第7章 地理信息系统的设计与评价.docx
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第7章地理信息系统的设计与评价
第7章地理信息系统的设计与评价
第一节GIS设计概述
1.1系统设计的目的
地理信息系统，按其功能和内容，可以分为工具型地理信息系统和应用型地理信息系统。
这里的系统设计是指应用型地理信息系统的设计，所谓应用型地理信息系统，是指在工具型或基础型地理信息系统的基础上，经过二次开发，建成满足专门用户解决一类或多类实际问题的地理信息系统。
因此，应用型地理信息系统的主要特点是，它具有特定的用户和应用目的，具有为满足用户专门需求而开发的地理空间实体数据库和应用模型，它继承工具型地理信息系统开发平台提供的大部分功能和软件，以及具有专门开发的用户应用界面等。
应用型地理信息系统，根据其应用层次的高低，又可分为空间事务处理系统（STPS）、空间管理信息系统（SMIS引和空间决策支持系统（SDSS）。
STPS的主要目的是通过应用GlS的数据库技术，实现由传统的事务处理向计算机处理的转换，例如在房产、地籍等部门有着广泛的应用。
SMIS的主要目的是实现空间信息管理的高效率、模型开发和空间数据的动态更新，其功能不但表现为数据的查询和统计，还具有专业模型的分析应用等功能，它在城市规划、土地利用、道路交通管理、管网规划管理等领域具有广泛的应用。
SDSS主要用以解决半结构化和非结构化的决策问题，除了需要利用地理信息系统的数据库和空间分析技术，模型库及其管理系统是决策支持系统的核心，它在宏观决策、行业发展规划等领域具有广泛的应用需求。
建立这些应用型的地理信息系统，要求功能能满足需求，系统运行稳定可靠，系统应用能达到高效益，实现业务操作的手工模式向信息化模式的根本转变，以便提高管理和决策的高效率和科学化。
1.2系统设计的模式
地理信息系统最早的设计模式，是由Calkins在1972年，由国际地理学会地理数据收集和处理委员会主持召开的地理数据处理学术会议上提出来的，后来又经过了几次修改和补充。
这个最早的设计模式称为结构化的系统设计模式，由四个组成部分构成（图7-1）:
①通过访问用户，调查用户的需求和数据源，确定系统的目的、要求和规定;②描述和评价与系统设计过程有关的资源和限定因素，例如现有的硬件、软件和有关的政治、法律因素等;③说明和评价所拟定的不同系统，这些系统能够满足所规定的要求;④对拟定的系统作最后的评价，从中选择一个运行的系统。
该模式的主要特点是强调对用户的调查和系统功能需求的分析。
在系统设计的各个阶段都要写成有关的文件，以便进行评价，以及用户要参与系统的设计，以免系统设计的失误。
自从这个最早的地理信息系统设计模式诞生以来，地理信息系统的开发已经取得很大的进展，原来的设计模式是假定系统的大部分组成（除硬件外，包括所有的软件和数据库）都需要由系统设计人员来完成，有时甚至包括处理空间数据的某个专门的硬件。
现在的情况不同了，不但有许多处理空间数据的重要软件，而且有现成的系统和空间数据库，因此需要对原来地理信息系统设计模式进行修改，修改后的地理信息系统设计模式如图7＿2所示。
其主要的设计思想，是强调对现有的各个组成部分，包括硬件、软件和数据库，进行深入、认真的评价，以研究其满足系统功能的程度，保证所设计系统的实用可靠，及有效地处理数据和使用周期长等要求。
该模式采用了管理信息系统和软件工程的一些设计理论，包括:
（1）目的与任务。
每个系统都要对目的和任务作详细的说明，指出该系统的目的，谁是主要的用户，以及如何使用该系统。
关于任务，要说明所要完成的工作，以及总体评价所采用的方法，目的和任务的说明要非常详细，以便用户进行评论和评价，而且这种说明代表着用户和系统设计人员对话的开始，并且在系统设计的过程中还要继续进行这种对话。
（2）概念的定义。
介绍系统的各个主要组成部分，分别按照输入、输出、主要过程和数据库来说明系统的基本结构，包括主要模块、系统开发的主要资源、主要的限制条件等。
（3）功能的要求，具体说明该系统要做什么，对每一种功能要求都要说明，包括功能的技术特征、功能的目的、具体的标准和满足的条件等等。
功能的要求一般分为以下三类:
①该系统必须具有的功能;②如果时间和资源条件允许，希望具有的功能;③其他有意义的功能。
实际上只有第一类功能才是系统的真正要求。
每一种功能要具体规定:
①输入（来源、数据、频率）；②输出（格式、数据量、用户）；③功能需要的处理步骤；④功能成功地实现所需要的条件；⑤功能生成的数据。
图7＿1结构化的系统设计模式
（据H.WCalkins修改）
除了规定要完成的功能外，还要说明该系统期望的性能和特征，质量控制措施，以及该系统与其他部分的接口等。
显然，在系统开发的过程中，要求可能发生变化，因此要制定专门的计划进行处理。
（4）性能测定。
在系统设计过程中，要对各个组成部分分别进行测试，对综合以后的整个系统要进行最后的测试。
具体测试的内容包括:
硬件、软件模块、数据库的质量控制等。
测试根据所说明的功能要求和规定的标准进行，测试应考虑以下各种条件:
①系统的正常操作条件;②重点测试，包括最坏情况和极端操作条件;③逻辑测试，指检查各种可能的逻辑条件;④线路测试。
硬件、软件和数据库的测试，是对系统进行总体评价的最后阶段，那么，在系统设计的各个阶段，谁进行这种评价。
显然，在目的、任务和要求的评价中，与用户有关。
而对系统设计其他方面的评价，则需要其他有关的技能，一个系统的有效性取决于软件的质量，而对软件的评价，则必须由具有软件工程专门知识的专家来进行。
以上是H.WCalkins于1984年提出的地理信息系统开发的基本模式，这种模式是软件工程中的结构化思想在应用型GIS开发中的应用。
它针对系统开发中存在的用户需求不明、开发过程无序、开发人员之间缺少有效交流等几个主要问题，通过一系列规范性的支持技术和方法，力图将系统开发这种只存在于开发人员头脑中的抽象思维活动，转化为一组明确的、可控制的和可以检查的具体任务，要求做到对用户需求的充分了解和定义，严格有序的开发过程和组织管理，强调开发人员与用户之间的交流和协作，重视系统建设文档的完整和规范，以及加强系统开发综合的质量保证措施和计划等，最终实现以较少的人员、时间和投资，开发出尽可能符合用户要求的、高质量的应用系统的目的。
1.3系统设计的流程
应用型地理信息系统的设计，大致可以分为四个主要阶段，即系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与维护（图7-3）。
这四个阶段构成了系统的生命周期，如果系统设计按阶段进行，预先规定每一阶段的开发目标和任务，然后按照一定的准则顺序开发实施，这种方法被称为生命周期设计法。
由于生命周期法严格分阶段进行，便于开发工作的组织管理，但是也存在许多缺陷，例如系统开发过程比较长，新系统实际效果的可见性差，来自最终用户的反馈比较迟，不容易把握用户需求的变化等。
为此人们设法寻求另外一种新的开发思路，称为原型化设计法。
所谓原型化设计法，就是根据用户提出的需求，由用户与开发人员共同商定其中重要和基本的开发目标，然后选择一个试验区，设计出初步方案，在较短时间内开发出一个能满足用户基本需求的初步原型或系统雏形，交用户试用，经过一段时间的运行后，根据用户意见对原型加以修改或扩充，产生一个新的原型版本，如此反复和迭代，最后形成一个比较完善和质量较高的应用型地理信息系统。
原型化设计法的开发过程如图7-4所示。
原型法与生命周期法相比较，原型法能使用户更积极地参与新系统的设计和实现，能使开发人员及时获得用户的反馈意见，能更快地看到系统的实际效果，能使系统开发的风险降到最低限度。
但一般认为，当用户对于新系统的功能需求十分明确时，系统设计可直接采用生命周期法，而不应该采用原型法，以利于开发经费和开发时间的控制。
第二节地理信息系统的设计
2.1系统分析
系统分析（systemanalysis）一词源自美国的兰德公司（RAND:
ResearchAndDevelopment），其基本思想是从系统观点出发，通过对事物进行分析与综合，找出各种可行的方案，为系统设计提供依据。
它的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案，系统分析是使设计达到合理、优化的重要步骤，其工作深入与否，直接影响到将来新系统的设计质量和实用性，因此必须予以高度重视。
用户需求调查即调查系统用户对开发的GIS系统的功能要求和信息需求情况。
具体调查的主要内容有:
·Who，谁使用该系统，该系统的用户结构如何，哪些是直接用户，哪些是间接用户，哪些是最终用户，哪些是潜在用户。
当前本部门的组织机构、人员分工和职能情况，现有的业务流程和工作效率等。
·What，新系统是做什么用的，它需要具备哪些功能，它应能解决和处理哪些类型的问题，因此需要具有哪些设备、资源、数据等。
·Why，为什么需要具有这些功能和条件，具有这些功能以后与常规的业务流程有哪些不同点和优越性，对现行系统和建立的新系统从功能、效率、效益等方面做详细调查及对比研究等。
·Where，建立新系统所需要的资源从哪里获取，特别是数据资源能否得到保障，以及解决系统硬件和软件的途径等。
·Quality，指具体的技术指标、性能要求和可靠性要求，例如数据精度、运行速度、系统安全保障机制等，要认真听取用户的意见和要求。
用户调查一般采用访问、座谈等方法。
在调查前，应拟定出需求调查提纲。
在调查中，重点应弄清用户对所要开发系统的功能、数据内容、应用范围等方面的要求，并详细考察用户原来的业务范围、工作流程以及部门之间的联系等。
在调查后，需撰写用户需求调查报告，内容包括:
用户对系统的要求，用户目前的业务范围、工作流程和存在的问题，可用的数据源情况，现有的技术力量、设备条件等。
同时，要对这些需求进行可行性分析，着重从社会、技术和经济三大要素分析开发新系统的可行性，确定哪些需求可以实现，哪些需求需要调整和简化，哪些需求作为近期目标或远期目标等。
用户需求和可行性分析报告，这是系统设计的重要依据，要用文字和图表详细阐述。
用户需求和可行性分析报告经过审批，表示系统开发项目得到立项，才能转入系统设计阶段。
2.2系统设计
1．总体设计
总体设计又称为逻辑设计，其任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的软硬件配置，规定系统采用的技术规范，并作出经费预算和时间安排，以保证系统总体目标的实现。
最后撰写系统总体设计方案，作为重要的技术文件提供论证和审批。
总体设计的主要内容包括:
（1）用户需求。
阐明系统的用户构成、不同用户对系统的要求、系统应具备的功能等。
（2）系统目标。
阐明该系统的应用目标，属于演示系统或运行系统、单机运行系统或分布式运行系统、事务处理系统或信息管理系统等。
（3）总体结构。
根据系统功能的聚散程度和耦合程度，将系统划分为若干子系统或功能模块，构成系统总体结构图，例如深圳市规划国土管理信息系统的总体结构（图7-5）。
（4）系统配置。
指系统运行的设备环境，包括计算机、存储设备、输入和输出设备以及网络等，并说明其型号、数量和内存等性能指标，画出硬件设备配置图（图7-6）。
软件包括计算机系统软件、网络管理软件、地理信息系统基础软件、数据库管理系统软件、应用软件等，并说明其版本、数量和性能特点。
系统配置应遵循技术上稳定可靠、投资少、见效快、立足现在和顾及发展的原则，技术上稳定可靠是指采用国内外经过实践检验证明其为成熟的硬件和软件，同时以满足本系统的技术和性能指标为准则，不单纯追求最高档设备与昂贵的软件;投资少、见效快即根据经济实力和技术力量，选择合适的配置，能较快地收到实际效果;立足现在、顾及发展是指应以完成目前的要求为主，并顾及系统的可扩充性和将来的发展。
由于系统具体目标和服务范围不同，系统配置方案也有很大差异。
例如多用户的系统，为实现资源共享、协同工作和并行处理，这时客户/服务器结构、分布式数据库和网络化等配置方案，便是该类系统的基本要求。
因此，系统配置方案的确定具有动态变化的特征。
（5）数据库设计。
数据库是系统的核心组成部分，一个系统可以具备一个或多个数据库。
按信息内容，可将数据库分为基础数据库和专题数据库。
按数据类型，可将数据库分为空间数据库和属性数据库。
数据库设计要确定空间数据与属性数据的管理模式，集中式或分布式的建库方案，采用的数据结构类型和数据库管理系统以及数据分类等。
（6）系统功能。
由于应用型地理信息系统继承了开发平台所提供的大部分功能，因此应用型地理信息系统功能设计的任务不在于解决基本功能，而在于解决用户所需要的特定功能。
例如，以一个地下管线信息系统为例，其系统功能包括:
①数据录入与查错，实时地将普查数据转换为满足地下管线信息系统要求的数据，以保障地下管线的综合管理与应用。
②综合查询与统计，提供按图号、道路名、单位名查询任意范围的管线，并统计计算各类管线的长度、面积、体积等。
③网络分析和诊断，分析各类地下管线发生事故或故障（如漏水、漏气等）时，影响区域的范围，涉及到哪些阀门需要关闭和维修等。
④断面生成与分析，断面分析是道路与管线工程规划设计、管理的基础，也是地下管线工程综合的主要依据。
断面分析分为纵断面与横断面两种，系统应能生成和分析任意位置和方向的横断面以及生成和分析连续管线的纵断面。
⑤管线工程辅助设计，以国家有关管线工程的最小覆土深度、管线最小水平净距、管线交叉时的最小垂直净距等规范为准则，在地形图库、现状管线库、规划管线库、规划道路红线库等地图数据库的基础上，通过计算机及系统实现对设计信息的处理，完成管线设计计算、分析、绘图及方案的比较，从技术上避免规划管线与现状管线的矛盾和重复设计。
因此，应用型地理信息系统的功能不同于开发平台的基本功能，具有自己的特殊性。
但是，应用系统的这些特殊功能主要应该依靠基础GIS提供的基本功能来开发和实现。
（7）经费和管理。
由于系统开发是一项复杂的系统工程，为保证系统开发工作的顺利进行，必须拟定好系统开发计划、系统管理措施、投资经费概算以及最后应提交的成果等。
2．详细设计
详细设计又称为实际设计，其任务是根据总体设计方案确定的目标和阶段开发计划，紧密结合特定的硬件、基础软件和规范标准，进行子系统和数据库的详细设计，用于具体指导系统的开发。
详细设计的主要内容包括:
（1）子系统设计。
子系统设计以对用户需求的进一步详细调查为依据，分别完成各个子系统的逻辑结构设计、数据库设计、功能模块设计、用户界面设计等。
每个子系统设计的内容大体类似于总体设计的内容，但应更加详细和具体，作为各个子系统实施的指导性文件。
（2）数据库设计。
主要内容包括:
数据源的分析与选择;数据分类与分层的确定;数据获取方案的规定;数据编码设计;实体属性表与属性关系的设计;属性数据类型的建立;数据质最标准的规定;地理定位控制的确定及其他有关问题的规定等。
（3）功能模块设计。
详细描述各功能模块的内容，实现的技术和算法，输入输出的数据项和格式等。
（4）用户界面设计。
用户界面是人机对话的工具，它与功能模块一一对应做到各模块之间界面的形式一致，相同功能要用相同的图标显示。
界面可以分为若干层，便于逐层调用。
根据功能模块的不同，可以分别采用菜单式、命令式或表格式的界面。
所有界面应体现以人为本的原则，做到界面友好、美观，并随时提供丰富的帮助信息，使用户易懂、易学、易掌握。
2.3系统实施
系统实施是在系统设计的原则指导下，按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段、分步骤完成系统开发的过程。
系统实施的内容包括:
（1）系统硬件和软件的引进及调试。
其实施的步骤如图7-7所示:
（2）系统数据库建立。
其实施内容包括数据源的选择、数据源的现势更新和处理、数据格式的定义和转换、数据采集方法的确定、数据编辑处理、数据质量控制、建立数据库实体等。
（3）应用管理系统的开发。
指在地理信息系统基础软件的基础上进行二次开发，建立应用管理系统。
内容包括利用基础软件提供的开发语言进行编程、以各种菜单形式建立用户应用界面、应用模块的开发、建立图形符号库、编写用户操作手册等。
（4）系统测试和联调，对系统开发完成的每一个模块，均应进行测试。
将模块组装成系统时，也应进行联调和测试。
系统测试是指利用人工或自动方法测试和评价各个模块，验证模块是否满足规定的要求，检查设计指标与实际结实果是否一致，做到及时发现问题，及时改正，直至符合设计要求，并编写系统测试报告。
（5）系统验收和鉴定。
系统验收的内容包括文档、软件、数据库等。
对于文档，要详细说明系统的文档资料是否齐全和规范，及其质量情况等。
对于软件，要详细说明系统的软件功能和性能是否达到计划任务书、合同或设计的要求，软件运行是否稳定可靠，以及是否满足用户的需求等。
对于数据库，要详细说明数据库的内容是否完整，数据的安全性和现势性，以及数据的标准化和质量情况等。
在通过验收的基础上，对系统开发的技术水平、质量和特点作出恰如其分的技术鉴定。
2.4系统运行和维护
系统运行是指系统经过调试和验收以后，交付用户使用。
为了保证系统正常运行，必须要认真制定并严格遵守操作规则。
系统维护是为保证系统正常工作而采取的一切措施和实际步骤，例如数据的维护，使系统数据始终处于相对最新的状态;软件的维护，使软件能适应运行环境和用户需求的不断变化;硬件的维炉，使硬件能经常保持完好和正常运行的状态等。
第三节地理信息的标准化
3.1地理信息标准化的内容
在地理信息系统建设过程中，地理信息的标准化是一项十分重要的工作，它关系到地理信息资源的开发、利用和共享，地理信息标准化的基本内容有:
l．统一的名词术语内涵
由于地理信息系统涵盖的学科领域广泛，以及自身技术的不断发展变化，对许多名词术语在使用和理解上可能存在很大的差异，研究并筛选出与GIS关系密切的名词术语，例如测绘基本术语、摄影测量与遥感术语、地图制图术语等，给出规范的释义和标名，不仅具有理论意义，而且具有实用价值，是地理信息标准化的一项基础工作。
2．统一的数据采集原则
GIS数据库涉及的数据种类多、数据最大，在数据采集时应遵循统一的数据采集原则，例如各级统计部门提供的数据为最基本数据，当其他部门提供的数据与它有矛盾时，以统计部门为准。
统计部门未进行统计的指标，以各地最直接的业务部门提供的数据为准。
通常只采集和存储基本的原始数据，不储存派生数据，以及要采集的是具有权威性、科学性、现势性的数据等。
在数据采集时，必须遵照已经颁布的规范标准，例如我国制定的l：
500～l:
2000地形图航空摄影规范、1：
5000～1：
100000地形图航空摄影规范、全球定位系统（GPS）的测量规范等。
3．统一的空间定位框架
统一的空间定位框架是为各种数据信息的输入、输出和匹配处理提供共同的地理坐标基础。
这种坐标基础可以归化为地理坐标、网格坐标和投影坐标这三种坐标系统。
当数据信息的来源不同时，必须将它们统一到这三种坐标形式之一的基础上来。
根据我国地理信息系统国家规范研究组的建议，我国地理信息系统所配置的投影应与国家基本图系列所采用的投影相一致，即l：
l0000～1：
500000的比例尺图幅采用高斯-克吕格投影为其输入、输出的基础;l：
l000000及更小比例尺的图幅采用等角圆锥投影。
高斯＿克吕格投影在每一幅图范围内可以看成无角度变形，在整个国土范围内的长度变形也不超过0.14%，面积变形不超过0.28%，精度可以满足使用的要求。
关于格网系统的选择，提出基本格网、加密格网、合并格网和辅助格网四种划分方法。
其具体划分的方案如下:
（1）基本格网。
分为三级:
①一级格网。
△λ＝6°M，伊，△φ=4°（相当于l:
l000000图幅）;
②二级格网。
△λ＝30′，△φ＝20′（相当于1:
100000图幅）;
③三级格网。
△λ＝3′45″,△φ＝2′34″（相当于1:
10000图幅）。
（2）加密格网。
它是在基本格网基础上再细分为六级:
①1/2格网。
相当于l：
5000图幅，实地约6.5km2;
②1/4格网。
相当于1:
2500图幅，实地约1.6km2;
③1/8格网。
相当于1:
1000图幅，实地约0.4km2;
④l/16格网。
相当于1:
500图幅，实地约0.lkm2;
⑤1/96格网。
相当于1:
100图幅，实地约2800m2;
⑥1/384格网。
相当于1:
25图幅，实地约175m2。
（3）合并格网。
它以基本格网为基础，按需要进行格网整倍数的合并表分为五级:
①2倍格网＝1:
25000图幅;
②4倍格网=1:
50000阴图幅;
④24倍格网＝1:
250000图幅;
⑤48倍格网＝l：
500000图幅。
（4）辅助格网。
指对于从1:
10000～1：
50000比例尺的数据文件，通过采用平面直角坐标作为辅助格网，例如格网的边长可以为lkm×lkm,250m×250m等等。
除辅助格网外，三种类型的格网均以经纬度的细分作为格网划分的依据，与我国基本比例尺地形图分幅系列一致，容易实施分幅检索和区域拼接。
4.统一的数据分类标准
数据分类的目的是为了计算机存储、编码、检索等的需要。
分类体系划分是否合理，直接影响到地理信息系统数据的组织、系统间数据的连接、传输和共享，以及地理信息系统产品的质量。
因此，它是系统设计和数据库建立的一项极为重要的基础工作。
国家规范研究组建议，信息分类体系采用宏观的全国分类系统与详细的专业系统之间相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须能归并和综合到高一级的分类系统之中。
为此，首先按照社会环境、自然环境、资源与能源三大类，作为第一层。
其次，根据环境因素和资源类别的主要特征与基本差异，再划分为十四个二级类，作为第二层。
第三，按每一个二级类包括的最主要的内容，作为第三级类别。
最后，按照各个区域的地理特点和用户的需求，拟订区域的分类系统和每一专业类型的具体分类标准。
5．统一的数据编码系统
地理信息系统存储的空间要素具有时、空、属性的复杂特征，需要通过计算机能够识别的代码体系来提供数据信息的地理分类和特征描述，同时需要制定统一的编码标准，以实现地理要素的计算机输入、存储，以及系统间数据的交换和共享。
我国现有的信息编码系统已经施行《GB＿2260＿80编码》《GB＿2659-81编码》和《中华人民共和国邮政分区编码》等。
对于地理信息及其属性的编码系统和标准尚在研究中，但是一般要求:
（1）凡国家已施行的编码规范和标准，均按国家规定的执行；
（2）科学编码系统的设计必须可靠地识别数据信息的分类，以较少的代码提供丰富的参考信息，以及根据代码结构能进行数据间关系的逻辑推理和判别;
（3）编码不宜过长，一般为4-7位，以减少出错的可能性和节省存储空间。
对于多要素的数据信息，通过设置特征位来有效地压缩码位的长度;
（4）编码标准化，其内容包括统一的码位长度、一致的码位格式和明确的代码含义，不能出现代码的多义性等等。
6.统一的数据组织结构
数据结构是地理实体的数据组织形式及其相互关系的抽象描述。
描述地理实体的空间数据应包含空间位置、拓扑关系和属性三个方面的内容。
例如，矢量数据结构的点状实体，应表示统一序号的惟一标识码、实体类型的分类、实体位置的（x，y）坐标，以及与点相联的有关属性等;线状实体，应表示惟一标识码、线的类型码、起始结点、终止结点、空间位置坐标串，以及与线相联的有关属性等；面状实体，应表示每个多边形的封闭边界或弧段、每个多边形的邻接关系或拓扑关系、岛的结构及有关属性等。
不说明数据结构或数据结构的内容不规范，不仅用户无法应用，计算机程序也无法正确处理。
对于影像栅格数据、地理名称数据、三角网数据、三维数据、属性数据等，都应建立相应的数据模型和结构标准以便不同系统的数据兼容和不同软件的计算机处理及应用。
7．统一的数据记录格式
数据记录格式是指地理信息系统的原始数据和输出数据在磁性介质内的记录方式，对不同来源（地图、遥感
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