GIS设计与实现 2.GIS设计思想与方法

1、第二章第二章 GIS设计思想与方法设计思想与方法地理信息系统设计教程 GIS设计目标及其特点设计目标及其特点 GIS设计的理论基础设计的理论基础 GIS设计的内容设计的内容 GIS规范化与标准化规范化与标准化 GIS设计方法设计方法第一节第一节 GIS设计目标及其特点设计目标及其特点返回返回软件产品生命周期的两个重要阶段软件产品生命周期的两个重要阶段:软件维护过程软件维护过程软件开发过程软件开发过程 软件定义、软件设计、软件实现、软件测试、软件运行改正性维护 完善性维护适应性维护开发方法不正确开发方法不正确软件不可维护软件不可维护用户不满意用户不满意软件危机软件危机一、软件危机一、软件危机1

2、1. .软件危机产生的历史背景软件危机产生的历史背景 20世纪60年代中期以前： 软件是为具体的应用专门编写的 软件规模小 编写者和使用者往往是同一个（组）人返回返回 这种个体化的软件开发方法，使得软件设计通常是这种个体化的软件开发方法，使得软件设计通常是在人们头脑中进行的一个隐含的过程，除了程序清单在人们头脑中进行的一个隐含的过程，除了程序清单之外，没有其它文档资料保存下来。之外，没有其它文档资料保存下来。 20世纪60年代中期到70年代中期： 出现了“软件作坊 ” 软件规模不断增大 软件数量不断膨胀 返回返回 仍然沿用早期的个体化软件开发方法，软仍然沿用早期的个体化软件开发方法，软件维护变

3、得异常困难，甚至软件是不可维护的，件维护变得异常困难，甚至软件是不可维护的，从而引发了软件危机。从而引发了软件危机。对软件开发成本和进度的估计常常很不准确；对软件开发成本和进度的估计常常很不准确；返回返回2.软件危机的典型表现软件危机的典型表现用户对已完成的软件系统不满意的现象经常发生；用户对已完成的软件系统不满意的现象经常发生；软件通常没有适当的文档资料软件通常没有适当的文档资料, ,常常是不可维护的。常常是不可维护的。 1 1）与软件本身的特点有关：）与软件本身的特点有关： 返回返回5.产生软件危机的原因产生软件危机的原因软件是不可见的软件是不可见的 软件的规模非常庞大软件的规模非常庞大2

4、 2）与软件开发与维护的方法不正确有关）与软件开发与维护的方法不正确有关 返回返回 忽视软件需求分析忽视软件需求分析 没有完全按照软件工程所要求的那样按步骤进行软件开发没有完全按照软件工程所要求的那样按步骤进行软件开发 只重视程序，忽视软件的其它配置只重视程序，忽视软件的其它配置 忽视软件的维护工作忽视软件的维护工作 6.6.消除软件危机的途径消除软件危机的途径（1）软件的认识上）软件的认识上（2）软件开发技术和方法上）软件开发技术和方法上彻底消除彻底消除软件就是程序软件就是程序的错误观念。的错误观念。必须认识到软件开发不是某种个体劳动的神秘技巧，必须认识到软件开发不是某种个体劳动的神秘技巧，

5、而应该是一种组织良好、管理严密、各类人员协同配合、而应该是一种组织良好、管理严密、各类人员协同配合、共同完成的工程项目。共同完成的工程项目。 推广和使用人们在实践中总结出的开发软件的成功推广和使用人们在实践中总结出的开发软件的成功的技术和方法，并且研究探索更好更有效的技术和方的技术和方法，并且研究探索更好更有效的技术和方法。法。 GISGIS设计目标就是通过设计目标就是通过改进系统设计方改进系统设计方法、严格执行开发的阶段划分、进行各阶段法、严格执行开发的阶段划分、进行各阶段质量把关以及做好项目建设的组织管理工作质量把关以及做好项目建设的组织管理工作，从而达到从而达到增强系统的实用性、降低系统

6、开发增强系统的实用性、降低系统开发和应用的成本、延长系统生命周期和应用的成本、延长系统生命周期的目的。的目的。三、GIS设计特点1.GIS处理的是空间数据空间数据，因此GIS设计过程需要做好周密的系统分析系统分析工作。数据量庞大实体种类繁多实体间的关联复杂 分析系统的业务流； 分析系统所涉及的地理实体类型以及实体间的各种关系，并采用相关的地理数据模型表达这些关系。 2.GIS工程投资大、周期长、风险大、涉及部门繁多，因此，在GIS设计中，必须重视项目计划和管理。项目计划和管理。估计系统建设的投资效益估计系统建设的投资效益评估系统建设的风险评估系统建设的风险制定系统的建设进度安排，保证系统建设的

7、高效性制定系统的建设进度安排，保证系统建设的高效性建立系统建设的组织机构和进行人员协调建立系统建设的组织机构和进行人员协调第二节第二节 GIS设计的理论基础设计的理论基础返回返回一、软件工程 软件危机出现后，1968年北大西洋公约组织的计算机科学家在联邦德国召开国际会议，讨论软件危机的问题，在这个会议上正式提出了“软件工程”这个名词，一门新兴的工程学科就此诞生了。返回返回1.1.软件工程的概念软件工程的概念 软件工程是指导计算机软件开发和维护的一门工程学科。返回返回 采用工程的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件，把经过时间考验而证明是正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来，以

8、经济地开发出高质量的软件并有效地维护它。2 2、软件工程的本质特性、软件工程的本质特性返回返回软件工程关注大型程序的构造软件工程关注大型程序的构造 软件工程的中心课题是控制复杂性软件工程的中心课题是控制复杂性 软件经常变化软件经常变化和谐地合作是开发软件的关键和谐地合作是开发软件的关键 软件必须有效地支持它的用户软件必须有效地支持它的用户 在软件工程领域中是有一种文化背景的人代替具在软件工程领域中是有一种文化背景的人代替具有另一种文化背景的人创造产品有另一种文化背景的人创造产品3.软件工程的基本原理软件工程的基本原理返回返回用分阶段的生命周期计划严格管理用分阶段的生命周期计划严格管理坚持进行阶

9、段评审坚持进行阶段评审采用现代程序设计技术采用现代程序设计技术开发小组的人员应少而精开发小组的人员应少而精二、GIS工程学 GIS工程学是根据地理信息科学、系统工程学、软件工程学等学科特点形成的一套程序化的基本工作技术和方法。 GIS工程学在促进GIS的推广应用，加快GIS软件产业的发展方面具有十分重要的意义，可以看作是GIS设计的方法学。 任务任务基础理论基础理论方法论方法论GIS工程学体系由三部分组成：工程学体系由三部分组成： 运用系统论的理论和方法，实现GIS工程的最优设计、最优管理和最优运行，以求得系统总体最优化。系统学地理信息科学系统工程学软件工程学 霍尔（A.D.Hall）的三维结

10、构 霍尔（霍尔（A.D.HallA.D.Hall）的三维结构）的三维结构 将系统工程活动的方法体系分为前后紧密衔接的七个步骤和八个阶段，同时考虑为完成各个步骤和阶段所需的各种专业知识 。GIS工程三维结构图工程三维结构图返回返回择维逻辑维系统优化与方案选知识维问题定义指标系统设计系统分析问题模型化计划实施系统综合意向阶段规划阶段拟订方案阶段编制总体方案阶段系统开发设计与研制阶段调试阶段安装阶段业务运行阶段时间计算机科学地理学测绘学遥感学管理科学地理信息科学第三节第三节 GIS设计的内容设计的内容返回返回一、一、 GIS设计的指导思想设计的指导思想 采用工程化管理方法，确保软件的质量和开发进度采

11、用工程化管理方法，确保软件的质量和开发进度对系统技术实现方案进科学论证，确保软件模块的对系统技术实现方案进科学论证，确保软件模块的科学构建和开发风格的统一科学构建和开发风格的统一采用合适的软件采用合适的软件生存周期模型生存周期模型，确保系统功能的合，确保系统功能的合理性及用户的可接受度。理性及用户的可接受度。二、二、GISGIS设计的基本原则设计的基本原则标准化标准化先进性先进性兼容性兼容性高效性高效性可靠性可靠性通用性通用性符合GIS基本要求和标准；符合国家及地方标准；符合行业标准。硬件设备的先进性；软件设计的先进性；技术方法的先进性；管理手段的先进性。数据的可交换和共享性；与其他软件的兼容

12、性。系统容易使用；系统解决实际问题能力强；系统能提供工作效率。保证系统能够正常运行；系统运行结果的正确性可以满足不同应用分析的需求GISGIS设计与一般信息系统设计的差异设计与一般信息系统设计的差异GIS设计一般信息系统设计设计重心数据库设计软件功能设计数据库建 设空间与属性数据库属性数据库设计方法以业务需求为导向、以空间数据为驱动进行系统设计以业务需求为导向，以功能为驱动进行系统设计 三、软件生存周期模型三、软件生存周期模型瀑布模型瀑布模型快速原型模型快速原型模型2 2、瀑布模型、瀑布模型1）瀑布模型的阶段划分阶段名称任务支撑标准文档需求分析需求分析用户需求调查、确定系统建设目标和用户对系统

13、的功能性能要求，分析系统建设的可行性需求分析报告项目管理项目管理方案设计方案设计对系统建设过程进行总体规划，包括对工作区域和可用资源的规定、开发成本估算、开发平台和开发工具选择、工作任务和进度安排等内容项目管理计划方案书 系统总体系统总体设计设计将系统的需求转换为数据结构和软件体系结构，即数据设计和体系结构设计总体设计报告 系统详细系统详细设计设计系统总体设计阶段确定下来的软件模块结构和接口描述具体地实现，得出实现系统目标技术的精确描述详细设计报告系统实施、系统实施、运行和维护运行和维护根据详细设计报告的描述对系统的模块、函数和界面进行实现，并试运行和进行系统调试，以及对系统进行日常的维护软件

14、代码和系统维护报告 2 2）瀑布模型的特点）瀑布模型的特点阶段间具有顺序性和依赖性；推迟实现的观点质量保证的观点3 3、快速原型模型、快速原型模型1 1）概念）概念 所谓快速原型是快速建立起来的可以在计算机上运行的程序。快速原型的第一步是快速建立一个能反映用户主要需求的原型系统，让用户在计算机上试用，通过实践来了解目标系统的概貌。通常用户试用原型之后会提出许多修改意见，开发人员按用户的意见快速地修改原型系统，然后再次地请用户试用，直到用户满意为止，此时开发人员就可以据此书写规格说明文档，根据这份文档开发出的软件可以满足用户真正的需求。2 2）快速原型模型的优点：）快速原型模型的优点： 能够正确

15、反映用户的需求 能够有效减少设计和编码阶段的错误。2 2）快速原型模型的本质：）快速原型模型的本质： 快速 获得用户真正需求第四节第四节 GISGIS规范化与标准化规范化与标准化返回返回 1 1）GISGIS是建立在计算机、网络等多种技术标准之上的，是建立在计算机、网络等多种技术标准之上的，离开了这些标准就无法完成离开了这些标准就无法完成GISGIS的开发。的开发。一、一、GISGIS规范化和标准化的作用规范化和标准化的作用2)2)可以避免简单重复的系统开发工作，直接在可以避免简单重复的系统开发工作，直接在GISGIS标准标准体系结构的基础上致力于高层次、专业化的应用开发，体系结构的基础上致力

16、于高层次、专业化的应用开发，可以节省费用、提高效率和方便应用。可以节省费用、提高效率和方便应用。1、在、在GIS项目开发上的作用项目开发上的作用2、在地理信息共享上的作用、在地理信息共享上的作用返回返回 地理信息共享的三个基本条件：地理信息共享的三个基本条件：数据资源的储备数据资源的储备 技术支撑系统的保证技术支撑系统的保证共享规则的制订、被广泛采纳和遵循共享规则的制订、被广泛采纳和遵循 打破信息孤岛，实现地理信息共享二、地理信息标准的制订二、地理信息标准的制订1 1、国内外制定标准和规范的单位、国内外制定标准和规范的单位返回返回 ISO/TC 211ISO/TC 211； FGDC;FGDC

17、; CEN/TC287; CEN/TC287; OGCOGC； MEGRIN;MEGRIN; CGSD; CGSD; CSBTC/TC230 CSBTC/TC2302 2、我国地理信息规范化和标准化进程、我国地理信息规范化和标准化进程返回返回19831983年编制了年编制了资源与环境信息系统国家规范研究报告资源与环境信息系统国家规范研究报告；19841984年国家测绘局测绘标准化研究所的成立；年国家测绘局测绘标准化研究所的成立；19971997全国地理信息标准化技术委员会（全国地理信息标准化技术委员会（CSBTC/TC230CSBTC/TC230）成立；）成立；20042004年年CSBTCC

18、SBTC完成了地理信息国家标准修订项目完成了地理信息国家标准修订项目8383项的确认和评价；项的确认和评价；20102010年年 国家地理信息标准化国家地理信息标准化“十二五十二五”规划编制工作启动。规划编制工作启动。三、三、GISGIS规范化和标准化的内容规范化和标准化的内容GISGIS软件的规范化软件的规范化GISGIS数据的标准化数据的标准化（一）（一）GISGIS软件的规范化软件的规范化1 1、计算机技术标准、计算机技术标准 GISGIS软件属于信息系统范畴，软件属于信息系统范畴，GISGIS软件的设计应遵软件的设计应遵循一般计算机软件设计的相应规范，如：循一般计算机软件设计的相应规范

19、，如： 网络协议标准网络协议标准 软件设计标准软件设计标准 软件评测标准软件评测标准 软件接口标准软件接口标准 系统验收标准系统验收标准地理空间框架基本规定；地理空间框架基本规定；地理信息元数据标准；地理信息元数据标准；基础地理信息标准数据基本规定；基础地理信息标准数据基本规定；基础地理信息城市数据库建设规范；基础地理信息城市数据库建设规范；基础地理信息数据库基本规定；基础地理信息数据库基本规定；地理信息质量评价过程；地理信息质量评价过程；基础地理信息数据档案管理与保护规范；基础地理信息数据档案管理与保护规范；城市地理信息系统设计规范；城市地理信息系统设计规范；数字城市地理空间信息公共平台技术

20、规范；数字城市地理空间信息公共平台技术规范；地理信息公共平台基本规定；地理信息公共平台基本规定；地理信息一致性与测试。地理信息一致性与测试。 2 2、GISGIS特有的规范和标准特有的规范和标准通过某种坐标系统实现，如地理坐标系、直角坐标系、公里网等。即在二维空间的基础上，实现多专题的第三维的信息表达。（二）（二）GISGIS数据的标准化数据的标准化 地理信息反映的是地理实体空间分布特征和属性地理信息反映的是地理实体空间分布特征和属性信息。具有以下两个显著特征：信息。具有以下两个显著特征： 定位特征、多维结构特征定位特征、多维结构特征（1）统一的地理坐标系统）统一的地理坐标系统 统一的地理坐标

21、系统是各类地理信息收集、存储、统一的地理坐标系统是各类地理信息收集、存储、检索、交换、相互配准及进行综合分析评价的基础。检索、交换、相互配准及进行综合分析评价的基础。1）统一的地图投影系统）统一的地图投影系统 设计系统时，应采用与国家基本地形图相适应的投影，如高斯-克里格投影，并考虑投影的相互转换。2）统一的地理格网系统）统一的地理格网系统 GB12409-1900规定我国采用三种类型的格网系统： 10 10格网系统：纬差10 、经差10 ，主要适用于海洋、气象、地球物理等领域的空间信息； 4 6格网系统：纬差4 、经差6 ，主要适用于全国省区范围内的空间信息； 直角格网坐标系统：适合城市建设

22、与管理等领域。3）统一的高程控制系统）统一的高程控制系统 高程控制系统与地理格网系统结合使用，用于真实高程控制系统与地理格网系统结合使用，用于真实反映现实世界中各种实体之间在空间上的三维立体关反映现实世界中各种实体之间在空间上的三维立体关系。系。 有全国统一的高程系统和独立高程系统之分，两者有全国统一的高程系统和独立高程系统之分，两者可相互转换。可相互转换。 设计设计GIS时，应选定一个高程系统作为系统统一的时，应选定一个高程系统作为系统统一的高程控制基础。高程控制基础。4）统一的区域多边形或空间统计单元系统）统一的区域多边形或空间统计单元系统 区域是信息收集、存储和检索的重要基本单元，目区域

23、是信息收集、存储和检索的重要基本单元，目前可参照的国家标准有：前可参照的国家标准有： 行政区域系统行政区域系统 流域分区系统流域分区系统 综合自然区划系统综合自然区划系统(2)空间信息分类和编码系统空间信息分类和编码系统编码的直接产物是代码，即表示特定信息的一个或一组有序排列的符号。 我国制定了多种用途的区位编码系统，如行政区划、邮政编码、公路、河流等的编码系统。 编码就是在信息分类的基础上给每一种地理要素分配唯一的标识符，以区分和识别该类地理实体。例：公路编码与命名规则（例：公路编码与命名规则（ GB/T919-2002 ） 说明：说明： 1、公路行政等级分为国道、省道、县道、乡道、专用公路

24、、其它公路六级，分别用字母G、S、X、Y、Z、Q 表示。 2、三位数字码表示国道主干线或公路延伸方向：001-098为国道主干线。（如G2京沪高速） ，101-198为放射状国道或省道，201-298为南北向延伸的国道或省道，301-398为东西向延伸国道或省道。（如G312国道） 3、行政区划代码执行国家标准中华人民共和国行政区划代码（GB/T2260）对地理信息的理解，如： E-R模型、空间E-R模型如何组织数据，如关系模型；基于点、线、面的空间表达模型；面向对象空间数据模型模型。数据文件的物理实现，如：关系数据库系统数据存储模式；.tab文件存储模式；.shp文件存储模式等。概念模型逻辑

25、模型物理模型（3）数据模型标准）数据模型标准 即对数据的解释、组织和存储标准。（1 1）数据交换标准）数据交换标准美国的数据转换标准（SDTS）欧洲的数据转化标准（GDF）中国的数据转换标准（NSDTF）要求： 能够交换空间数据的图形、属性及元数据信息； 数据保真； 独立于软件、硬件和网络。（2）空间元数据标准）空间元数据标准 元数据是对数据集的现势性、精度、内容、组织形式、属性、来源、适用性等多种信息的描述。 只有建立起规范的空间元数据才能有效地利用数据。FGDC(美国联邦地理数据委员会美国联邦地理数据委员会)的的GSDGMMEGRN（欧洲地图事务所）的（欧洲地图事务所）的GDDDCSC（加

26、拿大标准委员会）的（加拿大标准委员会）的CGSBNASA（美国宇航局）的（美国宇航局）的DIFISO/TC2121（国际标准化组织）（国际标准化组织）误差的来源有三种： 数据获取阶段产生的误差 数据处理阶段产生的误差 数据使用阶段产生的误差 应建立空间数据质量标应建立空间数据质量标准来评价和控制数据质量准来评价和控制数据质量数据质量指空间数据的可靠性和精度，用误差误差来表示。3、数据质量标准一级质量元素二级质量元素位置精度平面精度高程精度接边精度形状保真度象元定位精度(图像分辨率)属性精度要素分类与代码的正确性要素属性值的正确性要素注记的正确性逻辑一致拓扑关系的正确性完整性元数据完备性实体类型

27、完备性属性数据完备性注记完备性现势性和数据说明数据采集日期说明数据更新日期说明 空间数据的质量评价指标体系空间数据的质量评价指标体系在GIS系统开发时，应根据现有的质量标准和工作特点制定相应质量控制文档。第五节第五节GISGIS设计方法设计方法一、一、 结构化生命周期法结构化生命周期法 结构化生命周期法是瀑布模型的具体应用结构化生命周期法是瀑布模型的具体应用,要要求求设计过程必须严格地按阶段进行，只有前一阶设计过程必须严格地按阶段进行，只有前一阶段完成之后，才能开始下一阶段的工作。段完成之后，才能开始下一阶段的工作。 （一）结构化生命周期法的阶段划分（一）结构化生命周期法的阶段划分 结构化生命

28、周期法把系统开发过程结构化生命周期法把系统开发过程划分为划分为三个时期，八个阶段。三个时期，八个阶段。 软件定义时期（系统分析）软件定义时期（系统分析） 上述工作由系统分析员系统分析员完成，具体可划分为三个阶段：问题定义、可行性研究、需求分析问题定义、可行性研究、需求分析确定工程的总目标确定工程的总目标确定工程的可行性确定工程的可行性估计工程所需的资源和成本估计工程所需的资源和成本制订工程进度表制订工程进度表系统设计系统实现总体设计详细设计编码及单元测试综合测试软件开发时期软件开发时期 该时期具体设计和实现前一个时期定义的该时期具体设计和实现前一个时期定义的软件。一般由四个阶段组成：软件。一般

29、由四个阶段组成：软件维护时期软件维护时期 问题定义可行性研究需求分析总体设计详细设计编码及单元测试综合测试软件维护1 1、问题定义、问题定义 本本阶段必须回答的问题是： 要解决的问题是什么？解决的问题是什么？ 通过对用户的访问调查及大量的分析整理通过对用户的访问调查及大量的分析整理工作，系统分析员给出关于工作，系统分析员给出关于问题的性质、工程问题的性质、工程的目标和工程规模、所需的资源和成本，并制的目标和工程规模、所需的资源和成本，并制定工作进度。定工作进度。2、可行性研究阶段 这个阶段要回答的关键问题是：这个阶段要回答的关键问题是： 对于上个阶段所确定的问题有行得通对于上个阶段所确定的问题

30、有行得通的解决办法吗？的解决办法吗？经济上的可行性经济上的可行性技术上的可行性技术上的可行性人力资源的可行性人力资源的可行性数据可获得性数据可获得性 可行性的结果是部门负责人决策的依据。3、需求分析阶段 这个阶段要解决的问题是： 为了解决这个问题，目标系统必须做什么？即确定目标系统必须具备那些功能。 在这个阶段的一项重要任务，是用正式文档准确地记录对目标系统的需求，这份文档通常称为需求规格说明书需求规格说明书。4 4、总体设计阶段、总体设计阶段 这个阶段必须回答的关键问题是： 概括地说，应该怎样实现目标系统该阶段须完成以下两方面的任务：1、设计出实现目标系统的几种可能方案，推荐一个最佳方案，并制定出实现该方案的详细计划。2、设计程序的体系结构，即确定程序有哪些模块组成以及模块之间的关系。5 5、详细设计阶段、详细设计阶段（模块设计） 本阶段主要回答的问