GIS基础之矢量数据

去年的基础课主要是从图形角度出发，从角度，距离、面积方面给大家进行的讲解，这次我决定换个视角，从数据角度给大家讲讲GIS的基础。矢量和栅格是最常用的两类数据格式，本次先给大家介绍矢量数据。

1. 矢量数据基本概念

矢量数据结构表示地球表面的特定要素，并为这些要素分配属性。矢量由称为折点的离散几何位置（x、y 值）组成，这些位置定义了空间对象的形状。折点的组织决定了我们使用的矢量类型：点、线或多边形。

• 点（Points）：每个点是由单独的X,Y坐标定义的，在一个点矢量文件中可以包含多个点。点数据可以包含：采样点、独立树、测量点等等。
• 线（Lines）：线是一系列（至少2个）相连的折点或点的集合。道路、溪流都可以以线的形式表现。线包含一系列的线段或弧，每段线都是由折点的X,Y坐标所定义的。
• 面（Polygons）：面是由3个或以上的折点组成的连续封闭图形。建筑物、湖泊、海洋、国家等等都可以以面来表示。

2. GIS常用矢量数据格式

Esri Shapefile

文件类型

• .SHP
• .DBF
• .SHX

描述

• Shapefile是最常见的矢量数据格式，所有的商业和开源GIS软件都支持。无处不在的它已成为行业标准。Shapefile由三个必须的文件组成：
• SHP是要素几何。
• SHX是形状索引位置。
• DBF是属性数据。
• 下面的是可选文件，需要注意的是，一般情况下，PRJ为必须完整的，否则矢量数据的空间位置会发生错误：
• PRJ是投影系统参数。
• XML是关联的元数据。
• SBN是用于优化查询的空间索引。
• SBX优化了加载时间。
• CPG说明了SHP文件的属性数据编码，如果中文显示乱码，一般需要加一个.cpg文件，使用文本文件编辑，写上UTF-8

Geographic JavaScript Object Notation (GeoJSON)

文件类型

• .GEOJSON
• .JSON

描述

• GeoJSON格式主要用于基于Web的映射。GeoJSON以JavaScript对象符号（JSON）形式将坐标存储为文本。这包括矢量点，线和多边形以及表格信息。GeoJSON将对象存储在花括号{}中，并且通常语法标记更为简洁（与GML相比）。GeoJSON具有简单的语法，您可以在任何文本编辑器中进行修改。网络地图浏览器可以理解JavaScript，因此默认情况下，GeoJSON是一种常见的Web格式。但是JavaScript只理解二进制对象。幸运的是，JavaScript可以将JSON转换为二进制。
• 可以使用QGIS打开和转换

Google Keyhole Markup Language (KML/KMZ)

文件类型

• .KML
• .KMZ

描述

• KML 是Keyhole Markup Language的缩写. 这个数据格式是基于XML的，一般被Google Earth使用，KML是由Keyhole公司开发的，后来被谷歌收购。KMZ (KML-Zipped) 代替了KML，是KML的压缩版本，KML/KMZ在2008年成为地理空间联盟的国际标准。经纬度由十进制度的 World Geodetic System of 1984 (WGS84)坐标系统所定义，高程为WGS84 EGM96高程系。
• QGIS可以直接打开和转换
• ArcGIS需要借助ArcToolbox中的工具转换为图层

GPS eXchange Format (GPX)

文件类型

• . GPX

描述

• GPX是一种XML格式，用于描述从GPS接收器捕获的航路点，航迹和路线。由于GPX是一种交换格式，因此您可以根据其描述属性将GPS数据从一个程序公开传输到另一个程序。
• GPX的最低要求是纬度和经度坐标。此外，GPX文件还可以将位置属性（包括时间，海拔和大地水准面高度）存储为标签。

ArcInfo Coverage

• ArcInfo Coverages 是一组包含了points, arcs, polygons or annotation的文件夹。Tics是控制点，用于帮助定义Coverage的边界。
• 属性存储在ADF或INFOb表中。每个功能部件都有一个唯一的编号。这些要素编号是将属性数据与每个空间要素链接的一种方式。
• Coverages 是软盘时代的标准格式。但是随着时间的流逝，这种GIS格式已经过时，并且在GIS软件中几乎不受支持。

MapGIS

文件类型

• .MPJ
• .WT
• .WL
• .WP
• .WN
• .WB

描述

MapGIS是中地数码开发的国产GIS软件，使用的数据格式和ArcGIS/QGIS等均不兼容，一般用于地质行业，在这里仅把后缀名列出，大家遇到这种格式可以去找MAPGIS打开

3. 矢量数据创建、转换、编辑

以ArcGIS平台为例，介绍一下矢量数据的创建、转换和编辑。

矢量数据创建

在ArcGIS中矢量数据的处理，建议在文件地理数据库（File Geodatabase）中进行。地理数据库可以存储点、线、面、多面体等，同时支持拓扑，可以对绘制完成的矢量数据进行拓扑检查。

• 文件地理数据库（File Geodatabase）
• 要素类（Feature Class）：点、线、面
• 拓扑（Topology）
• 要素数据集（Feature Dataset）
• 具体操作请看这篇推文：ArcGIS图形编辑命令

矢量数据转换

CAD转GIS

在测绘、建筑、规划等方面，CAD和GIS的转换工作非常常用。简单的CAD转换可以直接通过ArcGIS加载数据然后到处为地理数据库要素类实现，地形图的转换则另有复杂的技术流程。

• CAD与GIS数据互相转换
• 地形图入库技术设计

GIS中点、线、面的转换工具

ArcGIS ArcToolbox中提供了大量的点、线、面之间转换工具，下面介绍一些常用的，这里给出的是工具名，可以通过搜索找到工具。

• 点
• Make XY Event Layer，可以将坐标转为点图层，注意的是，这里的图层是临时的，需要通过导出要素来保存。
• Feature To Point，点线面都可以作为输入，输出为点
• Feature Vertices To Points，节点转点，线、面都是由一系列节点组成的，将这些节点转为点要素

• 线
• Feature To Line，要素转线，可以很方便的将面状矢量转为线
• Points To Line,点转线
• XY To Line，可以将带起终点XY坐标的表转为线，常用于绘制OD线（参考文献4）
• 面
• Feature To Polygon，要素转面，多用于线转面的情况
• Feature Envelope To Polygon，要素包络矩形转面，绘制一个外接矩形

其他矢量格式转换

GPX、KML、GeoJSON也是比较常见的矢量格式，对于这些文件转换，可以使用ArcGIS Conversion Tools工具箱，不过我更推荐使用QGIS,可以直接打开，另存为，更方便。

4. 矢量数据常用空间分析方法

在ArcGIS中，矢量数据的空间分析工具主要集中在Analysis Tools工具箱中。有Extract提取分析、Overlay叠置分析、Proximity临域分析和Statistics统计分析。

• Extract
• Clip裁剪，这个非常常用，可以将大块的矢量裁剪为小块的，要注意的是，这个仅适用于矢量数据裁剪矢量
• Split分割，可以把一块矢量根据另外的多块组成的矢量分割，或者根据字段分割为若干小块矢量

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• Overlay
• Erase擦除，从大的面上面去掉一个小的，保留余下的
• Intersect，相交，可以将两个矢量的属性相结合，矢量范围取交集
• Spatial Join，空间挂接，可以提取两个矢量之间的信息，比如，居民地面中没有地名，使用地名点进行空间挂接，可以将地名点的地名信息给居民地面赋值。(参考文献6)

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• Proximity
• Buffer缓冲区，这个也是很常用的方法，在研究污染物扩散，影响范围的时候很常用（参考文献7）
• Near近邻分析，计算两点、线、面之间的最短距离（参考文献8）

5. 矢量数据属性表

GIS作为一种信息系统，属性的编辑和管理也是必不可少的。详情请阅读：

• GIS基础教程之属性表的处理（2021-01-23更新）
• GIS基础之GIS属性表操作

几何属性添加和管理

• 有居民地点，我们想知道坐标，怎么办？这个时候可以使用Add XY Coordinates工具，添加XY坐标
• 长度、四至、中点、重心、面积我都想要！怎么办？Add Geometry Attributes

• 周长（Shape_Length）、面积（Shape_Area）在GDB面要素中都是自带的属性，推荐使用GDB，无需计算几何即可得到面要素的周长和面积信息。

6. 矢量数据质量检查

前面说了一大堆矢量数据的创建、编辑、管理、分析相关的内容，不论是做科研还是工业生产，数据质量很重要。矢量数据质量检查又是一个很重要的点，数据只有符合质量要求，才能被使用。两点建议：

1. 熟悉矢量数据质量检查的总体流程和方法，详阅：一文搞懂如何进行矢量数据质量检查
2. 不断学习相关国标，深入对标准规范的理解和执行。从自然资源标准化信息服务平台中可以查阅相关国家标准，多学习，多了解。（网址见参考文献12）

7. 思维导图

参考文献

1. https://datacarpentry.org/organization-geospatial/02-intro-vector-data/
2. 史上最全GIS格式总结，看完这个应该没啥不认识的了
3. ArcGIS图形编辑命令
4. GIS计算上市公司注册地址和办公地址变化，绘制OD线
5. 推荐一个野外考察神器！+QGIS野外考察路径制图
6. 遥感解译精度评定，混淆矩阵与Kappa系数
7. GIS如何分析台风影响范围和受灾人数
8. GIS点到面的距离计算
9. GIS基础教程之属性表的处理（2021-01-23更新）
10. GIS基础之GIS属性表操作
11. 一文搞懂如何进行矢量数据质量检查
12. http://www.nrsis.org.cn/portal/