地理信息系统设计课后习题资料.docx
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地理信息系统设计课后习题资料
第一章概论
1.地理信息系统包括哪几类型？
试举例说明。
工具型地理信息系统：
具有对各种地理空间数据进行输入、处理、管理、查询、分析和输出等通用功能，可供其他系统调用或允许用户进行二次开发，以建立应用型地理信息系统的操作平台，是建立应用型GIS的一条捷径。
特点：
对计算机硬件适应性强，数据管理和操作效率高、功能强，具有普遍性和易拓展性，操作简便且易掌握。
示例：
国外Arc/Info、GenaMap、MapInfo、MGE、GeoMedia，国内MapGIS、SuperGIS、GeoStar、CityStar
应用型地理信息系统：
与特定地理区域相互联系的地理信息系统，根据用户的需求和应用目的而设计来解决一类或多类特定应用问题，除了基本功能外还具有解决地理空间实体与空间信息的分布规律、分布特性及相互依赖关系的应用模型和方法。
分为专题GIS和区域GIS。
特点：
针对性明确、专业性强，系统开销小。
示例：
“塔里木河水资源管理信息系统”
2.地理信息系统设计主要有哪几种方法？
各有何特点？
结构化程序设计：
是面向数据流开展需求分析工作的一种有效方法。
利用一般工程方法和有关结构概念，把它们应用于地理信息系统的设计。
基本思想：
一般采用自顶向下，逐层分解的演绎分析法来定义系统的需求；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；分析系统的每个细节、前后顺序和相互关系，找出各部分之间的数据接口。
用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑和物理模型等。
特点：
软件结构描述较清晰，便于掌握系统全貌，也可逐步细化为程序语句，是一种使用相对广泛，也比较成熟和完善的系统分析方法。
但结构化分析不适合需求经常改变的系统，因此结构化分析的前提是：
面临静态需求。
原型化的设计方法：
常用的一种，在开发初期不强调全面系统地掌握用户的需求，是根据对用户需求的大致了解，由开发人员快速生成一个实实在在的初始系统原型。
随着用户和开发者对系统理解的加深，不断对原型进行修正、补充和细化，用快速迭代的方法建立最终的系统，并提交给用户使用。
步骤：
确定用户需求——开发初始原型——征求改进意见——修改完善原型——制定原型完成。
特点：
有一定的盲目性，但对于非专业人员和小规模系统设计来说更加实用，有利于用户介入系统设计工作，是种动态的软件开发技术。
能够大大减少软件系统的后期维护费用，使系统功能能够正确反映用户的需求。
同时对于较复杂和具有不确定性的系统目标有较强适应性，可使设计与实施的结合更为紧密。
面向对象的解决方法：
基本思想：
将系统所面对的问题，应用封装机制，按其自然属性进行分隔，按人们通常的思维方式进行描述，建立每个对象的领域模型和联系，既模拟信息实体的内在结构又模拟动作机制，使设计出的软件尽可能直接表现出问题求解过程。
整个系统只由对象组成，对象间的联系通过消息进行。
特点：
将强了对问题域和系统责任的理解；改进了与分析有关的各类人员之间的交流；对需求的变化有较强的适应性；贯穿软件生命周期全过程的一致性、实用性；有利于用户参与，容易扩充和重组。
性质：
封装性、继承性、多态性。
3.地理信息系统主要有哪几种开发方法？
各自有何优缺点？
独立开发：
不依赖任何GIS工具软件，利用专业程序设计语言开发应用模型，直接访问GIS软件的内部数据结构。
从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有算法都由开发者独立设计。
优点：
无需依赖任何商业GIS工具软件，独立性强，降低了开发成本。
这种系统综合程度和效率最高。
缺点：
开发难度大，周期长，投资大，比起成熟GIS系统的功能和稳定性差，且花费可能远大于直接购买。
宿主开发：
基于现有的GIS平台上进行应用开发，完全借助于GIS工具软件提供的宏语言和专用开发语言进行应用系统开发，得到针对不同应用对象的应用程序。
优点：
开发方式简单，开发周期短，系统的稳定性和可靠性高，许多功能可以直接从原平台引用。
缺点：
移植性差；受开发平台影响，不能脱离原有系统单独运行；受系统提供的开发语言的功能限制，二次开发的宏语言只能算二流，功能一般较弱开发出的系统结构松散、臃肿，工能和效率也差。
集成开发：
利用专业的GIS工具软件，如Arc/Info等，实现GIS的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具如VS为开发平台，采用OLE/DDE和GIS控件两种方式，通过ADO与数据库系统连接们进行两者的集成开发。
优点：
可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其他可视化开发语言的高效、方便等编程优点，不仅极大提高了开发效率，又可以使程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，且可靠性好、易于移植、便于维护。
4.试述地理信息系统应用特点及主要应用领域。
特点：
应用领域不断扩大；GIS应用研究不断深入；GIS应用社会化；GIS应用全球化；GIS应用环境网络化、集成化；GIS应用模型多样化。
领域：
交通；市政工程；资源评价；精准农业；生态环保；环境评价和监测；卫生保健；电信业；智能防御。
5.试述地理信息系统设计的主要内容和过程。
内容：
[1].系统总体设计：
对建设系统主、客观条件深入调查研究，在用户信息需求分析等工作的基础上，确定系统目标和任务，设计出系统的总体框架结构、模块子系统、硬件系统组成、软件系统结构、用户界面等。
[2].数据模型设计：
根据所涉及专业数据及相关信息的特点等，为系统设计适合表达的数据模型及数据分类体系。
[3].数据库设计：
结构有层次、网状、关系。
根据应用目的，考虑数据相互的独立性、连接方式、存取速度、存取容量、使用简易性、学习难度等。
[4].系统功能设计：
开发通用GIS不具备的功能。
[5].应用模型设计：
是应用系统开发、建设的根本目的，需要一定的专业特点，符合相应的专业习惯。
[6].输入/输出设计
设计过程：
[1].系统分析：
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。
[2].系统设计：
根据系统分析的成果，在明确系统目的、任务、目标等原则问题的基础上，设计系统总体结构，规划系统的规模和确定系统的各个子系统组成部分、并说明子系统在整个系统中的作用和相互关系，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。
[3].系统实施：
在系统设计的原则指导下，按照详细方案确定的目标、内容和方法，分阶段、分步骤完成系统开发的过程。
[4].运行维护：
为保证系统正常工作采取的一切措施和实际步骤。
第二章GIS系统分析
1.地理信息系统需求分析和可行性分析应考虑哪些因素？
有何实际影响
效益分析：
社会效益包括社会经济效益和科学技术效益。
社会经济效益主要指投入和产出的比率；科学技术效益指在科学和技术上达到的水平及对社会产生的影响。
经费问题：
用户财力资金丰富，可以建立任何形式和规模的地理信息系统，对国家来说只有军事部门才享有；资金有限，须对设计中的GIS进行仔细论证，大多数用户都是这种情况；资金相当有限，对GIS的财政支持将是某种程度的冒险，常见于高等教育部门。
进度预测：
需要在建设工作的繁复与领导/用户的理解和接受度之间设定合理的时间，对于大的系统，只能考虑分阶段实施的方案。
技术水平：
计算机系统功能和寿命的限制；技术方法的先进性；需要高水平学科专业人员+GIS专家+计算机开发人员+系统工程管理人员融合成的技术力量
有关部门和用户的支持程度：
关系到人力支持和财力支持的力度。
2.所谓“数据字典”？
有何用？
数据字典是各类数据描述的集合，包括数据元素（最小的数据组成单位，不可分，其描述常包括数据元素名、别名、类型、长度、取值范围、取值含义）、数据结构（反应数据间的组合关系。
常包括结构名、说明和结构）、数据流（数据结构在系统内传输的路径，常包括数据流名、说明、数据流来源、数据流去处、数据流组成、平均流量、高峰期流量）、数据存储（数据结构停留或保存的地方，数据存储名、说明、编号、流入的数据流、流出的数据流、组成、数据量、存取方式）、处理过程（对不再分解的过程进行说明处理，常包括过程名、编号、简要说明、输入、输出、处理）、外部实体（数据的来源和去向，常包括名称、说明、输入输出数据流、数量）
功能：
[1].给管理者和用户提供可利用数据的线索。
[2].为系统分析人员提供数据是否存在的信息。
[3].为编程工作提供数据格式及数据位置。
用途：
[1].在系统分析阶段：
定义数据流程图中各个成分的属性和含义。
[2].在设计阶段，提供一套工具以维护系统设计说明的控制，保证设计人员在早期阶段所确定的需求与实现阶段一致。
[3].在实现阶段，提供元数据描述的生成能力。
[4].在调试阶段，辅助产生测试数据，提供数据检查的能力。
[5].在运行和维护阶段，可帮助数据库的重新组织和重新构造。
[6].在使用阶段，可以作为“用户手册”。
3.系统分析的要求是什么？
[1].熟悉用户的业务流程（二次开发+业务流程）
[2].与用户建立良好的合作能力
[3].较好的分析和综合能力
[4].循序渐进的阶段性工作思路（应用原型法来开发系统）
试述数据流程图的基本组成及画法。
处理过程
带圆角的长方形，长方形分3个部分
对数据的逻辑处理，用来改变数据值
外部实体
正方形框
系统以外但又和系统有联系的人或事物，它说明
了数据的外部来源和去处，属于系统的外部和
系统的界面
数据流
水平箭头或垂直箭头
处理功能的输入和输出
数据存储
右边开口的长方条
画法：
第三章GIS总体设计
1.简述GIS总体设计的主要内容
（1）数据设计：
将分析时创建的信息域模型变换为软件所需的数据结构，侧重于数据结构的定义。
（2）体系结构设计：
定义软件系统各主要结构构件之间的关系。
（3）过程设计：
把结构构件转换成软件的过程性描述。
在编码步骤，根据这种过程性描述，生成源程序代码，然后通过测试最终得到完整有效的软件。
（4）接口设计：
建立软件内部模块之间的关系以及人机之间的交互机制。
2.简述GIS总体设计的主要原则
完备性：
主要是指系统功能的齐全、完备。
一般的应用型GIS都具备数据采集、管理、处理、查询、编辑、显示、绘图、转换、分析、输出等功能。
标准化：
系统的标准化有两层涵义：
一是指系统设计应符合GIS的基本要求和标准；二是指数据类型、编码、图式符号应符合现有的国家标准和行业规范。
系统性：
属性数据库管理系统，图形数据库管理子系统及应用模型子系统必须有机地结合为一体，各种参数可以相互进行传输。
兼容性：
数据具有可交换性，选择标准的数据格式和设计合适的数据格式变换软件，实现与不同的GIS、CAD/各类数据库之间的数据共享。
通用性：
系统必须能够在不同范围内推广使用，不受区域限制。
可靠性：
系统的可靠性包括两个方面，一是系统运行的安全性；二是数据精度的可靠性和符号内容的完整性。
实用性：
系统数据组织灵活，可以满足不同应用分析的需求。
系统真正做到能够解决用户所关心的问题，为生产实践、科研教学服务。
可扩充性：
考虑到应用型GIS发展，系统设计时应采用模块化结构设计，模块的独立性强，模块增加、减少或修改均对整个系统影响很小，便于对系统改进、扩充，使系统处于不断完善过程中。
3.GIS有哪几种组网方案，各有何特点？
Client/Server（客户/服务器，简写为C/S）：
在C/S体系下，数据库真正变成了公共、专业化的仓库，受到独立的专门管理。
而且能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器。
对应的优点就是客户端响应速度快。
在C/S架构中，地理数据被存储在地理数据服务器上，而数据的浏览和编辑操作则在客户机上实现。
这种架构一般都涉及海量数据、地理计算、空间分析、专题制图和数据转换等因素，因此适合在环境稳定的局域网中部署。
目前，我们能见到的大部分专业应用型地理信息系统几乎都采用这种模式。
在实际开发中很多情况是编程人员把简单查询和数据操作放在前端开发语言中，复杂的业务逻辑程序放在了数据库的存储过程中。
缺点：
系统客户方软件安装维护困难、数据库系统无法满足对于成百上千的终端同时联机的需求、由于客户/服务器间的大量数据通信不适合远程连接，使其只能适合于局域网应用。
Brower/Server（浏览器/服务器，简写为B/S）
客户机统一采用浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户机不存在安装维护的问题。
当然软件开发和维护的工作不是自动消失了，而是转移到了Web服务器端。
在Web服务器端，程序员使用脚本语言编写响应页面。
4.GIS体系结构的发展过程
POA
EOA
SOA
5.面向服务的体系架构有何特点？
SOA旨在将单个应用程序功能彼此分开，以便这些功能可以单独用作某个的应用程序的功能或“组件”。
这些组件可以用于在企业内部创建各种其他的应用程序，或者如有需要，对外向合作伙伴公开，以服务于合作伙伴的应用程序。
SOA优点：
代码重用松耦合平台独立语言无关
3.GIS软件系统主要包括哪几类常用软件？
操作系统：
微软的ActiveX，IBM的OpenDOC
开发环境：
C++、Java、C#
数据库管理软件：
Oracle、SQLServer、MySQL
GIS专业软件：
ArcGIS、MapGIS
其他图像处理软件：
AutoCAD、Photoshop、3DMax。
4.应用模型的主要作用是什么？
正确地应用专题分析模型，可决定地理信息系统的实用价值
（1）应用模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带
模型的建立虽然是数学或技术性的问题，但它必须以广泛、深入的专业研究为基础。
专业研究的深入程度决定了所建模型的质量与效果。
从这种意义上讲，模型把GIS应用系统和常规专业研究紧紧地联系在一起了。
（2）应用模型是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具
在系统中存储有数量巨大、来源不同、形式不同的数据。
它们的综合分析处理和应用，主要是通过系统中模型的使用而实现的。
因此，系统中数据使用的效率和深度，在很大程度上取决于模型的数量和质量。
（3）应用模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器
由于应用模型是客观世界中解决各种实际问题所依赖的规律或过程的抽象或模拟。
因此能有效地帮助人们从各种因素之间找出其因果关系或者联系，促进问题的解决。
但是由于许多问题十分复杂，完全靠定量方法很难圆满解决，所以系统还要给人为干预留下较大的余地，使定性方法也能发挥一定作用。
（4）应用模型是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础
大量模型的发展和应用，实际上集中和验证了该应用领域中许多专家的经验和知识，无疑是一般GIS应用系统向专家系统发展的基础。
（5）应用模型有利于信息交流
模型是表达思维对自然界认识的工具，因此应用型地理信息系统的各种分析模型则有利于完整准确地表达使用者对问题的认识和处理方法，既利于使用者与系统设计者之间的交流以发展系统功能，有利于使用者之间交流以增强系统的共享性。
5.什么是地理编码？
常用的地理编码有哪些？
地理编码是指在地理数据分类的基础上，以易于计算机和人识别的代码来表示唯一地标识地理实体的类型，这种代码是用来表征客观事物的一个或一组有序的符号。
[1].顺序码
主要由顺序排列的数字组成，有时也由按顺序排列的字母组成。
每一组代码只作为分类对象的唯一标识，只代表对象名称，代表描述对象属性在整个属性系列中的顺序，而不提供对象的任何其他信息。
顺序码的优点是代码简短，使用方便，易于管理，易添加，对分类对象无任何特殊规定。
缺点是代码本身没有给出对象的任何其他信息。
由于本身的特点，决定了顺序码在信息系统中不可能形成独立的代码体系。
[2].矩阵码
是一种逻辑码。
所谓逻辑码，是按照一定得逻辑规则或者程序算法编写的代码。
矩阵码就是建立在两维空间坐标x，y基础上的代码。
代码的值是通过坐标x，y的数值构成的。
[3].自检码
由原来的代码（本体部分）和一个附加码组成。
附加码用来检查代码的录入和转录过程中是否有差错。
附加码也叫校验码，它和代码本体部分有某种唯一的关系，它是通过一定得数学算法得到的。
[4].系列顺序码
是排序码的一种。
排序码是把对象按预先选择的某种顺序排列，分别赋予代码。
系列顺序码是一种特殊的顺序码。
它将顺序代码分为若干段并与分类对象的分段一一对应，给每段分类对象赋予一定的顺序代码。
这种代码的优点是能表示一定得信息属性，易于添加；缺点是空码较多时，不便于机器处理，不适用于复杂的分类体系。
[5].层次码
是以分类对象的从属层次关系为排列顺序的一种代码。
代码分为若干层，并与对象的分类层次对应。
代码左端为高位层次代码，右端为低位层次代码。
每个层次的代码可采用顺序码或系列顺序码。
代码分别用数字排列；识别码由用户自行定义，以便扩充。
6.设计用户界面时主要考虑哪些因素？
[1].用户对界面的满意程度。
[2].用户界面的标准化程度；
[3].用户界面的适应性和协调性；
[4].用户界面的应用条件；
[5].用户界面的性价比。
第四章GIS功能设计
1.如何进行GIS功能设计？
应该注意哪些问题？
[1].功能模块设计
[2].空间数据库功能设计
[3].空间信息可视化与制图功能设计
[4].输入/输出设计
原则：
[1].功能结构的合理性
即系统功能模块的划分要以系统论的设计思想为指导，合理地进行集成和区分，功能特点清楚、逻辑清晰、设计合理。
[2].功能结构的完备性
根据系统的应用目的要求，功能齐全，适合各应用目的和范围。
[3].系统各功能的独立性
各功能模块应相互独立，各自具备一套完整的处理功能，且功能相对独立，重复度最小。
[4].功能模块的可靠性
模块的稳定性好，操作可靠，数据处理方法科学、实用。
[5].功能模块操作的简便性
各子功能模块应操作方便，简单明了，易于掌握。
2.举例说明如何进行应用型GIS功能设计。
3.属性数据库管理子系统功能包括哪些主要内容？
属性数据库管理子系统是存储、分析、统计、评价、查询、更新、属性制图等的核心工具，也是整个系统的重要组成部分，需具备对数据库结构操作、属性数据内容操作、数据的逻辑运算、属性数据的检索、从属性数据到图像的查询、属性数据报表输出等功能。
4.图形数据库管理子系统的功能设计包括哪些主要内容？
[1].图形输入：
手扶跟踪数字化仪和扫描输入
[2].图形转换：
坐标配准、格式转换（矢栅）
[3].图形操作（开窗、缩放漫游、旋转、叠加、拼接和消除裂隙）
[4].图形编辑：
符号设计和图形整饰
[5].图形计算：
长度、面积等
[6].图像处理：
遥感数据输入、画面显示与操作、几何校正、图像增强、特征提取、栅格数据矢量化处理、地面定位、输出功能
[7].空间分析：
叠置分析、缓冲区分析、空间集合分析、网络分析、数字地形模型、地形分析
[8].图形输出：
5.如何进行GIS输入和输出设计？
通过输入设计，用户将需要的图形数据和属性数据通过输入设备输入到系统，系统在处理运行过程中，用户可通过用户界面将操作指令和运行参数输入到系统各个功能模块中。
输入方法：
GPS方法、数字测图、摄影测量方法、测量数据、影像处理和信息提取、数据通信。
输入方式、输入设备、已有文件转换
将空间数据处理的结果，以用户要求的各种形式进行输出，供用户进行生产、上报、验收、交流、分析、管理和决策。
输出内容和形式：
图表、文件、地图等。
输出设备：
显示终端、打印机、磁盘机、绘图仪、多媒体设备等
输出格式：
Windows输出、光栅形式输出、PostScript格式输出
第五章GIS数据库设计
1.试述GIS数据库设计的目标、原则和过程
目标：
[1].满足用户要求
[2].良好的数据库性能
[3].对现实世界模拟的精确程度
[4].能被某个数据库管理系统接受
原则：
[1].组织有序、层次分明
[2].最小冗余度原则
[3].具有足够的数据吞吐量
[4].数据独立性原则
[5].标准化、规范化原则
[6].可扩展原则
[7].系统可靠性、安全性与完整性原则
过程：
[1].需求分析：
收集数据库所有用户的信息内容和处理要求，并加以规格化和分析。
概念设计：
以用户需求为依据，以需求分析为基础，把用户的需求加以解释，将需求分析中收集的信息和数据进行分析和抽象，并用概念模型表达出来的过程。
[2].逻辑设计：
把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统所支持的数据模型，概念设计被匹配到特定的数据库管理系统，并用数据描述语言表达出来。
[3].物理设计：
根据概念设计的结果以及计算机系统提供的手段，设计数据库的文件结构、存取路径和存储格式等。
[4].数据库实施：
转入数据、完成编码、投入使用，并根据反馈和新需求不断完善
2.何为GIS数据库概念设计？
概念设计的基本方法和步骤是什么？
数据库概念化设计是从抽象的角度来设计数据库，这种信息结构设计是从用户的角度对现实世界的一种信息描述，它独立于任何DBMS软件和硬件。
概念设计的结果是对现实世界或地理实体的信息化概念模型，它由构造实体的基本元素以及反映这些基本元素之间联系的信息所组成。
方法：
自顶向下、自底向上、逐步扩张、混合策略
步骤：
3.何为实体、属性、关系和E-R模型？
关系有哪些主要类型？
实体（Entity）：
客观事物的抽象，可以被唯一地标识。
这些客观事物可以是任何一类的人、物或概念，是信息系统管理、操作的对象。
属性（Attributes）：
实体的特征。
一个实体总是通过其属性来描述的，对实体的管理和分析的操作是通过对属性的操作来实现的。
关系/联系（Relationship）：
实体之间的联结称之为关系或联系；实体和属性是数据库的存储对象；关系是数据库所要进行的查询操作；因为现实世界中的客体是彼此联系的，因此信息世界中的实体间也是有联系的。
拥有一对一、一对多、多对一、多对多等关系类型。
4.举例说明如何进行E-R模型设计。
E-R模型中的空间概念如何拓展？
[1].确定一般实体和地理实体
通过用户需求调查与分析，提取和抽象出空间数据库中所有的实体，包括一般实体和空间实体。
[2].确定实体属性
对提取和抽象出来的实体通过定制其属性来进行界定，即确定各个实体的属性。
要求尽可能减少数据冗余，方便数据存取和操作，并能实现正确无歧义地表达实体。
[3].确定实体间所有联系
根据系统数据流图及实体的特征正确定义实体间的关系，这一步骤是保证空间数据正确处理和操作的关键，因此，在定义过程中要仔细求证，确保无误。
[4].绘制空间E-R图
根据提取、抽象和概括出的系统实体、实体属性及实体关系绘制空间E-R图。
[5].空间E-R图优化
因为空间E-R图涉及的实体、属性及关系复杂，在实际应用中，往往需要根据数据的关联程度将它们划分成许多小的单元，分别绘制E-R图。
因此，最后需要根据划分的标准和原则对这些单元的E-R图进行综合，并对其进行调整和优化，使其能够无缝地形成为一个整体。
[6].E-R模型转换为具体数据模型
将空间E-R图转化为适合GIS软件和数据库管理信息系统的数据模型，如关系模型、网络模型、层次模型或特殊的空间数据模型等。
空间概念拓展：
引入增加空间特征的E-R图，根据空间数据类型表示空间实体，允许空间关系和限制推理，降低E-R图和关系构架中的混乱程度。
5.举例说明GIS空间数据库关系表的设计。
关系表确定:
范式化：
第一范式（不能表中套表，即不能有次级字段）、第二范式（所有字段仅与主字段有关）、第三范式（不能有传递相关性）
表分割与关联：
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