《地理信息系统》课程教学资源（实验指导）GIS分析实习指导书（ArcGIS10）

《GIS 分析》实习指导书刘琳主编石河子大学理学院地理系2011年9月

《GIS 分析》 实习指导书 刘琳 主编 石河子大学理学院地理系 2011 年 9 月

前言地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是上世纪60年代发展起来的新兴学科。四十几年的发展历程中，GIS极大地拓宽了信息系统技术的应用范围和应用深度，特别随计算机硬、软件技术的快速发展，目前正处在一个极快的发展阶段，其应用已不仅限于测绘、地矿、制图、资源与环境管理等传统领域，其在设施管理、交通管理、工程建设、城市规划、灾害防治、灾害评估、文物考古等领域中也愈来愈扮演着重要的角色。此外，GIS还进入了军事战略分析、商业策划和文化教育等更为广泛的领域，甚至还和其他科学技术结合，进入了普通人的生活。GIS区别于其它管理信息系统的最主要特征，就是其具有管理地理空间数据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力一—空间分析能力，组成了GIS实际应用的主要方面。石河子大学理学院地理系《GIS分析》课程最早开设于2005年，面向地理信息系统方向学生开设。几年来地理信息系统及分析课程在师资队伍、教学标准和教学资料积累方面均有很大加强。地理信息系统技术是地理及相关学科工作者必须熟练掌握的基本技能之一。在众多的GIS软件中，ArcGIS以技术可靠、算法先进、实用性强，界面友好、操作简单、方便灵活、通用性强而受到广大用户的青。有鉴于此，根据教学需要和近几年从事GIS科研和应用的实际，笔者编译了这本参考书籍，可作为本科GIS分析课程的教学辅助材料和学生上机实习的参考用书，可与有关教材、手册配合使用。本书主要涉及GIS常用空间分析方法的基本内容和应用，使用数据来源于地理系GIS教学资源库。由于时间紧迫，缺乏笔者水平和经验所限，指导书难免存在纰漏之处，恩求读者批评指正。编者2011年9月于石河子大学2

2 前 言 地理信息系统（Geographic Information System，简称 GIS）是上世纪 60 年代发 展起来的新兴学科。四十几年的发展历程中，GIS 极大地拓宽了信息系统技术的应用 范围和应用深度，特别随计算机硬、软件技术的快速发展，目前正处在一个极快的发 展阶段，其应用已不仅限于测绘、地矿、制图、资源与环境管理等传统领域，其在设 施管理、交通管理、工程建设、城市规划、灾害防治、灾害评估、文物考古等领域中 也愈来愈扮演着重要的角色。此外，GIS 还进入了军事战略分析、商业策划和文化教 育等更为广泛的领域，甚至还和其他科学技术结合，进入了普通人的生活。GIS 区别 于其它管理信息系统的最主要特征，就是其具有管理地理空间数据，并能按照其在实 际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力——空间分析能力，组成了 GIS 实际 应用的主要方面。 石河子大学理学院地理系《GIS 分析》课程最早开设于 2005 年，面向地理信息系 统方向学生开设。几年来地理信息系统及分析课程在师资队伍、教学标准和教学资料 积累方面均有很大加强。 地理信息系统技术是地理及相关学科工作者必须熟练掌握的基本技能之一。在众 多的 GIS 软件中，ArcGIS 以技术可靠、算法先进、实用性强，界面友好、操作简单、 方便灵活、通用性强而受到广大用户的青睐。有鉴于此，根据教学需要和近几年从事 GIS 科研和应用的实际，笔者编译了这本参考书籍，可作为本科 GIS 分析课程的教学 辅助材料和学生上机实习的参考用书，可与有关教材、手册配合使用。本书主要涉及 GIS 常用空间分析方法的基本内容和应用，使用数据来源于地理系 GIS 教学资源库。 由于时间紧迫，缺乏笔者水平和经验所限，指导书难免存在纰漏之处，恳求读者 批评指正。 编者 2011 年 9 月于石河子大学

目录第一章GIS空间分析功能简介、缓冲区分析二、空间叠置分析三、网络分析四、三维分析第二章 邻近度分析.第三章空间叠置分析，...17第四章三维分析.32第五章水文分析473

3 目 录 第一章 GIS空间分析功能简介.4 一、缓冲区分析.4 二、空间叠置分析.5 三、网络分析.5 四、三维分析.6 第二章 邻近度分析.7 第三章 空间叠置分析.17 第四章 三维分析.32 第五章 水文分析.47

第一章GIS空间分析功能简介GIS区别于其它管理信息系统的最主要特征，就是其具有管理地理空间数据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力。其对地理空间数据的这种处理分析功能，组成了GIS实际应用的主要方面。一、邻近度分析GIS最常用的的邻近度分析是缓冲区分析。缓冲区是以某类图形元素（点、线或面）为基础拓展一定的宽度而形成的区域。缓冲区在实际工作中具有重要意义，如查找一个噪声点源的影响范围可以以该点源为中心建立一个缓冲区，缓冲区的半径即最远的影响距离；又如一个飞机场噪声的影响范围是以飞机跑道为基准向外扩展的范围；在城市建设中，常常涉及拓宽道路的问题，拓宽道路需要计算房屋拆迁量，这需先用现有道路边线向外扩展一定的宽度而形成一个缓冲带，将该缓冲带与有关建筑物的数据层进行对比分析（或叠加分析），即可计算出拆迁量。缓冲操作后形成一个或多个多边形区域，单独的缓冲区操作并没有太大的实际意义。缓冲区功能必须与其它的空间分析一起使用才能发挥应有的作用。如前面的道路扩建例子，如果没有房屋层数据，不利用叠加功能，那么拆迁量是无法计算的。因此，缓冲区操作应理解为为达到某种目的而进行的一系列空间分析中的一个部分，其数据可能来源于其他分析结果，其成果也将为进一步的分析提供数据。另外缓冲区操作可以是以矢量数据结构为基础进行的，也可以是以栅格数据结构为基础而进行。栅格数据的缓冲区操作具有相同的规律，只是运算更为简4

4 第一章 GIS 空间分析功能简介 GIS 区别于其它管理信息系统的最主要特征，就是其具有管理地理空间数 据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力。其对地理 空间数据的这种处理分析功能，组成了 GIS 实际应用的主要方面。 一、邻近度分析 GIS 最常用的的邻近度分析是缓冲区分析。缓冲区是以某类图形元素（点、 线或面）为基础拓展一定的宽度而形成的区域。缓冲区在实际工作中具有重要意 义，如查找一个噪声点源的影响范围可以以该点源为中心建立一个缓冲区，缓冲 区的半径即最远的影响距离；又如一个飞机场噪声的影响范围是以飞机跑道为基 准向外扩展的范围；在城市建设中，常常涉及拓宽道路的问题，拓宽道路需要计 算房屋拆迁量，这需先用现有道路边线向外扩展一定的宽度而形成一个缓冲带， 将该缓冲带与有关建筑物的数据层进行对比分析（或叠加分析），即可计算出拆 迁量。 缓冲操作后形成一个或多个多边形区域，单独的缓冲区操作并没有太大的实 际意义。缓冲区功能必须与其它的空间分析一起使用才能发挥应有的作用。如前 面的道路扩建例子，如果没有房屋层数据，不利用叠加功能，那么拆迁量是无法 计算的。因此，缓冲区操作应理解为为达到某种目的而进行的一系列空间分析中 的一个部分，其数据可能来源于其他分析结果，其成果也将为进一步的分析提供 数据。 另外缓冲区操作可以是以矢量数据结构为基础进行的，也可以是以栅格数 据结构为基础而进行。栅格数据的缓冲区操作具有相同的规律，只是运算更为简

单，并且具有明显的扩展（见随后的介绍）特色。二、空间叠置分析空间叠加就是将两个或多个图层以相同的空间位置重叠在一起，经过图形和属性运算，产生新的空间区域的过程。叠加的每幅图层称为一个叠置层，每个叠置层带有一个将用于综合运算的属性，一个叠置层反映了某一方面的专题信息。叠加中的图形运算的复杂程度视数据结构的不同而有所不同。栅格数据由于已是对空间的规则划分，所以没有空间图形的运算，因为各个栅格的位置、大小对叠置层都应该是一致的。相比之下，矢量图的叠加就要复杂得多，这种复杂性来源于对空间线划相交的判断与计算，以及空间对象拓扑结构的重建等。由于矢量数据的图形精度高于栅格数据的精度，失量数据叠加的结果一般也优于栅格数据叠加的结果。空间实体有点、线、面三种基本类别，叠加运算一般是在面状数据层之间或点、线要素数据层对面状数据层进行的，极少数情况也涉及到点-线的叠加操作。三、网络分析对地理网络进行地理分析和模型化，是GIS中网络分析功能的主要目的。网络分析是运筹学的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何按排，并使其运行效果最好。这类问题在生产、社会、经济活动中不胜枚举，因此研究此类问题也具有重大意义。所谓网络（Network），是指线状要素相互联接所形成的一个线状模式，如道路网、管线网、电力网、河流网等。网络的作用是将资源从一个位置移动到另外一个位置。资源在运送过程中会产生消耗、堵塞、减缓等现象，这表明网络系统中必须有一个合理的体制，使得资源能够顺利地流动，5

5 单，并且具有明显的扩展（见随后的介绍）特色。 二、空间叠置分析 空间叠加就是将两个或多个图层以相同的空间位置重叠在一起，经过图形和 属性运算，产生新的空间区域的过程。叠加的每幅图层称为一个叠置层，每个叠 置层带有一个将用于综合运算的属性，一个叠置层反映了某一方面的专题信息。 叠加中的图形运算的复杂程度视数据结构的不同而有所不同。栅格数据由于 已是对空间的规则划分，所以没有空间图形的运算，因为各个栅格的位置、大小 对叠置层都应该是一致的。相比之下，矢量图的叠加就要复杂得多，这种复杂性 来源于对空间线划相交的判断与计算，以及空间对象拓扑结构的重建等。由于矢 量数据的图形精度高于栅格数据的精度，矢量数据叠加的结果一般也优于栅格数 据叠加的结果。 空间实体有点、线、面三种基本类别，叠加运算一般是在面状数据层之间或 点、线要素数据层对面状数据层进行的，极少数情况也涉及到点-线的叠加操作。 三、网络分析 对地理网络进行地理分析和模型化，是 GIS 中网络分析功能的主要目的。 网络分析是运筹学的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如 何按排，并使其运行效果最好。这类问题在生产、社会、经济活动中不胜枚举， 因此研究此类问题也具有重大意义。 所谓网络（Network），是指线状要素相互联接所形成的一个线状模式，如道 路网、管线网、电力网、河流网等。网络的作用是将资源从一个位置移动到另外 一个位置。资源在运送过程中会产生消耗、堵塞、减缓等现象，这表明网络系统 中必须有一个合理的体制，使得资源能够顺利地流动

网络功能用于模拟那些难以直接量测的行为。一个网络模型中，实际的网络要素由一套规则及数学函数描述。而基于空间信息系统的空间网络分析则往往是将这些规则及数字上的描述通过某些形式转换到空间及属性数据库中，以便于运算。网络分析是在线状模式基础上进行的，线状要素间的联接形式十分重要，而这种联接以矢量数据结构最能描述，因而一般系统中的网络功能都以矢量数据来实现。但是，栅格数据模型通常也能完成类似的功能，极少数情况下可能更为方便。网络分析的形式可有多种，常用的三类分析功能为：网络负荷的预测、线路优化（最优路径）和资源分配。四、三维分析三维信息是二维平面信息向立体方向的扩展，日常人们所见的地形起伏，高的建筑物等都是三维的概念，它们是现实世界的真实体现。而从测绘的角度讲，地形图纸是一个平面，它不能直观描述真实世界的三维景观，于是只能在测绘图上间接地表示出来，如用等高线方式描述地形的起伏状况，用层数标注来大体说明建筑物的高度等等。随着对二维平面数据结构及其分析方法研究取得比较成熟的成果，对三维方法的研究势在必然。三维分析功能也逐渐成为GIS功能的一个重要构成部分

6 网络功能用于模拟那些难以直接量测的行为。一个网络模型中，实际的网络 要素由一套规则及数学函数描述。而基于空间信息系统的空间网络分析则往往是 将这些规则及数字上的描述通过某些形式转换到空间及属性数据库中，以便于运 算。 网络分析是在线状模式基础上进行的，线状要素间的联接形式十分重要，而 这种联接以矢量数据结构最能描述，因而一般系统中的网络功能都以矢量数据来 实现。但是，栅格数据模型通常也能完成类似的功能，极少数情况下可能更为方 便。 网络分析的形式可有多种，常用的三类分析功能为：网络负荷的预测、线路 优化（最优路径）和资源分配。 四、三维分析 三维信息是二维平面信息向立体方向的扩展，日常人们所见的地形起伏，高 矗的建筑物等都是三维的概念，它们是现实世界的真实体现。而从测绘的角度讲， 地形图纸是一个平面，它不能直观描述真实世界的三维景观，于是只能在测绘图 上间接地表示出来，如用等高线方式描述地形的起伏状况，用层数标注来大体说 明建筑物的高度等等。随着对二维平面数据结构及其分析方法研究取得比较成熟 的成果，对三维方法的研究势在必然。三维分析功能也逐渐成为 GIS 功能的一个 重要构成部分

第二章邻近度分析、目的邻近度分析是用来确定不同地理要素的空间邻近性和邻近程度的一类重要的空间操作，通过本次实习，我们应达到以下目的：1、加深对邻近度分析基本原理、方法的认识；2、熟练掌握ArcGIS邻近度分析的技术方法。3、掌握利用邻近度分析方法解决地学空间分析问题的能力。二、实验准备1、软件准备：ArcGIS10.0/10.12、数据准备：point.shp，line.shp，polygon.shp；Turang.tif,Rectifylanduse.tif，土壤.shp，区划.shp;三、实验内容（一）原理验证实验：以点为例1、矢量缓冲区：【ArcToolbox】-【AnalysisTools】-【Proximity】（1）矢量缓冲区固定值的缓冲距离ArcToolboxFX口XBufferInput FeaturesArcToolboxpoint-3DAnalystToolsXDutput Feature ClassAnalysis Tools实习\作图缓冲区/point_bufferlineashpExtract+Distance[value orfield]Overlay+QLinear unitProximity10dIMetersBufferOFieldCreate Thiessen PolygonsGenerate NearTableSide Type(optional)MultipleRing BufferFULLANearEnd Type (optional)PointDistanceROUNDPolygon Neighbors(optional)Dissolve Type田StatisticsHONEVCartography ToolsHONEALL田Conversion ToolsLISTDataInteroperabilityTools

7 第二章 邻近度分析 一、 目的 邻近度分析是用来确定不同地理要素的空间邻近性和邻近程度的一类重要 的空间操作，通过本次实习，我们应达到以下目的： 1、 加深对邻近度分析基本原理、方法的认识； 2、 熟练掌握 ArcGIS 邻近度分析的技术方法。 3、 掌握利用邻近度分析方法解决地学空间分析问题的能力。 二、 实验准备 1、 软件准备：ArcGIS10.0/10.1 2、 数据准备：point.shp，line.shp，polygon.shp；Turang.tif， Rectifylanduse.tif，土壤.shp，区划.shp； 三、 实验内容 （一）原理验证实验：以点为例 1、矢量缓冲区：【ArcToolbox】-【Analysis Tools】-【Proximity】 （1）矢量缓冲区——固定值的缓冲距离

Dissolve TypeDissolve TypeALLONE可变的缓冲距离（2）矢量缓冲区BufferInput FeaturespointOutput Feature Class》实习作图缓冲区lpoint_buff_field.shdDistance [value or field]OLinearunit20Meters50OField75DIST100Side Type (optional)FULLEnd Type (optional)ROUNDDissolve Type (optional)NONECanceEnvironmentsShowHelp（3）矢量缓冲区指定距离的多环缓冲区Dissolve:AllDissolve:none120口406080

8 （2）矢量缓冲区——可变的缓冲距离 （3）矢量缓冲区——指定距离的多环缓冲区

ArcToolboxJMultiple Ring B...-XArctoolboxInput Features3DAnalystTools+AAnalysisTools口pointExtract士Output Feature classOverlay十lpoint_buff_mulringshpProximityDistancesKBufferK Create Thiessen PolyGenerate NearTable8588Multiple Ring BufferxNearPointDistance个KPolygon Neighbors田Statistics+CartographyToolsConversion Tools田Data Interoperability Tools田Data ManagementTools田Buffer Unit (optional)Editing Tools田DefaultV田ENVI ToolsField Hame (optional)田Geocoding ToolsdistanceGeostatistical AnalystTools田DissolveDption(optional)LinearReferencingToolsHONE（4）泰森多边形：只对点层有效4x口人XArcToolboxCreateThiessen PolygonsArcToolboxInput FeaturesA3DAnalystToolspoint-Analysis Tools日Output Feature Class+yExtract琳\《GIS分析》实习\作图\缓冲区\Thiessenshp由OverlayOutput Fields(optional)ProximityHDHLYFIDVBufferOHLY FIDCreate Thiessen PolygonsALLGenerateNearTableOKCancelshow Help >>Environments...MultipleRing BufferONLY FIDALLInput_FID4.1010111212-113grade1145口2151631716848自行完成线和面的各类缓冲区9

9 （4）泰森多边形：只对点层有效 自行完成线和面的各类缓冲区

BufferInput FeaturesLineOutput Feature ClassK:教学\《GIS分析》《GDistance [valuorfield]OLinear unit100MetersOFieldDISTSide Type(optional)FULLFULLLEFTRIGHTEndType(optional)ROURDROURDFLATDissolve Type (optional)NONEVDissolve Field(s)(optional)OFIDMultipleRi...Input FeaturesAlineVDutput Feature classK:\教学\《GIS分析》1Distances398_Buffer Unit (optional)DefaultField Name (optional)distanceDissolve Option(optional)NONEVALLHONE10

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