第四章UGIS软件工程概述课件

第四章UGIS软件工程概述主要内容4.1UGIS软件工程4.2UGIS软件工程设计方法与过程模型4.3UGIS系统分析4.4UGIS系统设计4.5UGIS系统开发与实施4.6UGIS系统维护更新与系统评价软件工程的原理与方法软件工程是做什么的？计划经费组织进度标准设计？什么是软件危机?美国IBM公司于1963年~1966年开发的IBM360系列机的操作系统。该软件系统花了大约5000人一年的工作量，最多时，有1000人投入开发工作，写出近100万行的源程序。尽管投入了这么多的人力和物力，得到的结果却极其糟糕。据统计，这个操作系统每次发行的新版本都是从前一版本中找出1000个程序错误而修正的结果。可想而知，这样的软件质量糟到了什么地步！软件危机——软件开发和维护过程中遇到的一系列严重问题，包含两方面的问题：如何开发软件，怎样满足对软件的日益增长的需求如何维护数量不断膨胀的已有软件软件工程的原理与方法软件危机的形成:高中低分析设计编程测试维护修改错误的阶段代价（成本、质量、效率）原始要求正确的规格说明错误的规格说明需求分析设计正确的设计错误的设计对错误说明的设计编码正确编码对错误说明的编码错误编码对错误设计的编码测试正确功能潜伏的错误不可改正的错误可改正的错误不完善的软件软件工程的原理与方法4.1GIS软件工程IEEE（美国电气和电子工程师协会）在1993年给软件工程下了如下定义：

1）将系统化的、规范的、可度量的方法应用于软件的开发、运行和维护的过程，即将工程化方法应用于软件中2）第一条中所属方法的研究4.1.1软件工程（1）概念美国电气和电子工程师协会（IEEE）是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是世界上最大的专业技术组织之一（成员人数），拥有来自175个国家的36万会员透过多元化的会员，该组织在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域中都是主要的权威。在电气及电子工程、计算机及控制技术领域中，IEEE发表的文献占了全球将近百分之三十软件工程是一门关于构建和维护有效、实用、高质量软件的学科，它应用计算机科学、数学及管理科学等原理，借鉴传统工程的原则、方法，创建软件以达到提高质量，降低成本的目的4.1GIS软件工程软件工程的目标低开发成本高可靠性按时交付高性能易于维护互斥关系互补关系目标活动原则软件工程框架（2）软件开发模型a.瀑布模型问题定义可行性研究需求分析总体设计详细设计编码与单元测试综合测试软件维护软件开发过程的各阶段自顶向下，从抽象到具体，就向奔流不息的瀑布，一泻千里，总是从高处流向低处。因此用瀑布来模拟软件开发过程十分恰当，其开发模型称之为瀑布模型三个特点：——阶段间具有顺序性和依赖性只有前一阶段工作完成，才能开始下一阶段工作。下一阶段的工作依赖前一阶段工作的正确性。错误发生的阶段越早，对后期造成修改错误的代价越高——推迟实现的特点强调需求分析、设计等是软件实现的必要前期工作。推迟了代码设计的时间起点——质量保证的特点强调了各阶段成果表示及文档的重要性，强调了阶段审查和测试的必要性，主要支持面向过程的开发方法a.瀑布模型强调需求分析的清晰完整，后续的模型则较模糊（2）软件开发模型b.喷泉模型主要刻画软件工程活动中迭代和无间隙的特征，模糊生命周期的阶段性，强调阶段的交叉进行和重复的开发模型指在分析、设计和实现等开发活动之间不存在明显的边界2、特点（1）系统实在原型基础上迭代进行的（2）软件活动之间没有明显的阶段间隙（3）主要支持面向对象的方法3、步骤与方法不强调生命周期的阶段性要求，按照面向对象的概念和方法步骤进行，使用面向对象的计算机语言b.喷泉模型——UGIS开发具有软件开发的共性，是应用系统的原理和方法，针对特定的实际应用目的和要求，统筹设计、优化、建设、评价和维护实用UGIS系统的全部过程和步骤的统称4.1.2UGIS软件工程（1）概念4.1UGIS软件工程工程实施数据工程设计工程前期工程维护工程指一个GIS软件从提出开发要求开始直到该软件报废为止的整个时期GIS软件工程的生存周期GIS软件工程的生存周期工程调研可行性研究和项目计划前期工程需求分析GIS软件工程的生存周期总体设计数据库设计设计工程应用模型设计详细设计GIS软件工程的生存周期数据预处理数据采集数据工程数据处理GIS软件工程的生存周期程序编制测试工程实施试运行GIS软件工程的生存周期数据库维护维护工程软件维护和硬件维护GIS软件开发过程中的问题1经费预算经常突破，完成时间拖延2开发的软件不能满足用户的要求3软件可维护性差4软件可靠性差4.1UGIS软件工程5数据工程量大，特别是数据采集工作量大6软件需求和软件生产的矛盾日益加剧，软件生产效率低7软件可重用性差GIS软件开发过程中的问题4.1UGIS软件工程GIS是以管理空间特征的地理数据为主要内容具有以下特点：综合性强，跨学科空间数据为主，同时有属性数据的管理空间分析功能要求比较高但是，GIS软件的开发也遵循软件工程的思想4.1UGIS软件工程4.1UGIS软件工程1确定UGIS开发计划2GIS系统分析3系统设计4程序编码5产品测试6运行和维护UGIS软件的开发步骤：多学科边缘体系，系统复杂度大以空间数据为主，数据类型多样，结构复杂，数据在系统中具有特别的地位表达的内容复杂；表达的对象具有时空特性以空间分析为主（2）UGIS软件工程特点4.1UGIS软件工程——系统分析是采用系统工程思想方法，对项目的实际情况进行分析综合，制定各种可行方案，为系统设计提供依据4.2UGIS系统分析对用户进行需求调查对用户机构设置、业务关系、数据流程等方面做深入的研究和分析提出系统的结构方案和逻辑模型4.2.1系统分析的任务和内容（1）任务4.2UGIS系统分析4.2UGIS系统分析（2）内容需求分析可行性分析

对用户要求和用户情况进行调查分析从技术、经济、社会等因素确定系统开发的可能性4.2.2需求分析4.2UGIS系统分析需求分析是对用户要求和用户情况进行调查分析，确定系统的用户结构、工作流程、用户对应用界面和程序接口的要求，以及系统应具备的功能等，是系统开发的准备阶段4.2.2需求分析4.2UGIS系统分析（1）方式面谈、电话访谈、参观，请用户观看、操作已建好的其它城市地理信息系统，以便同用户交流4.2UGIS系统分析（2）需求分析内容系统调查用户类型及需求特点技术力量的调查分析资金财力、数据资料（数据的完备性、准确性、精确性）的调查分析系统效益、运行可行性调查分析4.2UGIS系统分析数据分析数据的输出样式，e.g：屏幕显示、Web发布，出版、工程图输出数据的内容和要求数据的分布性现有纸质地图和电子数据数据采集和建库遥感数据地图数据文本数据，统计数据，实测数据，多媒体数据，已有系统的数据……4.2UGIS系统分析功能需求分析地图的基本操作功能数据采集图形、属性编辑检索查询输出管理专业的空间分析功能图形输出软件中的显示打印格式报表输出激活图层查询条件以成都为终点的铁路SQL查询功能物理环境资源文档接口安全性数据用户或人的因素质量保证UGIS其他需求分析内容4.2UGIS系统分析——在需求分析的基础上，从技术、经济和社会等因素确定系统开发的可能性，主要内容包括：技术水平、资金、进度和组织运作等方面4.2.3可行性分析4.2UGIS系统分析分析现有UGIS软件的优缺点分析所开发的UGIS软件使用对象的要求选择需要开发的所有模块，并分析已有算法的实用性估计开发成本和时间提交可行性分析报告4.2UGIS系统分析（1）可行性分析的主要步骤技术力量和开发人员的素质经费进度支持程度制定设计实施的初步计划4.2UGIS系统分析（2）可行性分析的内容UGIS的软件需求规格说明是在UGIS结构化分析的基础上建立的自顶向下的任务分析模型。规格说明描述了系统的需求，是联系UGIS需求分析与UGIS设计的重要桥梁4.2.4

软件需求规格说明4.2UGIS系统分析1.引言

1.1编写目的

1.2UGIS项目背景

1.3定义

1.4参考资料UGIS软件需求规格说明的主要内容4.2UGIS系统分析2.UGIS项目概述2.1UGIS项目目标、内容、现行系统的调查情况2.2UGIS运行环境2.3条件与限制UGIS软件需求规格说明的主要内容4.2UGIS系统分析

3.UGIS数据描述

3.1UGIS静态数据

3.2UGIS动态数据

3.3UGIS数据流图

3.4UGIS数据库描述

3.5UGIS数据字典

3.6UGIS加工逻辑说明

3.7数据采集UGIS软件需求规格说明的主要内容4.2UGIS系统分析4.UGIS功能需求4.1功能划分4.2功能描述5.UGIS性能需求

5.1数据精确度

5.2时间特性

5.3适应性UGIS软件需求规格说明的主要内容4.2UGIS系统分析6.UGIS运行需求6.1用户界面6.2硬件接口6.3软件接口6.4故障处理7．质量保证8．其它需求UGIS软件需求规格说明的主要内容4.2UGIS系统分析——系统分析阶段提出的逻辑模型(“做什么”)转化为相应的物理模型，设计内容随系统目标、数据性质和系统功能的不同而存在很大差异4.3

UGIS系统设计目标：解决“怎么做”的问题（进行数据设计、系统结构设计、界面设计和过程设计）4.3

UGIS系统设计系统设计基本原则：简单实用性原则界面美观、友好标准性和前瞻性原则经济性原则安全性、稳定性原则开放性和可扩展性原则数据保密原则4.3

UGIS系统设计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，并说明他们在整个系统中的作用和相互关系，以及确定系统的硬件配置，规定系统采用的合适技术规范，以保证系统目标的实现4.3.1总体设计4.3

UGIS系统设计（1）总体设计的内容a.确认用户的要求能否实现b.根据目标确定最合适的设计方法c.确定设计文档的编制标准d.确定代码体系，与硬件、操作系统的接口规约，命名规则等制定规范（标准设计）（1）总体设计的内容按功能划分成模块的层次结构，对模块的功能进行描述确定模块间的接口和调用关系评估模块划分的质量及导出模块结构的规则软件结构设计（1）总体设计的内容a.UGIS模型设计UGIS空间数据处理编辑处理变换处理编码和压缩处理数据插值数据类型转换查询分析、几何分析、地形分析、流域分析、叠置分析、邻域分析、网络分析、图像分析、多元分析、应用模型分析UGIS空间分析设计（1）总体设计的内容UGIS应用模型库的设计b.UGIS接口设计

“标准数据”是指常用的商业UGIS软件的数据格式，如Arc/Info的Coverage、ArcView的Shp、MapInfo的Mif等格式（1）系统与标准数据的接口b.UGIS接口设计（续）设计UGIS内各子系统之间和子系统内各个模块之间的接口，使它们能够较好地进行通讯和实现功能共享（2）互操作接口绑定式分离式思路空间数据与属性数据都由UGIS软件来管理空间数据由UGIS软件来管理，属性数据由通用的关系型数据库来管理优点不需要考虑接口问题对数据的利用更为灵活，能为其它MIS系统提供属性数据共享服务缺点空间数据与属性数据绑定，属性数据不灵活要考虑接口问题软件举例ArcGISMapInfo（3）空间数据与属性数据的接口（4）UGIS与系统开发环境的接口b.UGIS接口设计UGIS软件与CAD、OA、RDBMS等数据的交互。通过导入/导出机制来解决数据格式差异带来的不兼容问题或采用OLE技术来实现OLE（ObjectLinkingandEmbedding，对象连接与嵌入），是Microsoft开发的在客户应用程序间传输和共享信息的一组综合标准，允许创建带有指向应用程序的链接的混合文档以使用户修改时不必在应用程序间切换的协议，该协议已广泛用于商业上，在商业中电子表格、字处理程序、财务软件包和其他应用程序可以通过客户/服务器体系共享和链接单独的信息（1）总体设计的内容数据库的宏观地理定义、数据库的地理特征设计、属性数据及其关系设计数据的分层管理数据模型设计数据库设计（1）总体设计的内容软硬件配置设计网络设计输入、输出要求成本与收益分析其他内容消防管理信息系统中硬件设计示例消防管理信息系统的分层设计示例完成对数据库的访问消防管理信息系统的工作流程图设计（1）总体设计的内容总体设计说明书数据库设计说明书审定用户手册制定初步的测试计划编写总体设计阶段的文档（1）总体设计的内容总体设计评审可追溯性实用性质量

接口技术清晰度风险可维护性各种选择方案附：系统总体设计报告1引言1.1编写目的1.2背景说明2用户需求分析成果包括系统功能需求和性能需求等附：系统总体设计报告3

总体设计3.1设计目标、依据和方法3.2软件结构体系3.3软、硬件配置方案3.4软件模块设计附：系统总体设计报告4

接口设计说明4.1内部接口

4.2外部接口

4.3用户接口详细设计是在总体设计基础上进一步细化、具体化、物理化4.3.2详细设计4.3GIS系统设计（1）详细设计的任务确定每个模块的算法确定每一个模块的数据组织为每个模块设计一组测试用例编写详细设计说明书（2）详细设计的原则模块的逻辑描述正确可靠、清晰易读采用结构化程序设计方法，改善控制结构，降低程序复杂度，提高程序的可读性、可测试性和可维护性（3）详细设计的内容①详细设计模块内容

详细的算法，数据表示和数据结构，实现的功能和使用的数据之间的关系②

数据分级、分类及编码设计（3）详细设计的内容③数据库设计

数据获取方案设计修正数据标准和数据字典数据质量控制方案设计数据存储、检索设计（3）详细设计的内容④界面设计——输入、输出界面——可用性、灵活性和可靠性基于命令行的界面（3）详细设计的内容④界面设计——输入、输出界面菜单驱动的GIS界面（3）详细设计的内容⑤

安全性设计操作权限分级，用户分级口令的设置与病毒防治⑥设置评价指标，实施的计划方案设计评价指标雅安旅游信息系统的功能设计打印清除选择矩形框选取消选择缓冲查询折线测量直线测量查找SQL查询漫游取消活动图层缩小鹰眼图例放大活动图层上一显示窗口标识链接景点详情页面数据层名称数据层描述数据类型行政界线省界、市界、县界、乡界线状旅游区旅游区面状公路高速公路、国道、省道、一般道路线状铁路铁路线状河流单线河及双线河线状行政单位市县级行政单位点状雅安旅游信息系统的功能设计系统主界面系统查询界面服务管理界面雅安旅游信息系统的功能设计附：详细设计规格说明书1引言1.1背景1.2参考资料1.3术语和缩写语2程序（模块）系统的组织结构用图表列出本程序系统内每个模块(或子程序)的名称、标识符，以及这些模块(或子程序)之间的层次关系附：详细设计规格说明书3模块（或子程序）设计说明3.1模块（子程序）描述3.2功能3.3性能3.4输入项3.5输出项3.6处理过程3.7接口3.8存储分配3.9注释设计3.10限制条件3.11测试计划附：详细设计规格说明书4

模块（或子程序）设计说明用类似3的方式，说明第二个模块（子程序）乃至第N个模块（或子程序）的设计考虑

系统开发实施是地理信息系统付诸现实的实践阶段，把系统方案加以具体落实系统实施主要工作：分模块编制程序、程序的调试和试运行，数据的采集和数据库的建立、人员的技术培训及系统测试1系统开发与实施的任务4.4

系统开发与实施4.4

系统开发与实施2系统实施人员构成软硬件人员首先应进行地理信息系统系统设备的安装和调试工作，安装适合的系统开发平台，包括通用平台（VisualC++、SUNWorkshop），专用平台（ARC/INFOAML、Avenue）以及4GL、CASE工具（Delphi、PowerBuilder）等（a）程序编制与调试3系统开发实施内容部分代码示例漫游的实现代码（a）程序编制与调试（b）数据采集与数据库建立（c）人员培训——事物管理人员、系统操作员、系统维护人员（d）系统测试

设计一组测试用例->用各个测试用例的输入数据实际运行被测程序->检测实际输出结果与预期的输出结果是否一致3系统开发实施内容测试方法是否需要执行软件静态测试动态测试是否针对系统内部结构白盒测试黑盒测试--人工评审软件文档和程序，发现其中的错误--有控制的运行程序，发现其中的错误--已知内部工作过程，测试内部操作是否符合设计规格要求--已知系统功能设计，测试实现的功能是否满足要求对地理信息系统的性能进行估计、检查、测试、分析和评审，包括用实际指标与计划指标进行比较，评价系统目标实现的程度，就评价结果形成系统评价报告1系统评价4.5

系统评价与维护更新系统维护是指在地理信息系统整个运行过程中，为适应环境和其他因素的各种变化，保证系统正常工作而采取的一切活动，包括系统功能的改进和解决在系统运行期间发生的一切问题和错误2系统维护更新4.5

系统评价与维护更新系统纠错系统软硬件更新系统数据模型运行更新系统维护更新的内容4.5

系统评价与维护更新GIS软件工程实例－

中国国家公路地理信息系统建设单位全国公路数据库项目组主要内容背景系统需求系统目标数据组织软件选型系统功能进度安排背景国际背景当今世界公路交通作为国民经济的大动脉，越来越为各国政府高度重视随着全球信息化的迅猛发展，尤其是发达国家都努力采用最新技术建立高效、智能化的路网管理体系，用以解决公路路网在管理、规划、设计、通讯、监控等领域的标准化、系统化、自动化的问题；提高管理决策的准确度和可靠性，为国民经济的发展创造最佳的支撑环境国内背景随着经济建设的高速发展，我国的公路建设也取得了巨大成就，近年来公路建设规模大、发展快、无论是公路里程、技术等级、还是路面等级都有了突飞猛进的发展国民经济和公路建设的飞速发展对公路管理方式和管理技术手段提出了更高的要求采用先进的科学管理和决策方法，提高公路的管理水平，充分发挥公路在国民经济发展中的作用，是当前公路管理工作的重要任务之一系统需求现状通过2001年的全国第二次公路普查，以及每年《全国公路数据库系统》的维护工作，交通部公路司已拥有了非常丰富翔实的路况基础属性数据。在此基础上已建立了全国、省、地、县多级《公路数据库系统》，对于提高管理水平和改善管理效率发挥了积极作用新的需求对空间数据的需求管理工作已经不再局限于对公路设施基本属性信息的处理，希望以地图方式实现公路属性信息可视化对专题地图的需求需要了解各种专题信息（如高速路网在全国的分布情况、危桥所在的区域等等），并且可以打印输出对路线规划的需求需要根据路线的位置及技术等级分布情况等信息，在地图上规划新的路线处理突发事件的需求需要对水毁、地震等突发事件实行快速定位，掌握路况信息进行事故分析交通流量监控的需求需要通过视频和图片信息了解主要路段的交通量信息为社会服务的需求通过WEB方式向公众提供路线分布及交通流量信息，为公众选择出行路线系统目标集中力量建立“一库一网一套应用系统”，即“111”中国公路信息化工程。包括一个标准的全国公路数据库平台一个提供公众出行信息的人性化的公路信息服务网一套以公路数据库为数据平台的业务应用系统在现有《全国公路数据库系统》基础上建立和整合路网空间数据库、搭建全国路网综合信息平台、实现公路数据的可视化管理为公路主管部门提供及时、准确、全面的有关公路线路、里程及路况的信息实现高效的数据资源管理和深层次的开发利用，为决策者提供可靠的决策依据为《全国路网实时监控系统》和《公众出行服务系统》提供基础平台基础地理信息（背景图层）采用国家测绘局《全国1：25万数据库》。该数据库以矢量方式存储管理1：25万地形图上的境界、水系、交通、居民地、地貌、地名等要素。路网图层在一期建设过程中，公路路网图层主要包括国道和高速信息。每条路线包括的主要属性为：路线编码、路线名称、起点里程和止点里程。在公路路网图层中，每条路线除包括坐标信息外，还存储有桩号信息，通过与公路数据库关联和动态分段技术，能得到所有公路信息。公路路网图层包含网络拓扑结构，用户在系统中可以给定通行条件，在路网图层中寻找最佳路径。2005年开始二期建设，公路路网图层将增加省道信息全国公路数据库全国公路数据库以第二次全国公路路况普查的数据集合为基础，主要包括路线概况集、路基集、路面集、主要构造物集、沿线设施集、交通量集、沿线环境集、年报数据集八大类，84张数据表，800多个指标项公路数据库的详细设计请参见《全国公路数据库系统数据库设计方案》系统全部数据约2GB数据组织软件选型选型要求海量存储：系统的数据量非常大，第一期数据容量已经达到2GB。因此，要求GIS软件对空间和属性数据有海量存储和管理的能力，并且有较快的响应速度安全性：要求数据由数据库系统统一管理，并提供权限管理功能，保证数据的安全性稳定性：要求GIS软件供应商有较强的技术实力，其产品系列化，功能强大，在全球和国内有众多用户，并且有较多的成功案例提供Web发布能力：方便为社会公众服务选型产品数据库服务器端产品：空间数据库引擎ArcSDE，提供海量空间数据和非空间数据的统一存储、管理和与客户端的互操作能力Web服务器产品：互联网地图发布系统ArcIMS，提供通过网络获取动态地图、GIS数据以及各种服务的途径客户端产品：地图组件MapObjects，提供地图访问功能系统功能（1）地图显示功能设置地图显示范围，提供概览图、空间书签、比例尺控制等功能控制图层显示状态，提供修改符号，制作专题图等功能地图定位的功能，可以按照行政区划、路线编码及查找功能进行快速定位数据管理功能访问《全国1：250000地形图》和《全国公路数据库》中的全部数据，并以图形化方式显示，实现公路指标数据的可视化，便于业务人员查询使用根据行政区划、路线编码、技术指标等相关信息，按一定条件加载数据，使业务人员能够快速找到感兴趣的信息公路数据库指标查询功能：对公路数据库中相关信息，给定多组条件，进行组合查询，将查询结果通过图形化方式在地图上显示系统功能（2）查询功能查询任何一条路线的简明信息和明细信息。查询任何一个行政区划范围内的路线简明信息和路线名细信息查询路线上任何一点