全国高校地理信息科学实验教学系列丛书
地理信息系统原理实验教程
熊礼阳李思进汤国安张书亮编著
内 容 简 介
本书系统构建了地理信息系统原理课程的实验教学体系，围绕地理空间数学基础、空间数据模型与结构、空间数据组织与管理、空间数据采集与处理、GIS基本空间分析、DEM与数字地形分析、GIS空间统计分析、地理信息可视化以及地理信息网络服务等核心内容，设计了一整套理论与实践深度融合的实验模块。全书以实践教学为目标，依托SuperMap GIS基础软件设计了一系列典型实验，旨在通过操作引导深化对GIS原理的理解与应用能力。各实验模块均包含明确的目标、翔实的数据说明及规范的操作流程，适用于高等院校地理信息科学、遥感科学、测绘工程等相关专业的本科生教学，亦可作为相关科研人员及行业从业者开展GIS实践工作的参考用书。
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图书在版编目 （CIP） 数据
地理信息系统原理实验教程 / 熊礼阳等编著. -- 北京 : 清华大学出版社, 2026. 8.
(全国高校地理信息科学实验教学系列丛书). -- ISBN 978-7-302-72629-6
Ⅰ. P208.2-33
中国国家版本馆CIP数据核字第2026A1W664号
责任编辑： 秦娜 赵从棉
封面设计： 谢晓翠
责任校对： 王淑云
责任印制： 宋林
出版发行： 清华大学出版社
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印装者： 三河市天利华印刷装订有限公司
经销： 全国新华书店
开本： 185mm×260mm印张： 14.75字数： 354千字
版次： 2026年9月第1版印次： 2026年9月第1次印刷
定价： 45.00元
产品编号： 115838-01审图号： GS京（2026）2120号
全国高校地理信息科学实验教学系列丛书
编委会
顾问汤国安宋关福
主任张书亮刘耀林
副主任
熊礼阳李晶程昌秀吴浩王春
洪亮任福
编委 （按姓氏拼音排序）
曹凯车健陈清祥陈颖陈勇
程峰邓敏杜世宏段福洲高照忠
谷雷郭一珂何宽胡楚丽黄丙湖
黄骁力江岭黎华李柏延李满春
李苗李思进李鑫李颖林安琪
刘德儿刘涛刘宪锋罗国玮梅新
孟祥锐明冬萍年雁云牛继强潘梅娥
秦昆邵怀勇宋立生孙亚琴万幼
王佳王世东位宏吴孟泉吴田军
吴志峰喜文飞夏既胜肖佳徐艳杰
杨建宇姚晓军张虎张韶华张天媛
张王菲张鲜化张晓祥赵建军赵江洪
赵相伟赵耀龙郑光辉郑江华周旭
周自翔
丛书序
值此“全国高校地理信息科学实验教学系列丛书”首批成果付梓之际，作为地理信息系统(GIS)教育领域从业者、本套丛书编委会顾问，我深感欣慰与振奋。
地理信息科学是支撑国土空间规划、智慧城市建设、时空大数据应用等国家战略领域的核心基础学科，其学科属性决定了实验教学在人才培养中的核心地位。实验教学是衔接课堂理论与行业实操的关键纽带，是学生将抽象原理转化为解决实际问题能力的必经之路，直接决定着地理信息专业人才的培养质量。数十年来，我国GIS教育事业蓬勃发展，专业布点持续增多，人才培养规模稳步提升，但在实践教学环节，始终存在教材体系碎片化、教学标准不统一、实操内容与产业需求衔接不紧密、国产GIS技术融入不足等共性痛点，成为专业人才培养质量进一步提升的瓶颈。
近年来，随着云计算、大数据、人工智能与三维可视化等技术的深度融入，GIS产业正加速向地理空间智能方向演进； 与此同时，信创战略全面推进，国产GIS平台已成为行业应用的主流选择，行业对人才的实践能力、技术适配性与创新素养提出了全新要求。新时代的GIS教育，急需一套体系完整、标准统一、贴合产业、适配国产技术的实验教学资源，为全国高校提供规范化的实践教学参照，推动GIS实践教学从“各自探索”走向“规范优质”。
正是基于这样的行业共识与教育使命，在2024年12月举办的首届GIS教育大会上，丛书编委会正式成立，全面启动本套丛书的编撰工作。在2025年10月举办的第二届GIS教育大会上，编委会完成与教材配套软件SuperMap GIS的资源深度对接，同步完善组织架构，聘任多位全国高校名师组织分册的编写，为丛书编撰筑牢了专业根基。历经一年多的系统筹备与深耕打磨，依托全国数十所高校的优势教学资源与行业头部企业的技术力量，首批教材终于与广大读者见面。这既是全国GIS教育界协同攻关的成果，也是产学研深度融合助力人才培养的有益探索，更标志着我国系统化的地理空间智能实践教学体系落地迈出了关键一步。
本套丛书首批推出《地理信息系统原理实验教程》《空间数据库实验教程》《GIS空间分析实验教程》《时空大数据分析实验教程》《三维GIS实验教程》《遥感地学分析与应用实验教程》，全面覆盖GIS基础原理、数据管理、空间分析、智能挖掘、三维建模、遥感应用等核心教学模块，构建了从入门基础到前沿应用、从方法原理到工程实践的完整实验教学体系。丛书的编写体例与逻辑均基于以国产GIS软件为核心的实验平台，精选真实行业案例与科研数据，既注重核心原理的拆解阐释，又强化实操能力的系统训练，着力破解“会操作而不明机理”的教学难题，兼具教学适用性与产业适配性。
作为一套面向全国高校的实验教学丛书，其出版填补了国内地理信息科学领域标准化实验教学系列丛书的空白，能够为各高校GIS专业的实验教学、课程改革提供权威规范的教学支撑，更将有力推动全国GIS实验教学的均衡化、高质量发展，助力构建产学研用一体化的人才培养体系，为我国地理信息产业持续输送高素质、应用型、创新型专业人才。
丛书编撰过程中，各分册作者凝心聚力、精益求精，开展了近百次线上线下研讨打磨，对实验内容、操作步骤、案例数据反复进行论证。编委会联动出版社严格落实出版规范，完成全流程三审三校，统一全套丛书的目录体系与装帧排版，全方位保障了丛书的专业性、规范性与系统性。
地理信息科学技术迭代迅速、应用边界持续拓展，实验教学资源也须与时俱进、动态更新。未来，编委会将紧密跟踪学科前沿发展与全国高校教学实践反馈，稳步推出更多方向的实验教程，同时对已出版教材进行常态化修订升级，保障丛书始终贴合学科发展节奏与教学实际需求。
教育事业薪火相传，教材建设永无止境。希望这套凝聚了全国GIS教育人心血的丛书，能够成为广大师生教学与学习过程中的得力助手，也期待广大读者与同行多提宝贵意见，共同推动丛书不断完善，为我国地理信息科学教育事业的发展添砖加瓦。
汤国安
2026年夏于南京师范大学
前言
“地理信息系统原理”是地理信息科学及相关专业人才培养体系中的基础、核心课程，已被列入《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》推荐的地理科学类专业核心课程。该课程以地理空间信息的获取、表达、管理、分析与可视化为主线，系统阐述GIS技术体系的基本思想与方法，是学生建立空间认知框架、理解地理信息技术整体逻辑、掌握后续专业课程与应用方向的重要起点。课程本身兼具较强的理论深度与实践广度，既要求学生理解抽象的空间数据模型与分析原理，又需要通过规范的操作训练，将这些原理落实到具体的软件环境与应用场景之中，对学生的综合素质提出了较高要求。
近年来，随着信息技术的快速演进，GIS 的技术内涵与应用边界持续拓展。一方面，云计算、大数据、人工智能与三维可视化等新技术不断融入GIS平台体系，推动其从传统的数据管理工具向综合空间智能平台演进； 另一方面，国产GIS软件在核心算法、系统架构与行业适配性等方面取得了显著进展，相关自主GIS平台已在自然资源、国土调查、智慧城市与应急管理等领域获得广泛应用。在高等教育领域，这些变化对GIS原理课程的实验教学提出了新的要求，课程的实验内容不仅需要反映经典理论框架，更应与现实软件环境和技术发展保持同步。
在国内众多高校“地理信息系统原理”教学团队的持续探索下，该课程在知识体系重构、教材资源建设、教学方法创新以及课程思政融合等方面已取得一系列积极成果，有力推动了地理信息科学专业教育的整体发展。然而，从实验教学层面看，仍然面临若干现实瓶颈： 一是实验内容体系缺乏统一、清晰的结构标准，不同教材和课程之间实验深度与侧重点差异较大； 二是部分实验更偏重操作流程演示，与GIS核心原理之间的内在联系未能充分展开论述，学生容易“会操作而不明机理”。这些问题成为当前GIS原理课程改革中亟待解决的关键课题。
南京师范大学汤国安教授牵头建设的“地理信息系统原理”课程，先后获评国家精品课程、国家精品资源共享课、首批国家级线上线下混合式一流课程和国家首批课程思政示范课程。本书编写团队长期参与该课程及相关实验教学改革，在多轮教学实践与教学反馈中对实验教学内容的结构逻辑、难度梯度与教学支撑方式进行了持续反思与优化，逐步凝练出“以GIS核心原理为纲、以典型实验任务为目、以国产软件平台为基”的实验教材建设思路。在此基础上，本书以服务“地理信息系统原理”课程实验教学为目标，立足一线教学实践，充分吸收国内外相关课程建设与实验教材编写的有益经验，围绕GIS原理体系中的关键概念与技术环节，系统构建了一套层次分明、逻辑严密的实验内容体系，引导学生在操作实践中深化对GIS基本原理的理解，促进理论认知与实践能力的有机融合。
全书共11章，内容紧密围绕“地理信息系统原理”课程的核心知识体系展开，涵盖地理空间数学基础、空间数据模型与结构、空间数据组织与管理、空间数据采集与处理、GIS基本空间分析、DEM与数字地形分析、GIS空间统计分析、地理信息可视化以及地理信息网络服务等关键主题。各章节实验均从明确的实验背景与实验目标出发，结合典型数据与应用场景，系统给出实验步骤与结果分析，引导学生在操作中理解GIS原理在软件系统中的具体实现方式。为便于读者开展实验操作与课后练习，本教材配套提供了大量实验数据文件，并以二维码形式嵌入书中对应章节，读者可根据实验需要扫码获取和使用。在实验平台选择上，本书以SuperMap桌面软件为主要实验环境，既考虑其在国内教学与工程实践中的广泛应用基础，也注重其在数据模型、空间分析与可视化等方面对GIS原理的良好映射性。
本书由多位长期从事GIS教学与科研工作的教师共同编写。各编者在多年课程教学、实验指导与教学改革实践中积累了丰富经验，在编写过程中分工协作、反复讨论，对实验内容的科学性、规范性与可教学性进行了多轮论证与修订，力求在整体结构上形成统一风格，在具体实验层面保持逻辑自洽与难度递进。
希望本书的出版能够为地理信息科学及相关专业的实验教学提供一套体系完整、内容系统、技术完善的参考材料，助力学生在理解GIS原理的同时逐步形成完善的GIS实践能力，为后续专业学习与实践应用奠定坚实基础。
本书的编辑出版得到了中国地理信息产业协会教育工作委员会、清华大学出版社、北京超图软件股份有限公司、南京师范大学地理信息科学国家一流专业建设点等相关平台和单位的大力支持，在此一并表示衷心感谢！
受限于编者水平与篇幅，书中难免存在疏漏与不足之处，诚挚欢迎广大读者批评指正，以便在后续修订中不断完善。
作者
2026年7月
目录
第1章概论1
1.1GIS概述1
1.1.1地理数据与地理信息1
1.1.2GIS的概念与基本组成2
1.2GIS的基本功能3
1.3初识GIS软件4
第2章地理空间数学基础8
2.1地理坐标系的转换8
2.1.1地理坐标系转换的实验背景8
2.1.2地理坐标系转换的实验目标8
2.1.3地理坐标系转换的实验数据8
2.1.4地理坐标系转换的实验步骤8
2.2地理坐标系与投影坐标系的转换12
2.2.1地理坐标系与投影坐标系转换的实验背景12
2.2.2地理坐标系与投影坐标系转换的实验目标12
2.2.3地理坐标系与投影坐标系转换的实验数据12
2.2.4地理坐标系与投影坐标系转换的实验步骤12
2.3投影坐标系的转换14
2.3.1投影坐标系转换的实验背景14
2.3.2投影坐标系转换的实验目标14
2.3.3投影坐标系转换的实验数据15
2.3.4投影坐标系转换的实验步骤15
2.4投影坐标系的导入20
2.4.1投影坐标系导入的实验背景20
2.4.2投影坐标系导入的实验目标20
2.4.3投影坐标系导入的实验数据20
2.4.4投影坐标系导入的实验步骤20
2.5地图分带的转换23
2.5.1地图分带转换的实验背景23
2.5.2地图分带转换的实验目标23
2.5.3地图分带转换的实验数据23
2.5.4地图分带转换的实验步骤24
思考题29
第3章空间数据模型30
3.1GIS空间认知和空间抽象30
3.1.1GIS空间认知和空间抽象的实验背景30
3.1.2GIS空间认知和空间抽象的实验目标30
3.1.3GIS空间认知和空间抽象的层次30
3.2概念模型的设计与构建32
3.2.1概念模型设计与构建的实验背景32
3.2.2概念模型设计与构建的实验目标32
3.2.3概念模型设计与构建的要素32
3.3逻辑模型的设计与构建33
3.3.1逻辑模型设计与构建的实验背景33
3.3.2逻辑模型设计与构建的实验目标34
3.3.3逻辑模型设计与构建的实验步骤34
3.4物理模型的设计与构建36
3.4.1物理模型设计与构建的实验背景36
3.4.2物理模型设计与构建的实验目标36
3.4.3城市地理要素的物理模型设计36
思考题37
第4章空间数据结构38
4.1矢量数据构建38
4.1.1矢量数据构建的实验背景38
4.1.2矢量数据构建的实验目标38
4.1.3矢量数据构建的实验数据38
4.1.4矢量数据构建的实验步骤38
4.2栅格数据构建43
4.2.1栅格数据构建的实验背景43
4.2.2栅格数据构建的实验目标43
4.2.3栅格数据构建的实验数据43
4.2.4栅格数据构建的实验步骤43
4.3镶嵌数据模型构建47
4.3.1镶嵌数据模型构建的实验背景47
4.3.2镶嵌数据模型构建的实验目标47
4.3.3镶嵌数据模型构建的实验数据47
4.3.4镶嵌数据模型构建的实验步骤47
思考题52
第5章空间数据组织与管理53
5.1数据库创建与管理53
5.1.1数据库创建与管理的实验背景53
5.1.2数据库创建与管理的实验目标53
5.1.3数据库创建与管理的实验步骤53
5.2空间数据入库54
5.2.1空间数据入库的实验背景54
5.2.2空间数据入库的实验目标55
5.2.3空间数据入库的实验数据55
5.2.4空间数据入库的实验步骤55
5.3数据格式转换59
5.3.1数据格式转换的实验背景59
5.3.2数据格式转换的实验目标59
5.3.3数据格式转换的实验数据59
5.3.4数据格式转换的实验步骤59
思考题67
第6章空间数据采集与处理68
6.1纸质地图的数字化68
6.1.1纸质地图数字化的实验背景68
6.1.2纸质地图数字化的实验目标68
6.1.3纸质地图数字化的实验数据68
6.1.4纸质地图数字化的实验步骤68
6.2软件辅助数字化处理77
6.2.1软件辅助数字化处理的实验背景77
6.2.2软件辅助数字化处理的实验目标77
6.2.3软件辅助数字化处理的实验数据77
6.2.4软件辅助数字化处理的实验步骤77
6.3影像的拼接与裁剪79
6.3.1影像拼接与裁剪的实验背景79
6.3.2影像拼接与裁剪的实验目标79
6.3.3影像拼接与裁剪的实验数据79
6.3.4影像拼接与裁剪的实验步骤79
思考题86
第7章GIS基本空间分析87
7.1空间对象叠加分析87
7.1.1空间对象叠加分析的实验背景87
7.1.2空间对象叠加分析的实验目标87
7.1.3空间对象叠加分析的实验数据87
7.1.4空间对象叠加分析的实验步骤88
7.2基于空间分析的适宜住房区域搜索93
7.2.1适宜住房区域搜索的实验背景93
7.2.2适宜住房区域搜索的实验目标93
7.2.3适宜住房区域搜索的实验数据93
7.2.4适宜住房区域搜索的实验步骤93
7.3基于空间分析的成本计算及路径选择104
7.3.1成本计算及路径选择的实验背景104
7.3.2成本计算及路径选择的实验目标104
7.3.3成本计算及路径选择的实验数据104
7.3.4成本计算及路径选择的实验步骤105
7.4基于网络分析的城市设施及服务区提取109
7.4.1城市设施及服务区提取的实验背景109
7.4.2城市设施及服务区提取的实验目标109
7.4.3城市设施及服务区提取的实验数据109
7.4.4城市设施及服务区提取的实验步骤109
思考题121
第8章DEM与数字地形分析122
8.1地形因子计算122
8.1.1地形因子计算的实验背景122
8.1.2地形因子计算的实验目标122
8.1.3地形因子计算的实验数据122
8.1.4地形因子计算的实验步骤122
8.2地形特征点提取126
8.2.1地形特征点提取的实验背景126
8.2.2地形特征点提取的实验目标126
8.2.3地形特征点提取的实验数据126
8.2.4地形特征点提取的实验步骤127
8.3地形特征线提取149
8.3.1地形特征线提取的实验背景149
8.3.2地形特征线提取的实验目标149
8.3.3地形特征线提取的实验数据150
8.3.4地形特征线提取的实验步骤150
8.4综合实验——基于坡面形态要素的地形分割166
8.4.1实验背景166
8.4.2实验目标167
8.4.3实验数据167
8.4.4实验步骤167
思考题170
第9章GIS空间统计分析171
9.1空间自相关性分析171
9.1.1空间自相关性分析的实验背景171
9.1.2空间自相关性分析的实验目标171
9.1.3空间自相关性分析的实验数据171
9.1.4空间自相关性分析的实验步骤171
9.2热点区域识别177
9.2.1热点区域识别的实验背景177
9.2.2热点区域识别的实验目标177
9.2.3热点区域识别的实验数据177
9.2.4热点区域识别的实验步骤177
9.3GIS数据插值181
9.3.1GIS数据插值的实验背景181
9.3.2GIS数据插值的实验目标182
9.3.3GIS数据插值的实验数据182
9.3.4GIS数据插值的实验步骤182
思考题189
第10章地理信息可视化190
10.1地形二、三维制图190
10.1.1地形二、三维制图的实验背景190
10.1.2地形二、三维制图的实验目标190
10.1.3地形二、三维制图的实验数据190
10.1.4地形二、三维制图的实验步骤190
10.2多信息专题制图195
10.2.1多信息专题制图的实验背景195
10.2.2多信息专题制图的实验目标195
10.2.3多信息专题制图的实验数据195
10.2.4多信息专题制图的实验步骤195
10.3三维热力图制图201
10.3.1三维热力图制图的实验背景201
10.3.2三维热力图制图的实验目标201
10.3.3三维热力图制图的实验数据201
10.3.4三维热力图制图的实验步骤201
10.4AI辅助专题制图206
10.4.1AI辅助专题制图的实验背景206
10.4.2AI辅助专题制图的实验目标206
10.4.3AI辅助专题制图的实验数据206
10.4.4AI辅助专题制图的实验步骤206
思考题208
第11章地理信息网络服务209
11.1WFS的使用与发布209
11.1.1WFS的使用与发布的实验背景209
11.1.2WFS的使用与发布的实验目标209
11.1.3WFS的使用与发布的实验数据209
11.1.4WFS的使用与发布的实验步骤209
11.2WMS的使用与发布212
11.2.1WMS的使用与发布的实验背景212
11.2.2WMS的使用与发布的实验目标212
11.2.3WMS的使用与发布的实验数据212
11.2.4WMS的使用与发布的实验步骤212
11.3AI助理与智能地理分析214
11.3.1AI助理与智能地理分析的实验背景214
11.3.2AI助理与智能地理分析的实验目标214
11.3.3AI助理与智能地理分析的实验数据214
11.3.4AI助理与智能地理分析的实验步骤214
思考题218
参考文献219
