基于ArcGIS的大地电导率电子地图的研制

摘要 I 论文题目：基于论文题目：基于 ArcGISArcGIS 的大地电导率电子地图的研制的大地电导率电子地图的研制 学科专业：电路与系统学科专业：电路与系统 研研 究究 生：生： 签名：签名： 指导教师：指导教师： 签名：签名： 摘摘 要要 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：关键词：大地电导率；地形高程；地理信息系统；ArcGIS Abstract II Title：The Development of earth conductivity electronic map based on ArcGIS Major：Circuit and System Name： Signature: Supervisor： Signature: Abstract The 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 field 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 large 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 geographic 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 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 display, 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, 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 concept and software platform of the system; And then introduced the establish process of earth conductivity geographic information systems: contains database Abstract III information collection, data vector change, data extraction and processing, establishment of database, etc. At last, the paper introduces 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 country . Key word: Conductivity of the earth；Terrain elevation；Geographic Information System；ArcGIS 目录 IV 目目录录 摘摘 要要 I ABSTRACTII 1绪绪论论1 1.1课题研究的背景和意义 1 1.2大地电导率地图的研究现状 1 1.3本文工作及内容安排 2 2大大地地电电导导率率电电子子地地图图系系统统的的开开发发平平台台 .4 2.1地理信息系统简介 4 2.1.1GIS 的主要功能介绍.4 2.1.2GIS 的应用 4 2.2MAPINFO5 2.3ARCGIS6 2.3.1ArcGIS 简介 6 2.3.2ArcGIS Desktop.7 2.3.3ArcMap7 2.3.4ArcCatalog.7 2.4本章小结 .8 3大大地地电电导导率率电电子子地地图图系系统统的的研研制制 .9 3.1系统的总体设计9 3.1.1需求分析9 3.1.2系统的总体结构 9 3.1.3系统的功能模块 10 3.2大地电导率数据的采集 13 3.2.1确定数据源13 3.2.2数据预处理13 3.2.3数据的矢量化处理 14 3.3其他地理数据的提取与处理 21 3.4定义和编码系统要素类 23 3.4.1定义要素类23 3.4.2要素类编码23 3.5系统数据库建库24 3.5.1创建数据库模型 24 3.5.2创建数据库属性域 25 目录 V 3.5.3创建系统要素类 26 3.5.4建立样式库28 3.5.5数据入库29 3.6系统数据库的图层可视化 30 3.7本章小结 .37 4大大地地电电导导率率地地图图系系统统的的功功能能实实现现 .38 4.1开发方法 .38 4.2系统的主界面38 4.3系统的功能实现39 4.3.1文件操作模块 39 4.3.2图层显示模块 40 4.3.3信息查询模块 42 4.4本章小结 .47 5总总结结48 致致 谢谢49 参参考考文文献献 50 绪论 1 1绪论绪论 1.1课题研究的背景和意义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。 大学硕士学位论文 2 1.2大地电导率地图的研究现状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。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 4 2大地电导率电子地图系统的开发大地电导率电子地图系统的开发平台平台 2.1地理信息系统简介地理信息系统简介 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。 2.1.1GIS 的的主要功能介绍主要功能介绍 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。 2.1.2GIS 的应用的应用 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， 大地电导率电子地图系统的开发平台 5 并应用于社会的各个领域，其中主要分为自然资源开发、交通运输、教育、公共事业、 政府应用、商业与公共服务、公共安全与应急减灾等七个方面【16】。ESRI 的中国官方网 站在行业应用的板块部分对外公布了目前 GIS 应用领域的状况，详细信息如表 2-1 所示： 表 2-1 ArcGIS 在我国的主要应用领域(资料源自 ESRI 中国官网，2011 年 11 月) Table 2-1 Application fields of ArcGIS in China （data from Chinese official website, ESRI in November 2011） 政府 公共安 全与应 急减灾 公共 事业 教 教 育 交通 运输 自然资源 商业与 公共服 务 数字城市 信息中心/信息办 计生委 测绘 建委 城管 民政 税务 房地产 消防 地震 综合应急 公共卫生 煤气/天然气 排水/自来水 电力 电信 高等教育 中小学教育 公路 城市智能交通 航空 航运 铁路 农业 林业 石油 海洋 水利 气象 环保 矿产 国土 银行/保险 物流/零售业 旅游 媒体 由上表可见，GIS 已经应用到我们生活的各个领域，为社会进步、国民经济发展做 出贡献。 2.2Mapinfo MapInfo 软件由美国 MapInfo 公司研制，是一种能够同时实现数据的可视化和信息 图层化的 GIS 软件。它根据地图及应用的理论、将办公自动化、建立多种数据库模型和 电子地图的显示融入到 GIS 的功能中去，形成了功能强大、方便实用、应用范围广、服 务于各行各业的小型 GIS 软件【17】。 Mapinfo 不仅可以实现强大的地图编辑功能与地图化解决方案，而且可以利用其内 置工具和语言编程的协调工作来获取有用的地图文件。下面简单介绍一下 Mapinfo 软件 的三个主要功能【18】。 1. 强大的地图化功能 Mapinfo 用于 Windows 平台，实现强大的地图化功能，可以直观地展示出数据与地 图的关系，具有复杂、详细的地理信息分析能力，可以协助用户从 GIS 的角度理解数据， 甚至发现新的、更高效的方法解决问题。 大学硕士学位论文 6 2. 强大的功能工具 Mapinfo 提供了一系列的操作工具，从而实现复杂信息的可视化、商业战略地图等 功能，还可以创建本地或者服务器端的数据库模型，具有强大的数据处理能力。 3. 强大的协助功能 美国 Mapinfo 公司是一间全球化的企业，它利用软件服务协助用户更好的理解地理 信息的社会价值，并按需求制定决策从而满足各种顾客的应用要求，如金融管理、城市 规划、条件筛选、风险投资、能源探测等。 正是因为 Mapinfo 软件具有强大的地图化解决方案，所以本文用它来采集大地电导 率地图数据，采集方法和过程将下一章详细讲解。 2.3ArcGIS 2.3.1ArcGIS 简介简介 ArcGIS 是美国环境系统研究所（Environmental Systems Research Institute，ESRI）研 发的地理信息系统专业软件，是世界上最完整、应用最广泛的 GIS 软件【19】。它的功能 非常强大，不但有强大的功能和很好的伸缩性，而且界面友好，使用方便，基本上可以 满足不同层次用户的需求，因此被广泛应用到各个领域。 ArcGIS 软件主要由下面几个框架组成【20】，如图 2-1所示。 1) 桌面 GIS即 ArcGIS Desktop； 2) 开发 GISArcGIS Engine，可以为客户化的地理信息系统应用提供开发组件； 3) 服务器 GISArcGIS Server、Arc IMS 为 ArcGIS 的产品提供网络服务； 4) 智能设备 GISArcPad 为移动智能设备（如 PDA）提供支持； 5) GIS Web 浏览器ArcGIS Explorer。 大地电导率电子地图系统的开发平台 7 图 2-1 ArcGIS 软件产品的组成框架 Fig 2-1 The framework of ArcGIS 在 ArcGIS 众多的产品中，本文使用的是桌面 GIS 即 ArcGIS Desktop，下面对其进 行介绍。 2.3.2ArcGIS Desktop ArcGIS Desktop 是 ESRI 的主打产品，主要用来设计、管理和发布地理信息。它主 要由 ArcMap、ArcToolbox、ArcCatalog 和 ArcGlobe 等几个部分组成。通过各个部分的 协调工作，从而实现从简单到复杂的多个应用功能，如绘制地图、建立数据库、信息的 编辑、图层的显示、信息查询等。 ArcGIS Desktop 有三种开发方法【21】：（1）通过 VBA 编程定制应用功能；（2） 在自己的应用系统中嵌入 ArcGIS Controls；（3）采用标准的 Windows 编程语言如 Visual Basic，.NET，Java 和 Visual C+来扩展 ArcObjects 模块和自定义工具。 本文系统的研制采取第一种方法，即通过 VBA 编程定制功能。VBA 并不是独立的 程序，而是嵌入系统的程序代码。在 VBE（Visual Basic Edition）编程环境中，编写自 己的 VB 代码，然后在 ArcGIS Desktop 的几个组件环境调试运行【22】。VBA 编辑器提供 了一些基本的函数和命令，比如通过对话框输入代码。通过 VBA 编程，可以创建各种 按钮、工具、选择框、编辑框等，然后在它们的事件里编写自己的命令。创建完成自己 的控件后，就可以将这个控件放到主窗口的工具栏上。 在 ArcGIS Desktop 的几个产品中，本文使用 ArcCatalog 来建立和管理数据库，而 ArcMap 则用于实现地理数据的图层可视化和大地电导率地图的功能开发。 大学硕士学位论文 8 2.3.3ArcMap ArcMap 是桌面 ArcGIS 的主要产品之一，具有所有的基础地图功能。作为 ArcGIS 产品体系中最重要的桌面操作系统和信息可视化工具，不仅可以在地图窗口上根据特定 的符号样式对各个地图要素进行显示，也可以对各要素进行编辑、修改，将地图导入或 者输出等【23】。ArcMap 可以实现许多强大的功能，如地图数字化、可视化、数据处理和 变换、空间分析、规划决策、图形结果输出等。 根据以上所述 ArcMap 的功能特征，选择其作为大地电导率地图的功能开发平台。 2.3.4ArcCatalog ArcCatalog 是 GIS 的数据管理器，也是 ArcGIS Desktop 的重要产品，主要用于管理 空间地理数据库，进行数据库的设计与建立、图元数据表的设计、建立和管理等【24】。 ArcCatalog 可以实现所有类型的地理数据的管理，包括图元、数据集、数据模型、图层、 地图等。ArcCatalog 可以实现以下几方面不同的功能以便满足不同用户的要求。 1) 浏览和查找地图信息； 2) 编辑、查询、管理图元信息； 3) 定义数据模型结构，并输入或输出数据信息； 4) 在局域网或广域网上对 GIS 数据信息进行搜索查询； 5) 管理 ArcGIS Server。 ArcCatalog 可以以多种显示方式对数据进行显示，从而方便用户搜索信息。当用户 在本机上创建数据库时，ArcCatalog 用多于规划数据文件的类型和管理数据文件夹；当 用户创建个人地理数据库时，则常使用 ArcCatalog 中的工具进行数据库的创建和要素类、 数据表的导入。除此之外，ArcCatalog 还常用来浏览图元信息、数据集、图层信息等， 并对这些数据信息进行更新【25】。 由上述内容可看到 ArcCatalog 的功能符合本文数据库建库的要求，故使用它来建立 和管理系统数据库。 2.4本章小结本章小结 本章主要介绍了研制大地电导率地理信息系统的软件平台。首先对地理信息系统的 理论进行概述，分析其组成、功能和应用情况。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：用于建立和管理系统地理数据库的 ArcCatalog 平台和实现地理数据可视化及功能 开发、界面定制的 ArcMap 平台。 大地电导率电子地图系统的研制 9 3大地电导率电子地图大地电导率电子地图系统的研制系统的研制 3.1系统的总体设计系统的总体设计 3.1.1需求分析需求分析 本文的主要目的是研制包含我国地形高程的大地电导率数字化地图系统。系统要包 含国界、经纬度、全国大地电导率、高程信息、省级行政区域、主要交通河流等图层。 图层与对应的数据库相连接，不仅可以实现地图加载、数据显示、缩放、漫游、图层标 注等基础地图功能，也可以提供图层编辑功能和地图数据的各种查询方式。可方便地获 取任意点和区域的地理信息，大地电导率和地形高程信息，可以应用到地波传播时延预 测、电力传输线场强预测等各个领域的计算。而经过测量、反演计算得到更精确的大地 电导率信息，系统可以更新对应的数据库和地图显示。 根据建立系统的目的，可以具体到以下几方面的功能需求： 一、 创建地理数据库 包括：采集大地电导率数据、高程信息的提取和处理、设计和创建数据模型、定义 和编码数据库要素类、创建要素的显示样式、数据库的修正、数据类型的转换、数据信 息的编辑及备份等。 二、 地图浏览 包括：数据的图层可视化、地图的缩放、图层的移动、鹰眼窗口显示等功能。 三、 地图编辑 包括：添加图层、清除图层、使图层可视、系统查错、添加文本信息、编辑图元对 象等。 四、 信息查询 包括：点查询、区域查询、图元查询、图层查询、属性查询、空间查询、按名称查 询等功能。 3.1.2系统的总体结构系统的总体结构 大地电导率地理信息系统将所有功能划分为文件操作、图层显示、数据库和查询四 个模块。系统通过文件操作模块对大地电导率、国界、高程及其他地理图层进行加载或 保存；地图通过图层显示模块连接地理数据库，实现地理数据信息的图层可视化，同时 又为数据库的实时更新提供数据来源；最后系统通过查询模块实现对地理数据库的信息 检索，从而进行大地电导率的相关计算，如低频地波传播时延的修正等。 大学硕士学位论文 10 系统的整体结构框架如图 3-1 所示。 大地电导率 电子地图系统 大地电导率、高程、国界、 省级行政区等图层 数据库模块 文件操作模块 图层显示模块查询模块 实现地图的 加载和保存 检索 信息相连 更新 图 3-1 大地电导率 GIS 系统的总体框架 Fig 3-1 The framework of geographic information systems of earth conductivity 3.1.3系统的功能模块系统的功能模块 由系统的需求分析可知，电导率 GIS 系统主要实现对大地电导率数据的管理和图形 处理。数据管理是指能够实现对数据的采集、导入、编辑、修改、查询和导出等功能， 图形处理是指能够分析和显示电导率区域、高程、国界、行政区等地理信息，实现数据 的地图化和数据分析的可视化，实现各项地理信息的定位查询和大地电导率的分级显示 等。 系统的主要功能划分为数据库模块、文件操作、图层显示和信息查询模块四个部分， 各个模块的主要功能划分如图 3-2 所示： 大地电导率电子地图系统的研制 11 大地电导率 电子地图系统 数据库模块文件操作模块图层显示模块 查询模块 数 据 库 建 库 数 据 库 更 新 新 建 地 图 地 图 加 载 地 图 输 出 地 图 浏 览 鹰 眼 图 显 示 点 查 询 图 层 查 询 图 层 修 正 图 元 查 询 数 据 的 采 集 空 间 查 询 属 性 查 询 图 3-2 系统的功能模块 Fig 3-2 The function module of GIS system （1） 文件操作模块 文件操作一般包括新建地图、打开地图、导入 shp 或 mxd 数据、保存及打印地图等 一系列功能。 （2） 图层显示模块 图层显示是 GIS 最常用的功能模块，又分为基本操作工具、图层工具和图元工具。 其中基本工具主要是指地图浏览功能。图层工具是指直接对大地电导率、高程信息这样 的图层进行的操作，如添加文本符号、编辑图层属性、添加或删除图层等。而图元工具 操作的对象则是图元，图元是地图中最小的对象类型，以西安市大学分布图为例，则其 中每一所大学就是一个图元。图元操作与图层操作类似，也包括绘制、编辑、添加及删 除等操作。 系统的所有图层都与各自的数据库相连接，利用图层显示模块进行任何图元或者图 层信息的修改、编辑、删除等操作时，其对应数据表中的信息会进行自动的修正和更新。 在本文的电导率系统中，图层显示模块主要是针对电导率图层，因为高程、国界及行政 区等图层的数据信息都较为稳定。而电导率可以通过低频地波传播时延来进行反演修正， 得到的数据又可以更新电导率数据库。 （3） 查询模块 查询功能是大地电导率GIS系统中最重要的模块之一，包括点查询、区域查询、图 元查询、图层查询、属性查询、空间查询、按名称查询等。利用这些查询方式可以连接 数据库并进行信息检索，以获取想要的地理信息。 点查询和区域查询分别是指通过查询获取点和区域对象的所有地理信息，如经纬度、 大学硕士学位论文 12 大地电导率、高程、所属省级行政区等。类似的图元和图层查询表示选中系统中任意图 元或者图层，就可以获取相应的地理信息，空间查询可以获得任意矩形区域内所有的对 象信息，属性查询可以获得满足同一属性的对象信息、按名称查询可以快速准确地找到 相应名字的对象。 （4） 数据库模块 数据库模块是大地电导率 GIS 系统中最复杂也最重要的模块。该模块的目的是建立 系统地理数据库，用来管理系统所有的地理信息，包括全国大地电导率、高程、经纬度、 国界、省级行政区、主要河流交通等。从而实现地理数据的图层化及编辑、更新、查询、 修改等功能。 本系统涉及的主要数据层有：经纬度、全国大地电导率和高程信息，次要数据层有 国界、省级行政区、省会城市、主要河流、主要陆地交通等。建立系统前，首先要进行 数据采集、原始数据的提取和预处理、数据格式的转换，数据删选和拼接等，使不同图 层的数据格式一致，可相互调用，然后再进行数据层的可视化处理。系统建立的过程如 图 3-3 所示。 高程信息的提取和处理 定义和编码系统的要素类 系统数据库建库 数据入库 大地电导率数据的采集 数据可视化 系统的功能开发和界面定制 图 3-3 大地电导率 GIS 系统研制的流程 Fig 3-3 The development process of GIS system 下面按照流程图，详细介绍每一个步骤的过程。其中系统的功能开发和界面定制两 部分内容在下一章进行详细的介绍。 大地电导率电子地图系统的研制 13 3.2大地电导率数据的采集大地电导率数据的采集 3.2.1确定数据源确定数据源 要进行电导率数据的采集，首先就是要确定数据的来源。本文使用的电导率数据源 是RECOMMENDATION 832大地电导率世界图册中的中国大地电导率纸质地图【26】。对纸 质地图上的信息进行采集，首先要转换成计算机能识别和处理的电子图片，所以我们采 用光电扫描技术对纸质地图进行处理转换【27】。扫描得到的中国电导率电子图片如图 3-4 所示： 图 3-4 中国大地电导率纸质地图 Fig 3-4 The papery maps of Chinese ground Conductivity 3.2.2数据预处理数据预处理 得到电导率地图的电子图片后，要将图片上显示的数字信息进行删选并提取出来。 从图 3-4 可以看到，我国的大地电导率按照值的大小范围呈区域式分布。由图上左下角 的信息可知，所有区域被划分为 12 个等级，每一个等级对应一个电导率值范围。又根据 大学硕士学位论文 14 区域里电导率值的大小，按照由大到小的顺序依次给每个区域分配号码即 112 号。最 后得到我国大地电导率的区域编号、电导率值和每一级区域的数目等详细数据如表 3-1 所示。 表 3-1 我国大地电导率区域划分的信息 Table 3-1 The area information of Chinas ground Conductivity 等级编号 电导率值 （S/m） 区域个数等级编号电导率值（S/m）区域个数 11020*10-337202.5*10-33 2310*10-3181.61.4*10-31 358*10-3191*10-34 456*10-33100.80.9*10-32 515*10-38110.00.7*10-35 65*10-37120.10.5*10-36 由图 3-4 所示，扫描得到的电子图呈黑灰色即单像素的栅格图像。栅格图像的结构 简单，但是只能在某一个像素范围内清晰的显示，当图像被放大到一定程度的时候就会 失真，所以我们不能把图 3-4 直接用于电导率地理信息系统中。 在地理信息系统中常用的图像格式是矢量化图像，它最大的特点就是，在任何大小 的像素下，都可以不失真的显示图像、反映数据信息，且占用空间小【28】。所以要对栅 格图像进行数据矢量化的过程。 3.2.3数据的矢量化处理数据的矢量化处理 由 2.1 节可知，采集大地电导率数据的工具是 Mapinfo 软件。在进行数据的矢量化 操作之前，首先要将栅格图像进行配准，以便 MapInfo 确定图像在地图窗口中的位置， 并获取基础地理信息经纬度数据，然后按照配准之后的栅格图像绘制图层。大地电 导率数据的矢量化处理过程如图 3-5 所示： 大地电导率电子地图系统的研制 15 绘绘制制对对象象 （国国界界和和电电导导率率） 电电导导率率采采用用 多多边边形形工工具具 新新建建表表 设设置置表表结结构构 使使图图层层可可编编辑辑 配配准准 国国界界采采用用 折折线线工工具具 添添加加数数据据信信息息 保保存存图图层层 图 3-5 大地电导率数据矢量化处理的过程 Fig 3-4 The processing of the ground Conductivity of vector 1.配准配准 配准就是在矢量化图像底层加入栅格图像的坐标信息，使栅格图像和矢量图像具有 相同的定位基础，即将待配准图像的平面坐标转换为地理坐标 【29】 。本文使用经纬度 作定位坐标，所以配准时就完成了经纬度信息的采集。配准时，一般选择具有标志性特 征的点来作为控制点，至少需要 4 个控制点，具体的数目可以根据实际精度的需求来决 定【30】。我国的经纬度分布从北纬 N10N50，东经 E70E150，我们采用图 3-4 中显示的经纬度的交叉点作为控制点，得到 17 个配准控制点的详细信息如表 3-2 所示。 表 3-2 大地电导率图层配准控制点的信息 Table 3-1 The information of registration Control points for ground conductivity layer 序号北纬 E（度）东经 N（度）序号北纬 E（度）东经 N（度） 186.0048.0010126.0040.00 2118.0048.001186.0032.00 3126.0048.001294.0032.00 478.0040.0013102.0032.00 586.0040.0014110.0032.00 694.0040.0015118.0032.00 7102.0040.0016102.0024.00 8110.0040.0017110.0024.00 大学硕士学位论文 16 9118.0040.00 确定控制点之后，在 Mapinfo 中配准的具体过程如下： （1） 选中栅格图像作为将配准的文件类型； （2） 打开中国大地电导率电子栅格图像，弹出对话框，选中图像配准，这时电导 率栅格图像就显示在配准的窗口中； （3） 设定地图投影，一般通过扫描纸质地图得到的栅格图像直接包含地图的投影 信息，所以选择默认即可； （4） 按照表 3-2 依次添加控制点，图 3-6 以增加表中第一个控制点 （N48，E86）为例，先在栅格图像上找到控制点的位置，然后放大图像并单击点位 置，弹出编辑控制点信息的对话框，如图 4-4(a)所示，输入地图坐标 X 即东经（E）86 度，坐标 Y 即北纬（N）48 度。确定后就增加了一个控制点，该点位置上会做个标记， 注上 Pt 1，如图 4-4(b)所示。 （5） 重复第四步，直到输入全部 17 个控制点。 （a）输入控制点 1 (b)控制点 1 添加完成 (a) Input control point 1 (b) The control points 1 add completed 图 3-6 增加控制点（N48，E86） Fig 3-6 Add control point（N48，E86） 完成配准后，图 3-4 就直接显示到软件主窗口上，这时栅格图片中已经包含了全部 的经纬度信息，随便选择一个点就可以显示，图 3-7 显示了五角星位置 （E96.95，N36.39）的经纬度。 大地电导率电子地图系统的研制 17 图 3-7 显示五角星位置的经纬度（E96.95，N36.39） Fig 3-7 Shows the coordinates of Pentagram position（E96.95，N36.39） 2.建立数据表建立数据表 完成配准之后，我们需要建立新的数据表来存放数据信息。从图 3-4 中能采集到的 数据有三部分：经纬度、国界和大地电导率，各自对应一个数据表存储。其中经纬度已 经采集完成，而电导率数据又包括电导率值和区域编号两部分。由此得到建立的表结构 如表 3-3 所示： 表 3-3 大地电导率数据表结构 Table 3-3 Data table structure of ground conductivity 表名字段字段类型 国界国界字符型 电导率区域编号整型 电导率图层 电导率值浮点型 构造数据表结构之后，开始创建大地电导率数据表，以电导率图层表为例创建过程 如下： （1） 因为使用栅格图像作为基础图层，所以直接选择“新建表添加到当前地 图窗口” ，就在基础图层上创建了一个新的图层。 （2） 在新表结构对话框中定义电导率图层表的结构，根据表 3-1，首先增加第一 个字段，名称为电导率区域编