本欄目主要推送廈門大學經(jīng)濟研究所城市與區(qū)域經(jīng)濟學研究生課程的相關(guān)學習資料。

微信公眾號：蒙莉娜的城市分析課

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蒙老師的嘮嘮叨叨

這算是城市與區(qū)域經(jīng)濟學的第一次實踐課程，主要做一些ArcGIS的入門介紹。那什么內(nèi)容才算是入門呢？ArcGIS的系統(tǒng)組成？GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？一個5G信號塔在GIS系統(tǒng)里怎么表示？一個花園小區(qū)呢？長江在系統(tǒng)里是一條線還是一個河面？。。。這些都是GIS課程的基本概念，嘮叨起來那可能一學期的課程也說不完。

所以，我直接跳過關(guān)于數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式和數(shù)據(jù)存儲的基本內(nèi)容了（假裝你們都會???）。如果真的不會，請善用以下網(wǎng)絡資源：

ArcMap 快速瀏覽

https://desktop./zh-cn/arcmap/10.3/main/get-started/a-quick-tour-of-arcmap.htm

ArcCatalog 快速瀏覽

https://desktop./zh-cn/arcmap/10.3/main/get-started/a-quick-tour-of-arccatalog.htm

ArcMap 基本詞匯

https://desktop./zh-cn/arcmap/10.3/main/map/essential-arcmap-vocabulary.htm

什么是地理數(shù)據(jù)？

https://desktop./zh-cn/arcmap/latest/manage-data/main/what-is-geodata.htm

快速瀏覽了前面一些基本概念后，我們主要介紹的是GIS系統(tǒng)的地理坐標系統(tǒng)和投影坐標系統(tǒng)。這依然是GIS系統(tǒng)的入門掃盲點，但是在教學過程中，發(fā)現(xiàn)同學們在這里犯的錯誤還是比較多的，拎出來重點講。

什么是坐標系？

在 ArcGIS 中，每個數(shù)據(jù)集都具有一個坐標系，該坐標系用于將數(shù)據(jù)集與通用坐標框架（如地圖）內(nèi)的其他地理數(shù)據(jù)圖層集成。通過坐標系可以集成地圖內(nèi)的數(shù)據(jù)集以及執(zhí)行各種集成的分析操作，例如疊加來自截然不同的來源和坐標系的數(shù)據(jù)圖層。

而GIS 中使用兩種常用的坐標系類型：

1. 全局坐標系或球坐標系，例如經(jīng)緯度。這些坐標系通常稱為地理坐標系。

2. 基于地圖投影的投影坐標系（例如橫軸墨卡托投影、亞爾勃斯等積投影或羅賓遜投影），投影坐標系有時稱為地圖投影。

什么是地理坐標系統(tǒng)？

地理坐標系 (GCS) 使用三維球面來定義地球上的位置，包括角度測量單位、本初子午線和基準面（基于旋轉(zhuǎn)橢球體）。我們常說的經(jīng)緯度，即為地理坐標系。
下圖即為地理坐標系的要素及如何經(jīng)緯度標注的地球表面。

作為一個合格的地圖數(shù)據(jù)發(fā)布者，在發(fā)布地圖數(shù)據(jù)的同時，應該附上地圖數(shù)據(jù)所使用的經(jīng)緯度信息，如下圖為國家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的基礎(chǔ)地圖，在ArcMap的圖層屬性中的Source標簽可以直接看到該數(shù)據(jù)所使用的地理坐標系統(tǒng)。

當Source標簽中的Geographic Coordinate System 顯示為Undefined時，就需要我們根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)布者提供的信息重新定義地理坐標系。下圖為ArcMap系統(tǒng)內(nèi)嵌的DefineProjection工具語法：

Python調(diào)用DefineProjection工具的示例如下：

由于選擇的橢球體不同，不同的地理坐標系統(tǒng)所定義的經(jīng)緯度有少許偏差。如中國官方發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)多采用2000國家大地坐標系（CGCS_2000），而通過百度等地圖服務商提供的API獲取的經(jīng)緯度，通常被稱為火星坐標（即地圖服務商根據(jù)算法將真實的經(jīng)緯度經(jīng)過一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換后發(fā)布），與真實的經(jīng)緯度存在位置偏差。

值得注意的是，即使我們使用了CGSC_2000地理坐標系統(tǒng)，因為經(jīng)度和緯度不具有標準長度，所以無法對距離或面積進行精確測量，或者無法很容易地在平面地圖或計算機屏幕上顯示數(shù)據(jù)。而實證研究中，通常涉及到的是關(guān)于距離或面積的計算，那么，就需要用到投影坐標系了。

什么是投影坐標系？

與地理坐標系不同，投影坐標系在二維平面中進行定義，在二維空間范圍內(nèi)，投影坐標系的長度、角度和面積恒定。在投影坐標系中，通過格網(wǎng)上的 x,y 坐標來標識位置，其原點位于格網(wǎng)中心，單位通常為米（m）。每個位置均具有兩個值，這兩個值是相對于該中心位置的坐標。一個指定其水平位置，另一個指定其垂直位置。這兩個值稱為 x 坐標和 y 坐標。采用此標記法，原點坐標是 x = 0 和 y = 0。

下圖可以直觀對比地理坐標系和投影坐標系的差異。左圖是地理坐標系（經(jīng)緯度），右圖為投影坐標系（X m, Y m）

簡單來說，投影是一種計算，用于在平面屏幕或紙張上繪制圓形地球。每張地圖都會使地球變形。因為如果不經(jīng)過拉伸、傾斜和撕裂則無法將一個曲面（地球）展平到一個平面上。地圖投影以系統(tǒng)的方式來應用此變形，使得可以控制變形的位置和發(fā)生方式。因此，需要根據(jù)研究目的，選擇正確的投影，以控制感興趣變量，如距離或者面積的形變最小。

投影方式可以分為等角投影，等面積投影和等距投影。等角投影可以局部保存角，因此要素的形狀是真實的。但是這種質(zhì)量的代價是面積和距離的變形。等面積投影可以保留面積，但會犧牲角度，因此某些地方的形狀會出現(xiàn)偏斜。等距投影可保留距離，盡管這些距離只能從地圖上的某些點或沿某些線測量。

ArcGIS 中提供了數(shù)十種投影方式，我們需要做的就是根據(jù)研究目的，保留距離或者保留面積，然后進行投影轉(zhuǎn)換即可。需要注意的是，投影坐標系始終基于地理坐標系，先定義了地理坐標，才能將地理坐標進行投影轉(zhuǎn)換（簡單說，就是將地圖單位從經(jīng)緯度變成米）。
矢量數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換需要用到Project函數(shù)，而柵格數(shù)據(jù)（比如說你們最熟悉的夜晚燈光數(shù)據(jù)）的投影轉(zhuǎn)換需要用到Project Raster函數(shù)。以矢量數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換為例：

Python調(diào)用Project工具的示例如下：

# output data
out_data = 'BOUA_prj'

# create a spatial reference object for the output coordinate system
#4498是CGCS2000_GK_Zone_20在ArcGIS里坐標系的WKID，是等角投影（高斯-克呂格投影）的一種，以最少形變?yōu)橹饕康?/span>
out_coordinate_system = arcpy.SpatialReference(4498)

# run the tool
arcpy.Project_management(in_data, out_data, out_coordinate_system)

嘮嘮叨叨了這么多，其實最重要一點是，當我們從不同的渠道拿到各種地圖數(shù)據(jù)時候，第一步要做的就是將同一個項目的數(shù)據(jù)都變換到同一個投影坐標系下，而蒙老師通常的做法是，使用一個已經(jīng)已知坐標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)A（如代碼中的'city'）作為參考，將所有新數(shù)據(jù)都投影到數(shù)據(jù)A的坐標系統(tǒng)下，省去了每次投影變換都要去查詢WKID的煩惱。以下為Python的實現(xiàn)代碼：