研究生课件 10地理信息系统的设计与评价

GIS的设计与评价DesignandAssessmentofGIS1、地理信息系统基本类型

地理信息系统根据其内容和功能可分为两大基本类型：一是工具型地理信息系统，也就是GIS工具软件包，如ARC/INFO等，具有GIS基本功能。二是应用型地理信息系统，它是指在工具型地理信息系统的基础上，经过二次开发，建成满足用户解决一类或多类实际问题的地理信息系统。以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型GIS的开发工作日显重要。如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要又具有方便美观丰富的界面形式的地理信息系统，是GIS开发者非常关心的问题。2、地理信息系统技术走向

计算机技术飞速发展，特别是软件技术的发展，促使GIS技术发生了很大的变化。国际GIS技术的发展趋势，主要体现在两个方面：一是技术的综合(Integration)二是软件技术的分化(Fractionation)

CAD技术遥感技术全球定位技术Internet技术多媒体技术虚拟现实技术地理信息系统技术

OA/MIS技术技术的综合GIS软件发展模式模块式GIS/Module包式GIS/PackageGIS核心式GIS/CoreGIS组件式GIS/ComponentsGIS网络式GIS/WebGISGIS语言/GISL第一节农业资源信息系统的基本组成和开发流程一、基本组成一个理想的农业资源信息系统(AgricultureResourceInformationSystem,简称ARIS)，应该包括土壤圈、生物圈、地圈、大气圈与水圈的信息，包括影响农业资源的各种自然因素和社会经济条件的信息。但本系统所指农业资源只包括土地、土壤、水、肥、气等农业环境资源。一般的地理信息系统主要有硬件、软件、数据和系统组织管理者四部分组成。ARIS具有专业应用特点，是一个专题信息系统。专题信息系统可从软件部分专门分出应用模型。这样，ARIS应由五个基本部分组成：即计算机硬件、计算机软件、数据、应用模型和系统的组织管理者。计算机硬件主要包括用于数据输入设备的数字化仪或扫描仪、用于数据处理和系统运行的计算机、用于图形输出的打印机、绘图仪和必要的网络设备。计算机软件

可以直接采用商业GIS软件（如ARC/INFO、Mapinfo等），也可以进行二次开发。现在一般的商业GIS软件都有数据输入、处理、管理和分析等功能。如对ARIS进行二次开发，应根据系统的目的和任务，对系统的设计采用模块化、开放式的设计思路，提高系统的扩充性、兼容性，使系统成为一个真正技术先进、运行可靠、利用效益高的实用系统。数据

就ARIS而言，按数据类型可包括土壤类型、土地利用类型等空间数据和土壤理化性质、地块权属等属性数据；按内容包括土壤资源、土地资源、水资源、气候资源等数据。应用模型

要从系统用户的应用目的出发，建立相应的应用模型。如ARIS的重要目的是用于更好的指导农业实际生产，如土壤资源质量评价、土壤侵蚀评价、农用地评价等。组织管理者

可根据ARIS的使用对象，分为管理部门、生产单位和科研单位三类。资源环境信息土壤资源水资源肥料资源气候资源环境条件农户生产指导土地资源部门宏观决策农业分区农地规划灌溉调配社会经济信息科技信息计量施肥种植选址质量评价硬件组织管理者数据应用模型软件基础数据库系统用户界面管理操作系统农业资源信息系统基本组成框图示例

二、开发流程

1开发设计方法1）结构化设计模式：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；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对拟定的系统做最后的评价，从中选择一个运行的系统。2）生命周期法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、系统运行和维护。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，这种方法称为生命周期法。3）原型化设计法根据用户提出的要求，由用户与开发人员共同商定其中重要和基本的开发目标，然后选择一个实验区，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，交用户使用，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，最后生成一个比较完善和质量较高的应用型地理信息系统。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，以利于用户开发经费和开发时间的控制。ARIS系统开发流程

接受任务可行性分析信息调查功能分析信息分析讨论方案确定技术路线系统配置物理模型讨论讨论讨论设备购置软件研制系统开发信息采集系统测试试运行用户评议系统目标总体框图逻辑模型实施方案可行性研究系统分析总体方案设计系统实施运行评价技术方案设计接受任务可行性分析信息调查功能分析信息分析讨论方案确定技术路线系统配置物理模型讨论讨论讨论设备购置软件研制系统开发信息采集系统测试试运行用户评议系统目标总体框图逻辑模型实施方案可行性研究系统分析总体方案设计系统实施运行评价技术方案设计第二节系统分析一、可行性分析

可行性分析是对建立系统的必要性和实现目标的可能性，从社会因素、技术因素和经济因素三大方面进行分析，具体步骤有：1系统目标和任务

一般的ARIS应具有四个方面的任务：空间信息管理；空间指标量算；空间分析与综合评价；空间过程模拟。

2数据源调查和评价

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，收集到的数据是否齐备，并对现有数据形式、精度、流通程度等作进一步分析。3技术水平评价

ARIS的服务范围、输出形式和质量，用户技术水平的评价。4系统的支持状况部门管理者、工作人员对建立ARIS的支持情况；可用于ARIS系统的人力状况，财力支持情况等。二、用户类型和需求分析

ARIS的用户按性质可作如下分类：1政府管理部门这些用户的工作任务较为明确、固定，基本要求首先要建立大型的ARIS基础数据库，对数据标准化、数据结构和精度有较高的要求。同时要求有完善的网络支持，具有数据共享和信息交流功能，并与办公自动化相联系。2大专院校和科研单位工作任务不确定，往往会根据研究的需要来确定信息的需求，注重ARIS系统的二次开发，特别是各种专业模型的实现。3农业生产单位（含农户）工作任务较单一，非常注重实用化。这些用户要求ARIS系统具有诸如土壤对各种作物的适宜性评价、合理施肥指导等农业生产技术咨询及农业经济信息等功能，要ARIS直接服务于农业实际生产。同时要求ARIS系统要简单易操作，降低系统开发成本。

第三节系统设计与实施一、数据库设计

1、数据库的概念设计

概念设计的目标是产生反映用户需求的数据库概念结构。进行概念设计最常用的是E-R方法，也就是利用E-R模型（实体-联系模型，Entity-Relationshipmodel）进行数据库设计。E-R模型具有结构简单，语义表现力丰富，描述力强等优点，同时又能方便地转换为其它经常使用的网状、层次或关系模型，所以在数据库设计中得到广泛应用。

E-R模型中最基本的概念是实体、联系和属性。实体是指任何一个能够根据它们所包含的信息而加以区别的“事物”。一个实体所包含的信息通常用一组有限个相应的值来描述，称作属性值。属性是事物某一方面的特征，通常根据属性的语义，赋以一个相应的“属性名”。例如，土层厚度、质地、表土有机质含量、pH值等属性值的结合，即表征了土体“剖面特征”这样一个实体。联系简单地定义为实体集的一个有序表，其中任一实体集都可多次重复出现。2、数据库逻辑结构设计

进行ARIS数据库的逻辑设计，是有效地进行农业资源信息获取、管理与加工分析的手段。在此之前，首先要分析构成地理实体诸要素的数据表达方式。地理要素的数据表示主要有三种形式，即空间信息、属性信息与关系信息，其中地理要素的空间特征是描述地理数据表示方法的关键。在了解地理数据的主要形式后，可对数据库概念设计模型进行具体的划分和细化，特别结合系统开发所采用的软件所提供的数据结构。如采用ARC/INFO为建立ARIS数据库的主要软件平台，则数据库逻辑结构设计的过程就是把该数据库的概念模型转换为ARC/INFO系统中的数据模型。二、系统功能设计和软硬件选择1、系统功能设计

功能设计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，并明确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，规划系统采用的合适技术规范，以保证系统总体目标的实现。下图举例显示了ARIS系统的功能结构框图。农业资源信息系统基本功能例图2、系统软硬件选择对软硬件的选择要充分考虑用户支撑条件，要考虑到系统实际运行和发展的需要。

硬件选择首先要确定系统硬件核心是选用工作站、服务器或是微机。是否有网络支持，如有网络是选用局域网还是广域网。如以工作站为核心，支持局域网，ARIS硬件设备基本构成如下图所示。软驱光盘磁带数字化扫描仪工作站大幅面绘图仪小型打印机微机局域网磁盘输入输出存贮软件选择

ARIS软件组成要根据系统的总体设计以及相关硬件的需求，选择的基本软件有：

①基本操作系统工作站采用UNIX操作系统，PC机采用Window2K或WindowXP系统运行。

②专业软件一般而言，性能愈强，GIS软件的价格愈高。因此要针对系统的要求选取相应的软件。如美国环境系统研究所（ESRI）公司提供的GIS软件产品就有多种，象运行在Window2K上的PCARC/INFO、Arcview；工作站版和NT版的ARC/INFO软件等。所以要根据系统的目标和任务，结合硬件的设计来统一决定使用哪种GIS软件。

③开发软件开发软件可视GIS专业软件来确定，也可以完全采用计算机语言来开发。一般可分三种情况：采用GIS专业软件提供的内部语言进行二次开发。如ARC/INFO提供AML语言、Arcview提供的Avenue语言、Mapinfo提供的Mapbasic语言等。采用商业GIS图形控件和高级计算机语言结合进行开发。如ESRI公司提供的Mapobject，Mapinfo公司提供MapX等。完全采用高级计算机语言进行ARIS系统的整体开发。附：开发方式（1）独立开发

指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如VisualC++、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS工具软件，减少了开发成本，但一方面对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化GIS工具软件相比。

（2）单纯二次开发

指完全借助于GIS工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言和专门语言，如ARC/INFO的AML，ESRI的ArcView提供了Avenue，MapInfo公司研制的MapInfoProfessional提供了MapBasic语言等。用户可以利用这些宏语言，以原GIS工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言，作为编程语言只能算是二流，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意。（3）集成二次开发

集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件，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Delphi、Visual

C++、Visual

Basic、PowerBuilder等为开发平台，进行二者的集成开发。

集成二次开发目前主要有两种方式：OLE/DDE(ObjectLinkingandEmbedding/DynamicDataExchange)

采用OLEAutomation技术或利用DDE技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以OLE自动化方式或DDE方式启动GIS工具软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能；

GIS控件（组件技术）

利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能控件，如ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX、Intergraph公司的GeoMedia、超图公司的Supermap2000、北京朝夕公司MapEngine和北京惠图公司的TopoMap等，在C++、VB、Delphi等编程工具编制的应用程序中，直接将GIS功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。

以MapInfo为例（DDE技术）动态数据链接：是Windows环境下不同应用程序之间通过主动链接完成数据交换的协议标准。

DDE会话有三个要素：会话对象名称(ApplicationName)、会话主题(LinkTopic)和数据项（LinkItem〕VB应用程序MapInfo程序MapBasic程序数据库前台后台客户程序数据交换服务的接受者服务器程序数据交换服务的提供者数据通道组件技术的介绍

组件技术使近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。在组件技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中每个对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来，以便其他对象了解和调用。（1）COM

COM是组件式对象模型(ComponentObjectModel)的英文缩写，是组件之间相互接口的规范，是OLE和ActiveX共同的基础，其作用是使各种软件构件和应用软件能够用一种统一的标准方式进行交互。COM不是一种面向对象的语言，而是一种与源代码无关的二进制标准。COM所建立的是一个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以通过称之为“接口”的机制来进行通信。COM标准增加了保障系统和组件完整的安全机制，并扩展到分布式环境。

（2）ActiveX

ActiveX是微软公司的构件技术标准，实际上是对象嵌入与炼接（OLE）的新版本，使OLE接口加强了对数据和特性的管理，效率更高，而且更加便于进行Internet互操作。作为针对Internet应用开发的技术，ActiveX被广泛应用于WEB服务器以及客户端的各个方面。同时，ActiveX技术也被用于方便地创建普通的桌面应用程序。

（3）ActiveX控件

ActiveX控件是充分利用OLE和ActiveX技术的自定义控件，是基于与应用程序无关的思想而设计的，其目标是提供一种面向对象、与操作系统无关、与机器平台无关、可以在应用程序之间互相访问对象地机制。从本质上讲，ActiveX控件是一个ActiveX服务器。

ActiveX技术是OLE技术在Internet上的重定义，而ActiveX控件则是OLE控件在Internet上的扩展。

ActiveX不等同于ActiveX构件，ActiveX是一个很宽的技术家族的标识，而ActiveX构件只是那个家族的一个特定技术。

（4）组件式GIS技术

组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。组件式GIS系统的特点小巧灵活、价格便宜无须专门GIS开发语言，直接嵌入MIS开发工具强大的GIS功能开发简捷更加大众化开发商软件产品软件产品开发商基础软件平台MapGIS6.1版武汉中地信息工程有限公司空间房地产信息管理系统EPSEM北京清华山维新技术开发有限公司MapGIS综合管线信息系统武汉中地信息工程有限公司世纪人传输之星CMTransfer深圳世纪人软件工程有限公司MapGIS地籍信息系统武汉中地信息工程有限公司电子地图辅助设计系统GISCAD深圳世纪人软件工程有限公司通用桌面GIS软件SuperMap

Deskpro

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北京吉威数源软件开发有限公司动态表单软件开发平台SuperForm

北京超图地理信息技术有限公司方正智绘专业版5.01方正数码有限公司灵图嵌入式GIS北京灵图软件技术有限公司瑞得数字测图系统RDMS武汉瑞得信息工程有限公司灵图三维GIS北京灵图软件技术有限公司多媒体电子地图集成工具Atlas2000武汉大学资源与环境科学学院灵图GPS专用GIS北京灵图软件技术有限公司奥发“识途”导航软件AFInternetGIS

武汉奥发科技工程有限公司数据加工及转换平台EPSX2000北京清华山维新技术开发有限公司数字方舟网络地理信息系统北京数字方舟信息技术有限公司科技部发布2001年度国产地理信息（GIS）软件（排名不分先后）

功能

MapObjects

MapX显示的地图数据格式

Arcview的SHP、ARC/INFO的coverage、SDE图层MapInfo的数据格式叠加栅格图像

有

有对地图的常用操作

放大、缩小、漫游等

放大、缩小、漫游等图层控制

增加、移走、设置当前层

增加、移走、设置当前层属性数据绑定

有

有地图信息查询方式

1.通过鼠标选取特征

2.通过SQL查找特征

3.通过空间操作选取特征

1.通过鼠标选取特征

2.通过SQL查找特征

3.通过空间操作选取特征专题地图

较弱

有GPS集成

有

有用户绘图图层

无

有生成/编辑地图对象

较弱

较弱地图标注

有

有地图符号化

较弱

较强分析功能

无

无地理编码

有

有可使用的开发语言

VC、VB、PowerBuilder、Delphi、Access等

VC、VB、PowerBuilder、Delphi、LotusNotes等三、系统应用设计

ARIS的应用设计主要是应用模型的设计、模型分析结果的输出设计，以及为方便用户的应用而进行的对话设计。对话设计是为了便于人机结合，对话方式可采用菜单式或问答式。应用模型是ARIS系统深入应用的关键所在。对于应用部门而言，建立专题性的地理信息系统，不仅仅在于进行信息管理、自动制图和空间查询等，更重要的是与专题模型相结合，实现专业服务的需要。如建立县级农业资源信息系统，在输入土壤、地形、土地利用等基础数据后，不进一步开发水土流失评价、土壤质量评价等模型，那么就不能真正体现这个专题地理信息系统的价值。目前，用于农业资源评价规划的专业模型既有自行开发，也有现成软件包，同时各种GIS软件提供开发环境也各不相同，造成专业模型与农业资源系统之间的数据交换、共享方式和集成体系也不同。根据ARIS和专业模型集成结构的不同，可进行松散、紧密和面向对象三种方式的应用模型开发。松散方式

通过ARIS和专业模型Import/Export完成数据的转换，生成各自接受的数据集。这种结合基本上是将ARIS当作一个空间数据库，空间模型分析的功能则利用其他软件（如SAS、SPSS等）或编程语言VB、C++、FORTRAN等来编写，也可以直接利用商业软件包，如水土流失评价可直接采用美国USLE软件包，农业非点源污染可采用AGNPS软件包。紧密方式通常利用GIS软件所提供的分析功能和宏语言集来建立专业模型。如IDRISIv4.1新提供的决策支持分析功能，其两个新程序WEIGHT和MCE采用多规则评价概念，应用于土地适宜性分析。同时，GIS软件提供宏语言，如ARC/INFO的AML、Arcview的Avenue、Mapinfo的Mapbasic。面向对象方式

提供面向对象功能的GIS软件是开放的系统，提供图形数据和属性数据的操作接口，而对象又包括属性、事件和方法。所以，专业模型的开发就直接采用面向对象的编程语言，将图形对象、空间分析和模型算法融为一个程序体。如ESRI公司开发的Mapobject软件、Mapinfo公司可发的MapX等。面向对象方式

VisualBasic等可视化集成开发环境GIS应用集成系统专业模型GIS控件其他控件GIS控件与应用模型的无缝集成四、系统的组织实施

ARIS系统的组织实施一般可采取以下三种方式：完全自主开发从系统的组织、策划、总体设计、详细设计、软硬件购置安装到数据库建设和应用软件开发等等，完全依靠用户单位本身的技术力量独立完成。这要求该单位拥有专业门类比较齐全，总体技术水平较高的专业技术队伍。其优点是组织工作简单、用户需求情况熟悉、经费节省和本身技术水平能迅速提高，系统建成后的维护、更新、升级也比较有保障。但这一方法对用户单位的技术要求很高，就我国现状而言，多数单位尚不具备此类条件。全盘委托开发整个工程从设计到实施完成均由选定的某一个或几个具备技术实力的单位开发，用户单位派少数技术人员参加开发的全过程，了解掌握系统开发成果，开发完成后，交给用户单位使用。缺点是开发的系统功能并非全都适用，且系统开发费用相对较高。系统交付使用后，用户单位几乎无法对系统做长期的维护、更新和升级工作。联合开发

系统开发工作由用户单位和地理信息系统专业单位联合承担，由双方的技术人员组成联合开发组，在系统开发的每一阶段，均应进行详细的讨论和共同动手开发，使用户单位技术人员掌握系统开发的整体框架和技术细节，并逐步由配角转变为主角。这一方法的优点在于通过联合开发，可迅速地为用户单位培养出一支自己的技术队伍，能自己运转，并能长期对系统进行维护、更新和升级。这是比较适合我国国情的开发实施模式。

至于用户单位选择哪种开发实施模式，可具体根据本单位的技术、人员、资金等情况和要求开发的ARIS系统的功能要求来确定。一般来说，对于一些政府管理部门用户可采用全盘委托开发模式，最好要求开发单位既要做好系统的建立，又要做好系统的维护和升级；对于大专院校和科研单位用户而言，可根据自身技术条件，采用完全自主开发或联合开发两种。但由于ARIS系统用户多为农业院校和科研单位，缺乏系统软件开发技术，所以应多采取联合开发。这其中，可以进行不同院校和科研院所之间进行联合攻关；对于农业生产单位（含农户）而言，只能作为纯粹普通用户来购买使用一些廉价实用的系统软件，一般不存在开发。第四节地理信息的标准化一、地理信息标准化的内容1统一的名词术语内涵由于GIS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，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1：500～1：2000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。1：10000～1：500000的比例尺统一采用高斯—克吕格投影输入、输出的基础；1：1000000及更小比例尺的图幅采用等角圆锥投影。4统一的数据分类标准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。为此，首先按社会环境、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个专业类型的具体分类标准。5统一的数据编码系统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）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信息；3）编码不宜过长，一般为4～7位；4）不能出现代码的多义性。6统一的数据组织结构描述地理实体的空间数据应包括空间位置、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，应表示统一的序号的唯一标识码、实体类型的分类、实体位置的（x，y）坐标，以及与点有关的属性等。7统一的数据记录格式数据记录格式是指GIS原始数据和输出数据在磁性介质内的记录方式，包括矢量、影像和格网三种空间数据及其元数据记录格式，8统一的数据质量含义

GIS数据质量是指该数据对特定用途的分析、操作和应用的适宜程度。具体含义包括：1）数据完整性，指要素的完整性和属性的完整性；2）数据一致性，指逻辑一致性和拓扑的一致性；3）位置精度，包括绝对精度、相对精度、像元位置精度、形状相似性等；4）时间精度，数据的现势性；5）属性精度，指连续值、有序值、标准值的精度等。二、地理信息标准化的制定目前正在制订标准和规范的重要单位有：1、ISO/TC211：国际标准化组织TC211专题组；2、FGDC：美国联邦地理数据委员会；3、CEN/TC287：欧洲标准化委员会；4、OGC：美国open