最新最完整的基于ArcGIS的中国2011年降水量分布图制作

GIS应用技术课程课间实验报告基于ArcGIS的中国2011年降水量分布图制作姓 名： 学 号 班 级： 指导教师： 测量与空间信息处理实验基于ArcGIS的中国2011年降水量分布图制作一、实验目的及所用软件版本1、实验目的（1）了解和熟悉ArcGIS的基本操作和工作原理（2）了解和熟悉ArcGIS底图制作、空间降水插值、地图整饰直到最后成图的整个过程的基本操作2、实验软件所用版本实验软件ArcGIS 10.2二、实验内容及问题背景1、实验内容本次实验主要内容包括以下部分：（1）底图的制作。这一部分介绍衬托专题图的底图的制作，这一部分的结果还可以作为其它专题图的底图；（2）中国年降水量插值。这一部分介绍用ArcGIS的空间插值方法将气象站点的降水量数据插值得到全国范围内的降水分布；（3）地图整饰。这一部分介绍添加地图要素和美化及最后出图；当前绝大多数的GIS软件都能够提供对数据处理的功能，本实验以ArcGIS 10.2为例完成以上工作。2、实验内容所涉及的问题背景在今年的Esri中国用户大会上，我听了几场关于ArcGIS用于制图方面的讲座，也在体验区与Esri中国的技术老师有一些交流。一直觉得ArcGIS在空间数据管理和分析方面很强大，而在制图方面却表现得不怎么样。我看到在国内很多人制图用的是CorelDraw、AI（可能不仅仅是国内，国外的专业制图也是），诚然这些软件作为专门的图形软件，在很多方面有不可比拟的优势，但是对于地理信息制图来说，图形不能和地理信息相关联却是这些软件最大的软肋。而ArcGIS越来越注重在制图方面的发展与应用，每年举办的制图大赛就是推广之一。三、实验原理与数学模型本实验主要从实际要求出发，经过对以中国年降水量分布图的制作为例详细地介绍了数据的获取、预处理、空间降水插值直到最后成图的整个过程。共分为三个部分：第一部分：底图的制作。这一部分介绍衬托专题图的底图的制作，这一部分的结果还可以作为其它专题图的底图；第二部分：中国年降水量插值。这一部分介绍用ArcGIS的空间插值方法将气象站点的降水量数据插值得到全国范围内的降水分布；第三部分：地图整饰。这一部分介绍添加地图要素和美化及最后出图。四、实验过程描述1、制图前准备工作，首先打开ArcMap，新建本次工作文件夹MySixthJob，具体步骤如下：1.1、双击图标，打开ArcMap 10.2.2，如图1.1.1，新建工作文件夹，如图1.1.2图1.1.1图1.1.22、底图制作，具体步骤如下：2.1、统一坐标，做好数据准备。首先右键单击图层-选择添加数据-选择china_basic_map文件夹-选择所有数据-点击添加，如图2.1.1，显示rivers.shp和cntry02.shp数据未知坐标参考-点击确定，效果如图2.1.2添加成功效果如图2.1.3 图2.1.1 图2.1.2图2.1.3 在本节中，我产生的问题是为什么要将坐标设置为GCS_WGS_1984，统一坐标我知道是为了数据相容和统一编辑处理。查阅资料后，GCS_WGS_1984是世界级地理坐标系,即WGS84:World Geodetic System 1984,是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统.也是全球所有卫星所用的坐标系统,主要参数是地球经纬度.因为本次数据中包括世界地图与世界河流，所以采用该坐标。2.2、导出数据。首先查看数据框属性-WGS84，如图2.2.1，将除开rivers.shp和cntry02.shp的数据导出到新建文件夹S01DataSource，右击省会城市-数据-导出数据，效果如图2.2.2，选择输出要素类到S01DataSource，并保存为省会城市.shp，效果如图2.2.3，同理导出数据bou2_4l.shp为中国线，如图2.2.4，bou2_4p.shp为中国政区，如图2.2.5图2.2.1图2.2.2图2.2.3图2.2.4图2.2.5接着对 rivers.shp和cntry02.shp进行投影，打开ArcToolbox-数据管理工具-投影和变换-要素-定义投影，输入要素rivers.shp，坐标设为WGS84，点击确定，如图2.2.6，同理对cntry02.shp进行投影，如图2.2.7图2.2.6图2.2.7最后分别导出为河流、国家.shp，如图2.2.8，2.2.9，最后清空新建，导入保存数据，如图2.2.10，至此第一步全部数据坐标统一完成。图2.2.8图2.2.9图2.2.10在本节中，我产生的问题是导出river和country数据时，出现如图2.2.11错误，不能导出。后重新导入原始数据，在Catalog中将这两个文件（rivers.shp和cntry02.shp）的地理坐标系设为WGS84，再次导出既成功。图、设置Albers投影，首先点击图层-属性-新建投影坐标，设置如图2.3.1图2.3.1接着把南海诸岛以及台湾周围的岛屿保留下来，首先选择中国政区，右击-编辑要素-开始编辑，点击选择，按住shift，选中南海的那些岛屿以及台湾周边岛屿，右击中国政区-选择-根据所选要素创建新的图层，最后如图2.3.2图2.3.2接着选择新生成的图层，导出数据，另命名为南海诸岛及周边岛屿，如图2.3.3，点击确定，如图2.3.4，最后效果如图2.3.5图2.3.3 图2.3.4图2.3.5在本节中，我产生的问题是开始编辑中国政区数据时，出现如图2.3.6警告。后重新导出数据，然后再次打开。图、删掉面积小的岛屿。点击中国政区，继续进入编辑状态，点击选择，打开根据属性选择对话框，输入AREA 0.01，点击apply，选中面积为小于0.01的多边形，删除，如图2.4.1图2.4.1 接着停止编辑，保存编辑内容，最后效果如图2.4.2图2.4.2在本节中，我产生的问题是开始删除中国政区数据的条件为什么是AREA制图综合-光滑线工具，将河流光滑。”Smoothing Algorithm”方法选择BEZIER_INTERPOLATION。完成以后设置河流的符号样式为：颜色Cretean Blue（RGB 0，112，255），线宽0.5。为了只让它显示长江和黄河，双击光滑过的河流图层，切换到“Definition Query”选项卡，在Definition Query中输入NAME = Huang He OR NAME = Yangtze，点击确定。如图2.8.8，2.8.9图2.8.8图2.8.9为数据框设置背景颜色，双击数据框“Layers”打开Data Frame Properties对话框，切换到“Frmae”选项卡，在“Background”中选择“Lt Blue”，确定，此时效果如图2.8.10图2.8.10图2.8.11为数据框添加经纬线，双击数据框“Layers”打开Data Frame Properties对话框，切换到“Grids”选项卡，点击“New Grid”，保持默认一直到Finish。接下来点击“Properties”打开“Reference System Properties”对话框。在“Axes”选项卡中，取消”Major Division Ticks”和”Subdivision Ticks”中所有的复选框；在“Interior Labels”选项卡中，取消”Show interior grid labels”复选框；在“Labels”选项卡中，设置Label的字体为Times new Roman，8号，“Label Offset”为“-2”pts。点击“Additional Properties”打开“Grid Label Properties”对话框，取消“Show coordinate direction labels”复选框，取消“Show zero minutes”和“Show zero seconds”复选框；在“Lines”选项卡中，点击Symbol，设置经纬线的符号样式为：颜色Moorea Blue（RGB 0，169，230），线宽0.2；点击确定，效果如图2.8.12图2.8.12添加北回归线，双击数据框“Layers”打开Data Frame Properties对话框，切换到“Grids”选项卡，点击“New Grid”，保持默认一直到Finish。点击“Properties”打开“Reference System Properties”对话框。在“Lines”选项卡中设置线型为“Dashed 4：4”，颜色40%灰度，线宽0.4；在“Label”选项卡中取消所有复选框；在“Intervals”选项卡中如下设置：如图2.8.13图2.8.13点击确定。点击菜单”Insert”-”Text”插入“北回归线”四个字，双击这四个字，如下设置：如图2.8.14图2.8.14到现在为止，我们的底图就基本做完了，效果如图2.8.15图2.8.15在本节中，我产生的问题是该小节中对于北回归线和经纬网设置有什么不同。后查阅资料发现在地球仪上或地图上，经线和纬线相互交织，就构成了经纬网。利用它上面标注的经度和纬度，可以确定地球表面上各地点、各地区和各种的地理位置。它在军事、航空、航海等方面很有用处。北回归线（Tropic of Cancer），是太阳的光线在北半球能够直射到的离赤道最远的位置，是一条纬线。也就是地球绕太阳公转所绕成平面与地球赤道面所成的最大角度，也是黄赤交角的角度。北回归线是经纬网中的一条具体的纬线。3、中国年降水量插值，具体步骤如下：3.1、登陆中国气象科学数据共享服务网（）。在中国地面国际交换点气候资料日值数据集中下载2011年中国气象站20-20时降水量数据，包括66430条数据。并下载元数据。元数据中包括中国地面气候资料国际交换站数据集台站信息，其中有区站编号、站名、经纬度、海拔高度等信息。站点的经纬度信息是建立空间关系的基础。国际交换站从建站到2007年资料台站数为206个。在下到的数据中，有一些值如999、9999、32700等是填充值，要先去掉。接下来，这些数据存放的是每个台站365天的降水量，所以先要统计得到每个站的年降水量数据。在Excel中打开降水量数据表，选中所有数据，点击插入-数据透视表，插入一个新的数据透视表。如图3.1.1图3.1.1在下载到的站点信息中提供了每个站点的经纬度坐标，利用ArcMap-文件-添加数据-添加XY数据将站点导入ArcMap中，注意导入时设置坐标系为WGS84，投影到Albers平面，如图3.1.2图3.1.2用数据-导出数据将站点导出成shp文件，命名为“气象站点.shp”。如图3.1.3图3.1.3在气象站点_Project右击-连接与关联-连接，使用台站号作为关联ID，将气象站点与每个站点的降水值关联起来。如图3.1.4，从关联结果可以看出，只有181个（总共206个）关联成功了，这是因为有些气象站点被废弃不用了。如图3.1.5图3.1.4 图3.1.5在本节中，我产生的问题是数据透视表的作用是什么？经查阅资料数据透视表（Pivot Table）是一种交互式的表，可以进行某些计算，如求和与计数等。所进行的计算与数据跟数据透视表中的排列有关。简单扼要就是快速提取计算出自己想要的数据，而不是手工操作。3.2、插值方法研究。接下来我们便要用这181个样本点的数据插值得到全国的年降水量分布。空间降水插值一直是个难题，影响降水的因素很多，如经度、纬度、高程、坡度、坡向、离水体的距离等,建立一个通用的降水插值模型几乎是不可能的。空间降水插值方法很多,优缺点和适用性不同。总体上,降水的空间插值方法有3类:整体插值法(趋势面法和多元回归法等) 、局部插值法(泰森多边形法、反距离加权法、克里金插值法和样条法)和混合插值法(整体插值法和局部插值法的综合) 。何红艳（2005）比较了各种降水插值的优点在这里，克里金插值能达到较高的精度，而为了能考虑高程的因素，我们选择使用协同克里金插值。协同克里金插值的一个前提是，降水量与高程应该有相关性。为此，下一步我们要验证年降水量与高程是不是相关的。3.3相关性检验.在我们关联的降水量数据以后，气象站点的属性表里就有了站点的高程和站点的年降水量。把属性表导出，并用SPSS检验两者的相关性，结果如下：结果表明，站点的年降水量与高程显著相关，于是，我们便可以利用站点本身附带的高程数据对降水量进行插值了。3.4降水量插值，在工具栏空白处右击打开地理分析工具条，选择地理向导，每一步的设置如下：第一步：在“Methods”中选择“Kriging/CoKriging”，Dataset中选择“气象站点_Project”，DataField选择“降水量_毫米”，Dataset 2中选择“气象站点_Project”，DataField选择“海拔高度”，如图3.4.1图3.4.1第二步：由经验知我国的降水由东南往西北会递减，在这里选择“First”以剔除降水分布的趋势分布（一次），如图3.4.2图3.4.2第三步：年降水量分布的趋势（一次趋势面），如图3.4.3图3.4.3第四步：设置Number of Lags为24，如图3.4.4图3.4.4第五步：设置Sector Type为四方向，如图3.4.5图3.4.5第六步：交叉验证，由交叉验证结果可以看出，插值误差为0.899（毫米），均方根误差162.0961，平均标准误差为156.8678，两者比较接近。标准均方根误差为1.039048。点击Finish完成插值。，如图3.4.6图、插值结果导出。插值所覆盖的范围默认只包含气象点的最小外包矩形，要把它扩展到整个中国区域。双击插值产生的图层在Layer Properties对话框中切换到“Extent”选项卡，在“Set the Extent to ”选择“the rectangular extent of 中国政区”，如图3.5.1图3.5.1在插值结果图层上右击，选择数据-导出为栅格，将结果导出成栅格数据，如图3.5.2图3.5.2并使用Spatial Analyst-提取-掩码提取，将中国区域提取出来，结果如图3.5.3，最后效果如图3.5.4图3.5.3图3.5.4在本节中，我产生的问题是进行协同克里金插值时候出现错误，提示数据误差太小，无法计算。经过反复查看倒入数据以及原数据信息，发现做数据透视时原数据没有做正确，导致导入后许多数据没有与站点信息符合，最后按着老师的数据重新做了一份数据之后才导入成功，最后完成了本小节实验。4、地图整殇，具体步骤如下：4.1、降水量分级.注意，这一步我们从克里金插值得到的结果做起，而不是从导出的栅格数据做起，因为ArcGIS将插值结果导出栅格时会有一些小小的问题（从图2-16的西藏地区的结果可以看出，当然这也可能是样本点的问题）。从插值结果可以看出，年降水量在1.68-1957.28mm的范围内，我们按照母100毫米分一级的等距分级法进行分级。双击插值结果图层打开Layer Properties对话框，在Symbology选项卡中选择Classified方法，点击“Classfify”，选择“Manual”，Classes：20，在“Break”中手动输入从100-2000：如图4.1.1 图4.1.1设置颜色如图4.1.2图4.1.2最后效果如图4.1.3图、结果导出成矢量文件.右击选择Data-Export to Vector，在“Contour Type”中选择“FILLED CONTOUR”，导出文件命名为降水量。如图4.2.1图4.2.1双击降水量图层，设置如图4.2.2图4.2.2矢量转栅格。将降水量的矢量数据转为栅格数据，并用Spatial Analyst-Extraction-Extract by Mask将中国区域提取出来。如图4.2.3 图4.2.3最终效果如图4.2.4图4.2.4用Spatial Analyst-Surface-Contour，设置间隔100，生成等降水量线。如图4.2.5图4.2.5并使用Maplex引擎对其进行标注。ArcGIS10.1默认使用Maplex标注引擎，在ArcGIS10中，可以通过打开Data Frame Properties对话框在General选项卡中设置标注引擎为Maplex。如图4.2.6图4.2.6双击等降水量线在图层属性对话框中切换到Labels选项卡，设置标注的字体和颜色，点击“Placement Properties”，在“Label Position”中设置标注方式