第二章 ArcGIS专题应用

1 ArcGIS软件概述

1.1 ArcGIS的发展

1981年美国环境系统研究所（下文简称Esri）年发布了它的第一套商业GIS软件——ARC/INFO软件。它可以在计算机上显示诸如点、线、面等地理特征，并通过数据库管理工具将描述这些地理特征的属性数据结合起来。

2001年4月Esri开始推出ArcGIS 8.1，它是一套基于工业标准的GIS软件家族产品，提供了功能强大的，并且简单易用的完整的GIS解决方案。ArcGIS是一个可拓展的GIS系统，提供了对地理数据的创建、管理、综合、分析能力，ArcGIS还为单机和基于全球分布式网络的用户提供地理数据的发布能力。

2004年4月，Esri推出了新一代9版本ArcGIS软件，为构建完善的GIS系统，提供了一套完整的软件产品。9版本中包含了两个主要的新产品：在桌面和野外应用中嵌入GIS功能的ArcGIS Engine，和为企业级GIS应用服务的中央管理框架ArcGIS Server。

2010年，Esri发布ArcGIS10，一举实现协同GIS、三维GIS、一体化GIS、时空GIS和云GIS五大飞跃。

2013年7月，Esri正式发布了最新版产品——ArcGIS 10.2。该产品的发布，标志着Esri又进入了一个新的里程碑。在ArcGIS 10.2中，Esri充分利用了IT技术的重大变革来扩大GIS的影响力和适用性。新产品在易用性、对实时数据的访问，以及与现有基础设施的集成等方面都得到了极大的改善。用户可以更加轻松地部署自己的Web GIS应用，大大简化地理信息探索、访问、分享和协作的过程，感受新一代Web GIS所带来的高效与便捷。

2018年1月，ArcGIS 10.6正式面向用户发布。ArcGIS 10.6在产品体系上更进一步完善，为行业用户提供更完整的产品架构，同时进一步保障平台的稳健运行。平台体系主要有以下变化：服务器端新增平台运维监控产品ArcGIS Monitor, ArcGIS Enterprise10.6新增公共设施网络管理扩展模块，桌面端ArcGIS Pro2.1新增影像分析扩展模块，全新推出ArcGIS Hub。ArcGIS10.6带来更完善的产品体系框架，同时全面拥抱前沿IT技术，升级平台大数据、三维、影像等核心能力，打造功能强大、性能卓越、稳定性高的Web GIS平台。

图2-1 ArcGIS 10.6

1.2 ArcGIS平台

图2-2 ArcGIS平台架构

1.2.1平台架构

ArcGIS平台具备三层架构，即应用层、门户层和服务器层。ArcGIS不断完善与改进平台，形成以NamedUser为纽带，三层有机结合的全方位支撑平台，全面打造可落地的智能的Web GIS应用模式。

应用层——用户访问ArcGIS平台的入口，不管是GIS专家还是弱GIS人群，都可通过Apps访问ArcGIS平台提供的内容。

门户层——ArcGIS平台的访问控制中枢，是用户实现多维内容管理、跨部门跨组织协同分享、精细化访问控制，以及便捷的发现和使用GIS资源的渠道。门户可通过聚合多种来源的数据和服务创建地图，例如聚合自有的数据、Esri及Esri合作伙伴提供的数据等，制作的地图可供用户调用。

服务器层——服务器是ArcGIS平台的重要支撑，为平台提供丰富的内容和开放的标准支持。它是空间数据和GIS分析能力、大数据分析能力在Web中发挥价值的关键，负责将数据转换为GIS服务（GIS Service），通过浏览器和多种设备将服务带到更多人身边。

1.2.2主要产品

产品列表

图2-3 ArcGIS产品

ArcGIS核心产品主要有ArcGIS Desktop、ArcGIS Enterprise和ArcGIS Online。

ArcGIS for Desktop是对地理信息进行编辑、创建以及分析的GIS软件，提供了一系列的工具用于数据采集和管理、可视化、空间建模和分析以及高级制图。不仅支持单用户和多用户的编辑，还可以进行复杂的自动化工作流程。

ArcGIS Enterprise能够让组织的GIS中心增强协作与灵活性。它将行业领先的制图及分析功能与专用的Web GIS基础架构相结合，可随时随地在任何设备上组织并共享用户的工作。

ArcGIS Online是一个面向全球用户的公有云GIS平台，是一种全新的GIS软件应用模式，为用户提供了按需的、安全的、可配置的GIS服务。ArcGIS Online包含了全球范围内的底图、地图数据、应用程序，以及可配置的应用模板和开发人员使用的 GIS 工具和API，可用于创建Web地图、发布GIS服务、共享地图、数据和应用程序，以及管理组织的内容和多个用户。

1.3 ArcGIS Desktop应用程序

ArcGIS Desktop是一个系列软件套件，它包含了一套带有用户界面的桌面应用：ArcMap, ArcCatalog, ArcGlobe和ArcScene，每一个应用都具有丰富的GIS工具。

1.3.1 ArcMap

ArcMap是ArcGIS Desktop中一个可用于数据输入、编辑、查询、分析等功能的应用程序，具有基于地图的所有功能，实现如地图制图、地图编辑、地图分析等功能。ArcMap包含一个复杂的专业制图和编辑系统，它既是一个面向对象的编辑器，又是一个数据表生成器。ArcMap提供两种类型的地图视图：数据视图和布局视图。在数据视图中，用户可以对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS数据集。数据视图时任何一个数据集在选定的一个区域内的显示窗口。在布局视图中，用户可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他数据元素，比如图例、比例尺、指北针等。

1.3.2 ArcCatalog

ArcCatalog是一个集成化的空间数据管理器，用户通过ArcCatalog来组织、管理和创建GIS数据。它以数据为核心，组织和管理空间数据。ArcCatalog主要用于空间数据的浏览，数据结构定义，数据导入导出，拓扑规则的定义、检查，元数据的定义和编辑修改。利用ArcCatalog可以创建和管理数据库，用于定位、浏览、搜索、可定制和利用元数据。在ArcCatalog平台支持下，可大大简化用户组织、管理和维护数据工作。

1.3.3 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。

1.3.4 ArcScene

ArcScene是ArcGIS桌面系统中实现3D可视化和3D空间分析的应用程序，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，适用于小场景的3D分析和显示。ArcScene基于OpenGL，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。

1.4 ArcGIS数据类型

ArcGIS支持大部分矢量和影像数据（详见表2-1）。其中文档格式主要有max，工程文件类似于viewgis的复合图（.veg）；矢量格式主要有Shp, Coverages, GeoDatabase, EOO, CAD等；影像数据主要有Grid, Img, JPG, TIF等。

表2-1基于ArcGIS的数据格式

2以GIS软件视角看GIS发展

2.1国内外地理信息系统的发展历程

2.1.1国内外地理信息系统的发展历程

国际上地理信息系统的发展始于20世纪60年代的北美，由于当时计算机技术水平不高，使得GIS带有更多的机助制图色彩，地学分析功能极简单。

20世纪70年代以后，是地理信息系统的巩固阶段，由于计算机软硬件迅速发展，特别是大容量存贮功能磁盘的使用，使GIS朝实用方向迅速发展。

20世纪80年代，由于新一代高性能的计算机的普及和迅速发展，GIS与卫星遥感技术结合，GIS已用于全球变化的研究与监测。出现了一些具代表性的性能较好的GIS软件，如ARC/INFO, MICROSTA TION, SICAD, GENAMAP等。

20世纪90年代，GIS已成为确定性产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番。GIS已渗透到各行各业，愈来愈多的国际性会议、学术刊物以GIS为主题，它已成为人们规划管理中不可缺少的应用工具[1]。

2.1.2中国地理信息系统的发展历程

中国的地理信息系统研究与应用始于20世纪70年代末80年代初，虽然历史较短，但发展很快。大体分3个阶段[2]。

第一阶段，从1978—1980年为准备阶段。主要是舆论准备，队伍组建，开始GIS的启蒙研究。

第二阶段，从1981—1985年为起步阶段。主要对GIS进行理论探索和区域性实验研究，并制定国家GIS的规范，并进行信息采集、数据库模型设计。1985年国家资源与环境信息系统实验室成立。

第三阶段，是从1986年到现在，为GIS的全面发展阶段。作为一个全国性的研究领域，GIS已逐步和国民经济建设相结合，取得了重要进展和实际应用效益。

2.2行业主要企业简况

地理信息数据服务业务具有较高的行业进入壁垒。地理信息产业市场集中度较高、技术发展迅速、企业规模较大、产业政策比较健全，主要有美国谷歌公司、Skyline公司、美国微软公司等，该等企业实力雄厚、从业经验较长，在全球范围内具有竞争力。

2.2.1国外主要企业及其软件

（1）Google Earth

Google Earth是美国谷歌公司开发的，以三维地球的形式把大量卫星图片、航拍照片和模拟三维图像组织在一起，使用户从不同角度浏览地球。Google Earth的数据来源于商业遥感卫星影像和航片，包括DigitalGlobe公司的QuickBird, IKOONOS及法国SPOTS。其特点是：Google Earth凭借其强大的技术实力和经验，以其操作简单、用户体验超群的优势吸引了全球近十分之一的人口使用。

（2）World Wind

World Wind是美国国家航空和航天管理局（NASA）发布的一个开放源代码的地理科普软件，它是一个可视化地球仪，将NASA、USGS以及其他WMS服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现，还包含了火星和月球的展现。软件用C#编写，调用微软SQL Server影像库Terrain Server来进行全球地形三维显示。它通过将遥感影像与SRTM高程叠加生成三维地形。可以利用Landsat 7, SRTM, MODIS, GLOBE, Landmark Set等多颗卫星的数据，将Landsat卫星的图像和航天飞机雷达遥感数据结合在一起，让用户体验三维地球遨游的感觉。采用了先进的流传输技术。World Wind最大的特性是卫星数据的自动更新能力，这种能力使得World Wind具有在世界范围内跟踪近期事件、天气变化、火灾等情况的能力。

（3）Skyline Globe

Skyline Globe是由美国Skyline公司发布的集应用程序、生产工具和服务于一体的三维地理信息云服务平台。该平台能够基于卫星影像、航空影像创建高分辨率的三维虚拟地球场景。Skyline具有强大空间信息展示功能，支持交互式绘图工具，提供三维测量及地形分析工具，提供数据库接口支持如Oracle, ArcSDE，拥有强大数据处理能力。其产品形式包括：TerraExplorer, TerraExplorer Pro, TerraBuilder, TerraGate。应用的领域包括：中国数字海洋系统、公安部警卫基础工作信息系统、数字深圳三维平台、黄河可视化防汛预案管理系统、数字烟台三维城市规划信息系统等。

（4）Virtual Earth

美国微软公司开发的Virtual Earth 3D可以呈现完整交互式的三维图片，是基于地图的搜索工具，集航拍照片、地图、黄页数据于一体。在Virtual Earth 3D中，就像在大型3D游戏的虚拟现实环境中一样，用户可以在城市之间、建筑物之间“飞来飞去”。除了真实地“再现”城市的地形外，Virtual Earth 3D中也包含一些现实世界中不存在的东西。其最大的特点是：Virtual Earth 3D不要求用户在硬盘上下载应用软件，而是直接在浏览器中运行。

（5）ArcGIS Explore（r ArcGIS）

美国环境系统研究所公司（ESRI）所开发的ArcGIS Explorer，是一个免费的虚拟地球浏览器，提供自由、快速的2D和3D地理信息浏览，充满趣味性且简捷易用。ArcGIS Explorer通过继承ArcGIS Server完整的GIS性能，达到整合丰富的GIS数据集和服务器空间处理应用的目的。AreG1S Explore具有和Google Earth相似的功能，支持来自ArcGIS Server, GML, WMS, Google Earth（KML）的数据。

2.2.2国内主要企业

（1）SuperMap GIS

北京超图软件股份有限公司是中国和亚洲领先的地理信息系统平台软件企业，主要从事GIS基础平台和应用平台软件的研究、开发、推广和服务。研发了SuperMap GIS系列。超图软件为政府单位和企事业单位信息化建设提供了专业的GIS平台。SuperMap GIS系列软件已经广泛应用于数字城市、国土、水利、环保、海洋、测绘、农业、林业、应急、交通、能源、市政管线、金融、通信、电力、自来水、石油石化等数十个行业。SuperMap GIS拥有三大技术体系：二维与三维一体化的Realspace GIS技术体系、面向服务的Service GIS技术体系、高性能跨平台的Universal GIS技术体系。现在该公司的产品有Supermap iserver6R, Supermap deskpro, Supermap obeject系列产品[3]。

（2）EV-Globe

北京国遥新天地信息技术有限公司以中国科学院遥感应用研究所和国家遥感应用工程技术研究中心为背景依托，提供遥感应用软件、遥感影像数据两大业务板块服务及全面遥感解决方案。EV-Globe具有大范围的、海量的、多源的数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，可与常规GIS软件集成，可方便快速构建三维空间信息服务系统，亦可快速在二维GIS系统完成向三维的扩展。EV-Globe提供距离测量、线段剖面、折线剖面、区域淹没、通视分析等三维GIS特色的空间分析功能。可以在EV-Globe中看到烟雾、尘暴、火焰以及下雨、下雪等特殊效果。

（3）GeoGlobe

GeoGlobe是武汉大学李德仁和龚建雅等教授花了近10年时间打造，由武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室研发的网络环境下全球海量无缝空间数据组织、管理与可视化软件。GeoGlobe提供了一系列三维可视化及应用的功能：可视化导航与操作、可视化查询与三维分析、兴趣点标注及定位等。还提供了二次开发功能，用户可以根据应用的需要自行设计界面，调用所提供的动态库进行二次开发。产品形式包括有：GeoGlobe Server, GeoGlobe Builder, GeoGlobe Viewer。

（4）IMAGIS

IMAGIS三维可视地理信息系统是一套以数字正射影像（DOM）、数字地面模型（DEM）、数字线划图（DLG）和数字栅格图（DRG）作为处理对象的GIS系统。结合了三维可视化技术与虚拟现实技术，完全再现管理环境下的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，真正做到了管理意义上的“所见即所得”。产品形式包括有：IMAGIS Education，三维可视地理信息系统教育版；IMAGIS Classic，三维可视地理信息系统；IMAGIS Magixity，城市建模与可视化地理信息系统；IMAGIS 3DBrowser，影像快速漫游系统；IMAGIS Web3D，三维场景数据网络发布系统；IMAGIS Sup3DBrowser,3DBrowser通用控件。

（5）CityMaker

CityMaker是数字城市三维可视化平台，主要针对城市规划领域，提供覆盖规划设计、展示、评估、管理的全方位服务。提供从三维地理信息系统建设到应用的全面解决方案。通过CityMaker三维地理信息平台，可以叠加显示城市面貌、规划图则、户籍信息、监控视频等各种二三维数据，还可快速集成已有专业系统，开展基于网络的三维专业应用。

（6）VRMap

三维地理信息系统软件VRMap实现了VR和GIS技术的完美结合，由北京灵图软件技术有限公司研发的，可以根据卫星影像、航空影像、电子地图、高程数据、城市模型数据、虚拟效果数据生成虚拟地理场景；通过VRMap提供的二次开发包，可实现规划、国土、电信、交通、水利等各行业的专业分析。

（7）Geoway

Geoway是北京吉威时代软件技术有限公司开发的一组专业而全面的空间数据处理软件，套件为4D（DLG, DRG, DEM, DOM）基础地理信息产品，提供从数据采集、加工、到产品制作和包装的全套生产软件。Geoway数据加工平台可以为外部成果数据（野外、航测遥感、GIS/CAD）提供“一套数据、多种用途”的增值加工，成果同时满足产品制作和空间建库的双重要求。

2.3地理信息系统的发展趋势

随着网络系统的快速发展，以及国家对地理信息技术的支持，地理信息系统的发展速度十分惊人。随着经济的发展，城市问题愈来愈突出，然而智慧城市成为解决城市问题的一条可行道路，也是未来城市发展的趋势。智慧城市是基于数字城市、3S、物联网和云计算建立的现实世界与数字世界的融合，以实现对人和物的感知、控制和智能服务。智慧城市对经济转型发展、城市智能管理和对大众的智能服务具有广泛的前景，从而使得人与自然更加协调的发展[4]。

2.3.1大数据与智慧城市

智慧城市建设是一个系统工程，需要根据每个城市自身的特点做好顶层设计后统一规划，分步实施。智慧城市的实现需要建设更加完善的信息基础设施和包括智慧城市运营为主的技术支撑，才能保证各种智慧城市的应用能够用得好、用得起。

2.3.2三维GIS与智慧城市

从三维GIS发展到实时GIS是GIS未来发展的又一大趋势。GIS已经形成二维GIS、三维GIS与实时GIS交相辉映的多维动态表示新格局，将大立体、高动态的现实世界更加全面准确地映射到计算机数据库，它突破了空间信息在二维地图平面中单调表现的束缚，为各行各业以及人们的日常生活提供了更有效的辅助决策支持[5]。

2.3.3云GIS

云计算正在成为下一代计算平台，它能够推动管理体系变革，控制资源消耗，降低事业成本，因此各国政府都大力推动其发展。为顺应“云计算”“物联网”“智慧地球”等新兴技术潮流，满足政府部门、企业单位、社会公众对GIS应用在专业化方向深入、社会化方向拓展的需要。

2.4小结

通过以上论述，我们可以清楚地看到：世界已经迈入到一个信息化的时代，我国将GIS建设当作建设信息化基础设备的一部分。尤其是在最近几年里，信息时代的脚步日益加快，各个行业应当紧抓这一时机，积极运用GIS, GPS等新型技术。现如今随着移动互联网、云计算等新模式、新技术的发展，平台化也已成为发展趋势，而平台提供商如何充分的利用平台的资源优势，为地理信息开发者提供一个功能足够强大、能够激发想象空间的应用平台就尤为重要。这样，GIS才能普适化、大众化，使每个人都能方便获取各种所需的数据，使每个人都可以成为空间信息的分享者和使用者。

3 ArcGIS专题应用

3.1专题应用

专题应用是在专业操作技能较高的基础上，对实际应用问题进行深入分析，学习运用技能知识解决实际问题的方法与技巧。“在实践应用中学习”，创造在专题应用情境中，在实践中学习，结合更多的专业技能实践学习锻炼机会更好的应用。

3.2 ArcGIS专题应用

ArcGIS专题应用是指在GIS的基础上，对实际应用问题进行深入分析，通过GIS空间分析来解决实际应用问题，本文中涉及的专题和分析工具如下：

表2-2 ArcGIS专题

参考文献

［1］李清泉，李德仁．大数据UIS［J］．武汉大学学报·信息科学版．2014,39（06）:641-644.

［2］宋关福．云计算时代的UIS技术发展漫谈［J］．测绘与空间地理信息，2011,34（sl）:1-4.

［3］宋关福．十年打造SupcrMap三大技术体系［J］．地理信息世界，2011（02）:83-85.

［4］王少华．超图平台软件创新：SupcrMap UlS 8C简介［J］．地球信息科学学报，2016,18（01）:122-125.

［5］蔡文文，王少华，钟耳顺，等．跨平台开源桌面UIS软件的设计与实现［J］．测绘通报，2017（01）:122-128.