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浅谈ARCGIS人口密度专题地图制作.doc

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浅谈 ARCGIS 人口密度 专题地图 制作
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 浅谈 ARCGIS 人口密度专题地图制作 资源工程学院浅谈 ARCGIS人口密度专题地图制作【摘要】本文针对 GIS 在地图制作方面的发展,以专题图制作为目的。从人口专题地图制作要求出发,阐述了GIS 在专题图制作中的应用、GIS 制图技术的理论和流程,探索 ARCGIS 中地图制作的方法。并以福建省人口专题图为例表现出 GIS 制图技术的方便性和优越性。【关键词】地理信息系统,人口密度专题地图,GIS 制图,地图编辑1目录1引言 ..................................................................................21.1 GIS 制图发展背景 ..................................................................21.2 地图制作现状 ......................................................................21.3 GIS 制图的意义 ....................................................................22 人口密度专题地图的影响因素 ...........................................................23.人口密度专题地图制作的基本要求 .......................................................34 GIS中专题地图制作 ....................................................................34.1 专题地图制作的理念 ................................................................34.2 人口密度专题图制作的方法 ..........................................................34.3 专题图的基本流程 ..................................................................44.4 几何纠正、配准和选择投影系统 ......................................................54.5 地图数据的符号化 ..................................................................54.6 专题地图的注记和图例设置 ..........................................................64.7 地图整饰及输出 ....................................................................65基于 ARCMAP的人口专题图举例 ...........................................................75.1 研究区概况 ........................................................................75.2 数据准备 ..........................................................................85.3 人口专题图 .......................................................................106结束语 ...............................................................................10参考文献 .............................................................................127致谢语 ...............................................................................138摘要翻译 .............................................................................1421.引言1.1 GIS 制图发展背景进入新世纪以来,现代科学技术的发生了翻天覆地的变化,3s 技术的出现使得在测绘行业获得的地理事物资料也越来越详细,例如坐标数据、航测照片、遥感图像等,并且获得了大量的地理实体的空间特征、属性特征、时间特征和地理实体的相互关系。使得传统的制图方法不再能满足人们对空间数据的查询、处理、分析、显示与应用的需求。为了能充分地把地理空间数据融入地图中,GIS 制图方法走进了人们的视线。GIS 制图是运用地理信息系统处理和管理地理实体的技术,是使用制图软件在普通地图基础上进行一系列地图操作,处理各种属性数据产生一副新的具有各种属性信息和能够进行特定分析操作的地图。地理信息系统(gis) ,它是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统,该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示,以便解决复杂的规划和管理问题 [1]。简单的说就是制图学和计算机技术的融合。随着 GIS 技术和理论的成熟,GIS 广泛应用于各行各业,特别是在地图编制。1.2 地图制作现状在现今互联网一体化和经济全球化的世界,地图制作越来越智能化了,地图制作理论和方法的日益完善,地图制作向着广度和深度全面发展。从最早的人工制图,使用平板、直尺三角尺、圆规作图等简单工具制作地形图,这种手工制图是一项精细、繁琐和持久的制图方法,其效率低、成果图差,并且制图时间长,不易于修改和保存。再来随着计算机的出现,使得地图制作进入了新时代 ——人机交互时代。主要有计算机绘图、CAD、矢量图形处理软件、ERDAS 软件和 ARCGIS 软件等。CAD 是一款应用广泛的绘图软件,是利用计算机和图形设备对制图内容进行设计和制图的技术。其主要功能有进行基本的图形绘制与设计,能够对图形进行交互处理、图形变换处理、曲面造型和实体造型等处理。一般针对非图形属性数据,说明图形数据和它们的空间位置,但全是针对简单几何体和它们的组合体,这样一来就导致了它的图形表现强,属性数据表现相对薄弱的特点。通过 ERDAS 软件可以对遥感数据进行几何处理、二值图像处理及专题属性信息提取,能为 GIS 提供数据,虽然它可以处理一些关于空间分析的问题,但欠缺与地理事物的空间关系之间的表达,不能对事物的属性数据很好地表达,也无法对它们的空间关系进行查询和对它们进行网络分析等功能。GIS 制图不仅具有 CAD 和 ERDAS 软件的制图功能,而且克服了属性数据操作难、空间分析、网络分析欠缺的问题。1.3 GIS 制图的意义GIS 技术制图相比于其他的计算机制图功能更多,更有利于多源数据的有机结合,可以更突出和完善制图内容,能充分的利用事物的空间数据和属性特征,借助于 GIS 的可视化表达和空间分析功能使得地图内容更加直观和科学。GIS 在地图上的应用使得地图的功能也由认知性地图为主扩展至动态导航、区域规划和辅助决策等 [2]。2.人口密度专题地图的影响因素地图即根据固定的比例采用图像、符号、颜色、文字注记等来表现地理实体的自然属性、行政影响范围、社会属性的图形。人口密度地图即表示某一面积上的人口数,是表示地区人口密集程度。所以它与地区面积和人口数量有关,但是地区中地形的不同也会影响人口的分布,平原地区人口较密集,山陵地区人口较稀疏,一般人口也沿河流两岸分布。人口密度还与社会经济有关,经济发展比较好的会聚集较多的人口数,反之较少。GIS 的发展也使人口专题地图的制作变得更简单。我们知道专题地图不仅可以表达制图对象的属性特征和实时动态,并且能够清楚的显示出各地理事物的分布状态和它们之间的联系。传统的人口密度地图表示的是地区平均的人口密度不能够准确的表示地形、社会经济因素的影3响。如:地区边界地区的人口密度跨梯度大的问题、地形地貌的问题、社会经济影响等。 3.人口密度专题地图制作的基本要求专题地图的组成要素有:底图要素和专题要素两种。因此一幅好的专题地图对底图要素和专题要素都有所要求 [3]。底图要素是解释专题要素与周边地理实体之间的联系,而且可以提供专题内容的坐标基础,确定地面物体的坐标。专题要素是指地图主题相关的属性数据和相应的地理信息,其来源广泛像图像、文本、视频等。地图底图的选取通常因专题地图的内容的不同而选取的数量和详细程度不一样。例如,在交通图上,界线和河流不仅要选取而且还要详细地表示,那些等高线、经纬线、地貌就没必要选取了;在土壤类型图上,地貌和界线的选取是主要的要素,因此在底图选取上这两方面的越详细越好,其他要素只需简单表示即可或者不予表示。地图底图中要素采集的方法有地图跟踪数字化与地图扫描数字化 [4],其中地图跟踪数字化是当前采集数据获取基础底图通常采用的方法,它是通过记录数字化板上地图中点、线、面的平面坐标来获取矢量数据的。一般的作业流程:把要数字化的地图放置在数字化板上,并使之不能移动,接着确定数字化大小,输入作业参数,进行特征码要素输入,最后选择数字化方式,就可以按地图要素的类别分别实施图形数字化了。扫描数字化是一种靠操作员扫描图件的方式,是靠操作员使用扫描仪按地图中的内容一个一个的将其信息扫进计算机中存储,这样就导致了其扫描后的质量和精度与操作员相关。一般的作业流程:首先通过扫描地图原件将地图转换为栅格数据图像,接着采用栅格数据矢量化的技术追踪出线和面,采用模式识别技术在图件上识别出主要的点和注记,并根据原图内容和地图符号的关系,自动给矢量数据赋以属性值并存储起来。如果作图人对要完成的地图内容有一定的了解,它有什么地图数据要选取,应包含什么底图要素等,这时选择地图跟踪数字化就比较合适,因为用户知道应该选择什么要素。如果用户不清楚要选什么要素,也就要全部选取了,因此选择扫描数字化能快速地完成底图要素选取任务。专题要素的选取一般有 GPS 观测数据、遥感数据、一些文本资料和视频影像等。因为数据载体不同数据格式也不同,所以不同的数据输入需要用到不同的设备。例如,对于文字数据通常用人机交互的方法通过键盘输入到计算机中存储,另一种方法是用扫描仪扫描将数字获取到计算机中,再用字符识别技术自动录入;对于矢量数据录入,一般用平板数字化仪,采用手扶跟踪的方法,也可以用扫描仪扫描成图像后,再进行栅格数据矢量化的方法自动追踪输入 [5]。地图数据在采集后可能因为录入时各种操作的不当或数据本身就有误差,因此要对这些属性数据进行质量的评价与控制,要进一步编辑与处理。主要有数学基础的变换、地图的拼接、拓扑的生成、数据压缩等,使其以点线面的表现方式,或者以统计图表的方式,叠加绘制在地理要素图层上,这样就完成了专题地图的基础图。4. ARCgis 中人口密度专题地图制作4.1 专题地图制作的理念专题地图制作的基本理念是有逻辑要严密、符合客观实际、综合性强、精美的艺术性、较强的实用性 [6]。专题地图制作主题要鲜明、表现力要强、具有很好的现势性。GIS 的专题地图编制充分运用 GIS 空间分析和可视化表达,基于 GIS 数据的主题图编制数据源充足、详细,能够准确真实的反映出专题图的主题,内容充实能够辅助决策和为各行业提供完善的服务。例如在编制旅游景点地区的专题图时,考虑到了旅游地图要满足用户查询、了解生活的需要,具有人性化的考虑,要具有动态性、现势性、辅助显示、共享性等。4.2 人口密度专题图制作的方法人口密度专题地图的制作在空间上应该是趋于渐变的曲线,并不是呈现从一个数值跳到另一个数值的突变情况。因此以前的人口密度呈均匀变化的专题地图在边界区域存在数据的缺失,不能很好的表现人口密度的变化情况。基于这种不足我认为可以用面积权重比方法来使边界区4域呈现缓和的情况。面积权重比法即根据目标区域所跨边界的区域的面积的权重来计算人口密度的一种方法。面积权重比法是解决地图边界地区的数值梯度大,难以表示地区的真实值情况的问题,它是在地图边界处取相交的面积,计算其地块与其他地块相邻的地块的权重比,从而确定出所取边界的数值大小。如图所示,目标地块处于三个地区的交界处,要计算其人口密度。如图 4-1 地块与三个地区交接处面积分别为 s1、s2、s3,三个地区人口密度分别为 A1、A2、A3,所以目标区域的人口密度可由公式:A=(s1*A1+s2*A2+s3*A3)/(s1+s2+s3),计算而得到比较接近的数值。图 4-1 目标面积图4.3 专题图的基本流程专题图制作之前,首先要根据用户的需求进行地图设计,收集相关资料 [7],然后由数据情况确定地图表现内容和专题表现方式等。然后设计制图大纲确定制图空间的大小和地理特点,编定制图的规则、种类、图名、用途和要求等。最后再由相关软件整合数据对底图要素和专题要素进行选择、处理、注记、符号化、图例配置等,实现专题图制作,其具体流程如图 4—2所示。5图 4—2 GIS 专题图制作流程图4.4 几何纠正、配准和选择投影系统因为扫描的图形可能会导致变形,所以可能需要进行几何纠正进行处理 [8]。几何纠正分为两个部分,分别为定义坐标和配准。定义坐标是 ArcGIS 中 Arctool 工具中选择“数据管理工具”中的“定义投影”选择 xian80 坐标,在本图中定义。下面简单介绍一下用 ARCmap 进行配准的步骤:加载图层,利用地理配准工具条,在图层中找到一个比较显眼的点 X,单击添加控文本资料 地理数据库 地图、图像资料扫描符号化数据处理要素选取注记、图例配置地图整饰地图输出几何校正、配准矢量化地理坐标系统投影坐标系统6制点按钮,然后输入点 X 的坐标值。控制点的选取要大于 3 个以上,选择完控制点后,查看纠正误差,对于残差特别大的点可以删除后重新选取控制点。完成图像矫正并矢量化工作完成后,就完成了专题图的预处理了。4.5 地图数据的符号化21 世纪以来,由于地产业、林业、旅游业等快速发展导致了专题图制作行业的迅速发展,特种地图的应用越来越广泛,地图符号同样也得到了很大的发展,各种符号层出不穷。制作出一个符合地图上地理特征的符号,不仅可以很好地表现地图要素,也影响地图的成图观赏性和自动化制图的发展。所以我们可以看出,地图符号是地图可视化表达的关键,它更能使图中的一些不好表示的事物更加的生动形象。在把数字数据转换为地图信息的过程中,从地图上把处理出来的地理数据转化成连续的图形并用不同符号或者行状表示出来就叫做地图数据的符号化。符号化的原则是按实际中地理实体的形状来制定相应的符号,以颜色或者形状大小来区分实体的性质。地图符号按其几何性质不同分为点状、线状、面状符号这三类。点状符号用来表示在当前的比例尺下,呈离散分布且相对来说较小的地理实体,只是起到地理坐标位置的确定,本身没有面积的意义,符号所占用的空间与地图的比例尺无关。地理实体中某些事物在图中的位置可以用一个点来描述,用常见的几何图形来制作点状符号。一般选取符号的几何中心来定位,或以底部位置为基准点,一般用点状符号用来表示居民点、控制点和其他标志性点等。线状符号是描述呈现线状的事物,比如,道路、构造线、河流、管道等。一般可以根据比例的大小来决定是用线还是面表示。如道路,在小比例尺的地图上,一般用细线来表示,而在大比例尺地图上就要表示成面状要素了。通常用线状符号的色彩强弱和几何形状来表示质量的差别 ,用它的线形宽度来表示数量特征。面状符号有明显的广度和深度特征,它们通过面进行定位,面的形状与其表现的地物的状态相同。通常用面状符号来表示林地范围、各种区划范围、土地类型图等。以下是各类符号的示意图。图 4—3 线状符号 图 4—4 面状符号数据的符号化表示可以通过要素的属性特征采取单一符号、分类符号、分级符号、分组符号、组合符号、比率符号和统计图形等多种表示方法来编制专题地图 [9]。分类符号、分级符号和统计符号的设置只需打开该图层的图层属性,即对对图层进行右击,选择对话框中的 Layer Properties,在“show”列表框分别选择“categories” 、 “quantities”和“charts”选项,各选项之下又有子选项,子选项的选择要看制图者的需要,如分级符号设置下还有分级色彩、分级系统,统计符号设置可以用饼状图表示、柱状图表示或者折线图表示。总之,在专题图配色和符号化的过程,要反复进行实验和比较,符号的设计和色彩的搭配要具有一定的美感,符号设计要简洁美观形象生动,色彩的配置也要合理协调。7图 4—5 “Layer Properties”对话框 4.6 专题地图的注记和图例设置地图注记是为了更好地说明图层上的要素名称及其属性特征,通常用文字和数字进行注记[10]。通常用其表示出事物的名称或用途,是专题图制作必不可少的,也是关键的一步。专题图的标注通常通过文本工具进行标注,即先将地表物体属性项的内容转换成文本,在进行字体、位置和大小的设置;也可以通过显示属性项内容进行标注。按注记的内容可分为名称注记、说明注记和数字注记三种 [11]。名称注记用于解释地表物体的特定的称谓,如江河湖海、山川盆地,、陆地、岛屿的名称等;说明标注用于阐述地表物体的性质、类别或特性,通常是用作补充地表物体符号介绍的不足,通常是简单的标注;数字注记用于说明地表物体的数量特征,如人口数量、土地的面积、地形的高程等。注记的内容还包括标注专题图名称、制作专题图的单位、日期、专题图比例尺、图例等地图的基本信息。图名一般放置在地图的中间位置,或者左边。图例符号是对地图的内容进行简单的说明使阅读和使用更加方便,通常有两部分:一、用于表示地图符号的点线面按钮;二、是对地图符号含义的标注和说明。4.7 专题地图整饰及输出专题地图整饰是根据地图性质和用途,正确选择表示方法和表现形式,恰当处理图上各种表示方法的相互关系 [12],以充分表现专题图主要内容及制图要素的特征,使得地图版面格式和内容能够显得完美统一,使得专题地图看起来简洁易懂,具有观赏性,还要使地图的科学性与艺术性相结合。下面就指北针和统计图表的整饰做介绍。指北针的样式有很多,在“insert”下的“north arrow”对话框(见图) ,选择一种系统的指北针类型,可以查看其属性对其进行大小、颜色、旋转角度等参数的设置。统计图表是根据地理实体采集来的数据绘制而成的,可以直观地表达地图要素的属性特征,和比较出地理实体之间的不同之处,有利于正确做出科学规划,是专题地图中经常出现的表现形式。其创建在工具菜单的“Graphs”下的“Create”命令 [16]。专题地图的输出方式有借助打印机直接复制输出和转换成广泛使用的格式或者矢量格式的电子地图,以便在多种系统中应用。打印输出的方式比较简单操作也不复杂而栅格图形显示对显示终端的要求最低,不需要特定的应用软件,但不能对图内的要素进行统计分析;矢量格式需要特定的软件支持,可以进行简单的空间运算或统计分析。5.基于 Arcmap的人口专题图举例85.1 研究区概况本文选取福建省各个市区的人口数量制作人口专题图,福建省地处我国东南沿海地区,东西范围约 480 公里,南北范围约 530 公里,总陆地面积 12.4 万平方公里。与浙、赣、粤 3 省接壤,与台湾岛隔台湾海峡相望。福建省现有 9 个地级市福州、厦门、泉州、漳州、莆田、龙岩、三明、南平、宁德。福建省的民族组成比较单一,以汉族为主,其人口密集在厦漳泉地区。5.2 数据准备本例的基础空间数据由福建省行政区划图获得,属性数据主要有:福建省所辖各市区的面积以及 2000 年和 2011 年各市区人口数量。本例图层属性数据的输入采用直接输入。具体操作:在 GIS 中将福建省行政区划矢量图添加进来,点击编辑。打开属性表,选择添加字段,分别添加 name、人口数—11、面积 3 个新字段。输入以下数据。表 5—1 福建省各市区人口表name 福州市厦门市 泉州市 漳州市 莆田市龙岩市宁德市三明市南平市人口数—11683000025000007860000498000030697002770000325000026672003040000面积(平方公里)12150 1575.1611020 12300 4119 19050 134502290026300图 5-1 属性表图 在对研究区情况全面了解,数据准备齐全之下,我们根据人口专题图的设计要求,要使得专题图能够表现出福建省各地区人口密度情况,并且具有科学性、观赏性。本文采用 Arcgis 10 软件进行制图。首先,在 Arcatalog 10 上创建新的点线面图层;然后打开 Arcmap 添加创建好的图层和地理底图,在地理底图上进行点线面的选取,我们根据选取出来的图层进行属性数据输入,其中人口密度数据用属性表里面的字段计算器计算,公式为人口数/面积;最后,我们就可以进行专题图的可视化表达,主要工作有进行字符系统设置,在此我们采用唯一值多字段进行研究;接着进行相关的图面整饰并输出成图。从 2011 年的人口密度图中我们可以直观的看出人口密度 500 人/平方公里的有福州、泉州、莆田和厦门四个地区,其中厦门地区人口密度最大面积小且人口密度大;另外,我们可以看出三明、南平、宁德和龙岩地区面积大人口密度小的特点。本文以 2011 年福建省的人口密度为例,以 ARCgis 软件平台为基础,来制作人口专题图在边界
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