大学地理信息系统实验指导书

大学地理信息系统实验指导书前言地理信息系统（GIS）作为空间信息科学的核心技术，在资源管理、城市规划、环境保护等领域发挥着关键作用。本实验指导书通过系统性实践训练，帮助学生掌握GIS软件操作、空间数据处理、空间分析及地图制图的核心技能，深化对GIS理论的理解，提升解决实际地理问题的能力。实验内容涵盖数据采集、编辑、分析及可视化等环节，注重理论与实践结合，为后续专业学习和科研工作奠定基础。实验一：GIS数据采集与格式转换实验目的1.熟悉常见GIS数据格式（Shapefile、GeoTIFF、KML）的特点与应用场景。2.掌握矢量/栅格数据的采集方法（手动数字化、数据导入）。3.熟练运用GIS软件完成数据格式转换与坐标系定义。实验数据矢量数据：某城市行政区划（Shapefile格式，WGS84坐标系）。栅格数据：该城市DEM（GeoTIFF格式，UTM投影）。辅助数据：GoogleEarth导出的KML地标文件（校园建筑）。实验步骤1.矢量数据采集（手动数字化）数据导入：打开ArcGISPro（或QGIS），新建工程，导入“城市行政区划.shp”并加载至地图视图。创建要素类：在“目录”面板右键点击“数据库”，新建多边形要素类，坐标系与底图一致（WGS84）。数字化操作：启用“编辑”工具，选择“创建要素”，沿底图行政区边界逐点绘制多边形，完成后保存编辑。2.栅格数据导入与配准导入DEM：将“城市DEM.tif”拖入地图视图，若坐标系不匹配，右键图层选择“属性”→“坐标系”，手动匹配为UTM投影。配准验证：叠加矢量行政区划，通过“识别”工具对比关键点坐标，确认栅格与矢量空间位置一致。3.数据格式转换KML转Shapefile：在ArcToolbox中选择“转换工具”→“KML转图层”，输入KML文件，输出至地理数据库生成点要素类。栅格转矢量（可选）：使用“转换工具”→“栅格转多边形”，对DEM重分类（如划分高程带）后转换，设置简化容差（如0.5米）优化精度。结果验证与分析检查转换后的数据属性表（如Shapefile的.dbf文件），确认字段信息完整（如KML转换后的名称、描述字段）。对比不同格式数据的存储空间与加载效率，分析矢量/栅格数据在不同场景的适用性（如网络分析用矢量，地形分析用栅格）。思考与拓展1.若采集数据时坐标系错误，如何批量修正？（提示：使用“投影和变换”工具）2.尝试用Python（ArcPy或GDAL库）编写脚本实现KML到Shapefile的批量转换。实验二：空间数据编辑与拓扑处理实验目的1.掌握矢量数据的编辑技巧（节点编辑、要素合并/分割）。2.理解拓扑关系的概念，学会构建与验证拓扑规则。3.解决空间数据的常见质量问题（如重叠、缝隙、悬挂线）。实验数据矢量数据：某流域水系（线要素，存在拓扑错误）、土地利用类型（面要素，含重叠面）。实验步骤1.水系数据编辑节点编辑：加载水系图层，启用编辑，选择“编辑顶点”工具，移动/删除节点以修正河流流向错误（参考地形数据辅助判断）。要素合并：选择两条断开的支流，使用“合并”工具合并为单一线要素，确保河流网络连通性。2.拓扑规则构建（土地利用数据）创建拓扑：在地理数据库中右键“数据集”，选择“新建拓扑”，添加土地利用面要素类。添加规则：设置规则（如“面不重叠”“面必须覆盖数据集范围”），点击“验证拓扑”，系统将标记错误要素。3.拓扑错误修复重叠面处理：在拓扑错误列表中，选择“重叠面”错误，使用“裁剪”工具保留正确的土地利用类型，删除重复部分。缝隙填充：对于面要素间的缝隙，使用“创建要素”工具绘制多边形，属性字段与周边面一致，完成后验证拓扑。结果验证与分析导出修复后的土地利用数据，叠加高分辨率卫星影像，检查面要素与实际地物的匹配度。分析拓扑规则对数据质量的影响，思考不同行业（如国土、水利）的拓扑规则差异。思考与拓展1.如何利用拓扑规则自动检测道路网的“悬挂线”错误？（提示：线要素的拓扑规则“线必须被覆盖”）2.尝试用QGIS的“拓扑编辑”工具完成相同操作，对比ArcGIS与QGIS的拓扑处理效率。实验三：空间分析与建模实验目的1.掌握缓冲区分析、叠加分析、网络分析的原理与操作。2.学会使用空间插值方法生成连续表面（如降雨量、温度分布）。3.结合多源数据进行综合空间分析（如城市适宜性评价）。实验数据矢量数据：城市道路网（线要素）、学校/医院点位（点要素）、生态保护区（面要素）。栅格数据：城市坡度图（GeoTIFF）、降雨量监测点（点要素，含属性字段“降雨量”）。实验步骤1.缓冲区分析（学校服务范围）加载学校点位图层，打开“缓冲区”工具，设置距离（如500米），输出缓冲区面要素。叠加道路网图层，使用“空间连接”工具统计每个缓冲区内的道路长度，分析学校周边交通可达性。2.叠加分析（生态保护与城市建设冲突）对城市建设用地规划图（面要素）与生态保护区图层进行“相交”分析，输出冲突区域。统计冲突区域面积，结合土地利用类型，提出规划调整建议（如调整建设用地边界）。3.空间插值（降雨量分布）加载降雨量监测点，打开“克里金插值”工具，选择“降雨量”字段作为插值变量，设置半变异函数参数（如球面模型）。输出降雨量栅格图，叠加DEM分析地形对降雨分布的影响（如迎风坡降雨量大）。4.网络分析（医院急救路径）构建道路网的网络数据集，设置“长度”为阻抗属性。添加医院点位为“设施点”，随机选择居民区点为“事件点”，运行“最短路径”分析，输出最优急救路线。结果验证与分析对比插值结果与实际降雨站点数据，计算平均绝对误差（MAE）评估插值精度。分析急救路径的时间成本（结合道路等级设置速度属性），优化网络数据集参数。思考与拓展1.如何结合夜间灯光数据（栅格）与人口普查数据（矢量），进行城市活力评价？（提示：空间叠加与密度分析）2.尝试使用Python的GeoPandas库实现简单的缓冲区分析，对比GIS软件的自动化程度。实验四：地图制图与可视化实验目的1.掌握GIS地图的设计原则（符号化、配色、比例尺设置）。2.熟练运用布局视图制作专题地图（如土地利用、地形分析图）。3.学会使用三维可视化工具展示地形与建筑的空间关系。实验数据矢量数据：城市建筑（含“楼层”属性的面要素）、交通线路（线要素）。栅格数据：城市DEM、遥感影像（真彩色）。实验步骤1.数据符号化建筑图层：按“楼层”字段分级设色（如低层建筑用黄色，高层建筑用红色），设置面要素的“高度”参数（楼层×3米）实现三维效果。交通线路：按道路等级（高速、主干道、支路）设置线宽与颜色（如高速用深蓝色，支路用灰色）。2.布局设计与出图新建布局视图，设置页面大小（A3）、方向（横向），添加地图框，导入符号化后的地图。添加图例、比例尺、指北针、标题（如“XX市城市空间格局分析图”），调整元素位置确保布局美观。导出地图为PDF（300dpi）或图片格式，检查文字排版与要素层次（如建筑图层置于交通层上方）。3.三维可视化（地形与建筑）加载DEM与建筑图层，打开“局部场景”视图，设置DEM的“表面高度”为高程值，建筑的“基准高度”为地面高程。调整光照（如正午时分）与视角（倾斜45°），添加天空盒与地面纹理，导出三维场景为视频或图片。结果验证与分析邀请同学或老师评价地图的可读性（如符号是否清晰、配色是否协调），根据反馈调整设计。对比二维与三维地图的信息传达效果，分析不同场景下的地图选择策略（如规划汇报用三维，数据分析用二维）。思考与拓展1.如何利用ArcGISPro的“故事地图”功能，结合多张地图制作交互式地理报告？2.尝试使用QGIS的“Atlas”工具，基于行政区划生成系列地图（如分县区的土地利用图）。实验注意事项与常见问题解决1.数据安全与备份实验过程中定期保存工程文件（如每30分钟），重要数据需备份至云端或移动硬盘。避免直接编辑原始数据，建议复制后在副本上操作，防止数据损坏。2.坐标系与投影问题导入数据时务必检查坐标系，若出现“数据偏移”，优先使用“定义投影”工具而非“投影”工具（前者仅定义，后者改变坐标）。多源数据叠加前，确保坐标系一致（可通过“投影和变换”工具批量转换）。3.软件卡顿与崩溃处理关闭不必要的后台程序，清理临时文件（如ArcGIS的“缓存管理”工具）。若软件崩溃，重启后通过“最近工程”恢复，或从备份文件导入数据。4.工具参数设置误区缓冲区分析时，注意“距离单位”与数据坐标系的匹配（如地理坐标系用“米”需谨慎，优先转换为投影坐标系）。空间插值时，合理设置搜索半径（如降雨量插值用监测点的平均间距），避免过度拟合或欠拟合。拓展实验与科研应用1.开源GIS工具实践学习QGIS、GRASSGIS等开源软件，对比商业软件的功能差异，尝试用QGIS完成实验一至四的操作。2.遥感与GIS融合分析结合Landsat卫星影像，使用ENVI或ArcGIS的“图像分析”工具提取NDVI（归一化植被指数），与土地利用数据叠加，分析城市绿地分布。3.GIS与Python/R结合学习ArcPy（ArcGISPython库）或GeoPandas（Python地理数据处理库），编写脚本实现自动化数据处理（如批量格式转换、批量插值）。4.科研项目实践参与导师的GIS相关课题（如城市内涝