基于GIS 在阳泉市全要素图中的教学应用研究

一、引言

地理信息系统（GIS）通过整合空间数据和属性数据，为城市规划、资源管理和教育研究提供了强大工具 [1]。全要素图作为一种综合表达地形、土地使用、人口和基础设施的空间信息载体，是区域地理研究的重要基础 [2]。阳泉市作为山西省典型的工业城市，其复杂的地形、丰富的资源分布和快速的城市化进程为全要素图编制提供了独特案例 [3]。本文以阳泉市平定县和城区为案例，研究 GIS 在全要素图编制中的技术流程，构建一种理论与实践紧密结合的 GIS 教学模式，为地理教育创新提供参考[4]。

二、研究背景

1. GIS 与全要素图

GIS 是一种集数据采集、存储、分析和可视化于一体的技术体系，广泛应用于空间数据的处理与分析。全要素图通过整合多种地理要素，以直观的方式反映区域的空间特征和内在联系。其编制需要高效的数据整合和空间分析能力，而 GIS 的叠置分析、缓冲区分析和三维可视化功能能够有效满足这一需求。近年来，随着遥感技术和开源 GIS 工具的发展，全要素图的编制精度和效率显著提高。

2. 阳泉市地理概况

阳泉市位于山西省东部，太行山脉西麓，总面积约4452 平方公里，人口约 140 万。地形以山地和丘陵为主，坡度变化显著，经济发展以煤炭工业为主，近年来逐步向生态旅游和现代服务业转型。阳泉市的平定县以丘陵地形和农业为主，城区则以城市化建设和工业为主，两区域的地理和经济特征差异显著，为全要素图编制提供了多样化案例。

三、案例分析：阳泉市全要素图编制

1. 数据整合与图层构建

地形处理：利用 ArcGISPro 的 Slope 工具（参数：Z 因子 1，输出度数）生成坡度图，提取等高线（间隔 50m ）。平定县坡度多在15^∘ ° -30^∘ °，城区坡度多小于 10^∘ °。土地使用分类：基于 Landsat 8影像（2023 年 6 月影像），采用 QGIS Semi-Automatic Classification 插件，划分耕地（平定县 30% ，城区 15% ）、林地（平定县 45% ，城区10% ）、建设用地（平定县 20% ，城区 40% ）等类型。人口密度插值：使用 ArcGISPro 的 Kriging 工具（模型：Spherical，范围 5000m ，变程调整至 10km 以适应阳泉市地形），生成人口密度分布图。基础设施矢量化：通过 QGIS 数字化工具，将道路（省道、国道、城市道路）和建筑物转为矢量图层，精度控制在1 米以内。

2. 全要素图生成

通过 ArcGISPro 的“Merge”工具整合图层，生成全要素图，图层显示地形：等高线（间隔 50m ，灰色） + 坡度阴影（灰色渐变）。土地使用：耕地（绿色）、林地（深绿色）、建设用地（灰色）、水体（蓝色）。人口密度：热力图（红色高密度，蓝色低密度，透明度 0.7）。基础设施：道路（黑色线条，宽度 2px ）、建筑物（红色填充，边框黑色）。

3. 空间分析结果

（1）平定县：地形：丘陵为主，坡度 15^∘ -30^∘ °占 60% ，耕地集中于河谷地带（占总面积 30% ）。人口：密度较低（平均 200 人 / 平方公里），高密度区集中于乡镇中心。土地使用变化：2015-2023 年，耕地减少 5% ，建设用地增加 3% ，反映城镇化趋势。

（2）城区：地形：地势平坦，坡度小于 10^∘ 占 80% ，适合城市开发。人口：密度较高（平均 800 人 / 平方公里），核心商业区达 2000 人 /平方公里。土地使用变化：2015-2023 年，建设用地增加 10% ，林地减少 2% ，城市扩张明显。

（3）空间相关性：地理探测器分析显示，人口密度与建设用地分布的 q 值为 0.75，表明两者高度相关；地形坡度对耕地分布的 q 值为0.62，反映地形约束作用。

（4）基础设施影响：500 米道路缓冲区内，建设用地占比达 60% （城区）和 40% （平定县），1000 米缓冲区内占比分别增至 75% 和 50% ，显示道路对城市化的驱动作用。

四、教学实践与效果

1、教学实施

（1）理论学习（4 周）：内容：GIS 基础、空间分析方法、全要素图概念、阳泉市地理概况。案例：平定县地形分析，讲解 DEM 处理流程（坡度、等高线生成）。教学方式：课堂讲授 + 案例讨论，学生分组分析阳泉市公开数据。

（2）实践操作（8 周）：任务1（第 1-3 周）：数据收集与预处理，学生从 OpenStreetMap 下载道路数据，清洗拓扑错误。任务 2（第 4-6周）：空间分析，包括叠置分析、缓冲区分析、Kriging 插值。任务3（第7-8 周）：全要素图生成，学生使用ArcGIS Pro 和QGIS 完成图层整合，提交规划建议。工具：ArcGIS Pro 、QGIS、Python 脚本。

2. 成果展示（2 周）：

学生分组通过 PPT 汇报成果，内容包括全要素图、分析结果和规划建议。评分标准：图层质量（ 30% ）、分析深度（ 40% ）、团队协作（ 30% ）。

3. 教学效果评估

(1) 问卷调查（40 名学生，回收率 100% ）： 95% 认为项目式学习增强了 GIS 技术理解。 85% 对 QGIS 的开源特性表示满意，认为操作简便且成本低。 80% 认为阳泉市案例加深了对区域地理的理解。（2）作业质量： 80% 学生能独立完成空间叠置和缓冲区分析， 75% 能正确使用 Kriging 插值。 70% 小组提出合理的规划建议，如平定县林地保护、城区交通拥堵缓解方案。（3）优秀案例：一组学生提出基于缓冲区分析的城区公交站点优化方案，建议新增站点覆盖率提高 15% 。

五、结论

本研究以阳泉市平定县和城区为案例，验证了 GIS 在全要素图编制中的高效性和教学实践中的潜力。空间分析结果揭示了地形、土地使用和人口分布的复杂关系，为区域规划提供了数据支持。项目式教学显著提升了学生的 GIS 操作能力、空间思维能力和团队协作能力。未来，应加强数据共享、推广开源工具、并拓展 GIS 在生态保护和城市更新中的教学应用，以推动地理信息科学教育的创新发展。

参考文献

[1] 周成虎 , 孙九林 , 苏奋振 , 等 . 地理信息科学发展与技术应用[J]. 地理学报 , 2019, 74(5): 1025-1039.

[2] 李晓建 , 张远祝 , 王正雄 , 等 . 全要素图在区域规划中的应用研究 [J]. 地理科学进展 , 2020, 39(3): 456-467.

[3] 张华, 李明. 市土地使用空间格局分析[J]. 资源科学,2021, 43(6): 1234-1245.

[4] 王新军 , 贾宏涛 , 吴红旗 , 等 . 地方高等院校 GIS 专业本科教学模式探索与改革 [J]. 中国高等教育 , 2009(12): 45-48.