地理信息系统导论实验指导
实验1 桌面GIS的功能与菜单操作
一、实验内容
了解ArcView、MapInfo、ArcGIS等GIS软件界面、功能与菜单操作。
二、实验目的
通过GIS软件(如：MapInfo、ArcView、ArcGIS等)的实例演示与操作，初步掌握主要菜单、工具栏、按钮等的使用，加深对课堂学习的GIS基本概念和基本功能的理解 。
三、实验指导
（一）了解主流GIS软件平台基础
1.熟悉并标注ArcView的工作界面、菜单及命令功能。
2.熟悉并标注MapInfo的工作界面、菜单及命令功能。
（二）地理数据可视化操作
1.所需数据：GIS_data\Data1
2.使用软件：MapInfo GIS
3.实验内容：
①打开中国省区图。
②浏览人口数据。
③显示人口密度的分布。
④创建中国人口年龄结构图。
（三）电子地图操作
1.所需数据：GIS_data\Data1
2.使用软件：MapInfo GIS
3.实验内容：
①使用漫游工具。
②使用放大和缩小工具。
③使用控制图层在缩放范围内显示。
④使用所提供的数据，通过图层控制对话框完成操作。
⑤使用Info工具查询地图信息。
实验2 数据采集
一、实验内容
1． 数字化操作。
2． 投影与坐标系设置。
二、实验目的
1.通过实践，掌握采集数据的主要过程。
2.通过操作，掌握ArcView的Shape文件格式如何通过自身的实用工具创建，以及投影、坐标等设置。
三、实验指导
（一）构建数据库
（1）实验内容：利用ArcView构建GIS数据库。
（2）实验目的：进一步了解GIS与一般数据库以及图形软件的区别和联系。
（3）实验数据：收集数据或利用身边的数据。
（4）实验指导：通过ArcView了解GIS的建库。
①ArcView GIS建库。
②数字化。
③数据编辑。
（二）屏幕跟踪矢量化
1.实验内容：屏幕跟踪矢量化。
2.实验目的：通过实验，了解数字化的含义和操作步骤。
3.所需数据：GIS_data\Data2目录下的FUZHOU.jpg图像。
4.实验指导：
（1）准备扫描图像。
（2）栅格图像配准。
（3）新建数字化图层。
（4）屏幕跟踪矢量化地图。
（5）输入属性值。
（三）地图投影和坐标设置实验
1.实验内容：利用ArcView进行地图投影、坐标设置。
2.实验目的：掌握地图投影、坐标系设置方法。
3.所需数据：GIS_data\Data2目录下的Stationsll.shp和Idll.shp,两个以十进制表示经纬度数值的Shape文件。
4.实验指导：利用ArcView进行地图投影、坐标系设置的步骤如下：
（1）加载数据。
（2）在视图属性对话框中选择投影。
（3）根据参数设置投影性质。
（4）在投影属性对话框中实现投影的设置，完成地图投影的转换。
实验3 数据处理
一、实验内容
1．错误查找与改正。
2．属性数据核对。
3．投影坐标转换。
4．数据格式转换。
5．数据内插。
二、实验目的
1．通过GIS软件，了解GIS数据处理的主要方法，掌握数据格式转换、投影变换和空间数据插值。
2．通过实验，了解地图投影和坐标系的转换 ，尤其要熟悉在ArcView中进行地图投影和坐标系的转换。
3．掌握常见的空间数据内插方法。 利用数据内插方法，实现趋势面分析（熟悉在ArcView中用脚本进行趋势面分析）、空间插值中的核密度估算法分析、规则样条法和薄板张力样条法空间差值以及普通克里金方法。
三、实验指导
（一）采集数据错误的查找与改正以及属性数据的核对
1.利用ArcView或MapInfo对地图数字化错误的编辑处理。
2.利用ArcView或MapInfo进行属性数据的核对。
（二）数据格式转换实验
1.所需数据：GIS_data\Data3目录下的Fz_xzq.tab或用实验二屏幕跟踪矢量化实验的数据为例。
2.实验指导：利用GIS软件直接进行数据格式转换有两种简单的方法实现。
（1）利用MapInfo的数据输入输出功能，先把表文件输出为MapInfo的交换文件格式*.mif，然后再利用ArcView的Mif to Shape转换器把*.mif文件转为*.shp文件。
（2）利用MapInfo的通用转换器把MapInfo表文件转换成ArcView的Shape文件。
（三）投影变换实验
1.所需数据：前面数据格式转换实验的结果数据。
2.实验指导：利用ArcView GIS 中的主模块和扩展功能模块"Projection Utility wizard"完成投影变换。
（四）空间内插实验
1．趋势面分析
（1）所需数据：GIS_data\Data3目录下的Stations.shp，包含爱达荷州105个气象站数据的Shapefile文件。Idout1.shp，一个显示爱达荷州外轮廓的Shapefile文件；此外，需要用到"tend.ave"，它是ArcView GIS进行趋势面分析的宏语言（Avenue Script）脚本文件。
（2）实验指导：空间插值方法之一－趋势面分析。本实验利用ArcView 3.3 中的主模块和扩展功能模块"空间分析（Spatial Analyst）"以及宏语言（Avenue）编程完成。在数据源中提供宏语言程序。
2．核密度估算
（1）所需数据：GIS_data\Data3目录下的Deer.shp，一个显示鹿点的点状shape文件。
（2）实验指导：利用ArcView 3.3中的主模块和扩展模块"空间分析（Spatial Analyst）"调用核密度估算模型完成插值。
3．两种样条函数的比较
（1）所需数据：GIS_data\Data3目录下的Stations.shp和Idoutl.shp（实验时需要转化为网格数据，即Idoutlgd）。
（2）实验指导：在ArcView 3.3 主模块和扩展模块"空间分析（Spatial Analyst）"支持下，调用标准样条法和薄板张力法模型完成插值。
4．普通克里金法插值
（1）所需数据：GIS_data\Data3目录下的Stations.shp和Idoutlgd，以及kriging.ave。其中kriging.ave是克里金法Avenue Script程序脚本。
（2）实验指导：在ArcView 3.3 中的主模块和扩展模块"空间分析（Spatial Analyst）"支持下，还需要克里金法（Avenue Script）宏语言编程完成。 在数据源中提供克里金法宏语言程序。
实验4 地形分析
一、实验内容
1．DEM的建立。
2．面积量算、坡度和坡向提取及剖面线绘制。
3．挖方和填方表达。
4．三维显示。
二、实验目的
了解和掌握数字高程模型的建立及常用地形分析的基本操作方法。
三、实验指导
（一）准备数据
1．实验数据：GIS_data\Data4。
2．学生自己采集和预处理数据。
（二）地形分析
1．DEM的建立
（1）所需数据：GIS_data\Data4\Ex1目录下的地形的样本高程点（Spot.shp）和边界(Bound.shp)。
（2) 实验内容：本实验是典型的高程数据插入，由矢量点状专题"高程点"生成栅格数字高程模型。
（3）实验目的：通过实验，了解生成栅格数字高程模型的方法，为后续的地形分析做准备。
（4）实验指导： 基于ArcView GIS 软件的主模块和空间分析模块完成。主要步骤如下：
①启动ArcView，加载数据。
②加载空间分析模块"Spatial Analyst"。
③激活高程点。
④插值计算为"距离倒数权重法（IDW）"。
⑤编辑该专题图例，并分类。
2．面积量算、坡度和坡向提取及剖面线绘制
（1）所需数据：GIS_data\Data4\Ex2目录下的高程格网Plne；河流的shapefile文件Stream.shp。高程格网是从美国地质调查局（USGS）的7.5分数字高程模型导入的。河流的
shapefile显示该地区的主要河流。
（3）实验内容：本实验涉及应用ArcView的"Spatial Analyst（空间分析）"进行地形制图和分析，主要是面积量算、坡度、坡向及剖面线图的制作。
（2）实验目的：通过本实习的练习，掌握由高程格网创建坡度和坡向专题图，并了解重新分类的意义及懂得面积量算的概念，学习剖面图的制作。
（4）实验指导：基于ArcView 3.3 软件的主模块和空间分析模块完成。主要步骤如下。 ①创建坡度专题图。
②创建坡向专题图。
③创建河流垂直剖面。
3．挖方和填方表达
（1）所需数据：GIS_data\Data4\Ex3目录下的三维地面模型crtin1和crtin2 ，场地边界Bound.shp。
（2）实验内容：计算工程的填挖方量。
（3）实验目的：通过实验，了解计算填挖方的步骤，并能分析填挖方后结果。
（4）实验指导：基于ArcView 3.3 的主模块和扩展模块中的"3D分析模块和空间分析模块"完成。主要步骤如下：
①加载数据，并设置地图单位和距离单位。同时激活三维地面模型，选择"Surface/Cut Fill"命令计算填挖方。
②定义表面为"crtin1"和定义输入范围。
③系统将自动产生填挖方计算栅格数据，并用一个名为"cut_fill between crtin1and crtin2 "显示出来。
④打开属性表，可查有关填、挖方信息。
⑤将Grid 转换TIN格式。
⑥利用地图计算器工具获取更详细信息。
4．三维显示
（1）所需数据：GIS_data\Data4\Ex2目录下的高程格网Plne和河流专题Streams.shp.
（2）实验内容：在ArcView中进行地图的三维显示，是通过3-D-scenes(三维图景)文档来制作三维透视图，3-D-Scenes文档调用了3-D Analyst模块而加进的。
（3）实验目的：通过创建实验步骤，了解在ArcView中如何进行地图的三维显示操作，从而更好地分析数据。
（4）实验指导：基于ArcView GIS 软件的主模块和3D分析模块和空间分析模块完成。主要步骤如下：
①加载3D分析模块，选择"3-D-scenes"文档，打开了3-D-Viewer（三维阅读器）和一个单独的目录。
②在"3-D-Scene/Add theme"命令中添加高程格网Plne。
③选择"Theme/3-D Properties/Surface"命令把二维的格网转成三维。
④选择"3-D-scene/Add Theme"命令，并选择河流专题数据Streams.shp；叠置河流。 ⑤选择"Theme/Convert to 3-D Shapefile"命令，选择"Surface"以获取z值，选择面专题Plne，把河流二维专题转化成三维Shape文件。
⑥把View中的专题加载到三维阅览器中。
实验5 缓冲区分析和网络分析
一、实验内容
1．缓冲区分析：根据地理对象点、线和面的空间特性，自动建立对象周围一定距离的区域范围（缓冲区域），综合分析某地理要素（主体）对邻近对象的影响程度和影响范围。
2．网络分析：了解网络的概念，选择最优路径、资源调配以及地址匹配。
二、实验目的
1．掌握点、线和面缓冲的生成及掌握GIS缓冲区应用。
2．掌握线对象的网络分析操作。
三、实验指导
（一）利用ArcView进行缓冲区分析
1．实验内容：假设根据当地情况，沿着铁路的两侧20米、40米范围内，进行环境整治、植树，要求提供专题地图。
2．实验目的：由简单生成缓冲区的操作，产生数据的缓冲区专题图，为实际应用如环境的整治和规划等提供了决策的支持。
3．所需数据：GIS_data\Data5\Ex1目录下的线状专题道路（Road1.shp，仅用于地图显示，不参加分析）和线状专题铁路（Railway.shp，为邻近区的分析对象）。
4．实验指导：
（1）加载数据，并设置地图单位和距离单位都为"米"。
（2）激活铁路专题，选择"Theme/Create Buffers"命令。
（3）利用创建缓冲区对话框，针对专题要素作缓冲分析。
（4）选择"Field/Calculation"命令，在字段计算器中完成字段计算。
（二）利用MapInfo进行查询和缓冲区分析
1.所需数据：GIS_data\Data5\Ex2目录下的PROVINCE.tab、China.tab和CHINCAPS.tab。
2.实验内容：基于MapInfo环境实现空间查询和缓冲分析。
3.实验目的：掌握空间查询和缓冲分析操作及实际应用。
4.实验指导：
（1）SQL数据查询。
（2）缓冲区查询。
（三）利用ArcView进行最短距离（查找最近设施）分析
1．实验内容：是查找最近的消防站和从莫斯科市任何地点到消防站的最快途径。旅行
时间的估算考虑链路阻抗、转弯阻抗和单行道。
2．实验目的：通过该实验，能掌握网络分析模块的应用。并为现实生活提供了决策的支持。
3．所需数据：GIS_data\Data5\Ex3目录下的线图层Mosst和点状专题图Firestat.shp。Mosst是爱达荷州莫斯科市的街道图层，该图层最初源于TIGER/Line文件，已经过编辑和更新。firestat.shp显示莫斯科市的两个消防站。
4．实验指导：
（1）加载"Network Analyst"模块，加载数据并设置地图单位和距离单位。
（2）激活街道，选择"Network/Find Closest Facility"命令，单击Properties设置成本字段。
（3）确定某一地点。
（4）查找到最近的设施和最短路径。
（5）激活fac1，打开属性表，读取总成本。
（四）利用ArcView进行最佳路径分析
1．实验内容：试查找两个城市之间的最佳（最短）路径，以英里或分钟表示。计算旅行时间的时速限制为65mi/h。旅行时间只考虑链路阻抗。
2．实验目的：本习作的目的是通过本实验，能掌握网络分析模块的应用及最佳路径的计算，为具体应用提供了决策的支持。
3．所需数据：GIS_data\Data5\Ex3目录下的点状专题图Uscities.shp；线状专题Interstates.shp和多变形专题图Lower48.shp、Lower48.shp表示美国本土，Uscities.shp含有城市，Interstates.shp包括州际公路。
4．实验指导：
（1）加载"Network Analyst"模块，加载数据，并设置地图单位和距离单位。
（2）选择两个城市，如"City_Name"为"Helena和Raleigh"，或者选择多个。
（3）激活公路专题，选择"Network/Find Best Route"命令，并设置成本字段。
（4）加载站点。
（5）计算最佳路径和全程距离。
（五）利用ArcView救灾应急（查找服务范围）服务
1．实验内容：练习网络分析模块的应用，查找消防站的服务范围，估算莫斯科两个消防站的效率并对其进行分析。
2．实验目的：目的是了解网络分析中查找服务范围的操作及应用，为现实生活提供了决策支持。
3．所需数据：GIS_data\Data5\Ex3目录下的数据线图层moscowst 和点状专题图firestat.shp。数据虽如同（三）一样，但本实验目的则研究定位问题。
4．实验指导：
（1）加载"Network Analyst"模块，加载数据并设置地图单位和距离单位。
（2）激活街道图层，选择"Network/Find Serve Area"命令，回答问题定义对话框。
（3）加载站点，选择"Travel from Site/Load Sites"命令。
（4）输入响应时间，完成在响应时间的地区为服务范围。
（5）单击"Slove Network Problem"按钮即可实现。
实验6 叠加分析
一、实验内容
1.图层叠加操作实验。要求在统一的坐标系下将同一区域的两个图层进行叠加，产生新的空间图形和属性，以提取具有多重指定属性特征的区域，或者根据区域的多重属性进行分级、分类。
2.典型GIS叠加分析应用－－土地适宜性分析。
二、实验目的
通过实验，掌握GIS图层及图层叠加产生的地理意义及应用。
三、实验过程
（一）图层叠加分析
1．实验内容：为计算洪水淹没区域，假设该问题只与地形高程和土地利用有关，再假设地形高程值大于 500米 的范围不受洪水淹没，由高程多边形的最大高程属性决定；土地利用为住宅用地的考虑对象，地块多边形的土地利用属性（Landuse＝R*的住宅用地）决定。
2．实验目的：通过实验掌握图层的叠加并对叠加后的图层进行分析，能在实际中解决问题。
3．所需数据：GIS_data\Data6\Ex1目录下的高程（Contour.shp，其中属性表中的字段Height表示该多边形的最大高程）、地块（Parcel.shp，属性表中的字段Landuse，Value，Class分别表示土地利用、估计财产、地基类型等属性）两个多边形专题。
4．实验指导：
（1）加载地学处理模块（Geoprocessing）。
（2）加载数据。
（3）选择"View/Geoprocessing"命令，在"Geoprocessing"对话框中选中"Union Two Theme"按钮完成叠加。
（4）打开工具栏的属性表，利用查询语句，可以查出被洪水淹没的区域。
（二）属性计算、分析
1．实验内容：利用现有的属性数据，建立和计算新字段。Wp.shp属性表中字段Area（面积）是用平方米度量的，实验者要把面积度量单位转化成英亩；主要是属性的计算和分析及属性表格的关联和链接等。
2．实验目的：掌握属性数据的操作，学会简单的数据处理方法，进而解决实际问题。
3．所需数据：GIS_data\Data6\Ex2目录下的一个森林立地专题（Wp.shp）、Wpdata.dbf和Wpact.dbf两个可被关联到Wp.shp的属性数据文件，Wpdata.dbf包括了植被与土地类型数据，Wpact.dbf包括了活动记录。
4．实验指导：
（1）加载数据，并打开其属性表成编辑状态。
（2）选择"Table/Starting"命令，开始编辑。
（3）选择"Filed/Calculation"命令，对选定字段进行表达式计算。
（4）选择"Table/Stoping"命令停止编辑，保存编辑结果。
（5）激活项目视窗，选择Table/Add命令，弄清源表和目标表。
（6）选择"Table/Link"命令，使用ID码联接两个表。
（三）适宜性分析
1．实验内容：用指定指标选择寻找一个新的大学水产养殖实验室的适宜地点：要求条件如下：
首选土地利用为灌木林地（如Landuse.shp中的Lucode=300）。
选择适宜开发的土壤类型（如Soils.shp中的Suit>=2）。
地点必须离下水道管线300米范围之内。
2．实验目的：掌握常用的基于矢量的分析，诸如缓冲、地图叠加、边界融合，表格数据处理以及Avenue Script样本的应用，模拟实际项目做GIS分析，为实际应用提供依据。
3．所需数据：GIS_data\Data6\Ex3目录下的Sewers.shp（地下水管线图层）、Landuse.shp（土地利用图层）和Soils.shp（土壤图层）。
4．实验指导：
1)土地实验需求的缓冲分析
（1）选中地学处理（Geoprocessing）模块。
（2）加载数据，并设置地图单位和距离单位。
（3）选择"Theme/Create Buffers"命令创建缓冲区，完成缓冲分析。
2）土地适宜性叠加分析
（1）选中地学处理（Geoprocessing）模块。
（2）加载数据，并设置地图单位和距离单位。
（3）选择"View/Geoprocessing"命令，在"Geoprocessing"对话框中选中"Intersect Two Theme"，完成叠加分析。
3）土地适宜性查询分析
打开属性表，在字段定义框中设置字段并赋值完成查询。
4）Avenue Script在土地适宜性分析中的应用
（1）选择"Edit/Delete Field"命令，把表格中多余的周长和面积删除。
（2）选择"Help/Help Topic"命令，查找宏语言的源代码。复制，粘贴。
（3）运行脚本文件。
（4）选择"Field/Staticstic"命令，对符合条件的查询。
（5）选择"View/Geoprocessing"命令，在"Geoprocessing"对话框中选中"Dissolve Features Based on An Arribute"，进行叠加分析。
实验7 地图设计与输出
一、实验内容
1．基础地图的编制。
2．专题地图的编制。
3．系列图的生成。
4. 数字地图的输出。
二、实验目的
1．巩固地图学基础知识。
2．掌握用GIS工具实现数字地图布局设计和输出。
三、实验指导
（一）用ArcView实现
1．基础地图的编制
（1）实验内容：根据所给数据完成基础地图的编制及设计。
（2）实验目的：通过本习作的练习，初步了解基础地图的编制及设计，为地图的出图做准备。
（3）所需数据：GIS_data\Data7\Ex1目录下的村庄（Sub_con.shp）。
（4）实验指导
①加载数据，设置地图单位。
②修改图例。
③编排地图。
④打印地图。
2．统计图的制作
（1）实验内容：本实验要求依据所给的数据产生选择乡镇的面积统计图。
（2）实验目的：通过本实验了解统计图的制作过程，并生成满足条件的统计图，为制图输出做准备。
（3）所需数据：GIS_data\Data7\Ex2目录下的乡镇图（Townshp.shp，人口密度专题）。
（4）实验指导：
①加载数据，并打开属性表，单击面积字段。
②在表中用选择工具加Shift键选择若干条记录（10条左右）。
③选择"Table/Creat Chart"命令，在"Chart Propertise"对话框中进行设置，生成统计图。 ④选择"Field/Summarize"命令，对生成的统计图进行分类汇总。
⑤选择"File/Print"命令完成输出打印。
3．专题地图的制作
（1）实验内容：实现等值区域图按行政单元显示统计图。
（2）实验目的：掌握专题图的制作及输出，熟悉地图设计中的各种操作，最终能完成专题图的输出。
（3）所需数据：GIS_data\Data7\Ex3目录下的Us.shp，一个显示1990-19xx年间美国各州人口变化专题的Shape文件，该专题的投影为阿伯斯等积投影，单位是米。
（4）实验指导：
①打开新视图，加载数据。
②选择"View/Properties"命令，在"View Properties"对话框中进行地图单位、名字等属性设置。
③选择"Theme/Properties"命令，在"Theme Propertie"对话框中进行专题名、图例注释等设置。
④选择"Theme/Legend"命令，在"Legend Editor"中进行设置并分类和重分类。 ⑤在"Color Ramps"对话框中选择颜色。
⑥地图布局设计。
⑦地图编排。
⑧打印地图。
4．系列地图生成
利用地图数据库中的数据，在GIS软件支持下，可生成时态变化的系列地图。请实验者结合遥感数据处理进行实践。
5．地图输出
（1）实验内容：练习地图布局的设置和地图的输出。
（2）实验目的：通过实验，了解新建布局的设置，并能初步掌握自己制作地图模板及地图输出的设计。
（3）所需数据：GIS_data\Data7\Ex1目录下的学生（Student.shp）和村庄（Sub_con.shp）。
（4）实验指导：
①加载数据，并设置地图单位。
②新建布局，返回工程窗口，选择"Layout"图标，单击"New"。
③选择"Layout/Page Setup"命令，进行页面设置。
④选择"Layout/Properties"命令，设置布局特征。
⑤添加专题图。
⑥添加其他内容。
⑦进一步处理。
⑧打印或输出中间文件。
（二）用MapInfo实现地图设计与输出
1.实验内容：利用MapInfo创建专题地图以及进行地图输出设计。
2.实验目的：掌握利用MapInfo完成地图设计和输出。
3.所需数据：GIS_data\Data7\Ex4目录下的Fz_xzq.tab。
4.实验指导：
1)建立专题地图
（1）启动MapInfo，添加数据。
（2）选择要创建的专题图类型，分三步完成。
2)地图输出设计
（1）添加标注。
（2）添加指北针。
（3）输入地图标题。
（4）画比例尺。
（5）设置图例。
（6）地图输出。
实验8 GIS应用实验
一、实验内容
（1）结合你的专业领域（水土流失、洪水灾害、土地利用、环境资源、人口预测等），完成基于GIS 地学的应用模型的建模步骤和方法。
（2）在GIS 支持下的建设项目环境管理与分析实验（要求：提供背景条件、需求条件以及进行GIS可行性分析）。
（3）基于“3S”技术的城市热岛效应的分析和建模实验。
（4）基于GIS的生物多样性综合分析实验。
（5）基于GIS的LUCC分析与建模实验。
（6）基于GIS的城市交通规划建模实验。
（7）基于GIS的区域生态环境评价实验方案。
（8）基于GIS的灾害系统构建和评估方案实验。
二、实验目的
通过综合实验，使学生能够综合掌握GIS基本的分析方法及在实际中的应用。
三、实验指导
（1）数据采集（参看配套教材《地理信息系统导论》第4章）。
（2）GIS空间分析方法和应用（参看配套教材《地理信息系统导论》第5章和第6章）。
（3）系统设计及实现（参看配套教材《地理信息系统导论》第8章）。
（4）成果的可视化表达（参看配套教材《地理信息系统导论》第7章）。
（4）应用系统案例（用实例说明）。
①数据处理。
②研究方法。
③结果讨论或结果讨论。
④结论。
附：实验数据（见《地理信息系统导论实验指导》一书光盘）