《地理信息系统实验》课程大纲

课程代码：00805240

课程学分：1

课程总学时：24学时

适用专业：地理信息科学

一、课程概述

（一）课程的性质

1、《地理信息系统实验》课程是本专业本科生的专业必修实验课程，与《地理信息系统概论》课程同步进行，通过《地理信息系统实验》课程的学习，使学生在《地理信息系统》课程理论基础知识（基本概念、空间数据的采集、处理与组织、GIS空间分析的原理方法、GIS设计的技术方法等内容）学习的基础上，掌握常用GIS软件的操作，为后续其它GIS课程的学习打下基础。另外，使学生在学习GIS基础理论的同时，强化实践操作能力，通过对GIS软件的操作及数据处理和分析，理解GIS的基本理论，并且能够循序渐进的进行GIS应用的设计和分析，进一步提高GIS应用能力。

本课程的主要内容包括：ArcMap软件的基本操作方法，空间数据的查询和显示方法，栅格数据的显示和空间分析方法，矢量数据的显示和空间分析方法，空间数据的编辑和处理方法，空间数据的建模方法，综合空间分析的方法等部分的内容。

2、本课程的先修主要课程有《高等数学》《程序设计》《计量地理》《遥感概论》《地图学》《普通测量学》等。《计算机基础》知识的学习有助于学生理解地理信息系统中关于计算机的专业术语和知识。同时，《地图学》《遥感》《自然地理》《人文地理》等有关课程的学习为本课程的学习提供了知识基础，如对地学空间实体的建模和认识。《遥感概论》《普通测量学》的学习还为本课程的数据获取技术提供了很好的参考。

3、本课程以实验操作学习为主，是在《地理信息系统概论》课程理论学习的基础上，实现理论和实践的相结合。

（二）设计理念与开发思路

1、设计理念

课程教学方法以有利于课程内容的学习和取得良好的教学效果为原则，因为本课程为实验课程，所以在教学设计上，以锻炼学生的实际操作能力为主要目的。而从锻炼的角度，只有通过以项目案例的形式去锻炼才能够激发学习的积极性，带来更好的教学效果。通过案例可以让学生有目的的去操作，案例的方向也能够让学生更好的了解GIS项目设计的方法以及各种空间分析功能的作用以及他们的原理。

另外GIS的原理的理解也是一个相当复杂的过程，要理解好这些原理需要付出的不仅仅是学习的时间，还要和实践相结合，通过实践去理解原理，这些也需要有针对性的去训练才能更好的把握GIS的基本原理。

在学习的过程中，一个人的学习不如分小组讨论学习的效率高，故在案例的设计中，能够体现小组互助学习的方法，则可以提高学习的效率。

根据这些思路理念，设计本GIS实验课程的教学。

2、开发思路

为了培养学生的动手能力和创新精神，全面提高其综合素质，教学过程中要始终注重培养学生的动手能力，动脑能力，动口能力（提出和讨论问题以及辩论的能力）。

在教学开发上，根据学习的心里，采取循序渐进的方法，整个实验教学过程分成三个步骤，第一步向导式学习，即按照实验教材上的内容，在操作方法上可以完全尊重书上的步骤一步步的操作，主要目的是让学生了解软件的操作方法以及GIS的基本功能，这部分的练习占全学期的三分之一；第二步半提示学习，即设计一些小的练习，这部分的练习相对比较简单，在实验内容的设计上，根据练习的内容作出相关的操作提示，让学生在摆脱教材的基础上，按照提示完成相关的实验操作内容，这部分的学习也占全学期的三分之一；第三步完全自主学习即完全给定一个案例，让学生完整的做完整个过程，题设中不做任何的提示，这部分的练习可以同学之间讨论完成，这部分的练习也占全部学期的三分之一。

除了在循序渐进方法的使用之外，实验案例的设计也是非常重要的，在案例上，开始的设计以熟悉软件为主，再接下来的案例设计上以掌握GIS的应用功能为主，在第三步的案例设计上则以综合灵活应用GIS功能，熟练的把握GIS的基本原理为主。

另外，在教学过程中，穿插学生的小组互助学习以及小组讨论学习，在学习过程中，教师不参与他们讨论，只是负责解释他们讨论中的问题的解答以及方向的指引，通过这种方法让学生融入GIS的实践中来。

定期交作业也是一项主要的内容，在第二步和第三步需要学生提交实验报告，利用实验报告来了解学生对GIS实验操作和理论把握的程度。

3、本实验课程的内容及合适安排包括：ArcMap软件的基本操作方法（4课时），空间数据的查询和显示方法（4课时），栅格数据的显示和空间分析方法（8课时），矢量数据的显示和空间分析方法（8课时），空间数据的编辑和处理方法（6课时），空间数据的建模方法（10课时），综合空间分析的方法（16课时）。

由于教学内容和练习循序渐进的思路步骤是交错进行的，故将课程教学内容融入到实验步骤中去，本课时的安排并非课堂教学顺序的安排。

课程评价采用多元性的方式，做到三个结合：一是过程、阶段与目标评价相结合；二是理论与实践评价相结合；三是主持教师、实践指导教师和学生自评与互评相结合，以主持教师为主导。

二、课程目标

本实验课程教学的总体目标是通过本门课的教学使学生通过实践操作的学习，增强学生对GIS知识的理解与认识，增强实际动手能力、分析问题解决问题的能力和创新能力。基本要求就是让同学熟练操作该软件的同时，能运用该软件进行简单的GIS项目设计。

（一）知识目标

实验一ArcMap软件基础练习

掌握ArcMAP软件的操作方法，理解在ArcMAP软件环境下的操作思路，同时验证《地理信息系统概论》原理课程中学习的各种GIS基本理论，以及他们在GIS实际表现形式。

实验二ArcMap的复杂操作

掌握属性表的维护方法，图形查询属性、属性查询图形的方法、空间连接的方法，地图布局输出等。

实验三栅格数据生成与分析

掌握栅格数据的生成与显示、掌握利用高程栅格生成坡面因子的方法，栅格空间距离计算的方法，重点掌握栅格叠加分析的方法。

实验四矢量数据空间分析

掌握在矢量环境下生成邻近区、服务区的方法，掌握在矢量环境下进行空间叠加分析的方法，掌握生成泰森多边形的方法。

实验五不规则三角网

掌握地面模型的生成和显示方法，掌握工程中土方和纵坡的计算方法，了解视线视域分析的方法。

实验六、网络分析

掌握最优路径选择的方法，了解考虑车辆单行线、车速、道路互通等不同情况的路径分析方法，掌握基于路径的服务范围和最近服务设施的操作方法。

实验七空间数据的编辑和管理

掌握空间数据的编辑和处理的方法，了解空间数据维护的方法。

掌握空间数据拓扑查错和数据拓扑编辑的方法

实验八空间建模的方法

掌握数据流程图和工作流程图建立的方法，建模数据参数的设置方法。

实验九综合分析

掌握综合利用各种空间分析方法进行复杂地形的选址的方法以及基于泰森多边形的选址方法。

（二）能力目标

实验一 ArcMap软件基础练习

能够熟练运用ArcMap软件，了解ArcMap软件设计的思路和基本操作流程思路，数据处理环境等。

实验二ArcMap的复杂操作

能够在《地理信息系统概论》理论学习的基础上，将理论中的数据结构部分的内容在此处进行验证，并且通过理论和实践的结合，掌握地理信息系统中不同类型的空间数据的表达方法，另外也掌握在ArcGIS环境下的文件数据模式和GeoDatabase数据模式的不同。

实验三栅格数据生成与分析

能够将《GIS》理论部分的栅格数据的应用方向在栅格数据分析中的理解得到加强，能够把握栅格数据的数据结构原理，同时能够在此基础上进行空间分析的方法，以及理解在栅格数据结构中，如何利用栅格数据解决实际应用问题的方法。

实验四矢量数据空间分析

掌握在矢量数据结构的构成及数据结构，了解矢量数据环境下进行空间分析的方法，能够根据实际的应用需要，选择合适的矢量数据分析方法进行空间分析，并且如何进行空间数据表达。

实验五不规则三角网

理解不规则三角网这种镶嵌数据结构的特殊表达形式，能够利用不规则三角网进行土方量算，空间视域和视线分析，以及生产纵坡及坡面图，把不规则三角网和工程测量相结合。另外，能够横向对比，理解规则格网的区别。

实验六、网络分析

能够根据网络数据集，生成网络拓扑数据集，并且理解网络最优路径算法，已经能够根据网络数据分析中的资源、站点、网络、流量等因子应用于不同的网络分析环境，而且具备一定的复杂环境的网络分析问题的解决思路和想法。

实验七空间数据的编辑和管理

能够在理解矢量和栅格数据在地理信息系统软件中表达方法的基础上，能够深入的理解拓扑关系和拓扑规则，能够利用拓扑关系和拓扑规则去检查图形已经根据检查的结果对图形进行编辑。同时了解在ArcGIS环境下对空间数据库进行管理的方法。

实验八空间建模的方法

能够结合实际项目应用的工作流和数据流，在建模工具中对工程项目进行数据建模和应用建模，并且能够建立清晰的流程思路图。

实验九综合分析

能够综合利用各种空间分析方法进行复杂的计算，在这部分的练习中，没有固定的方法，需要学生能够综合利用已有的知识，在授课简单提示的基础上，完成相关的实验题目，解决方案可以是多方面的。重点训练学生的拓展思维能力。

（三）素质目标

本实验课程的学期的目标定位是培养学生能够利用GIS这种地学工具很好的把握地理规律，能够应用GIS工具辅助地理知识的学习和把握，故其素质目标可以定位为如下：

1、更好的把握地理规律，将地理规律在GIS环境下能够进行分析和模拟；

2、利用GIS工具，进行空间应用项目的规划和设计；

3、从宏观考虑问题的能力，将宏观和微观结合；

4、善于思考，将已经学过的其他课程的内容和本课程有机结合，做到知识的融会贯通；

5、良好的空间思维能力在本课程的学习培养中亦是重点内容；

6、将《地理信息系统概论》理论课程学习的基础上，将理论和实践相结合。

7、要学生了解本课程的学科交叉特性，提醒学生不断地丰富自己的知识结构，通过应用案例的设计，不断的动手操作，完成既定的目标，熟能生巧。

三、课程内容与要求

本课程的学习主要以实践操作为主，故本课程的授课形式以课堂布置案例练习和课堂讨论为主，辅以操作方法集中讲解及个别辅导的方式完成。

另外，本课程的教学方法采用的是循序渐进式，按照教材上的教学内容，将全部的学习内容融入到教学三步中去，另外增加原有的教材中没有的空间建模部分的内容。

实验一、ArcMap软件基础练习（4课时）

一、ArcMap简介（掌握）

1、ArcMap的操作界面

2、简单查询

3、专业术语

4、ArcMap使用的数据库

二、要素及属性查询（熟悉）

1、选择要素的方法

2、条件组合查询

3、属性汇总

4、统计图

三、专题地图显示（掌握）

1、专题图的类型

2、分类方法

3、地图注记记符号控制

4、统计地图

5、点密度图

授课方式：课堂讲解+按照教材内容操作

实验二 ArcMap的复杂操作（4课时）

一、属性表的编辑和维护（掌握）

1、属性表的建立

2、独立表的建立和加载

3、表的显示设定和记录过滤

二、相互位置查询、空间连接（掌握）

  1、相邻查询

2、包含查询

3、相交查询

4、空间连接

三、地图布局与报表（熟悉）

  1、新建布局

2、添加布局要素

3、报表的生成

授课方式：课堂讲解+按照教材内容操作

实验三栅格数据生成与分析（8课时）

一、栅格数据生成与显示（掌握）

1、栅格数字高程模型

2、坡度

3、密度图

4、距离图

5、邻近区分配

6、ArcGIS使用的和栅格数据

二、栅格空间距离计算（掌握）

1、生成栅格距离图

2、考虑成本的距离

3、计算公路建设成本

4、成本距离的计算原理

三、再分类与叠合计算（熟悉）

1、中学选址

2、人口分布密度再分类

3、选址的综合评定

授课方式：课堂讲解+按照教材内容操作+自主思考+小组讨论

实验四、矢量数据空间分析（8课时）

一、邻近区、服务区（熟悉）

1、产生多边形要素的邻近区

2、现状要素的邻近区

3、道路密度的计算

4、基于网络的服务区

二、多边形叠合（掌握）

1、原始数据

2、数据处理

3、叠合功能

三、泰森多边形及其应用

1、分配消防站服务范围

2、利用泰森多边形计算人口密度

授课方式：课堂讲解+按照教材内容操作+自主思考+小组讨论

实验五不规则三角网（6课时）

一、地表模型生成、显示（掌握）

1、点状要素产生不规则三角网

2、TIN权重法插值比较

3、设计场地的三角网高程模型

4、三维显示

二、工程中的土方、纵坡（熟悉）

1、等高线产生不规则三角网

2、计算工程挖方

3、三维破面图

4、现状图形生成纵坡图

三、视线视域分析（熟悉）

授课方式：课堂讲解+按照教材内容操作+自主思考+小组讨论

实验六、网络分析（6课时）

一、最佳路径选择（熟悉）

1、产生最佳路径

2、查找单个及多个最近设施

二、考虑车速及单向行驶

考虑车速及单项行驶的最佳路径

三、考虑上下行不同车速、道路互通

考虑道路互通、交叉口的延误的最佳路径

授课方式：课堂讲解+按照教材内容操作+自主思考+小组讨论

实验七、空间数据的编辑和管理（6课时）

一、空间数据的输入编辑

1、点线面要素的输入编辑

2、线、多边形的高级编辑

3、拓扑规则

二、空间数据维护管理

1、投影变换、坐标校正

2、通过转换建立数据库

3、数据源和元数据

授课方式：课堂讲解+按照教材内容操作+自主思考+小组讨论

实验八建模分析（6课时）

一、建模工具的使用方法

二、数据流程图的设计

三、工作流在建模工具中的表达方式

授课方式：课堂讲解+自主思考+小组讨论+教师答疑

实验九、综合分析（8课时）

一、专题地图中要素分类与符号设计（熟悉）

二、复杂地形中的选址（熟悉）

1、概述

2、选址评价方法

3、环境限制方法

4、计算取水费用

5、计算铁路支线建设费用

6、煤炭运输费用计算

7、综合评价结果

三、泰森多边形中的选址分析（熟悉）

1、消防站服务范围分配

2、学校选址评价

3、基于网络的设施服务水平

4、数据处理过程

5、产生同心圆式的邻近区

授课方式：自主思考+小组讨论+教师答疑

四、课程实施建议

（一）教学建议

GIS实验操作不仅是对GIS理论的进一步认识，也是现代地理研究的工具，更是一门实践性很强的多学科交叉的边缘性科学。在这一基本思想指导下，针对上述教学内容体系，确立本实验课程的重点和难点是如何的灵活运用GIS的空间方法来解决实际应用项目中的问题。传统的教学方法，在教材提示下，学生一般都能够完成相应的实验内容，但是在脱离教材的时候，大部分学生会无所适从。故如果训练学生的自主思维，加强软件应用的锻炼，以及熟练的操作软件是本实验课程需要训练的重点，通过此锻炼得到对GIS基础理论的进一步理解，实现理论和实践结合的相辅相成。

故内容的重点和难点为矢量数据的叠加分析方法，不规则三角网的应用，网络数据集的应用，空间建模的方法等。

针对课程内容的重点和难点，提出了以数据流程为主线，安排了理论讲授与演示以及实践操作验证的解决办法。

在教学设计上，为了能够更好的将学生融入到GIS学习中，并且能够更好的把握抽象的GIS理论，课堂采用讨论的方式加强教学，通过设计应用案例，由学生来讨论，增强学生实际处理GIS应用的能力。

（二）教学评价

本课程的考核采用平时30%加期末考试70%的方式，平时的30%的做法采用课堂点名已经课堂回答提问及讨论以及课后作业的方式来考核，具体如下：

（三）教材选编

1.教材的选用及编写

宋小东等 《地理信息系统实习教程》 科学出版社，2001

2.教参资料的选用

[1] Andrej Vckovski, Interoperatable and Distributed Processing in GIS, 1998, London: Taylor & Francis。

[2] Andrew S. Tanenbaum，Distributed Operating Systems，1996，北京清华大学出版社

[3] 陈俊、宫鹏，实用地理信息系统——成功地理信息系统的建设与管理，1998，北京：科学出版社

[4] 陈述彭、鲁学军、周成虎，地理信息系统导论，1999，北京：科学出版社

[5] 郭仁中，空间分析，2000，武汉：武汉测绘大学出版社

[6] 黄杏元、汤勤，地理信息系统概论，1990，北京：高等教育出版社

[7] 严蔚敏、吴伟民，数据结构，1992，北京：清华大学出版社

[8] 张超、陈丙咸，地理信息系统，1995，北京：高等教育出版社

[9] 张力果、赵淑梅、周占鳌，地图学，1990，北京：高等教育出版社

[10] 龚健雅，当代GIS的若干理论与技术，1999，武汉：武汉测绘大学出版社

[11] 宫鹏，城市地理信息系统：方法与应用，1996，Berkeley：CPGIS

[12] 邬伦等，《地理信息系统——原理、方法和应用》，北京：科学出版社，2001

[13]《地理信息系统》，汤国安，赵牡丹，科学出版社，2000

[14]《地理信息系统原理与应用》，郭达志，盛业华，杜培军等，中国矿业大学出版社，2002

[15]《地理信息系统导论》，陈述彭，鲁学军，周成虎，科学出版社，2000

[16]《地理信息系统原理和方法》，边馥苓等，测绘出版社，1996

[17]《地理信息科学导论》，闾国年等，中国科学技术出版社，2000

[18]《地理信息系统－原理、方法和应用》， 邬伦等，科学出版社，2001

[19]《地理信息系统基础》，龚建雅等编，武汉测绘科技大学出版社，2001

[20]《地理信息系统》，张超，陈丙咸，邬伦主编,高等教育出版社，1995

[21]《地学的探索-地理信息系统》，陈述彭，科学出版 社，1992

[22]《地理信息系统导论》，李德仁等，测绘出版社，1993

（四）课程资源的开发与应用

本课程教学内容以课堂教材数据资源+自行设计案例；

本课程的教学软件采用ArcGIS软件平台，辅以MapInfo及ArcView等软件平台

本课程示例数据采用平时项目中收集的数据，以及教材中附带的数据，在综合实习中，采用隐匿实际空间坐标的应用项目数据。

编写者（课程负责人）：陈建

                          审核者（专业负责人）：刘咏梅

                                院系（部门）教学委员会主任：

2018 年   2 月  25  日