基于ArcGIS的大地电导率电子地图的研制硕士学位论文.docx

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基于ArcGIS的大地电导率电子地图的研制硕士学位论文

论文题目：

基于ArcGIS的大地电导率电子地图的研制

摘要

地球表层的大地电导率及其分布对于国家资源探测、无线电波环境和信息科学都非常重要。

地波传播预测、电力传输、雷电电磁场的计算、强磁暴地球感应电流的预测、战略武器制导、数字通信发射系统、无线电导航、广播、交通等领域都需要依据大地电导率。

而纸质电导率地图在缩放、信息的传递和较大数据量的计算时，都不便于操作。

同时，大地电导率又与地理位置、地上建筑、天气、地形高程等因素相关，纸质大地电导率地图难以直观的体现这些联系。

所以有必要研制包含地形高程信息的数字化大地电导率地图，便于大地电导率数据库的管理，并方便有关领域的计算应用。

本文以ArcGIS和Mapinfo软件为平台，研制了包含我国大地电导率和地形高程信息的地理信息系统。

该系统不仅包括全国大地电导率和高程信息图层，还包含了经纬度、国界、省级行政区、省会城市、居民地、主要公路、铁路交通等基础地理图层。

图层与数据库相连接，可以实现地图加载、数据显示、缩放、漫游、全图显示、图层标注等基本功能，也可以提供图层编辑及各种信息的查询。

可方便地获取任意点和区域的经纬度、大地电导率和高程信息，应用到地波传播、电磁场等有关的计算中。

同时系统可以根据传播时延、高程信息等数据反演得到的大地电导率，自动更新地理信息数据库。

论文首先介绍了大地电导率地图的研究状况和地理信息系统的概念及相关的软件开发平台；然后详细介绍研制大地电导率数字化地图的流程：

包括数据库信息的采集、数据的矢量化、数据的提取和处理、数据库的建库等；最后介绍了大地电导率地图系统的操作界面和功能实现。

本文研制的数字化地图含盖我国国土面积的高程和大地电导率数据库，实现了大量数据的管理，为我国大地电导率地图的数字化研究作出了贡献。

关键词：

大地电导率；地形高程；地理信息系统；ArcGIS

Title：

TheDevelopmentofearthconductivityelectronicmapbasedonArcGIS

Major：

CircuitandSystem

Name：

WeixiZHANGSignature:

Supervisor：

Prof.XiaoliXISignature:

Abstract

Thedistributionofearthconductivityisveryimportanttothestateresourcesexploration,radiowavesenvironment,informationscience,etc.Manyareassuchasgroundspreadforecast,powertransmission,lightningelectromagneticfieldcalculation,strongstormsearthinducedcurrentforecast,strategicweaponsmanufacturing,digitalcommunicationlaunchsystem,radionavigation,radio,traffic,etc,allaccordingtotheearthconductivity.Butpaperconductivitymapisnoteasyoperationwhenzoom,informationtransferandlargeamountofdatacalculation.Atthesametime,thepaperconductivitymapishardtointuitivereflectthesecontactbetweentheearthconductivityandgeographicalposition,buildingsontheground,weather,terrainelevation,etc.Itisnecessarytoresearchdigitalearthconductivitygeographicinformationsystemwhichcontainsterrainelevationinformation.

ThispaperdevelopedtheearthconductivitygeographicinformationsystemsthroughmapinfoandArcGISsoftware.Thissystemnotonlyincludingthenationallandelectricconductivityandelevationinformationlayer,andalsocontainsmanyfoundationgeographicallayer,suchaslongitudeandlatitude,border,provincialadministrativeregion,provincialcapitalcity,residents,andthemainhighway,railwaytraffic,etc.Thismaplayersareconnectedtodatabase，notonlycanrealizemapload,datadisplay,zoom,wandering,mapdisplay,maplayertaggingetcbasicfunctions,butalsoprovideinformationeditingandquery.Userscaneasilygettheinformationoflongitudeandlatitude,earthconductivityandelevationatarbitrarypoint,regional,andtheseinformationwillbeappliedtothecalculationsuchasgroundspread,electromagneticfield,etc.Atthesametime,thisGISsystemcaninversionearthconductivityaccordingtotransmissiondelayandelevationdata,andautomaticupdatethegeographicdatabase.

Thepaperfirstintroducedtheresearchstatusoftheearthconductivitymap,geographicinformationsystemconceptandsoftwareplatformofthesystem;Andthenintroducedtheestablishprocessofearthconductivitygeographicinformationsystems:

containsdatabaseinformationcollection,datavectorchange,dataextractionandprocessing,establishmentofdatabase,etc.Atlast,thepaperintroducestheoperationinterfaceandfunctions.

Thispaperdevelopedthegeographicinformationsystemwhichcoverstheelevationandearthconductivityinourcountry,andrealizethelargeamountsofdatamanagement,andmakecontributiontotheresearchofthedigitalconductivitymapinourcountry.

Keyword:

Conductivityoftheearth；Terrainelevation；GeographicInformationSystem；ArcGIS

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题研究的背景和意义1

1.2大地电导率地图的研究现状1

1.3本文工作及内容安排2

2大地电导率电子地图系统的开发平台4

2.1地理信息系统简介4

2.1.1GIS的主要功能介绍4

2.1.2GIS的应用4

2.2Mapinfo5

2.3ArcGIS6

2.3.1ArcGIS简介6

2.3.2ArcGISDesktop7

2.3.3ArcMap7

2.3.4ArcCatalog7

2.4本章小结8

3大地电导率电子地图系统的研制9

3.1系统的总体设计9

3.1.1需求分析9

3.1.2系统的总体结构9

3.1.3系统的功能模块10

3.2大地电导率数据的采集13

3.2.1确定数据源13

3.2.2数据预处理13

3.2.3数据的矢量化处理14

3.3其他地理数据的提取与处理21

3.4定义和编码系统要素类23

3.4.1定义要素类23

3.4.2要素类编码23

3.5系统数据库建库24

3.5.1创建数据库模型24

3.5.2创建数据库属性域25

3.5.3创建系统要素类26

3.5.4建立样式库28

3.5.5数据入库29

3.6系统数据库的图层可视化30

3.7本章小结37

4大地电导率地图系统的功能实现38

4.1开发方法38

4.2系统的主界面38

4.3系统的功能实现39

4.3.1文件操作模块39

4.3.2图层显示模块40

4.3.3信息查询模块42

4.4本章小结47

5总结48

致谢49

参考文献50

1绪论

课题研究的背景和意义

大地电导率与地理高程、地质地形一样，是表示地球物理特性的重要参量，直接反映大地的导电性情况。

地球表面的大地电导率分布对于国家资源探测、无线电导航、通信技术等都很重要。

地面的无线电波发射、接收天线性能、沿地球表层传播的地波信号特征等，都受地球表层的大地电导率影响。

国家的3262工程、长河二号导航系统、潜艇通信等，也与大地电导率的分布有关。

信息科学与地表大地电导率的关系就更为密切。

国家的军用技术标准“长波地波传输信道计算方法”中指出，地表的等效电导率地理分布图是该计算方法的技术基础【1】。

2001年10月第七届全国电波传播学术年会主席报告，提出开展我国全频段大地电导率信息的测量和建库工作【2】。

大地电导率也是影响长波地波导航、授时精度的重要因素，所以获取精确的、数字化的大地电导率分布电子地图和数据库对提高导航授时精度有极其重要的意义【3】。

空间磁暴与地表大地电导率进行耦合会产生感应电流，从而导致破坏输气、输电、输油、地下供水管的自然灾害。

同时电力输电线附近的场强预测、雷电电磁场的计算、强磁暴地球感应电流的预测等都依据传输线和网管区域的大地电导率信息。

在国外，美国的海洋大气署空间环境中心、电力研究所及芬兰、日本、加拿大等已将大地电导率分布数据应用于空间灾害性研究、预报和防灾服务中【4】。

在国内，大中型城市地下公共设施的规划建设和、国家“西气、西电、西油东送”大型地下网管工程等都依据我国地表的大地电导率信息。

除此之外，战略武器制导、数字通信发射系统、对潜无线电导航、广播、交通等领域，都需要地球表层的大地电导率数据【5】。

大地电导率层呈区域分布，每个封闭的区域都对应某一个电导率值【6】。

纸质电导率地图的区域分界线较为模糊，分界线周围的大地电导率值很难与地理坐标一一对应；作为地理数据信息的载体，进行缩放、传递信息均不方便，特别是涉及数据量较大的计算时不便于调用；大地电导率又与地理位置、地上建筑、天气、地形高程等因素相关，纸质大地电导率地图难以直观的体现这些联系。

同时，地波传播时延的预测、无线电导航等计算需要地形高程信息，且通过地波传播实验，结合传播路径上的高程数据可以反演和拟合出更精确的大地电导率值。

因此有必要研制包含我国国土范围内的地形高程信息的大地电导率电系地图系统，便于大地电导率数据库的管理，并方便有关领域的计算应用。

大地电导率地图的研究现状

1959年，国际电信联盟（InternationalTelecommunicationsUnion）与国际无线电咨询委员会（InternationalRadioConsultativeCommittee）一起提出有关大地电导率研究的报告书“ElectricalCharacteristicsoftheSurfaceoftheEarth”。

1978年，又提出关于大地电导率测量研究的建议书。

并在1982年生效了开展“WorldAtlasofGroundconductivity”测量的决议书，提议各个国家特别是欠发达国家，对各自国土范围内地表的大地电导率分布情况进行研究和测定【7，8】。

20世纪70年代，我国才开始测量和研究国土地表的大地电导率。

为保证地球卫星进入轨道并精确定位的战略任务，国家实施3262工程计划，中国科学院建立起长波导航授时系统【9】。

在1978和1984年，陕西天文台的专家学者分别进行了两次大规模的试验，利用飞机进行原子钟的搬运从而接收和测量BPL长波信号的场强与传播时延，通过这个实验，分析和反演出我国国土的大地等效电导率数据信息，最后在1988年，将绘制的等效电导率分布图提交到国际无线电咨询委员会【10】。

3262工程计划实施之后，国家继续实施用于航海、航空定位导航的长河二号工程，两大工程结合，组成了覆盖我国绝大部分国土面积的长波导航授时系统，并被应用到陆地交通、航空航海、电力、电信等众多领域【11】。

由于客观技术和测量数据的局限，1988年向CCIR提交的的中国大地电导率地图较为粗略。

1988年~1989年，中电集团20所、22所和海军等单位联合开展了时差修正的测量试验，按照地形、地质、土壤等划分区域，采用测量数据校准，拟合了我国部分领土的大地电导率【12】。

2000年在国家自然科学基金的支持下，陈洪卿等人采用GPS技术测量BPL、长河二号和罗兰C系统的地波信号（大约取70条路径）的时延与场强，对我国东部的一些区域的大地电导率信息进行拟合，并将这些数据信息初步的研制成数字化的大地电导率分布地图【13】。

随着电子、无线电、信息技术和业务的高速发展，大地电导率的应用领域越来越多，而我国现有的大地电导率地图精度仍普遍偏低，所以还需要进行大量的研究以提高我国大地电导率的精度。

本文工作及内容安排

本文的主要工作是研制我国的大地电导率数字化地图系统。

该系统不仅包括全国的大地电导率和高程信息图层，还包含了经纬度、国界、省级行政区、省会城市、主要公路、主要陆地交通等基础地理图层。

图层与数据库相连接，可以实现地图加载、数据显示、缩放、漫游、全图显示、图层标注等地图基本功能，也可以提供各种信息查询的方法。

可方便地获取任意点和区域的经纬度、大地电导率和高程信息，应用到地波传播、电磁场等有关的计算中。

同时系统可以根据传播时延、高程信息等数据反演得到的大地电导率，自动更新地理信息数据库。

论文分为五章，具体内容如下：

第2章主要介绍研制大地电导率地图系统的软件平台。

首先对地理信息系统的理论进行概述，然后介绍用于采集地图数据的Mapinfo软件和实现大地电导率GIS系统的ArcGIS平台，其中重点讲解桌面ArcGIS的两个主要产品：

建立系统数据库的ArcCatalog和实现地理数据图层可视化的ArcMap。

第3章主要研究和讨论大地电导率地图系统的研制过程。

首先对系统进行总体的设计，然后详细介绍建立的流程：

第一步实现对中国大地电导率纸质地图采集数据，接着分析原始高程数据的格式，并提取和预处理高程信息，详细讲解从定义和编码要素类，创建数据库属性域，创建样式库到数据入库的整个流程；最后，讨论了数据库实现图层可视化的过程，包括创建数据框，定义坐标系统，添加图层，图层显示等，其中重点介绍大地电导率图层和高程图层分层设色的显示方法。

第4章重点讨论系统的功能开发和界面定制。

首先介绍在ArcMap中进行二次开发的两种方法，然后分别对浏览功能、编辑功能和查询功的开发进行研究，重点讨论了鹰眼、空间查询、图层显示、属性查询等工具的实现方法，最后阐述了系统界面定制的方法和过程。

对全文的内容进行总结和归纳。

大地电导率电子地图系统的开发平台

地理信息系统简介

地理信息系统（GeographicInformationSystem，即GIS），是一个基于计算机并通过数据结构建模收集地理数据集来表达和显示地理信息的系统。

它由一系列用于处理、管理和分析地理数据的工具组成。

下面从各个不同的方向来分别解析阐述地理信息系统的概念【14】：

1．数据库方向：

GIS是一个空间数据库，它使用数据集来表达和显示地理信息，而数据集建立在要素和栅格这样的数据模型基础之上。

2．可视化方向：

GIS是一个智能的电子地图系统。

它可以将空间数据库的所有信息都图像化即显示到图层上，不仅可以按照各种方式来显示要素类，也可以根据需要来显示各要素类之间的关系，将地理数据可视化以便实现信息的查询、分析、处理等。

3．空间处理方向：

GIS是一个信息转换工具，它可以从现有的数据集中，通过分析、筛选等空间处理，提取和处理数据，从而生成新的地理数据集，实现地理信息的转换。

GIS的主要功能介绍

一个GIS系统主要由计算机软件、硬件、地理数据、操作人员及方法等构成。

硬件和软件是GIS的工作环境，数据是GIS建设的重要内容，方法是GIS的建设方案，人员是GIS的关键因素，负责协调其他几个部分之间关系【15】。

GIS主要能实现以下几个功能。

1）数据采集与编辑功能：

主要是地图数据的采集与处理，属性数据的编辑与分析等功能。

2）数据的存储和管理功能：

包括数据模型的设定、数据库的规划与建库、数据表的建立及数据间的连接功能等。

3）制图功能：

通过GIS的数据模型结构，用户可以获得栅格类型或矢量化类型的地图；还可以为用户制定和输出各种类型的专题地图，如绿化面积图、人口数量图等。

4）空间查询与空间分析功能：

主要可以实现空间查询、属性查询、重叠分析、空间结构分析、数据模型分析等。

5）二次功能的开发：

用户能够在自己软件的程序编辑器中调用GIS的函数和指令，也可以直接使用GIS提供的工具箱。

GIS的应用

随着GIS理论技术的发展和计算机信息技术的进步，GIS早已与人类生活紧密相连，并应用于社会的各个领域，其中主要分为自然资源开发、交通运输、教育、公共事业、政府应用、商业与公共服务、公共安全与应急减灾等七个方面【16】。

ESRI的中国官方网站在行业应用的板块部分对外公布了目前GIS应用领域的状况，详细信息如表21所示：

表21ArcGIS在我国的主要应用领域（资料源自ESRI中国官网，2011年11月）

Table2-1ApplicationfieldsofArcGISinChina

（datafromChineseofficialwebsite,ESRIinNovember2011）

政府

公共安全与应急减灾

公共

事业

教教育

交通

运输

自然资源

商业与公共服务

数字城市

信息中心/信息办

计生委

测绘

建委

城管

民政

税务

房地产

消防

地震

综合应急

公共卫生

煤气/天然气

排水/自来水

电力

电信

高等教育

中小学教育

公路

城市智能交通

航空

航运

铁路

农业

林业

石油

海洋

水利

气象

环保

矿产

国土

银行/保险

物流/零售业

旅游

媒体

由上表可见，GIS已经应用到我们生活的各个领域，为社会进步、国民经济发展做出贡献。

Mapinfo

MapInfo软件由美国MapInfo公司研制，是一种能够同时实现数据的可视化和信息图层化的GIS软件。

它根据地图及应用的理论、将办公自动化、建立多种数据库模型和电子地图的显示融入到GIS的功能中去，形成了功能强大、方便实用、应用范围广、服务于各行各业的小型GIS软件【17】。

Mapinfo不仅可以实现强大的地图编辑功能与地图化解决方案，而且可以利用其内置工具和语言编程的协调工作来获取有用的地图文件。

下面简单介绍一下Mapinfo软件的三个主要功能【18】。

1.强大的地图化功能

Mapinfo用于Windows平台，实现强大的地图化功能，可以直观地展示出数据与地图的关系，具有复杂、详细的地理信息分析能力，可以协助用户从GIS的角度理解数据，甚至发现新的、更高效的方法解决问题。

2.强大的功能工具

Mapinfo提供了一系列的操作工具，从而实现复杂信息的可视化、商业战略地图等功能，还可以创建本地或者服务器端的数据库模型，具有强大的数据处理能力。

3.强大的协助功能

美国Mapinfo公司是一间全球化的企业，它利用软件服务协助用户更好的理解地理信息的社会价值，并按需求制定决策从而满足各种顾客的应用要求，如金融管理、城市规划、条件筛选、风险投资、能源探测等。

正是因为Mapinfo软件具有强大的地图化解决方案，所以本文用它来采集大地电导率地图数据，采集方法和过程将下一章详细讲解。

ArcGIS

ArcGIS简介

ArcGIS是美国环境系统研究所（EnvironmentalSystemsResearchInstitute，ESRI）研发的地理信息系统专业软件，是世界上最完整、应用最广泛的GIS软件【19】。

它的功能非常强大，不但有强大的功能和很好的伸缩性，而且界面友好，使用方便，基本上可以满足不同层次用户的需求，因此被广泛应用到各个领域。

ArcGIS软件主要由下面几个框架组成【20】，如图21所示。

1）桌面GIS——即ArcGISDesktop；

2）开发GIS——ArcGISEngine，可以为客户化的地理信息系统应用提供开发组件；

3）服务器GIS——ArcGISServer、ArcIMS为ArcGIS的产品提供网络服务；

4）智能设备GIS——ArcPad为移动智能设备（如PDA）提供支持；

5）GISWeb浏览器——ArcGISExplorer。

图21ArcGIS软件产品的组成框架

Fig2-1TheframeworkofArcGIS

在ArcGIS众多的产品中，本文使用的是桌面GIS即ArcGISDesktop，下面对其进行介绍。

ArcGISDesktop

ArcGISDesk