织、分配、管理一个组织机构所有GIS数据的工具。 启动ArcCatalog。 单击工具栏上的ArcCatalog按钮，启动ArcCatalog。 图1 数据库的建立 ArcCatalog窗口左侧的Catalog目录树用来浏览和组织GIS数据，当前目录中的内容则显示在Catalog窗口的右面。在窗口中进行图层的编辑，分别输入地图中所要描绘的图形名称。 3.3.2 打开地图文档并浏览 图2 浏览地图文档 地图文档打开后，左边的称为内容列表，可以进行数据图层的管理，右边的区域可以进行数据的编辑。图层是对数据的引用，图层记录的是数据存放的路径以及数据的显示特性，用TOOLS工具条上的相应工具可以进行浏览地图。 3.4 编辑 在工具栏上点击EDITOR按钮下的“START STARING EDITORING”工具条开始进行编辑状态。 3.4.1 点击EDITOR工具条上的画笔，参照地图上所有建筑物的样式，用画图工具沿着建筑物的外轮廓线进行描绘。分别在上面所加载的各个图层下进行描绘，选择相应的符号，可进行线条的加粗，改变颜色等编辑。（如图14所示） 图3 勾勒地物 3.4.2 完成了建筑物轮廓的绘制后，还要更改建筑物的属性。选中该建筑物，点击编辑菜单中的属性对话框按钮可以打开属性对话框，分别进行编辑。 图4 打开属性 3.4.3 重复上面的步骤，依次完成各个建筑物的属性编辑 图5 地物属性编辑 3.4.4 点击编辑菜单下的停止编辑按钮结束编辑，并选择保存编辑成果。 3.4.5 设置数据显示 3.4.5.1 在内容列表里，单击相应的图层，在弹出的有右键菜单中选择PROPERTIES， 更改其所对应的相应数据。 图6 查看图层信息 3.4.5.2 在弹出的图层属性对话框中，选择“LABEL”选项卡，在该选项卡下更改相应的内容，既可以显示图层的标注。 3.4.5.3 设置标注文本的字体、颜色、大小等。 图7 标注样式修改 3.4.6 由线生成面把我们根据地图所描绘的建筑的线生成相应的面，在CATALOG下的自己所创建的文件中，右键选择由线生成面这个命令，会出现相应的对话框，在对话框中分别选择我们想要生成面的建筑物所在的图层，并更改相应的名字我们可以更改该面所在图层的颜色，对其进行编辑，依次选择所要生成的面，把所有能生成面的建筑物都生成面。 图8 画完的数据库图 3.4.7 进行拓扑编辑 在CATALOG中创建一个拓扑文件，保存在相应的位置，打开图形文件，加载拓扑关系，这时如有拓扑错误，则相应的线不会生成面，切会显示错误所在地方，即所画图形不对，没有闭合，这时要进行改正，把其所在的面和图层删除，重新开始编辑，画出其轮廓线，注意线条一定要闭合，然后在按照相应的由线生成面的方法进行生成，直至所有的图形都生成完毕。 在ArcCatalog中查看地理数据库时可以看到数据库表是由一系列的要素数据集和要素类构成，或仅由单一要素类构成。 图9 建立拓扑 图10 数据库图层显示拓扑 3.4.7.1 缓冲区的建立 利用ArcMap中的地图处理功能，在子选项中选择缓冲区的编辑，出现如图22的编辑窗口，然后根据自己的要求填写所需要缓冲区编辑，编辑完成后形成如图23形式，我所建立的路灯灯光影响范围缓冲区。 图11 缓冲区建立 图12 建立的缓冲区模型 3.4.8 地图整饰并输出 3.4.8.1 点击INSERT菜单，选择标题命令。即在地图上插入标题，输入标题内容，长春工程学院东校区地形图，然后确定，双击标题，可以进行标题的编辑，例如设置大小、颜色，选中标题来回托动，可以更改标题的位置。 经过以上操作后，长春工程学院东校区地形图已经制作完成了，可以点击FILE菜单下的保存命令进行存盘。更改相应的文件名。并和拓扑关系文件一起保存，以保证文件能打开。 3.5 地形图的配准 3.5.1 将校区卫星影像加载到arcgis中，使其与地形图重合，可以用来对比制作的地形图是否正常。 图13 卫星影像加载 3.5.2 影像与地形图校正，点击工具栏中的ArcToolbox，展开Data Management Tools，再展开Projections and transformations双击define projection，将卫星影像定义坐标系，我选取的是西安1980 3度 105E。 图14 定义坐标系 3.5.3 进行校正点位采集，将影像图上与地形图中的同名像点添加控制点。打开Georeferencing工具栏进行添加控制点。 图15 添加控制点 图16 校正后影像与地形图 图17 控制点数据 3.6 系统运行与维护 GIS工程涵盖范围很广，它贯穿工程设计、优化、建设、评价、维护更新等全过程，并综合考虑人的因素、物的因素，使其整体统筹考虑的范畴，做到“物尽其用，人尽其能”，以最小的代价取得最佳的收益。 GIS工程涉及因素众多，概括起来可以分为硬件、软件、数据及人。硬件是构成GIS系统的物理基础；软件形成GIS系统的驱动模型；数据是GIS系统的血液；人则是活跃在GIS工程中的另一个十分重要的因素，人既是系统的提出者，又是系统的设计者、建设者，同时还是系统的使用者、维护者。如果人的作用发挥得好，可以增强系统的功能，增加系统的效益，为系统增值，反之会削弱系统应有的潜能。如果说硬件、软件、数据表现出某种层次关系的话，即软件构筑于硬件之上，数据赖以软件而存在，那么，人的作用就是嵌入在整个GIS工程领域之中。 4 课程设计总结 为期两周的地理信息系统课程设计是重要的实践性教学环节，对相关专业的我们来说是培养我们的综合实践能力的一个重要的途径。通过这次实践，加深了我对地理信息系统的了解，也使得我对arcgis软件的运用有了能力上的显著提高，这使得即将毕业的我们又掌握了一项本领，也增长了我们的见识。 本次实践任务的地理信息数据库总共分为五层，首先长春工程学院地理信息数据库，然后是地物属性类，接下来是各类地物拓扑关系，下一个是缓冲区，最后是地形图的配准，如表16所示。 表16 数据库概况 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 长春工程学院地理信息系统 地物属性类 各类地物拓扑关系 缓冲区 地形图的配准 5 参考文献 5.1 《ArcGIS运用中对于数据处理的几种思路》 胡国贤(测绘科学) 5.2 《地理信息系统的发展与发展中的地理信息系统》王家耀( 信息工程大学测绘学院, 郑州; 苏州市数字城市工程研究中心,江苏苏州)