第2章 ArcGIS基础知识
2.1 ArcGIS10.x概述
ArcGIS10.x是ESRI公司开发的GIS产品家族，它集合了数据库、软件工程、网络技术、移动技术、云计算等主流的IT技术，目的是提供给用户一套完整的、开放的企业级GIS解决方案。本章主要介绍ArcGIS产品的发展史、构架等方面的内容。
ESRI(Environmental System Research Institute，环境系统研究所)创建于1969年，总部位于加州的雷德兰兹。1982年ESRI发布第一套商业化GIS软件ARC/INFO 1.0，可以在计算机上显示点、线、面，并通过数据库管理工具将属性信息与之结合。ARC/INFO 1.0被公认为第一个商业化GIS系统。
1986年PC ARC/INFO的出现是ESRI软件发展史上的又一个里程碑，它是为PC的GIS工作站而设计的。
1992年ESRI推出了ArcView软件，人们可以用更少的投入就可以获得一套简单易用的桌面制图工具。
在20世纪90年代，ESRI推出了基于Windows NT构架的Arcinfo产品，满足用户GIS和制图多样的选择，同时奠定了ESRI在GIS市场的领头羊地位。
2004年推出了新一代的ArcGIS 9，为构建完善的GIS系统提供了一套完整的软件产品。
2010年ESRI推出ArcGIS 10，全球首款支持云构架的GIS平台，使ArcGIS 10真正具备了3D建模、编辑和分析能力，并实现了三维空间向四维时空的飞跃，真正的GIS与RS一体化。
2.2 ArcGIS10.x家族
ArcGIS家族包含众多的组成部分，最主要的几部分如下，如图所示：
• ArcGIS for Desktop - 一套集成的、桌面端的专业 GIS 应用程序。
• ArcGIS for Server - 将 GIS 信息和地图以 Web 服务形式发布，并且支持企业级数据管理。
• ArcGIS for Mobile - 为野外计算提供移动 GIS 工具和应用程序。
• ArcGIS Online - 提供可通过 Web 进行访问的在线云 GIS 功能。
2.2.1 ArcGIS桌面产品级别
ArcGIS桌面是GIS专业人士的主要工作平台，用来管理复杂的GIS流程和应用工程，来创建数据、地图、模型和应用。是在机构内部署GIS应用的起点和基础。
ArcGIS桌面是一系列整合的应用程序的总称，包括ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe、ArcScene、ArcToolbox 和Model Builder。通过通用的应用界面，用户可以实现任何从简单到复杂的GIS任务。根据用户的伸缩性需求，ArcGIS桌面分为三个级别产品,如图所示：
• ArcGIS for Desktop Basic：主要用于综合性数据使用、制图和分析；
• ArcGIS for Desktop Standard：在ArcGIS for Desktop Basic基础上增加了高级的地理数据库编辑和数据创建功能；
• ArcGIS for Desktop Advanced：是ArcGIS for Desktop的旗舰产品，作为完整的GIS桌面应用包含复杂GIS的功能和丰富的空间处理工具；
2.2.2 ArcGIS for Desktop应用程序概述
ArcGIS for Desktop是一个系列软件套件，它包含了一套带有用户界面的Windows桌面应用：ArcMap，ArcCatalog，ArcGlobe，ArcScene，ArcToolbox和Model Builder，每一个应用都具有丰富的GIS工具。
2.2.2.1 ArcMap
ArcMap是ArcGIS for Desktop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。ArcMap通过一个或几个图层集合表达地理信息，而在地图窗口中又包含了许多地图元素，通常拥有多个图层的地图包括的元素有比例尺，指北针，地图标题，描述信息和图例，如图所示。
2.2.2.2 ArcCatalog
ArcCatalog应用程序帮助用户组织和管理所有的GIS信息，比如地图、球体、数据文件、Geodatabase、空间处理工具箱、元数据、服务等。用户可以使用ArcCatalog来组织、查找和使用GIS数据，同时也可以利用基于标准的元数据来描述数据。GIS数据库管理员使用ArcCatalog来定义和建立Geodatabase。GIS服务器管理员则使用ArcCatalog来管理GIS服务器框架，如图所示。自ArcGIS 10开始，已经将ArcCatalog嵌入到各个桌面应用程序中，包括：ArcMap、ArcGlobe、ArcScene。
2.2.2.3 ArcScense
ArcScene是ArcGIS桌面系统中实现3D可视化和3D空间分析的应用，需要配备3D分析扩展模块。它是一个适合于展示三维透视场景的平台，可以在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互，适用于数据量比较小的场景进行3D分析显示。ArcScene是基于OpenGL的，支持TIN数据显示。显示场景时，ArcScene会将所有数据加载到场景中，矢量数据以矢量形式显示，如图所示。
2.2.2.4 ArcGlobe
ArcGlobe是ArcGIS桌面系统中实现3D可视化和3D空间分析的应用，需要配备3D分析扩展模块。ArcGlobe提供了全球地理信息连续、多分辨率的交互式浏览功能，支持海量数据的快速浏览。像ArcMap一样，ArcGlobe也是使用GIS数据层来组织数据，显示Geodatabase和所有支持的GIS数据格式中的信息。ArcGlobe具有地理信息的动态3D视图。ArcGlobe图层放在一个单独的内容表中，将所有的GIS数据源整合到一个通用的球体框架中。它能处理数据的多分辨率显示，使数据集能够在适当的比例尺和详细程度上可见。
ArcGlobe交互式地理信息视图使GIS用户整合并使用不同GIS数据的能力大大提高，而且在三维场景下可以直接进行三维数据的创建、编辑、管理和分析，如图所示。
2.2.3 ArcGIS for Desktop常用扩展模块
ArcGIS提供了一系列的常用扩展模块，用来扩展产品的功能。通常情况下，根据这些扩展的用途，可分为两大类：
2.2.3.1 空间分析模块（ArcGIS Spatial Analyst）
ArcGIS Spatial Analyst模块提供了众多强大的栅格建模和分析的功能，利用这些功能可以创建，查询，制图和分析基于格网的栅格数据。使用ArcGIS Spatial Analyst，用户可从现存数据中得到新的数据及衍生信息，分析空间关系和空间特征，寻址，计算点到点旅行的综合代价等功能。同时，还可以进行栅格和矢量结合的分析，如图所示。
利用空间分析模块能够进行以下分析：
• 距离分析、密度分析
• 寻找适宜位置、位置间的最佳路径
• 距离和路径成本分析
• 基于本地环境、邻域或待定区域的统计分析
• 应用简单的影像处理工具生成新数据
• 对研究区进行基于采样点的插值
• 进行数据整理以方便进一步的数据分析和显示
• 栅格矢量数据的转换
• 栅格计算、统计、重分类等功能
2.2.3.2 三维可视化与分析模块（ArcGIS 3D Analyst）
ArcGIS 3D Analyst模块提供了强大的、先进的三维可视化、三维分析和表面建模工具。通过ArcGIS 3D分析模块，你可以从不同的视点观察表面、查询表面、确定从表面上某一点观察时其它地物的可见性，还可以将栅格和矢量数据贴在表面以创建一副真实的透视图，还可以对三维矢量数据进行高端分析。使用ArcGIS 3D分析模块，你可以有效的编辑和管理三维数据。
ArcGIS 3D分析扩展模块的核心是ArcGlobe应用程序，ArcGlobe提供浏览多层GIS数据、创建和分析表面的界面，高效的处理栅格、矢量、地形和影像数据集。
利用ArcGIS 3D Analyst模块能够进行以下分析：
• 进行表面创建和分析，支持Terrain Datasets
• 建立ArcGIS所支持的数据格式的表面模型，其中包括CAD、shapefiles、coverages和 images数据格式
• 进行交互式透视图的显示和分析，包括拖动和缩放、旋转、倾斜以及飞行模拟
• 模拟诸如建筑物的现实世界表面特征
• 模拟水井、矿、地下水以及地下储藏设施等地下特征
• 从属性值来生成飞行的三维表面
• 把二维数据遮盖在表面上且在三维空间中显示
• 计算表面积、体积、坡度、坡角以及山阴影
• 进行视域和视线分析、点的高度插值、画剖面图以及最陡路径判断
• 进行日照分析、三维缓冲区分析、最大建筑高度分析、三维网络分析等高端三维应用分析，如图2.12、2.13所示
• 使用许多数据图层效果诸如透明度、亮度、阴影以及深度优先
• 生成二维或三维要素的等高线
• 基于属性或位置的三维数据查询
• 在网络上利用VRML输出显示数据
•创建可视化的动画（AVI,MPEG, QuickTime）
• 在三维可视化场景中进行编辑和管理3D数据
• 在三维可视化场景中叠加视频
• 天际线分析、最大建筑高度分析、三维网络分析等高端三维应用分析
2.2.3.3 地理统计分析模块（ArcGIS Geostatistical Analyst）
ArcGIS Geostatistical Analyst模块为空间数据探测、确定数据异常、优化预测、评价预测的不确定性和生成数据面等工作提供各种各样的工具，其主要能够完成探究数据可变性、查找不合理数据、检查数据的整体变化趋势、分析空间自相关和多数据集之间的相互关系以及利用各种地统计模型和工具来做预报、 预报标准误差、计算大于某一值的概率和分位图绘制等工作。如图所示。
2.2.3.4 网络分析模块（ArcGIS Network Analyst）
ArcGIS Network Analyst扩展可以帮助用户创建和管理复杂的网络数据集合，并且生成路径解决方案。ArcGIS Network Analyst是进行路径分析的扩展模块，为基于网络的空间分析（比如位置分析，行车时间分析和空间交互式建模等）提供了一个完全崭新的解决框架。该扩展模块将帮助ArcGIS for Desktop用户模拟现实世界中的网络条件与情景。ArcGIS Network Analyst模块能够进行行车时间分析、点到点的路径分析、路径方向、服务区域定义、最短路径、最佳路径、邻近设施、起始目标点矩阵等分析。
ArcGIS Network Analyst使得ArcGIS用户可以利用地理网络来解决各种问题。许多基于网络的任务都可以被执行，如寻找最高效的旅游线路或者最近的设施，生成旅游向导，以及确定基于旅游时间的服务区域。如图所示。
2.2.3.5 追踪分析模块（ArcGIS Tracking Analyst）
ArcGIS Tracking Analyst模块提供时间序列的回放和分析功能，可以帮助显示复杂的时间序列和空间模型，并且有助于在ArcGIS系统中与其他类型的GIS数据集成的时候相互作用。该模块扩展了ArcGIS桌面功能，它提供了多种分析工具和功能，能够和其它的扩展模块结合起来为交通、应急反应、军事以及其它领域的用户实现功能强大的应用。
用户可以使用ArcGIS Tracking Analyst模块显示分析时间数据，包括随着时间变化追踪要素的移动轨迹，以及某个时间段特定位置的追踪系统值的变化。
2.2.3.6 数据互操作模块（ArcGIS Data Interoperability）
使用ArcGIS Data Interoperability扩展可以直接读访问110多种空间数据格式，包括GML、DWG/DXF文件、MicroStation Design文件、MapInfo MID/MIF文件和TAB文件类型等。用户可以通过拖放方式让这些数据和其它数据源在ArcGIS中直接用于制图、空间处理、元数据管理和3D Globe制作。例如，所有制图功能都可使用这些数据源，包括查看要素和属性、识别要素和进行选择。
ArcGIS Data Interoperability技术来自Safe软件公司（世界领先的GIS互操作提供商）的FME（Feature Manipulation Engine）产品。其中，包含了FME Workbench应用程序，它提供一系列数据转换工具用来构建复杂矢量数据格式的转换器。
2.2.3.7 描矢量化模块（ArcScan for ArcGIS）
ArcScan for ArcGIS是为ArcGIS for Desktop扩展的栅格编辑和扫描数字化等能力。它通常用于从扫描地图和手画地图中获得数据。
使用ArcScan for ArcGIS模块，能够实现从栅格到矢量的转换任务，包括栅格编辑，栅格捕捉，手动的栅格跟踪和批量矢量化。ArcScan for ArcGIS使用交互式矢量化和自动矢量化的要素模板，要素模板是在ArcGIS 10 的时候开始提供的增强编辑体验之一。
