草业信息学课讲义兰州大学草地农业科技学院.docx

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草业信息学课讲义兰州大学草地农业科技学院

草业信息学实验课讲义

（修订版）

兰州大学草地农业科技学院

2012年3月

一、

课程概况

课程名称：

草业信息学实验

总学时数及课程安排：

本实验课共36学时，共3个学分，分9次实验课，每次4学时，本学期6-14周每周四上午上课。

学生专业及人数：

草业科学专业20人、草业科学基地班30人、农林经济管理专业39人，共计89人

教学条件：

榆中校区可容纳100人的计算机机房（C102）

教学方法：

课堂讲授示范和上机练习相结合

二、课程的性质、目的和任务

草业信息学是现代信息技术与草业科学相结合的新兴交叉学科，是草业科学的重要分支学科，它运用草原学、生态学和信息学等科学的理论与技术，重点研究现代信息技术及其在草业领域的应用，主要包括草业信息的数字化与可视化表达、处理、分析、集成和应用等。

草业信息学实验课是草业信息学课程的重要组成部分，本课程的实践环节由一系列验证性、设计性、综合性等递进式习作构成，可使学生循序渐进地掌握草业地理信息系统的基本功能，特别是通用的空间分析功能。

内容包括空间、属性信息查询，遥感图像处理、专题地图制作、数据输入，地图输出，邻近分析，叠置分析，网络分析，不规则三角网的应用等，涉及矢量、栅格、TIN三种数据模型，最后用综合分析帮助学生加深理解草业信息学的理论和方法。

通过本课程的教学，使学生能够学习并掌握草业信息学的基本方法和操作技能，深入理解草业信息学在草业科学研究领域的作用和角色。

熟悉信息学，尤其是地理信息系统方面的技术和方法，以及在草业科学领域的应用。

三、课程教学的基本要求

通过本课程的学习，要求学生学习掌握草业信息学在草业科学研究领域的应用方法，学习和掌握地理信息系统软件常规操作，帮助学生理解和掌握草业信息学的理论和方法。

四、教学参考书

1.Kang-tsungChang著，陈健飞译.地理信息系统导论（第五版）.科学出版社，2010.

2.汤国安，杨昕编著ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程科学出版社，2006.

五、考核和评价方式

采用随堂作业打分和考试相结合的考核方法，安排4次随堂作业，1次随堂考试，其中随堂作业占40%，随堂考试占60%。

六、实验课程课程教学内容

1.空间、属性信息查询，坐标系统和投影转换操作（4学时）

2.空间数据获取和编辑操作（4学时）

3.矢量数据分析基础操作（4学时）

4.遥感图像处理、专题地图显示输出（4学时）

5.栅格数据空间分析（4学时）

6.地统计分析和空间插值（4学时）

7.草地生物量遥感监测和模拟计算（4学时）

8.草业信息数据库设计和实现（4学时）

9.空间分析建模综合分析（4学时）

第一次实验课讲义

实验内容：

空间、属性信息查询，坐标系统和投影转换操作（4学时）

一、熟悉ArcGIS软件界面。

ArcGIS是ESRI公司发布的一套完整的GIS产品系列。

包括以下几个产品：

ArcGISDesktop-一套集成的、桌面端的专业GIS应用程序。

ArcGISServer-以Web服务形式提供GIS信息和地图，并且支持企业级数据管理。

ArcGISMobile-为野外计算提供移动GIS工具和应用程序。

ArcGISDesktop是一系列整合的应用程序的总称，包括ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox、ArcGlobe、ArcScene和ModelBuilder。

分为三个层次：

ArcGISDesktopBasic提供了全面的制图、数据使用、分析以及简单的数据编辑和空间处理工具；

ArcGISDesktopStandard提供高级编辑功能；

ArcGISDesktopAdvanced是一个全功能的GIS桌面产品。

ArcMap是ArcGISDesktop中一个主要的应用程序，承担所有制图和编辑任务，也包括基于地图的查询和分析功能。

ArcCatalog应用程序帮助用户组织和管理所有的GIS信息，比如地图、数据文件、空间处理工具箱、元数据、服务等。

ArcToolbox包括了ArcGISforDesktop提供的所有空间处理工具。

二、空间、属性信息的查询

ArcGIS软件可以实现空间数据的空间位置和属性信息的查询功能。

1在ArcMap中打开练习数据。

2使用Tool工具栏的Identity工具执行查询操作

（1）点击Identity工具按钮。

（2）在地图任意位置点击鼠标，弹出属性信息窗口。

（3）观察点击位置的空间信息（坐标）和属性信息（属性表）。

（4）尝试点击地图的不同位置，观察查询结果的异同。

（5）尝试画线、多边形进行查询操作。

三、定义投影

定义投影（DefineProjection），指按照地图信息源原有的投影方式，为数据添加投影信息。

具体操作如下：

1.展开DataManagementTools工具箱，打开ProjectionsandTransformations工具集，双击DefineProjection工具，打开DefineProjection对话框。

2.在InputDatasetorFeatureClass文本框中选择输入需要定义投影的数据。

3.CoordinateSystem文本框显示为Unknown，表明原始数据没有坐标系统。

单击CoordinateSystem文本框旁边的图标，打开SpatialReference属性对话框设置数据的投影参数。

4.定义投影有三种方法：

（1）单击Select按钮，打开BroweforCoordinateSystem对话框，为数据选择坐标系统。

其中坐标系统分为地理坐标系统（GeographicCoordinateSystems）和投影坐标系统（ProjectedCoordinateSystems）两种类型。

地理坐标系统是利用地球表面的经纬度表示；投影坐标系统是将三维地球表面上的经纬度经过数学转换为二维平面上的坐标系统，在定义坐标系统之前，要了解数据的来源，以便选择合适的坐标系统。

（2）当已知原始数据与某一数据的投影相同时，可单击图4.4中的Import按钮，浏览确定使用其坐标系统的数据，用该数据的投影信息来定义原始数据，因此两个数据具有相同的投影信息。

（3）单击New按钮，新建一个坐标系统。

同样可以新建地理坐标系统和投影坐标系统两种坐标系统。

5.定义投影后，则回到图4.3SpatialReference属性对话框，在Detail下的窗口中可以看到定义投影的详细信息。

单击Modify按钮可对已定义的投影进行修改，单击Clear按钮则清除上一步定义的投影，重新定义。

6.单击OK完成。

四、投影变换

回顾理论课关于投影的概念。

投影变换（Project）是将一种地图投影转换为另一种地图投影，主要包括投影类型、投影参数或椭球体等的改变。

在ArcToolbox的DataManagementTools-ProjectionsandTransformations工具集中分为栅格和要素类两种类型的投影变换，其中在对栅格数据进行投影变换时，要进行重采样。

（1）展开DataManagementTools工具箱，打开ProjectionsandTransformations中的Raster工具集，双击ProjectRaster，打开ProjectRaster对话框（图4.8）。

（2）在Inputraster文本框中选择输入进行投影变换的栅格数据。

（3）在Outputraster文本框键入输出的栅格数据的路径与名称。

（4）单击Outputcoordinatesystem文本框旁边的图标，打开SpatialReference属性对话框，定义输出数据的投影。

（5）选择栅格数据在新的投影类型下的重采样方式，默认状态是NEAREST，即最临近采样法。

还可以直接设定栅格的大小，或浏览确定某一栅格数据，输出数据的栅格大小则与该数据相同。

（6）单击OK按钮，执行。

五、课堂练习

1在中国地图上查询家乡的坐标和名称信息。

2对中国地图进行转投影操作，观察不同投影下的地图形状的差异。

六、本次实验课的难点和可能存在的问题

1学生对英文界面软件的适应情况

2学生对空间信息的认知

3学生对地图投影的理解

第二次实验课讲义

实验内容：

空间数据获取和编辑操作（4学时）

一、回顾上次实验的主要内容

1地图投影的概念和具体操作步骤。

2回顾理论课关于空间数据获取的相关知识

二、创建新Shapefile和dBASE表

ArcCatalog可以创建新的shapefile和dBASE表，并通过添加、删除和索引属性来修改它们，也可以定义shapefile的坐标系统和更新其空间索引。

当在ArcCatalog中改变shapefile的结构和特性（properties）时，必须使用ArcMap来修改其要素和属性。

1创建新的Shapefile

当创建一个新的shapefile时，必须定义它将包含的要素类型，Shapefile创建之后，这个类型不能被修改。

如果选择了以后定义shapefile的坐标系统，那么直到被定义前，它将被定义为“Unkown”。

创建一个新的shapefile文件的具体过程如下：

（1）在ArcCatalog目录树中，右键单击需要创建Shapefile的文件夹，单击New，再单击Shapefile，如下图所示。

（2）打开CreateNewShapefile对话框，设置文件名称和要素类型。

要素类型可以通过下拉菜单选择Polyline、Polygon、MultiPoint、MultiPatch等要素类型。

（3）单击Edit按钮，定义Shapefile的坐标系统，打开SpatialReference对话框，如图3.3所示。

（4）单击Select按钮，可以选择一种预定义的坐标系统；单击Import按钮，可以选择想要复制其坐标系统的数据源；单击New按钮，可以定义一个新的、自定义的坐标系统（具体介绍见第四章）。

（5）如果Shapefile要存储表示路线的折线，那么要复选CoordinateswillcontainMValues，如果Shapefile将存储三维要素，那么要复选CoordinateswillcontainZValues。

（6）单击OK按钮，新的Shapefile在文件夹中出现。

2创建新的dBASE表

在Catalog目录数中，右键单击需要创建dBASE表的文件夹，单击New，再单击dBASE表，为其输入一个名称，并按回车键。

三空间数据编辑

数据编辑是纠正数据错误的重要手段，主要包括几何数据和属性数据的编辑。

几何数据的编辑主要是针对图形的操作，包括平行线复制、缓冲区生成、镜面反射、图层合并、结点操作、拓扑编辑等。

属性数据的编辑包括对图形要素的属性进行添加、删除、修改、复制等。

1空间数据基本编辑

在ArcMap中对所加载的数据的图形要素可以进行各种编辑，如平行线复制、缓冲区生成、镜面反射、拼接处理、结点删除、结点添加、线的延长和裁剪、形的分割等。

线与多边以下操作都是以打开地图文档，并开始编辑（StartEditing）数据层为前提。

1）要素复制操作

单击按钮，在图形窗口中选择要复制的线要素，单击Target箭头，选择需要复制平行线的数据层，在Editor下拉菜单中，选择CopyParallel命令，打开Distance对话框。

输入平行线之间的距离（按照地图单位），输入的距离数值的正负值表示要素的复制方向。

按Enter键即可完成操作。

2）要素合并

ArcMap系统的要素合并操作可以概括为两种类型，要素空间合并与要素裁剪合并。

要素空间合并包括Merge和Union两个基本操作。

要素裁剪合并可以在同一个数据层中进行，也可在不同数据层之间进行，参与合并的要素可以是相邻要素，也可以是分离要素，当然，只有相同类型的要素才可以合并。

Merge--只能是同层要素（重叠或分离）合并，新要素生成，同时原来的要素自动删除。

Union--同层或异层的要素（重叠或分离）合并，合并后产生新要素，原要素不删除。

3）要素分割

点进行分割，也可以在离开线的起点或终点一定的距离处分割，还可以按照线要素长度百分比进行分割，分割后线要素的属性值是分割前线要素属性值的复制。

对于多边形要素，是按照所绘制的分割线进行分割，多边形原有的属性将复制到分割以后的多边形要素当中。

Split--按长度或百分比分割，分割后原要素删除

Divide--布点分割，可以删除或者保留原要素多边形：

2地图属性信息的编辑

属性表的编辑操作有两种方式：

1）右击需要编辑属性的要素，选择Attributes，左边显示被选中的要素，右边显示属性字段及属性值。

单击Value，可修改其属性值。

2）击需要进行属性编辑的图层，OpenAttributeTable打开属性表，可添加字段、修改字段值、关联表、属性表导出等操作。

四、课堂练习

1尝试使用不同的工具编辑地图要素。

2练习使用Merge、Union、Split、Divide等工具编辑地图。

第三次实验课讲义

实验内容：

矢量数据分析基础操作（4学时）

一、回顾上次实验的主要内容

1地图编辑的具体操作步骤。

2回顾理论课关于矢量数据分析的相关知识

二、ArcGIS叠置分析

叠置分析是地理信息系统中用来提取空间隐含信息的方法之一。

叠置分析是将代表不同主题的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，叠置结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性。

叠置分析不仅生成了新的空间关系，而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生了新的属性关系。

叠置分析要求被叠加的要素层面必须是基于相同坐标系统的相同区域，同时还必须查验叠加层面之间的基准面是否相同。

从原理上说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中往往涉及到逻辑交、逻辑并、逻辑差等运算。

叠置分析要求被叠加的要素层面必须是基于相同坐标系统的相同区域，同时还必须查验叠加层面之间的基准面是否相同。

从原理上说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中往往涉及到逻辑交、逻辑并、逻辑差等运算。

1图层擦除（Erase）

图层擦除是指根据参照图层的范围大小，擦除参照图层所覆盖的输入图层内的要素。

在ArcGIS中实现图层擦除的操作，步骤如下：

1）打开ArcMap，打开ArcToolbox工具箱，选择AnalysisTools|Overlay|Erase工具，打开Erase对话框。

2）在Erase操作对话框中选择输入图层，擦除参照，输出图层。

3）单击ok按钮，完成操作。

2识别（Identity）

输入图层进行识别叠加，是在图形交叠的区域，识别图层的属性将赋给输入图层在该区域内的地图要素，同时也有部分的图形变化在其中。

在ArcGIS中的具体操作：

1）在ArcToolbox中，选择AnalysisTools|Overlay|Identity工具，打开Identity对话框。

2）分别设置输入图层（Inputfeatures），识别参照图层（Identityfeatures），输出图层（OutputFeatureClass）和选择需要连接的属性字段（JoinAttributes）。

3交集操作（Intersect）

交集操作是通过叠置处理得到两个图层的交集部分，并且原图层的所有属性将同时在新的图层上显示出来。

在ArcGIS中的具体操作：

1）在ArcToolbox中，选择AnalysisTools|Overlay|Intersect工具，打开Intersect对话框。

2）逐个输入要进行相交的图层，设置输出文件的路径和名称，选择要进行连接的属性字段，确定输出文件类型。

4对称区别（SymmetricalDifference）

在矢量的叠置分析中有时只需获得两个图层叠加后去掉其公共的区域。

新生成的图层的属性也是综合两者的属性而产生的。

5图层合并（Union）

图层合并是指通过把两个图层的区域范围联合起来而保持来自输入地图和叠加地图的所有地图要素。

在布尔运算上用的是“or”关键字。

在图层合并时要求两个图层的几何特性全部是多边形。

三、ArcGIS缓冲区分析

缓冲区（Buffer）：

是对一组或一类地图要素（点、线或面）按设定的距离条件，围绕这组要素而形成具有一定范围的多边形实体，从而实现数据在二维空间扩展的信息分析方法。

从数学的角度看，缓冲区是给定空间对象或集合后获得的它们的邻域。

邻域的大小由邻域的半径或缓冲区建立条件来决定。

因此对于一个给定的对象A。

ArcGIS中建立缓冲区的方法是基于生成多边形（bufferwizard）来实现的。

它根据给定的缓冲区距离，对点状、线状和面状要素的周围形成缓冲区多边形图层，是矢量结构。

操作步骤：

1）在ArcMap中加载点数据。

2）加载缓冲区工具：

选择Tools菜单下的Customize命令，进入Command标签。

3）点击图标，出现BufferWizard对话框。

4）使用向导完成缓冲区建立

四、地统计学分析初步

地统计（Geostatistics）又称地质统计，是在法国著名统计学家G.Matheron大量理论研究的基础上逐渐形成的一门新的统计学分支。

它是以区域化变量为基础，借助变异函数，研究既具有随机性又具有结构性，或空间相关性和依赖性的自然现象的一门科学。

简单介绍ArcGISGeostatisticalAnalyst提供的插值方法：

1泰森多边形

2趋势面

3样条函数

4反距离加权

5克里金

五、课堂练习

1练习叠置分析和缓冲区分析的操作。

2熟悉和了解空间插值的操作。

第四次实验课讲义

实验内容：

遥感图像处理、专题地图显示输出（4学时）

一、回顾上次实验的主要内容

1空间叠置和缓冲区分析的具体操作步骤。

2回顾理论课关于遥感数据分析的相关知识

二、遥感卫星影像的显示

1TM432假彩色合成操作步骤：

1）加载TM影像

2）点击图层属性，选择渲染方式

3）调整RGB显示顺序和波段

4）确定

2遥感图像图像拼接操作步骤

1）打开需要拼接的卫星影像

2）打开mosaictonewraster工具

3）将需要拼接的影像加载进去，设置参数

4）点OK完成。

三、专题图的制作

1、地图模板操作

ArcMap不仅为用户编制地图提供丰富的功能和途径，并且从实际应用出发，将常用的地图输出样式制作成地图模板（MapTemplate），用户可以直接调用，减少了很多常规设置。

当然，也可以根据工作需要定制自己的地图模板。

2、图面尺寸设置：

ArcMap窗口包括数据视图（Dataview）和版面视图（Layoutview），在正式输出地图之前，应在版面视图里，按照比例尺、用途以及打印机型号等等来设置版面尺寸。

若没有设置，采用系统默认设置。

3、图框与底色设置

ArcMap地图文档是由一个或多个数据组构成的，相应的，ArcMap的输出地图可以是一个或多个数据组构成，每个数据组可以设置不同的图框和底色。

4、绘制坐标格网

地图中的坐标格网是地图的三大要素之一，反映地图的坐标系统或地图投影信息。

不同制图区域的大小，有不同类型的坐标格网：

小比例尺大区域的地图通常使用经纬线格网；中比例尺中区域地图通常使用投影坐标网格；大比例尺小区域地图，通常采用公里格网或索引参考格网。

在需要放置地理坐标网格的数据组上右击，弹出快捷菜单，单击Properties…命令按钮打开DataFrameProperties对话框。

单击Grids选项卡。

单击NewGrid按钮，打开GridsandGraticulesWizard对话框。

选择Graticule:

dividesmapbymeridiansandparallels（绘制经纬线格网）单选按钮。

单击Finish按钮，完成经维网的设置。

返回DataFrameProperties对话框。

5、所谓地图整饰，就是地图表现形式，表示方法和地图图型的总称。

包括地图色彩与地图符号设计、线划和注记的刻绘、地形图的立体表现、图面配置与图外装饰设计、地图集的图幅编排和装帧。

整饰的目的是：

达到地图形式同内容的统一；实现地图科学性与艺术性的结合；降低地图生产成本。

6、图名的放置与修改的步骤：

在ArcMap菜单栏上单击View→LayoutView选项，打开版面视图。

单击Insert→Title选项，出现EnterMapTitle矩形框。

在此框中输入图名。

拖动矩形框，改变其位置

7、图例的放置与修改

图例说明了地图内容的确切含义。

包括两个部分，一部分是用于表示地图符号的点线面按钮；另一部分是对地图符号含义的标注与说明。

单击Insert→Legend选项，打开LegendWizard对话框

设置图例标题等内容

预览图例效果

拖动图例至合适的部分，如果对图例效果不满意，可以右击图例，打开属性对话框进行设置

8、比例尺的放置与修改

地图上标注的比例尺有数字比例尺和图形比例尺两种。

数字比例尺精确地表达地图要素与所代表地物之间的定量关系，但不够直观，而且随着地图的变形与缩放，数字比例尺标注的数字无法相应变化；无法直接用于地图的测量。

图形比例尺虽然不能精确的表达制图比例，但可以用于地图测量，而且随地图本身的变形与缩放一起变化。

单击Insert→ScaleBar…选项，打开ScaleBarSelector对话框

选择比例尺样式

设置所选比例尺属性

拖动放置比例尺位置

9、指北针的放置

单击Insert→NorthArrow选项，打开NorthArrow窗口

选择指北针样式

对所选指北针进行属性编辑

10、地图输出

选择file下的exportmap按钮

设置输出参数

点击OK完成地图输出

四、课堂练习及作业

1练习制作专题地图。

2提交一份JPG格式的专题地图。

第五次实验课讲义

实验内容：

.栅格数据空间分析（4学时）

一、回顾上次实验的主要内容

1遥感数据的具体操作步骤。

2回顾理论课关于栅格数据空间分析的相关知识

二、栅格数据空间分析环境设置

ArcGIS中提供了SpatialAnalyst模块用于分析栅格数据。

要使用该模块，应先加载：

单击Tools菜单下的Extensions，选择SpatialAnalyst，单击Close完成加载。

在ArcMap菜单区单击鼠标右键，选择SpatialAnalyst工具，就可将其加载到视图中。

可在SpatialAnalyst下拉菜单里的Option中对SpatialAnalyst的工作环境进行设置。

包括：

工作路径（General->Working）、分析单元格大小（CellSize->CellSize）、分析区域（Extent->Analysisextent）、坐标系统（General->AnalysisCoordinateSystem）、过程文件管理（鼠标右键单击文件->MakePermanent）等。

三、格网数据的表面分析

1栅格数据的重采样

工具：

Toolbox->DataManagementTools->Raster