随着信息技术的发展及应用领域的不断扩大，尤其是计算机技术以前所未有的速度快速发展，地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）技术也得到了飞速的发展。其在城市规划中的应用也越来越广泛。目前，地理信息系统软件ArcGIS 已成为全世界用户群体最大、应用领域最广泛的GIS 软件平台。ESRI 公司已成为公认的、世界领先的GIS 软件供应商。本节将介绍地理信息系统ArcGIS 及与之相关的ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe、Arc-Toolbox 和ModelBuilder 软件的基本原理和基础知识。

（1）GIS

地理信息系统（GIS）是一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科。它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。简单地讲，GIS 就是一个将地理信息（回答在什么地方的信息）和描述信息（回答是什么的信息）结合在一起的计算机软件。

GIS 通常也被认为是一种决策支持系统，它具有信息系统的一般特点。信息系统是具有采集、处理、管理和分析功能的系统，它能为企业部门或组织的决策过程提供有用的信息。地理信息系统处理和管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。

GIS 可以通过管理、分析、通信进行复杂图案识别及空间建模和空间数据挖掘。它与其他系统的差别从空间数据来看，GIS 强调地理信息，来源于计算机辅助地理制图，范围领域涉及全球。在GIS 中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个部分组成。

GIS 的应用领域非常广泛，尤其是在近几十年，取得了惊人的发展。其广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通信、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。一个GIS 系统的组成，可以分为5 个主要部分：硬件、软件、数据、人员和方法。下面简要介绍各个部分。

①硬件

硬件是指操作GIS 所需的一切计算机资源。目前的GIS 软件可以在很多类型的硬件上运行，从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。一个典型的GIS 硬件系统除计算机外，还包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外部设备。

②软件

软件是指GIS 运行所必需的各种程序。它包括计算机系统软件和地理信息系统软件两部分。地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件部件有：输入和处理地理信息的工具，数据库管理系统工具，支持地理查询、分析和可视化显示的工具，容易使用这些工具的图形用户界面GUI。

③数据

数据是一个GIS 系统最基础的组成部分。地理空间数据是GIS 的操作对象，也是现实世界经过模型转换的一种抽象性表达。数据包括空间数据和属性数据。空间数据的表达可以采用栅格和矢量两种形式。空间数据表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向及几何拓扑关系。

一个GIS 系统必须建立在准确合理的地理数据基础上。数据来源包括室内数字化和野外采集，或是其他数据的转换，也可以从商业数据提供者处直接购买。

④人员

人是地理信息系统中重要的构成要素。GIS 不同于一幅地图，它是一个动态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统。它还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善及应用程序开发，并采用空间分析模型提取多种信息。

GIS 应用的关键是掌握实施GIS 来解决现实问题的人员素质。这些人员既包括从事设计、开发和维护GIS 系统的技术专家，也包括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。一个GIS 系统的运行班子应由项目负责人、信息技术专家、应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。

⑤方法

这里的方法主要是指空间信息的综合分析方法，即常说的应用模型。它是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。GIS 应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的。如基于GIS 的矿产资源评价模型、灾害评价模型等。

⑥GIS 的主要功能

一个完整的地理信息系统（GIS）具有以下5 个方面的功能：

A.数据采集与编辑功能：主要包括图形数据采集与编辑以及属性数据编辑与分析等功能。

B.数据的存储和管理功能：包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作、通信功能等。

C.制图功能：根据GIS 的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量地图或栅格地图。地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图，如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高城图等。用户还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图，如坡度图、坡向图、剖面图等。

D.空间查询与空间分析功能：包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析、地学分析、数字高程模型的建立、地形分析等。

E.二次开发和编程功能：用户可以在自己的编程环境中调用GIS 的命令和函数，或者GIS 系统将某些功能做成专门的控件供用户开发使用。

⑦ArcGIS 9 软件体系结构

ArcGIS9 是ESRI 开发的新一代GIS 软件，是世界上应用广泛的GIS 软件之一。

它是由数据、数据服务器ArcSDE，以及4 个应用基础框架（桌面软件Desktop、服务器GIS、嵌入式GIS 和移动GIS）组成，如图3—1 所示。

图3—1 ArcGIS 9 体系结构

从图3—1 中可以看出，其最下部分是数据层，包括存储在文件或是数据库中的数据及以XML 形式存在的数据。这些数据都可以通过数据服务器ArcSDE 来给应用层面的软件体系提供GIS 系统所需要的数据。ArcGIS9 应用程序又可以分为4 个部分：桌面软件Desktop、服务器GIS、嵌入式GIS 和移动GIS。谈到应用软件，不得不提的是ArcObjects 组件。ArcObjects 组件是一套共享的GIS 组件，其包含了大量的可编程组件，用户可以利用这些组件迅速搭建一个新的GIS 应用系统。

⑧ArcGIS 桌面产品（Desktop GIS）

ArcGIS 桌面产品是一系列整合的应用程序的总称，其包含诸如ArcMap、ArcCatalog、ArcToobox 及ArcGlobe 等在内的用户界面组件。其功能可分为以下几个级别：ArcView、ArcEditor 和ArcInfo，而ArcReader 则是一个免费地图浏览器组件。每个级别的功能如下：

A.ArcReader 是一个免费地图浏览器，可以查看、打印用其他ArcGIS 桌面产品生成的所有地图和数据格式。它还具有简单的浏览和查询功能。

B.ArcView 提供了复杂的制图、数据使用、分析，以及简单的数据编辑和空间处理工具。

C.ArcEditor 除包括了ArcView 中的所有功能之外，还包括了对Shapefile和Geodatabase 的高级编辑功能。

D.ArcInfo 是一个全功能的旗舰式GIS 桌面产品。它扩展了ArcView 和ArcEditor 的高级空间处理功能，还包括传统的ArcInfo Workstation 应用程序（如ArcPlot、ArcEdit、AML 等）。

其中，ArcView、ArcEdior、ArcInfo 是三级不同的桌面软件系统，共用通用的结构、通用的编码基数、通用的扩展模块和统一的开发环境，功能由简单到复杂，其结构体系如图3—2 所示。

图3—2 ArcGISDesktop 体系结构(www.daowen.com)

因为ArcView、ArcEditor 和ArcInfo 的结构都是统一的，所以地图、数据、符号、地图图层、自定义的工具和接口、报表和元数据等都可以在这三个产品中共享和交换使用。使用者不必去学习和配置几个不同的结构框架。这是使用统一结构的优点。

三级桌面都由同样的应用环境构成——ArcMap、ArcCatalog、ArcScene、ArcGlobe。

（2）ArcMap

ArcMap 是ArcGIS Desktop 产品中的一个主要应用程序。它具有基于地图的所有功能，包括制图、地图分析和编辑。ArcMap 可以用来浏览、编辑地图及基于地图的分析，其软件界面如图3—3 所示。

图3—3 ArcMap 软件界面

ArcMap 提供两种类型的地图视图：地理数据视图和地图布局视图。在地理数据视图中，用户能对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS 数据集。内容表界面（Table Of Contents）帮助用户组织和控制数据框中GIS 数据图层的显示属性。数据视图是任何一个数据集在选定的一个区域内的地理显示窗口。

在地图布局视图中，用户可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他地图元素，如比例尺、图例、指北针和参照地图等。通常，ArcMap 可以将地图组成页面，以便打印和印刷。

（3）ArcCatalog

ArcCatalog 是管理空间数据存储和数据库设计，以及进行元数据的记录、预览和管理的应用程序。ArcCatalog 应用模块可以帮助使用者组织和管理其所有的GIS 信息，例如地图、数据集、模型、元数据、服务等，其软件界面如图3—4所示。它包括了下面的工具：

图3—4 ArcCatalog 软件界面

1.浏览和查找地理信息。

2.记录、查看和管理元数据。

3.定义、输入和输出GeoDatabase 结构和设计。

4.在局域网和广域网上搜索和查找的GIS 数据。

5.管理ArcGISServer。

不同的使用者可以分别利用ArcCatalog 不同的功能。一般GIS 使用者可以使用ArcCatalog 组织、发现和使用GIS 数据，同时也使用标准化的元数据说明它们的数据。GIS 数据库的管理员可以使用ArcCatalog 定义和建立Geo-Database。GIS 服务器管理员则使用ArcCatalog 管理GIS 服务器框架。

（4）ArcToolbox

空间处理是通过对已有数据的分析得到新信息的过程，是GIS 一个关键的功能。许多GIS 行为中都使用空间处理进行批处理。用户可以使用空间处理功能产生高质量的数据，对数据的质量实行QA/QC 的检查，以及进行建模和分析。

ArcToolbox 是一个包含了一系列用于空间处理的工具集，其具有空间处理和空间分析的功能。ArcToolbox 内嵌在ArcCatalog 和ArcMap 中，在ArcView、ArcEditor 和ArcInfo 中都可以使用，其软件界面如图3—5 所示。

ArcToolbox 具有许多复杂的空间处理功能，包括的工具有数据管理、数据转换、Coverage 的处理、矢量分析、地理编码和统计分析。

图3—5 ArcToolbox 软件界面图

图3—6 ModelBuilder 软件界面

（5）ModelBuilder

ModelBuilder 为设计和实现空间处理模型（包括工具、脚本和数据）提供了一个图形化的建模框架，其软件界面如图3—6 所示。模型是数据流图示，它将一系列的工具和数据串起来以创建高级的功能和流程。用户可以将工具和数据集拖动到一个模型中，然后按照有序的步骤把它们连接起来以实现复杂的GIS 任务。

ModelBuilder 是一个高效的机制，它能让用户和用户组织内外的人共享用户的方法和流程，其也为创建和执行复杂的GIS 过程提供了一个交互机制。

（6）ArcGlobe

ArcGlobe 是ArcGIS 桌面系统中3D 分析扩展模块中的一部分。它提供了全球地理信息的连续、多分辨率的交互式浏览功能，其软件界面如图3—7 所示。

像ArcMap 一样，ArcGlobe 也是使用GIS 数据层，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。其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全球框架中。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 的统一交互式地理信息视图使得GIS 用户整合并使用不同GIS数据的能力大大提高。ArcGlobe 将成为广受欢迎的应用平台，完成编辑、空间数据分析、制图和可视化等通用GIS 工作。

除了ArcView、ArcEditor 和ArcInfo 三级桌面软件之外，桌面软件Desktop还包括一系列的可选扩展模块。例如，ArcGIS Spatial Analyst 具有约200 个栅格建模工具；3D Analyst 包含44 种TIN 和地形分析的空间处理工具。ArcGIS的Geostatistical Analyst 还提供克里格（kriging）和面插值的工具。另外，还有ArcPress、Publisher、Maplex 等，如图3—7 所示。

图3—7 ArcGlobe 软件界面

图3—8 ArcGIS 扩展模块