基于ArcGIS的大地电导率电子地图的研制.doc

1、摘要I论文题目：基于 ArcGIS 的大地电导率电子地图的研制学科专业：电路与系统研 究 生： 签名： 指导教师： 签名： 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

2、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

3、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；ArcGISAbstractIITitle：The Development of earth conductivity electronic map based on ArcGISMajor：C

4、ircuit and SystemName： Signature: Supervisor： Signature: AbstractThe distribution of earth conductivity is very important to the state resources exploration, radio waves environment, information science, etc. Many areas such as ground spread forecast, power transmission, lightning electromagnetic fi

5、eld calculation, strong storms earth induced current forecast, strategic weapons manufacturing, digital communication launch system, radio navigation, radio, traffic, etc, all according to the earth conductivity. But paper conductivity map is not easy operation when zoom, information transfer and la

6、rge amount of data calculation. At the same time, the paper conductivity map is hard to intuitive reflect these contact between the earth conductivity and geographical position, buildings on the ground, weather, terrain elevation ,etc. It is necessary to research digital earth conductivity geographi

7、c information system which contains terrain elevation information.This paper developed the earth conductivity geographic information systems through mapinfo and ArcGIS software. This system not only including the national land electric conductivity and elevation information layer, and also contains

8、many foundation geographical layer, such as longitude and latitude, border, provincial administrative region, provincial capital city, residents, and the main highway, railway traffic, etc. This map layers are connected to database，not only can realize map load, data display, zoom, wandering, map di

9、splay, map layer tagging etc basic functions, but also provide information editing and query. Users can easily get the information of longitude and latitude, earth conductivity and elevation at arbitrary point, regional ,and these information will be applied to the calculation such as ground spread,

10、 electromagnetic field, etc. At the same time, this GIS system can inversion earth conductivity according to transmission delay and elevation data, and automatic update the geographic database.The paper first introduced the research status of the earth conductivity map, geographic information system

11、 concept and software platform of the system; And then introduced the establish process of earth conductivity geographic information systems: contains database AbstractIIIinformation collection, data vector change, data extraction and processing, establishment of database, etc. At last, the paper in

12、troduces the operation interface and functions.This paper developed the geographic information system which covers the elevation and earth conductivity in our country ,and realize the large amounts of data management, and make contribution to the research of the digital conductivity map in our count

13、ry .Key word: Conductivity of the earth；Terrain elevation；Geographic Information System；ArcGIS目录IV目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪 论 .11.1 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 .11.2 大 地 电 导 率 地 图 的 研 究 现 状 .11.3 本 文 工 作 及 内 容 安 排 .22 大 地 电 导 率 电 子 地 图 系 统 的 开 发 平 台 .42.1 地 理 信 息 系 统 简 介 .42.1.1 GIS 的 主 要 功 能 介 绍 .42.1.2 GIS

14、的 应 用 .42.2 MAPINFO .52.3 ARCGIS.62.3.1 ArcGIS 简 介 .62.3.2 ArcGIS Desktop .72.3.3 ArcMap .72.3.4 ArcCatalog .72.4 本 章 小 结 .83 大 地 电 导 率 电 子 地 图 系 统 的 研 制 .93.1 系 统 的 总 体 设 计 .93.1.1 需 求 分 析 .93.1.2 系 统 的 总 体 结 构 .93.1.3 系 统 的 功 能 模 块 .103.2 大 地 电 导 率 数 据 的 采 集 .133.2.1 确 定 数 据 源 .133.2.2 数 据 预 处 理 .

15、133.2.3 数 据 的 矢 量 化 处 理 .143.3 其 他 地 理 数 据 的 提 取 与 处 理 .213.4 定 义 和 编 码 系 统 要 素 类 .233.4.1 定 义 要 素 类 .233.4.2 要 素 类 编 码 .233.5 系 统 数 据 库 建 库 .243.5.1 创 建 数 据 库 模 型 .243.5.2 创 建 数 据 库 属 性 域 .25目录V3.5.3 创 建 系 统 要 素 类 .263.5.4 建 立 样 式 库 .283.5.5 数 据 入 库 .293.6 系 统 数 据 库 的 图 层 可 视 化 .303.7 本 章 小 结 .374

16、大 地 电 导 率 地 图 系 统 的 功 能 实 现 .384.1 开 发 方 法 .384.2 系 统 的 主 界 面 .384.3 系 统 的 功 能 实 现 .394.3.1 文 件 操 作 模 块 .394.3.2 图 层 显 示 模 块 .404.3.3 信 息 查 询 模 块 .424.4 本 章 小 结 .475 总 结 .48致 谢 .49参 考 文 献 .50绪论11 绪论1.1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

17、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

18、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

19、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

20、。大学硕士学位论文21.2大地电导率地图的研究现状1959 年，国际电信联盟(International Telecommunications Union)与国际无线电咨询委员会（International Radio Consultative Committee)一起提出有关大地电导率研究的报告书“Electrical Characteristics of the Surface of the Earth”。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“World Atlas of Ground conductivity”测量的决议书，提议各个国家特别是欠

21、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

22、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

23、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。1.3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

24、信息查询的方绪论3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

25、。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

26、界面定制的方法和过程。第 5 章 对全文的内容进行总结和归纳。大学硕士学位论文42 大地电导率电子地图系统的开发平台2.1地理信息系统简介地理信息系统(Geographic Information System，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

27、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。2.1.1 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

28、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。2.1.2 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，