全国高校地理信息科学实验教学系列丛书

GIS空间分析实验教程

吴浩黎华林安琪肖佳李鑫梅新编著

内 容 简 介

本书共13章37个实验，系统涵盖空间分析的核心方法与实际应用。内容从基础的空间量算、距离与方向分析、密度分析起步，逐步深入点集模式分析、空间聚类、空间自相关、空间回归、表(曲)面几何分析，之后引入空间插值、可视性分析、水文分析、网络分析等高级空间分析方法，最终拓展至地理空间智能建模（元胞自动机、AI智能体）。每个实验均以SuperMap iDesktopX 2025（12i）桌面版为操作平台，配备明确的实验目标、原理、步骤与拓展问题，注重实战训练与能力构建。教材突出国产化特色，全部采用国产软件、自主数据与案例，强调可操作性与教学适用性。

本书既适合高校地理信息科学、地理科学、遥感科学与技术、人文地理与城乡规划等专业本科生与研究生作为实验教材使用，也可供从事地理信息分析的专业人员参考学习。

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图书在版编目 （CIP） 数据

 GIS空间分析实验教程 / 吴浩等编著.  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726920 

    Ⅰ. P208.2 

    中国国家版本馆CIP数据核字第2026A73F27号

责任编辑： 秦娜

封面设计： 谢晓翠

责任校对： 欧洋

责任印制： 沈露

出版发行： 清华大学出版社

网址： https://www.tup.com.cn， https://www.wqxuetang.com

地址： 北京清华大学学研大厦A座邮编： 100084

社总机： 01083470000邮购：  01062786544

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质量反馈： 01062772015, zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn

印装者： 三河市铭诚印务有限公司

经销： 全国新华书店

开本： 185mm×260mm印张： 15.5字数： 373千字

版次： 2026年9月第1版印次： 2026年9月第1次印刷

定价： 49.00元

产品编号： 11654101

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

空间分析是地理信息系统区别于一般信息系统的核心功能，也是地理信息科学及相关专业人才培养体系中的核心主干课程，更是学生从掌握空间数据管理走向开展地理规律挖掘与科学决策支持的关键桥梁。课程兼具严密的理论逻辑与极强的实践属性，既要求学习者掌握空间量算、统计分析、地形模拟、网络优化等核心方法的数学原理与地理内涵，又需要通过系统化的实操训练，将方法转化为解决真实空间问题的能力，对学生的地理思维与工程实践能力均提出了较高要求。

随着空间位置感知技术的普及与数字化治理的深入，GIS已从单一的地图制图工具演变为多学科交叉的空间信息科学，在国土空间规划、资源环境监测、智慧城市建设、公共安全应急、商业智能分析等领域发挥着不可替代的作用。与此同时，国产GIS软件在核心算法、空间分析能力与行业适配性上持续突破，以SuperMap GIS为代表的自主平台已成为国内各行业空间应用的主流选择。产业与技术的双重演进，对“GIS空间分析”课程的实验教学提出了新的要求： 实验内容既要夯实经典方法体系，又要同步国产技术环境与前沿发展方向，更要贴合真实行业应用场景。

近年来，国内高校在“GIS空间分析”课程建设与教学改革中已取得诸多成果，有力支撑了专业人才培养。但从实验教学层面看，仍存在若干待解问题： 一是多数实验教材基于国外软件平台开发，与当前国产化教学与产业应用的适配性不足； 二是部分实验内容偏重操作流程，对方法原理的阐释与地理意义的解读不够深入，学生难以形成系统化的分析思维； 三是前沿内容融入不足，对空间智能建模等新兴方向的覆盖较为欠缺，难以满足新时代复合型地理信息人才的培养需求。

本书由华中师范大学、武汉理工大学、中国矿业大学、湖北大学等多所高校GIS专业一线教师联合编写，依托团队多年教学积累与科研实践经验，秉持“以原理为内核、以国产平台为载体、以能力递进为线索、以真实场景为牵引”的建设思路，系统构建了从基础方法到综合建模的完整实验教学体系，旨在帮助读者在实操中深化原理理解，在应用中强化分析能力。

全书共设13章、包含37个实验，内容编排遵循由浅入深、由单一方法到综合建模的递进原则。从空间量算、距离与方向分析、密度分析等基础方法起步，逐步深入点集模式分析、空间聚类、空间自相关与空间回归等统计分析方法，再拓展至表(曲)面几何分析、空间插值、可视性分析、水文分析等地表过程模拟，以及网络分析应用场景方法，最终延伸至元胞自动机、AI智能体等地理空间智能建模前沿方向。

全书以实际问题为导向，围绕碘缺乏病空间分布探索、PM2.5影响因素分析、流域水文模拟、最优路径构建、土地利用变化模拟等典型行业场景设计实验。每个实验均设置明确的教学目标、清晰的原理阐释、详细的操作步骤与启发性拓展问题，配套专属实验数据。实验操作全部基于SuperMap GIS桌面版软件开展，突出国产化特色，兼顾可操作性与教学适用性。

编写团队分工协作、反复论证，对所有实验步骤与结果均进行了多轮验证，确保内容科学严谨、难度梯度合理。本书既适合高校地理信息科学、地理科学、遥感科学与技术、人文地理与城乡规划等专业本科生与研究生作为实验教材使用，也可供从事地理信息分析的专业人员参考学习。

希望本书的出版，能够为国内GIS空间分析实验教学提供一套体系完整、适配国产平台、兼顾基础与前沿的优质教学资源，助力学生构建系统化的空间分析思维与实践能力，为后续专业深造与行业应用筑牢根基。从全书的总体构思、章节设计到数据整理、文稿撰写、审稿定稿，本书的成功出版凝聚了多所高校师生的智慧与汗水，他们分别是： 华中师范大学现任教师吴浩、林安琪、肖佳、涂振发，在读学生陈键、张皓翔、钟伟齐、芦靖豫、郭金喆和王子元； 武汉理工大学现任教师黎华，在读学生杨可和张雪； 中国矿业大学现任教师李鑫和在读学生贺长安； 湖北大学现任教师梅新，在读学生王文荟、李沁和胡艺馨。本书编写过程中，得到了北京超图软件股份有限公司技术团队的大力支持，同时参考了国内外相关学术成果与技术资料，在此一并表示衷心感谢！

受限于编者水平与技术发展速度，书中难免存在疏漏与不足，恳请广大读者与同行专家不吝赐教，以促进本书不断完善。

作者

2026年5月

目录

第1章空间量算1

1.1长度和面积1

1.2质心和几何中心6

1.3叠加与组合10

第2章距离与方向分析22

2.1距离变换22

2.2缓冲区分析28

2.3点要素集定向分析34

2.4线要素集定向分析41

第3章密度分析46

3.1点密度分析46

3.2线密度分析53

3.3核密度分析57

第4章点集模式分析64

4.1样方分析64

4.2一阶点模式分析72

4.3二阶点模式分析78

第5章空间聚类85

5.1均值聚类分析85

5.2基于密度的聚类分析92

第6章空间自相关98

6.1空间权重矩阵98

6.2空间自相关分析101

第7章空间回归109

7.1最小二乘法109

7.2地理加权回归120

第8章表（曲）面几何分析126

8.1梯度、坡度和坡向126

8.2剖面和曲率135

8.3洼地填充141

8.4体积分析144

第9章空间插值148

9.1距离反比权重插值148

9.2样条函数插值155

9.3普通克里金插值158

第10章可视性分析161

10.1通视分析161

10.2日照分析164

第11章水文分析170

11.1流域提取170

11.2河网分级176

11.3淹没范围识别179

第12章网络分析185

12.1最短（网络）路径问题185

12.2行程问题193

12.3旅行商问题198

12.4车辆路径问题202

第13章地理空间智能建模207

13.1元胞自动机207

13.2智能体与智能体建模225

参考文献232

附录SuperMap iDesktopX简介235