整理第八章地理信息系统设计与标准化.docx
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整理第八章地理信息系统设计与标准化
第八章地理信息系统设计与标准化
第二节地理信息系统设计
一、概述
GIS的开发建设和应用是一项系统工程，涉及到系统的最优设计、最优控制运行、最优管理，以及人、财、物资源的合理投入、配置和组织等诸多复杂问题。
需要运用系统工程、软件工程等的原理和方法，结合空间信息系统的特点进行实施建设。
GIS的用户不要认为购置了GIS硬软件就已大功告成。
其实，在GIS中最有价值的是“信息”，而不是计算机等硬件。
国际上的统计数据表明，一个信息系统如果硬件投资为1，则软件开发为5，而信息的采集、整理和加工为10。
因此，在建立GIS过程中确定应用目标是什么，选用哪些数据源、什么数据入库，以及数据的质量、精度如何等一系列重大问题是至关重要的，直接关系到系统的有效性和实用性，也即GIS工程的成败及效益，取决于GIS工程的总体规划和设计、技术力量的组织、工程的建设实施和数据源的组织等问题。
地理信息系统的开发研究分为四个阶段：
系统分析、系统设计、系统实施、系统评价及维护。
系统分析阶段的需求功能分析、数据结构分析和数据流分析是系统设计的依据。
系统分析阶段的工作是要解决“做什么”的问题，它的核心是对地理信息系统进行逻辑分析，解决需求功能的逻辑关系及数据支持系统的结构，以及数据与需求功能之间的关系；系统设计阶段的核心工作是要解决“怎么做”的问题，研究系统由逻辑设计向物理设计的过渡，为系统实施奠定基础。
地理信息系统设计要满足三个基本要求，即加强系统实用性、降低系统开发和应用的成本、提高系统的生命周期。
在系统实施和测试过程中，发现软件开发领域内的错误大部分是由于系统设计不周而引起的。
系统设计可分为：
地理信息系统设计方法、管理信息系统的设计方法和软件工程的设计方法。
所有这些设计都要根据设计原理并采用结构化分析方法。
其中最有用的理论是模块理论及其有关的特性、例如内聚性和连通性。
所谓结构化就是有组织、有计划和有规律的一种安排。
结构化系统分析方法就是利用—般系统工程分析法和有关结构概念，把它们应用于地理信息系统的设计，采用自上而下划分模块，逐步求精的系统分析方法。
这种结构化分析和设计的基本思想包括如下要点：
1、在研制地理信息系统的各个阶段都要贯穿系统的观点。
首先从总体出发，考虑全局的问题，在保证总体方案正确，接口问题解决的条件下，然后按照自上而下，一层一层地完成系统的研制。
这是结构化思想的核心。
2、地理信息系统设计的基本原则是首先进行调查研究，掌握必要的数据，否则就不可能进行系统分析。
只有设计出合理的逻辑模型，才有可能很好地进行物理设计。
事实上地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复、不断提高的过程，每一个循环就是—个生命周期，要严格划分工作阶段，保证每个阶段任务很好地完成。
3、用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型。
在系统的逻辑设计中包括分析信息流程，绘制数据流程图；根据数据的规范，编制数据字典；根据概念结构的设计，确定数据文件的逻辑结构；选样系统执行的结构化语言，以及采用控制结构作为地理信息系统的设计工具等。
4、结构化分析和设计还包括系统结构上的变化和功能上的改变，以及面向用户的观点等。
信息系统的设计路线可以分为三类：
地理信息系统的设计方法、管理信息系统的设计方法和和软件工程的设计方法。
所有这些设计方法都已经采用了结构化分析和设计原理，其中最有用的理论就是模块理论及其有关的特征，例如内聚性（cohesiveness）和连通性（connectivity）。
所谓结构化就是有组织、有计划和有规律的一种安排。
结构化系统分析方法，就是利用一般系统工程分析法和有关结构概念，把它们应用于地理信息系统的设计，采用自上而下，划分模块，逐步求精的一种系统分析方法。
这种结构化分析和设计的基本思想包括如下的要点：
1、在研制地理信息系统的各个阶段都要贯穿系统的观点。
首先从总体出发，考虑全局的问题，在保证总体方案正确，接口问题解决的条件下，然后按照自上向下，一层层地完成系统的研制，这是结构化思想的核心。
2、地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复不断提高的过程，每一个循环就是一个生命周期，要严格划分工作阶段，保证阶段任务的完成。
例如，没有调查研究和掌握必要的数据，就不可能很好地进行系统分析。
没有设计出合理的逻辑模型，就不可能有很好的物理设计等等。
这是系统设计的基本原则。
3、用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型和物理模型，包括在系统的逻辑设计中，分析信息流程，绘制数据流程图；根据数据的规范，编制数据字典；根据概念结构的设计，确定数据文件的逻辑结构；选择系统执行的结构化语言，以及采用控制结构（图7—2）作为地理信息系统设计工具。
这种用结构化方法构筑的地理信息系统，其组成清晰，层次分明，便于分工协作，而且容易调试和修改，是系统研制较为理想的工具。
4、结构化分析和设计的其它一些思想还包括：
系统结构上的变化和功能的改变，以及面向用户的观点等，是衡量系统优劣的重要标准之一。
由系统设计人员来设计地理信息系统，就是根据若干规定或需求，设计出功能符合需要的系统。
一个地理信息系统最基本的模型框架一船由四部分组成（图7-3）。
但随具体开发目标的不同，在系统环境、控制结构和内容设计等方面都有很大的差异。
因此，设计人员开发地理信息系统时须遵循正确的步骤：
第一步：
根据用户需要，确定系统要做哪些工作，形成系统的逻辑模型；
第二步：
将系统分解为一组模块，各个模块分别满足所提出的需求；
第三步：
将分解出来的模块，按照是否能满足正常的需求进行分类。
对不能满足正常需求的模块需要进一步调查研究，以确定是否能有效地进行开发；
第四步：
制定工作计划，开发有关的模决，并对各个模块进行一致性的测试，以及系统的最后执行。
第二节地理信息系统设计的模式
地理信息系统最早的设计模式，是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8—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、软件和有关的政治和法律因素等；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对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（除了硬件以外，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，因此需要对原来的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8—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，以及总体评分所采用的方法，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、主要的过程和数据库，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。
图8-1结构化的系统设计模式
图8-2结构化的程序评价模式（椐H.W.Calkins,1984）
3、功能的要求具体说明该系统要做什么，对每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；⑨如果时间和资源条件允许，希望具有的功能；②其它有意义的功能。
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。
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，以及该系统与其它部分的接口等。
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。
而对系统设计其它方面的评价，则需要其它有关的技能，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。
地理信息系统的设计是一项复杂的工程，要建立一个计算机此的地理信息系统，决非几个人或较短时间内所能完成的，需要许多人在较长时间内才能完成。
由于系统的复杂性，及软体研制时间长，成本高，错误多，故容易产生所谓“软件危机”，例如软件不能移植、不能修改等，因此提出“软件工程”的设计方法，即用工程方法来研究软件和进行地理信息系统的设计，以保证系统的功能标准和质量指标。
软件工程设计方法包括三个主要内容：
①完整的需求定义和规范说明；②综合的质量保证措施和计划；③严格的设计过程和管理控制。
第三节地理信息系统设计与开发的步骤
图8-3地理信息系统建立过程（据张超）
地理信息系统建立的过程（图8—3）大致可以分成以下几个主要步骤。
一、可行性研究
可行性研究主要是进行大量的现状调查，在调查的基础上论证GIS的自动化程度、涉及的技术范围、投资数量以及可能收到的效益等。
经过论证后确定系统的目的、任务及GIS的起始点，从这个起始点出发，逐步向未来的目标发展。
重点不应只是目前的计算机化，还应着眼于将来如何发展。
这一阶段的工作主要包括：
1、用户需求调查。
是指调查本部门或其它有关部门对相应GIS系统的信息需求情况。
从上至下调查本部门各级机构在目前和将来发展业务上需要些什么信息；从下自上调查他们完成本部门专业活动所需要的数据和所采用的处理手段，以及为改善本部门工作进行了哪些实践活动等。
还要收集他们对本部门的业务活动实现现代化的设想与建议。
2、系统目的和任务。
一般来讲，地理信息系统应具有四个方面的任务：
①空间信息管理与制图；②空间指标量算；③空间分析与综合评价；④空间过程模拟。
3、数据源调查和评估。
调查了解用户需求的信息后，有关专家和技术人员应进一步掌握数据情况。
分析研究什么样的数据能变换成所需要的信息，这些数据中哪些已经收集齐全，哪些不全，然后对现有数据形式、精度、流通程度等作进一步分析，并确定它们的可用性和所缺数据的收集方法等。
4、评价地理信息系统的年处理工作量、数据库结构和大小、GIS的服务范围、输出形式和质量等。
5、系统的支持状况。
部门管理者、工作人员对建立GIS的支持情况；人力状况包括有多少人力可用于GIS系统，其中有多少人员需培训等；财力支持情况包括组织部门所能给予的当前的投资额及将来维护GIS的逐年投资额等。
根据上述调查结果确定GIS的可行性及GIS的结构形式和规模，估算建立GIS所需投资和人员编制等。
可行性分析就是根据社会、经济和技术条件，确定系统开发的必要性和可能性，主要进行①效益分析；②经费估算；③进度预测；④技术水平的支持能力；⑤有关部门的支持程度等。
二、系统设计
系统设计的任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型，其设计的内容随系统的目标、数据的性质和系统的不同而有很大的差异。
一般而言，首先应根据系统研制的目标，确定系统必须具备的空间操作功能，称为功能设计；其次是数据分类和编码，完成空间数据的存储和管理，称为数据设计；最后是系统的建模和产品的输出，称为应用设计。
系统设计是地理信息系统整个研制工作的核心。
不但要完成逻辑模型所规定的任务，而且要使所设计的系统达到优化。
所谓优化，就是选择最优方案，使地理信息系统具有运行效率高、控制性能好和可变性强等特点。
要提高系统的运行效率，一般要尽量避免中间文件的建立，减少文件扫描的遍数，并尽量采用优化的数据处理算法。
为增强系统的控制能力，要拟定对数字和字符出错时的校验方法；在使用数据文件时，要设置口令，防止数据泄密和被非法修改，保证只能通过特定的通道存取数据。
为了提高系统的可变性，最有效的方法是采用模块化的方法，即先将整个系统看成一个模块，然后按功能逐步分解为若干个第一层模块、第二层模块等等。
一个模块只执行一种功能，一个功能只用一个模块来实现，这样设计出来的系统才能做到可变性好和具有生命力。
功能设计又称为系统的总体设计，它们的主要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，并说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的硬件配置，规定系统采用的合适技术规范，以保证系统总体目标的实现。
因此系统设计包括：
①数据库设计；②硬件配置与选购；③软件设计等。
三、建立系统的实施计划
系统设计完成后，把所估算的硬件和软件的总投资、人员培训投资及数据采集投资等作为建立GIS的投资额，同时估计若干年后能收到的经济效益，这是投入产出估算。
如果估算的结果令人满意，则进行后继工作。
建立GIS的执行计划，包括硬件、软件的测试、购置、安装和调试等，其中主要工作是测试。
测试工作一般按标准测试工作模式，进行较详细的测试。
该模式的主要特点是：
硬件提供者要回答—系列问题，例如，要完成某某操作或运算可能否?
需要多少时间?
有无某某功能等。
提供者则用图件或数据证实他的硬、软件能完成用户提出的操作任务，或者直接在计算机上演示。
测试工作可详可简，当用户已掌握某些必须满足的系统标准时，可以集中测试作为评判标准的各指标能否达到要求，否则逐项测试工作过程的各个部分。
测试工作完成后。
确定购置硬件的类型，经安装调试后，编制实验计划，进行试验。
四、系统实验
结合用户要求完成的任务，选择小块实验区（或者用模拟数据）对系统的各个部分、各种功能进行全面试验。
实验阶段不仅进一步测试各部分的工作性能，同时还要测试各部分之间数据传送性能、处理速度和精度，保证所建立的系统正常工作，且各部分运行状况良好。
如果发现不正常状况，则应查清问题的原因，然后通知硬件或软件提供者进行适当处理。
五、系统运行
当地理信息系统对用户的决策过程不断提供支持的时侯，已经建立的系统会不断膨胀，并不断地被更新和增加。
几年以后，系统的周期将又从头开始，这时的新系统将提供更新的、增强的或附加的能力。
经验告诉我们，许多地理信息系统是随着用户发现它们能做什么而被扩充的。
新技术与新方法的引入、不断地进行教育与培训等是整个系统生命周期中必不可少的组成部分。
图8—4描述了GIS设计与开发周期的各个阶段。
图8-4GIS设计与开发周期的各个阶段
第四节用户需求分析
地理信息系统的用户需求分析，包括用户类型和用户要求、系统应用范围、技术选择、财力和人力状况、设备和人员的费用等内容。
一、用户类型和用户需求
地理信息系统的用户有其特定的目的，对GIS有不同的要求，应用情况也各异。
按用户的专业可作如下分类：
1、具有明确而固定任务的用户。
这类用户希望用GIS来实现现有工作业务的现代化，改善数据采集、分析、表示方法及过程，并用以对工作领域的前景进行评估，以及对现有技术方法更新改造等。
2、部分工作任务明确、固定，且有大量业务有待开拓与发展，因而需要建立GIS来开拓他们的工作。
这类用户的信息需求和对GIS的要求只能是部分已知。
3、工作任务完全不定。
每项工作都可能不同，对信息的需求未知或可变。
第一类用户是一些典型的测量调查和制图部门。
他们已投入大量资金来开发工作软件，一旦开始就不会改变。
这类用户对GIS软件公司有很大吸引力，并形成了特殊的用户集团。
他们所要解决的问题确定无疑，而且可以解决。
第二类用户主要是行政或生产管理部门，也包括进行系列专题调查的单位，例如全国性的土壤调查、森林调查、水资源调查等单位，以及进行特殊项目调查和研究工作的单位。
这些单位或部门是GIS的潜在用户，因为他们很想把空间数据组织在一起，形成统一的系统供各职能机构使用。
其中一些用户的基本要求是建立大型地理信息系统，该系统除供本部门使用外还能供第一类用户使用。
但数据标准问题、数据结构和精度等却很难解决，各部门的侧重点不同，数据形式不同，业务处理流程不同，对系统功能的要求也各异。
另外，计算机公司通常不打算把大量资金投放到建立销售量较小的GIS上去，除非买方付给巨额经费去建立特殊的系统。
再者，由计算机专业人员独立完成的行业应用系统也往往是闭门完成，难以实用。
可行的办法是应用部门聘用自己的软件人员或与GIS开发者合作，对通用的GIS进行二次开发与改造。
第三类用户是最难满足的用户。
这类用户包括大学中的研究室和研究所等，他们想用地理信息系统作为科学研究工具，或者开发新的地理信息系统技术。
因此他们所需的GIS差别很大，有的希望有功能全面的GIS来从事各种科研工作，有的则希望在功能一般的GIS基础上开发，发展成多功能的地理信息系统。
二、应用范围
地理信息系统类型的选择，很大程度上取决于使用部门的工作性质、工作领域及该领域内的应用范围和应用期限。
只用于短期项目的系统，应具有数据采集、数据分析处理及信息输出迅速的特点和能力，但不要求包括大型而复杂的数据库管理与维护方面的功能。
用于长期项目的系统，一般包括大型数据库，就目前的技术条件来讲未必能在任何时候对数据库的任何部分进行访问，也许将来使用新的存储介质和存储方法后能解决这一问题。
在问题没有解决之前，只要求GIS能按一定的精度方便地处理整个调查区域内的各类数据。
全国性地理信息系统还需致力于陈旧数据的更新、严格控制数据采集的格式和精度，以及数据处理标准化等。
当长期使用项目的系统用于特殊项目时，不应改变长期使用目标，而应在此基础上按特殊项目的要求发展专用软件。
应着重强调的是开发新的应用软件对任何一个GIS来说是必不可少的。
全国性的地理信息系统有两种不同的情况，一种是国土面积不大的国家在建立全国性系统时，可按区域性要求甚至按各行业部门的要求，建立国家级系统，该系统处理全国的业务。
另一种是国土面积较大的国家如我国，全国性系统并不意味着整个国家只有一个地理信息系统，而是按基本相同的系统组织和结构及绝对一致的数据格式和精度，建立多个系统分片处理相同的业务。
全国性的地理信息系统还有一种解释，即以分级结构的形式建立包罗万象的系统，从中央系统到各级地方系统，数据的详细程度不断增加，无论中央系统还是地方系统都处理各种业务。
具有长期应用目标的地理信息系统，还会遇到硬件和软件更新的问题。
硬件设备包括计算机本身从新型号推出算起，大约能维持五年的优势，更先进的硬件设备又将问世，原设备不仅在技术上显得落后，而且工作效率也开始降低。
计算机软件的发展更是快得惊人。
虽然软件发展的明显趋势是改善编程系统，并使计算机软件很容易地从一台计算机传送到其它机器上，但目前计算机软件市场上的大多数软件包是针对某一特定机型和它的操作系统设计的，或是根据特定的应用目的而设计的，使正在筹建GIS的用户，稍有不慎就可能造成经济损失。
每一地理信息系统都有本身的软件控制的数据结构，如果软件改变，数据结构也不得不改变。
对全国性资源清查来说，这个问题引起的数据转换工作量是很大的，而这种转换又必不可少，没有人乐意将好不容易收集起来的数据置之不用而去重新采集。
人们在设计地理信息系统时，必须严肃认真地考虑建立GIS的目的和它的应用范围。
第五节、地理信息系统的软、硬件配置设计
一、地理信息系统的硬件配置设计
计算机各种类型的硬件是地理信息系统硬件配置的基础，其主要包括：
·计算机——工作站、微机、便携式计算机；
·数据输入设备——数字化仪、扫描仪等；
·数据输出设备——图形终端、绘图仪、打印机、硬拷贝设备等；
·存贮设备——磁带机、光盘机等。
直到70年代末期，各种信息系统的计算机硬件配置系统还很简单，主要是基于集中式（Centralizedscheme）的配置，其数据存贮和处理功能都集中于主机（Ahostmainframeormini—computer）上，其各种外围设备，如终端、图形工作站和绘图仪等也都连接在主机上，其所能实现的功能非常有限。
80年代后期，计算机硬件和软件技术突飞猛进的发展，为计算机系统的配置提供了许多新的机会和选择。
使一台计算机主机上的计算机处理功能与数据相分离的分布式系统（Distributedsystem）概念，已经对有关地理数据管理系统的设计和配置产生了重要影响。
图8-5地理信息系统硬件系统的配置（据边馥苓）
这里，将从用户应用的角度，给出地理信息系统硬件系统的配置。
如图8-5，我们可以通过局域网将地理信息系统输入设备、存贮设备、输出设备、计算机以及服务器等连接起来。
计算机通过局域网向服务器发出数据查询、数据分析以及控制输出设备的请求，服务器则响应请求提供服务。
二．地理信息系统的软件设计
软件设计必须根据建立GIS的目的、任务和今后的研究方向进行。
目前。
GIS在城市规划、资源调查、环境监测、工程建设、地学研究与教学等方面得到了广泛应用。
就其任务而言，可以抽象为四方面的内容；空间信息获取与管理；空间特征量测与分析；空间过程模拟与预测；时空规律的总结与应用。
从这些任务出发，进行通用的GIS软件工具系统的设计、使其具有适应性强、易于掌握、便于推广和应用开发、汉化等特点。
软件设计是将所要编制的程序表达为—种书面形式。
这种形式既可简单明了地描绘软件系统的全貌，又可以逐步精化，以便于程序编制的高效正确。
同时又是一个程序修改完善、移植交流的工具。
1、信息描述
GIS的数据流程通常是：
数据通过输入编辑模块进入系统，经过人机交互编辑、拓扑关系生成、投影和格式转换，影像处理和信息提取等，形成完整的系统数据结构进入数据库。
数据通过多种方式的查询检索，得到数据子集，用于模型分析，分析结果或查询检索结果进入输出编辑整饰后输出。
为便于软件设计和建立针对应用任务的实用系统，可将系统数据结构划分为两个层次，即外部数据格式（或逻辑数据格式）和内部数据格式（或物理数据格式）。
外部数据格式面向用户，描述地图之间的逻辑联系，由用户建立应用系统时定义；内部数据格式面向程序设计，描述系统数据的物理存储结构和数据之间的拓扑关系、联结方式，在程序设计时确定。
进入系统的数据有遥感影像数据、专题地图数据、栅格地图数据、台站观测数据、社会经济统计数据、文字报告数据、外部系统数据等。
在GIS中用数据字典来描述系统数据结构的意义、来源、管理方法与功能模块的联系、任务、用户权限等。
矢量数据的来源有三个：
其—是专题地图内手扶跟踪数字化仪得到的标准矢量格式数据；其二是将遥感影像、系统操作结果得到的栅格图像等经过栅格向矢量的转换得到的数据；其三是由外部系统通讯
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