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1、地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)实习二基于栅格图像的矢量数据生产与互联网数据获取1 实习目的掌握基于栅格数据（含遥感影像数据）生产矢量格式数据的方法和步骤，初步了解互联网空间可以获取的多种数据来源。具体实习内容如下：(1) 掌握建立 shapefile 文件的基本流程与方法，理解数据文件、要素数据集与要素类的关系。(2) 利用给定的河北地图栅格图像，进行栅格图像配准，并通过鼠标手工跟踪栅格图像，生产矢量地图要素；掌握矢量数据捕捉环境的设置与使用方法。(3) 掌握 shapefile 文件属性结构定义域修改方法，掌握两种属性数据采集方法。(4) 熟悉常见的国内外免费数据提供网站，及
2、其提供的数据格式。2 实验环境与数据准备(1) 软件准备：ArcMap、ArcCatalog 或 Catalog Window（ArcGIS Desktop 10.2）；(2) 数据准备：河北地图栅格图像、某区域遥感卫星数据、河北省各地市社会经济数据。3 实习内容与步骤矢量数据生产的主要途径之一是根据栅格图像的纹理特征进行矢量化。栅格图像可以来自航空或航天遥感数据（未经分类、抽象和概括的原始地表影像或光谱反射结果），也可以是对已出版的纸质地图（经过要素分类、概括）等扫描获取。矢量数据采集时，可以按照地理坐标（经纬度）进行采集，也可以按照投影之后的平面直角坐标进行采集，本练习采用地理坐标，等采集
3、完成之后，再根据要求进行投影变换。3.1栅格图像扫描获取通过工程扫描仪，将纸质的河北省行政区划简图扫描，以 Tiff 格式 300dpi 以上分辨率存储，文件名 hbdt.tif。该文件是采集河北省地市级行政区划单元、铁路、水系、地级市等空间要素，和要素基本属性信息的基础底图。3.2扫描栅格图像配准(1)在 ArcMap 中，新建地图文档，用【Standard】工具条上的（Add Data）工具加载待配准的河北政图 2- 1 缺少空间参考信息提示区图栅格影像（hbdt.tif），或者通过 Catalog Window 找到栅格数据文件直接拖拽至 ArcMap 地图视图窗口。加载栅格数据时，系统
4、提示缺少空间参考信息（图 2- 1），忽略即可；如果系统提示是否建立图像金字塔，可以选择建立金字塔，以提高栅格影像显示与访问效率。原始图像打开后的效果如图 2- 2 所示，状态条中显示的坐标信息是扫描仪软件自定义坐标，没有地理意义；- 1 -实习二基于栅格图像的矢量数据生产与互联网数据获取图2- 2 添加的原始栅格数据（未进行栅格配准）(2) 在工具条或菜单栏区域点击右键，选择【Georeferencing】工具，启用图像配准功能。点击Georeferencing 下拉菜单，去掉【Auto Adjust】选择项，并在 Layer 下拉框中选择新添加的影像图层（hbdt.tif）作为目标对象（图
5、 2- 3 左）。(3) 选择【Georeferencing】工具条上的 View Link Table 命令，调出 Link Table 对话框（图 2- 3 右），可以随时观察输入控制点的详细坐标信息。View Link TableAuto RegistrationAdd Control Points去掉选择项图 2- 3 Georeferencing 工具条（左），尚未添加控制点的 Link Table 对话框（右）(4) 利用 Add Control Points 工具添加控制点。在栅格底图上选择至少 4 个已知坐标的控制点用于图像配准。根据地图上的经纬网交叉点可以选择四个控制点，控制
6、点最好分布在地图的四角。本实验中依次输入 4 个控制点：（114,42）、（119,42）、（114,36）、（117,36）。由于去掉了 Auto Adjust 功能，添加控制点时只保证原点位置准确即可，目标位置暂时可以任意放置，等待后续手工输入。输入控制点后，但未调整目标坐标值的图像如图 2- 4 所示。- 2 -地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)图 2- 4 初步添加 4 个配准控制点后的地图，Link Table 中的 X Map、Y Map 还未修改(5) 手工修改每个 Link 的 X Map、Y Map 坐标位置信息为理论上的地理坐标值，确认控制点 Link 添加无误
7、后，勾选 Link Table 中的 Auto Adjust 选项，ArcMap 自动计算配准误差。由于控制点目标坐标与原始坐标相距较远超出了当前视图窗口的坐标范围，因此纠正后的图像被移出当前窗口，通过【Standard】工具条上的（Full Extent）按钮，缩放地图到当前窗口即可看到配准结果。配准之后的栅格地图如图图 2- 5 所示。点击 OK 按钮，关闭 Link Table，初步配准完成。(6) 确认配准成功后，可以选择【Georeferencing】工具中 Georeferencing 下拉菜单，选择【Update Georeferencing】，永久保存配准结果。图2- 5 手工
8、修改 Link Table 中的控制点信息，并自动校正后的地图结果- 3 -实习二基于栅格图像的矢量数据生产与互联网数据获取3.3新建矢量数据文件本实习以 shapefile 文件格式存储各类矢量数据要素。Shapefile 格式是 ArcGIS 支持的简单矢量数据文件格式，包括点、线、面（多边形）等不同的文件类型，每个 shapefile 数据是由一组相同名称但扩展名不同的文件组成的，在 Catalog Window 中只显示主文件（*.shp）。根据地图资料和数据生产主题要求，将建立地市行政区多边形文件（hb_district）、交通线文件（hb_traffic）、水系线文件（hb_riv
9、er）、城市点文件（hb_city）等相关数据文件。图2- 6 新建 shapefile 数据文件(1) 创建各个 shapefile 数据文件：在 ArcCatalog Window 中，选择准备新建数据文件的文件夹点击右键，选择【New】【Shapefile】菜单项，弹出 Create New Shapefile 对话框，为行政区多边形创建shapefile。在 Name 文本框中输入数据文件名称“hb_district”，选择要素类型（Feature Type）为 Polygon， Spatial Reference 暂时可不定义，点击 OK 按钮完成该文件的创建（图 2- 6）。(2)
10、 完善 shapefile 文件的属性结构。右键选择新生成的 hb_district 文件，选择【Properties】菜单项，弹出 shapefile Properties 对话框。选择 Fields 选项卡，为该文件定义属性字段：例如添加 Name字段用于存储行政区名称，字段类型文本型（Text），字段长度 20；添加 PopNum 字段用于存储人口数量，字段类型 Long Integer，字段长度系统分配等（图 2- 7）。(3) 其它 shapefile 文件的建立。按照上述流程，分别建立交通线文件（hb_traffic ）、水系线文件（hb_river）、地级城市点文件（hb_cit
11、y）。在建立其它文件的过程中，注意选择正确的点、线、面要素类型（Feature Type）。(4) 按照实习数据中 Word 文档提供的的各地市和各城市的人口、生活消费、就业、市政公共事业等属性统计数据，逐一修改行政区和地级城市相关文件的属性结构，用于存储属性数据。图 2- 7完善shapefile文件的属性结构- 4 -地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)(5) 地图文档保存。在 Catalog Window 中新建的各 shapefile 文件可以自动添加到当前地图文档的焦点地图中，并按照点、线、面类型顺序排列。如果是在 ArcCatalog 中新建的数据文件，也可以通过添加图层
12、的方法加到当前地图文档中。当前文档中的栅格和矢量图层都准备好后，可以点击【Standard】工具条上的按钮或选择菜单【File】【Save】，保存当前地图文档，命名为“河北政区图”。3.4空间数据采集输入3.4.1多边形要素数据采集输入(1) 在工具条或菜单栏区域点击右键，选择启用 Editor 工具条，相关系统界面配置效果如图 2- 8。(2) 启用捕捉环境。选择 Editor 工具中的【Editor】【Snapping】【Snapping Toobar】菜单项，弹出 Snapping 子工具条，用于设置当前文档中的编辑捕捉环境。启用 Point Snapping、End Snapping、
13、 Vertex Snapping、Edge Snapping 四种捕捉状态，必要时也可点击【Snapping】下拉菜单，设置 Intersection Snapping、Midpoint Snapping 和 Tangent Snapping 等精细化捕捉选项。(3) 启用编辑状态。选择 Editor 工具条，【Editor】【Start Editing】，此时系统调出 Creat Features窗口，列出当前可以编辑的图层，同时在 Construction Tools 栏目中列出对应不同要素类型的可用工具选项。(4) 输入首个多边形。选择 Creat Features 窗口中的 hb_di
14、strict 要素类，选择 Construction Tools 栏目中的 Polygon 工具，参照栅格底图上的地区边界，从任意位置开始通过鼠标左键点击取点方式，在该图层中输入第一个多边形要素，输入过程见图 2- 8，完成边界追踪后双击鼠标，或者点击鼠标右键，选择【Finish Sketch】菜单项，结束多边形绘制。Editor 工具条Snapping 工具条Creat Features 窗口Construction Tools图2- 8 编辑工具条的启用、捕捉环境设置与独立多边形录入(5) 公共边界多边形的输入。如果所输入多边形与已经输入的其它矢量多边形没有共边界，即仍为独立多边形，则可以
15、按第一个多边形的输入方法采集。从输入第二个多边形开始，就有可能出现公共边界问题，例如采集邢台地区多边形时，就涉及到与刚刚输入的邯郸地区多边形的公共边界。相邻多边形的公共边界不必再重复数字化，而是采用自动完成多边形工具进行采集。具体方法如下：首先选择Construction Tools 栏目中的 Auto-Complete Polygon 工具；其次，在已经输入第一个多边形要素的公共边任意一个端点处由系统自动捕捉鼠标后点击左键确认第一个公共点；第三，开始采集非公共边部分的坐标点，当采集至公共边另一端时，再次由系统捕捉已有的公共点坐标；第四，捕捉成功后双击鼠标左- 5 -实习二基于栅格图像的矢量数
16、据生产与互联网数据获取键，系统自动按照公共边界完成新采集的多边形录入（图 2- 9）。(6) 对于准备采集的多边形与多个已采集的多边形具有公共边界时，只需将多个公共边界按照一条边界对待，采用上述步骤进行采集即可。(7) 重复以上多边形生产方法，把河北省所有的 11 个地区多边形全部矢量化，注意利用 Editor 工具条【Editor】【Save Edits】，及时保存采集内容。图2- 9 公共边界多边形要素的矢量化3.4.2线要素数据采集输入线要素数据的采集（交通、河流要素），首先需要选择 Creat Features 窗口中相应的要素类，如hb_Traffic，然后选择 Constructi
17、on Tools 栏目中的 Line 工具，参照栅格底图上的要素位置，从线要素的一端开始，通过鼠标左键点击取点方式输入线要素，一个线要素追踪完成后双击鼠标，或者点击鼠标右键，选择【Finish Sketch】菜单项，结束线要素绘制（图 2- 10）。完成后（或采集部分要素后）选择 Editor 工具条【Editor】【Save Edits】，及时保存采集内容。当多边形要素类的显示方式为颜色填充时，会遮盖栅格底图的相关信息，可以通过点击 ArcMap 左侧内容表（Table Of Contents）中的多边形图层名称下面的符号图标，在弹出的 Symbol Selector 中将多边形渲染方式修改
18、为透明的晕线填充或只有边界线的无填充模式，以方便其它要素的输入。- 6 -地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)点击该图标弹出 Symbol Selector图2- 10 多边形渲染方式的修改，线状要素的矢量化3.4.3点要素数据采集输入点要素数据集采集（城市要素），首先选择 Creat Features 窗口中的相应的点要素类（如 hb_City），然后选择 Construction Tools 栏目中的 Point 工具，参照栅格底图上的城市要素位置，通过鼠标左键点击取点方式输入点要素（图 2- 11）。完成后（或采集部分要素后）及时保存采集内容。点要素显示方式的修改：通过点击 A
19、rcMap 左侧内容表中的点要素图层名称下面的符号，在弹出的 Symbol Selector 中将点要素的符号渲染方式修改为自己喜欢或项目要求的样式。图2- 11 点状要素的矢量化- 7 -实习二基于栅格图像的矢量数据生产与互联网数据获取3.4.4图形要素编辑修改(1) 线、多边形要素的形态编辑。点击 Editor工具条上的按钮，双击需要编辑的多边形或线要素，即可进入图形整形状态，同时弹出 Edit Vertices 子工具条；在整形状态下可以移动节点位置、增加或删除节点等（图 2- 12）。(2) 点要素坐标移动。点击 Editor 工具条上的 按钮，选择要移动的点要素即可进行坐标调整。3.
20、5属性数据采集输入属性数据可以采用两种常见的数据采集方式：Edit Vertices图2- 12 多边形、线要素的编辑修改单个要素属性窗口（Attributes）录入、多要素的浏览表方式录入。(1) 单要素属性窗口（Attributes）录入。在可编辑状态下，点击 Editor 工具条上的属性按钮，调出 Attributes 对话框，然后用或工具选择需要录入属性的空间要素，再点击 Attributes 对话框中该要素某个属性项的值域栏，即可进行属性值录入（图 2- 13）。图2- 13 单要素属性窗口方式的属性录入(2) 多要素的浏览表方式录入。在 ArcMap 左侧内容表中需要录入属性的图层
21、名字上点击右键，选择 Open Attribute Table 菜单项，调出属性浏览表（图 2- 14），进行属性逐条批量录入。(3) 属性添加过程中，注意利用 Editor 工具条【Editor】【Save Edits】，及时保存录入结果。3.6基于遥感影像的数据矢量化遥感影像是矢量数据生产的重要数据源，根据遥感影像的纹理和光谱信息，可以实现对地表覆盖物的提取、图2- 14 多要素的浏览表方式录入分类，获得用户需要的专题矢量格式数据。- 8 -地理信息系统原理与实践实习手册(2014 版)对遥感影像进行矢量化之前，同样需要影像预处理，例如影像拼接和裁切，利用已知控制点进行影像配准纠正，定义坐
22、标系统等。基于遥感影像的数据矢量化与基于扫描栅格地图的矢量化方法相同，但需要矢量化人员对采集要素的位置和边界等进行自主判断（图 2-15）。图2- 15 基于遥感影像的数据矢量化3.7基于互联网的数据获取互联网空间中免费的数据源越来越多，可以通过互联网寻找各种格式的免费数据并进行下载使用（或申请）。请注册地理空间数据云网站用户，尝试下载石家庄西部山区的 30 米 DEM 数据，并通过 ArcGIS 进行初步访问与操作。参考网站：地理空间数据云：http:/ Polygon”工具绘制多边形时，出现自动完成任务不能完成的情况（图 2-16）。可能的原因有以下两种：（1） 使用“Auto-compl
23、ete Polygon”工具绘制新的多边形时，没有捕捉到相邻多边形的公关节点；解决方案：启用 Editor 工具中的节点、结点、边的捕捉功能，新多边形绘制的起始点和终止点一定要捕捉到相邻多边形；或者保图2- 16 自动完成多边形任务出错证起始点和终止点都延伸到相邻多边形内部（参见图 2-17）（2）多边形文件的地理坐标系统或投影坐标系统未定义，导致绘制过程中坐标转换错误；起始、终止点延伸到邻多边形内解决方案：在 Catalog Window 中，选择多边形文件点击右键，在右键菜单中选择“Properties”菜单项，弹出 Shapefile Properties 对图2- 17 自动完成多边形操作要点- 9 -实习二基于栅格图像的矢量数据生产与互联网数据获取话框（图 2-18）。选择“XY Coordinate System”选项卡，为该数据选择合适的坐标系统定义。定义完成后，关闭地图文档，重新加载后再进行多边形绘制即可。选择合适的坐标系统图2- 18 为数据文件定义坐标系统- 10 -