第2章 ArcGIS基礎知識

2.1 ArcGIS10.x概述

ArcGIS10.x是ESRI公司開發的GIS產品家族，它集合了數據庫、軟件工程、網絡技術、移動技術、云計算等主流的IT技術，目的是提供給用戶一套完整的、開放的企業級GIS解決方案。本章主要介紹ArcGIS產品的發展史、構架等方面的內容。

ESRI(Environmental System Research Institute，環境系統研究所)創建于1969年，總部位于加州的雷德蘭茲。1982年ESRI發布第一套商業化GIS軟件ARC/INFO 1.0，可以在計算機上顯示點、線、面，并通過數據庫管理工具將屬性信息與之結合。ARC/INFO 1.0被公認為第一個商業化GIS系統。

1986年PC ARC/INFO的出現是ESRI軟件發展史上的又一個里程碑，它是為PC的GIS工作站而設計的。

1992年ESRI推出了ArcView軟件，人們可以用更少的投入就可以獲得一套簡單易用的桌面制圖工具。

在20世紀90年代，ESRI推出了基于Windows NT構架的Arcinfo產品，滿足用戶GIS和制圖多樣的選擇，同時奠定了ESRI在GIS市場的領頭羊地位。

2004年推出了新一代的ArcGIS 9，為構建完善的GIS系統提供了一套完整的軟件產品。

2010年ESRI推出ArcGIS 10，全球首款支持云構架的GIS平臺，使ArcGIS 10真正具備了3D建模、編輯和分析能力，并實現了三維空間向四維時空的飛躍，真正的GIS與RS一體化。

2.2 ArcGIS10.x家族

ArcGIS家族包含眾多的組成部分，最主要的幾部分如下，如圖所示：

? ArcGIS for Desktop - 一套集成的、桌面端的專業?GIS 應用程序。

? ArcGIS for Server - 將?GIS 信息和地圖以?Web 服務形式發布，并且支持企業級數據管理。

? ArcGIS for Mobile - 為野外計算提供移動?GIS 工具和應用程序。

? ArcGIS Online - 提供可通過?Web 進行訪問的在線云?GIS 功能。

2.2.1 ArcGIS桌面產品級別

ArcGIS桌面是GIS專業人士的主要工作平臺，用來管理復雜的GIS流程和應用工程，來創建數據、地圖、模型和應用。是在機構內部署GIS應用的起點和基礎。

ArcGIS桌面是一系列整合的應用程序的總稱，包括ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe、ArcScene、ArcToolbox 和Model Builder。通過通用的應用界面，用戶可以實現任何從簡單到復雜的GIS任務。根據用戶的伸縮性需求，ArcGIS桌面分為三個級別產品,如圖所示：

? ArcGIS for Desktop Basic：主要用于綜合性數據使用、制圖和分析；

? ArcGIS for Desktop Standard：在ArcGIS for Desktop Basic基礎上增加了高級的地理數據庫編輯和數據創建功能；

? ArcGIS for Desktop Advanced：是ArcGIS for Desktop的旗艦產品，作為完整的GIS桌面應用包含復雜GIS的功能和豐富的空間處理工具；

2.2.2 ArcGIS for Desktop應用程序概述

ArcGIS for Desktop是一個系列軟件套件，它包含了一套帶有用戶界面的Windows桌面應用：ArcMap，ArcCatalog，ArcGlobe，ArcScene，ArcToolbox和Model Builder，每一個應用都具有豐富的GIS工具。

2.2.2.1?ArcMap

ArcMap是ArcGIS for Desktop中一個主要的應用程序，承擔所有制圖和編輯任務，也包括基于地圖的查詢和分析功能。ArcMap通過一個或幾個圖層集合表達地理信息，而在地圖窗口中又包含了許多地圖元素，通常擁有多個圖層的地圖包括的元素有比例尺，指北針，地圖標題，描述信息和圖例，如圖所示。

2.2.2.2?ArcCatalog

ArcCatalog應用程序幫助用戶組織和管理所有的GIS信息，比如地圖、球體、數據文件、Geodatabase、空間處理工具箱、元數據、服務等。用戶可以使用ArcCatalog來組織、查找和使用GIS數據，同時也可以利用基于標準的元數據來描述數據。GIS數據庫管理員使用ArcCatalog來定義和建立Geodatabase。GIS服務器管理員則使用ArcCatalog來管理GIS服務器框架，如圖所示。自ArcGIS 10開始，已經將ArcCatalog嵌入到各個桌面應用程序中，包括：ArcMap、ArcGlobe、ArcScene。

2.2.2.3??ArcScense

ArcScene是ArcGIS桌面系統中實現3D可視化和3D空間分析的應用，需要配備3D分析擴展模塊。它是一個適合于展示三維透視場景的平臺，可以在三維場景中漫游并與三維矢量與柵格數據進行交互，適用于數據量比較小的場景進行3D分析顯示。ArcScene是基于OpenGL的，支持TIN數據顯示。顯示場景時，ArcScene會將所有數據加載到場景中，矢量數據以矢量形式顯示，如圖所示。

2.2.2.4?ArcGlobe

ArcGlobe是ArcGIS桌面系統中實現3D可視化和3D空間分析的應用，需要配備3D分析擴展模塊。ArcGlobe提供了全球地理信息連續、多分辨率的交互式瀏覽功能，支持海量數據的快速瀏覽。像ArcMap一樣，ArcGlobe也是使用GIS數據層來組織數據，顯示Geodatabase和所有支持的GIS數據格式中的信息。ArcGlobe具有地理信息的動態3D視圖。ArcGlobe圖層放在一個單獨的內容表中，將所有的GIS數據源整合到一個通用的球體框架中。它能處理數據的多分辨率顯示，使數據集能夠在適當的比例尺和詳細程度上可見。

ArcGlobe交互式地理信息視圖使GIS用戶整合并使用不同GIS數據的能力大大提高，而且在三維場景下可以直接進行三維數據的創建、編輯、管理和分析，如圖所示。

2.2.3 ArcGIS for Desktop常用擴展模塊

ArcGIS提供了一系列的常用擴展模塊，用來擴展產品的功能。通常情況下，根據這些擴展的用途，可分為兩大類：

2.2.3.1?空間分析模塊（ArcGIS Spatial Analyst）

ArcGIS Spatial Analyst模塊提供了眾多強大的柵格建模和分析的功能，利用這些功能可以創建，查詢，制圖和分析基于格網的柵格數據。使用ArcGIS Spatial Analyst，用戶可從現存數據中得到新的數據及衍生信息，分析空間關系和空間特征，尋址，計算點到點旅行的綜合代價等功能。同時，還可以進行柵格和矢量結合的分析，如圖所示。

利用空間分析模塊能夠進行以下分析：

? 距離分析、密度分析

? 尋找適宜位置、位置間的最佳路徑

? 距離和路徑成本分析

? 基于本地環境、鄰域或待定區域的統計分析

? 應用簡單的影像處理工具生成新數據

? 對研究區進行基于采樣點的插值

? 進行數據整理以方便進一步的數據分析和顯示

? 柵格矢量數據的轉換

? 柵格計算、統計、重分類等功能

2.2.3.2?三維可視化與分析模塊（ArcGIS 3D Analyst）

ArcGIS 3D Analyst模塊提供了強大的、先進的三維可視化、三維分析和表面建模工具。通過ArcGIS 3D分析模塊，你可以從不同的視點觀察表面、查詢表面、確定從表面上某一點觀察時其它地物的可見性，還可以將柵格和矢量數據貼在表面以創建一副真實的透視圖，還可以對三維矢量數據進行高端分析。使用ArcGIS 3D分析模塊，你可以有效的編輯和管理三維數據。

ArcGIS 3D分析擴展模塊的核心是ArcGlobe應用程序，ArcGlobe提供瀏覽多層GIS數據、創建和分析表面的界面，高效的處理柵格、矢量、地形和影像數據集。

利用ArcGIS 3D Analyst模塊能夠進行以下分析：

? 進行表面創建和分析，支持Terrain Datasets

? 建立ArcGIS所支持的數據格式的表面模型，其中包括CAD、shapefiles、coverages和 images數據格式

? 進行交互式透視圖的顯示和分析，包括拖動和縮放、旋轉、傾斜以及飛行模擬

? 模擬諸如建筑物的現實世界表面特征

? 模擬水井、礦、地下水以及地下儲藏設施等地下特征

? 從屬性值來生成飛行的三維表面

? 把二維數據遮蓋在表面上且在三維空間中顯示

? 計算表面積、體積、坡度、坡角以及山陰影

? 進行視域和視線分析、點的高度插值、畫剖面圖以及最陡路徑判斷

? 進行日照分析、三維緩沖區分析、最大建筑高度分析、三維網絡分析等高端三維應用分析，如圖2.12、2.13所示

? 使用許多數據圖層效果諸如透明度、亮度、陰影以及深度優先

? 生成二維或三維要素的等高線

? 基于屬性或位置的三維數據查詢

? 在網絡上利用VRML輸出顯示數據

?創建可視化的動畫（AVI,MPEG, QuickTime）

? 在三維可視化場景中進行編輯和管理3D數據

? 在三維可視化場景中疊加視頻

? 天際線分析、最大建筑高度分析、三維網絡分析等高端三維應用分析

2.2.3.3?地理統計分析模塊（ArcGIS Geostatistical Analyst）

ArcGIS Geostatistical Analyst模塊為空間數據探測、確定數據異常、優化預測、評價預測的不確定性和生成數據面等工作提供各種各樣的工具，其主要能夠完成探究數據可變性、查找不合理數據、檢查數據的整體變化趨勢、分析空間自相關和多數據集之間的相互關系以及利用各種地統計模型和工具來做預報、 預報標準誤差、計算大于某一值的概率和分位圖繪制等工作。如圖所示。

2.2.3.4?網絡分析模塊（ArcGIS Network Analyst）

ArcGIS Network Analyst擴展可以幫助用戶創建和管理復雜的網絡數據集合，并且生成路徑解決方案。ArcGIS Network Analyst是進行路徑分析的擴展模塊，為基于網絡的空間分析（比如位置分析，行車時間分析和空間交互式建模等）提供了一個完全嶄新的解決框架。該擴展模塊將幫助ArcGIS for Desktop用戶模擬現實世界中的網絡條件與情景。ArcGIS Network Analyst模塊能夠進行行車時間分析、點到點的路徑分析、路徑方向、服務區域定義、最短路徑、最佳路徑、鄰近設施、起始目標點矩陣等分析。

ArcGIS Network Analyst使得ArcGIS用戶可以利用地理網絡來解決各種問題。許多基于網絡的任務都可以被執行，如尋找最高效的旅游線路或者最近的設施，生成旅游向導，以及確定基于旅游時間的服務區域。如圖所示。

2.2.3.5?追蹤分析模塊（ArcGIS Tracking Analyst）

ArcGIS Tracking Analyst模塊提供時間序列的回放和分析功能，可以幫助顯示復雜的時間序列和空間模型，并且有助于在ArcGIS系統中與其他類型的GIS數據集成的時候相互作用。該模塊擴展了ArcGIS桌面功能，它提供了多種分析工具和功能，能夠和其它的擴展模塊結合起來為交通、應急反應、軍事以及其它領域的用戶實現功能強大的應用。

用戶可以使用ArcGIS Tracking Analyst模塊顯示分析時間數據，包括隨著時間變化追蹤要素的移動軌跡，以及某個時間段特定位置的追蹤系統值的變化。

2.2.3.6?數據互操作模塊（ArcGIS Data Interoperability）

使用ArcGIS Data Interoperability擴展可以直接讀訪問110多種空間數據格式，包括GML、DWG/DXF文件、MicroStation Design文件、MapInfo MID/MIF文件和TAB文件類型等。用戶可以通過拖放方式讓這些數據和其它數據源在ArcGIS中直接用于制圖、空間處理、元數據管理和3D Globe制作。例如，所有制圖功能都可使用這些數據源，包括查看要素和屬性、識別要素和進行選擇。

ArcGIS Data Interoperability技術來自Safe軟件公司（世界領先的GIS互操作提供商）的FME（Feature Manipulation Engine）產品。其中，包含了FME Workbench應用程序，它提供一系列數據轉換工具用來構建復雜矢量數據格式的轉換器。

2.2.3.7?描矢量化模塊（ArcScan for ArcGIS）

ArcScan for ArcGIS是為ArcGIS for Desktop擴展的柵格編輯和掃描數字化等能力。它通常用于從掃描地圖和手畫地圖中獲得數據。

使用ArcScan for ArcGIS模塊，能夠實現從柵格到矢量的轉換任務，包括柵格編輯，柵格捕捉，手動的柵格跟蹤和批量矢量化。ArcScan for ArcGIS使用交互式矢量化和自動矢量化的要素模板，要素模板是在ArcGIS 10 的時候開始提供的增強編輯體驗之一。