GIS工程设计思想和内容

讲授内容一、GIS设计目标及其特点

二、GIS设计的理论基础——GIS工程学思想

三、GIS开发的一般过程四、GIS设计的主要内容五、GIS的规范化与标准化GIS设计目标就是通过改进系统设计方法、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，从而达到增强系统的实用性、降低系统开发和应用的成本、延长系统生命周期的目的GIS设计目标一、GIS设计目标及其特点软件危机如何开发软件，以满足对软件日益增长的需要如何维护数量不断膨胀的已有软件GIS软件危机情况日益严重进行GIS设计是避免软件危机，保证GIS开发质量、提高开发效率、降低开发成本的一个重要手段软件危机的出现软件危机的主要内容阶段主要内容开发软件对软件开发成本和进度的估计不准确软件质量不高用户接受度不高软件产品开发效率低相关的技术文档资料不完备软件可维护性、重用性和可扩展性不高维护软件数据不能得到及时的更新系统需求变所更要求的系统升级不能得到实施网络安全维护得不到贯彻执行返回GIS设计特点（1）GIS处理的空间数据数据量庞大实体种类繁多实体间的关联复杂GIS设计过程需要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采用相关的地理数据模型表达这些关系GIS设计特点（2）GIS设计以空间数据为驱动GIS设计以数据为导向进行系统建设系统的功能设计以提高数据的存储、分析和处理效率为原则GIS设计特点（3）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，项目计划管理是一个十分重要的部分在项目计划管理中，需要估计系统建设的投资效益评估系统建设的风险性和必要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二、GIS设计的理论基础（一）GIS工程学特点

（二）GIS工程学体系（三）GIS工程学的基础理论GIS工程学的产生

地理信息系统是自60年代产生以来，经过大规模的科学试验、技术创新、数据积累和商品化、产业化，现在已经过入工程化应用阶段。

随着GIS技术的成熟度与商品化程度不断提高，应用实践过程中的劳动分工不断细化，应用的广度、深度、复杂度与社会经济影响不断增加，如何优化配置各种资源，有效地组织GIS建设过程中各个环节、各个部分相互的时序与协作关系，发挥GIS的综合功能和整体效益，越来越成为GIS建设中面临的重大问题。这样的实践问题提出了引入系统工程学思想和方法的客观需求，推动着GIS建设的工程化和GIS工程学发展进程。GIS工程学是应用系统工程的原理和方法，研究有效组织和管理GIS工程规划、设计、实施、评价、维护和业务运行的学问。GIS工程学是在GIS应用不断深入和系统思想逐渐引入的基础上，由地理信息科学、地理学、地球系统学、管理学、经济学、市场学、GIS技术、遥感技术、全球定位技术、电子计算机技术和通讯技术等科学技术相互渗透而发展起来的一门新兴边缘学科。GIS工程学的定义作为一门独立的学科，GIS工程学具有自己独特的研究对象、学科定位、思想原则、科学基础、理论框架和方法论。GIS工程学的研究对象是GIS工程建设与管理。大型GIS建设是一涉及计算机软件、硬件、数据和人力资源的复杂工程。因此，必须运用系统工程学的理论和方法，立足于整体，通观全局，将系统分析和系统综合有机地结合起来，采取定性和定量相结合的方法，充分借鉴和吸取其它领域工程化建设的经验与成果，探讨出一条适合分析和解决地理相关问题，具有GIS特色的工程化建设、管理的模式与法则，建立系统化、理论化的GIS工程学，以指导需求不断增长、规模不断扩大的作为全球信息化重要的内容的GIS工程建设实践。GIS工程学的研究对象GIS工程学本质上是系统工程方法论与GIS建设实践相结合的产物，是GIS工程设计和实施工作中一般性法则的抽象和概括，是GIS工程建设的组织管理技术，是GIS工程建设中的科学方法论，是跨越各门学科的方法性、综合性的应用学科。GIS工程学的出现也是GIS应用中劳动分工和学科演化的结果。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GIS工程学特点GIS工程学特点有：以空间信息系统工程优化为目的横跨多学科直接面向决策，为可持续发展提供决策支持与GIS产业化密切联系GIS工程学体系任务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基础理论系统学地理信息科学系统工程学……方法论根据理论形成的一系列程序化的基本操作技术与方法系统工程学创始人之一霍尔（A.D.Hall）的三维结构（如图所示）目前比较经典的、影响较大的一种系统工程基本方法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七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GIS工程学的基础理论（1）系统学思想系统可以定义为由相互作用、相互依赖的若干组成部分（要素）构成的具有一定功能的有机整体每一个系统都有其独特的层次结构、功能与环境GIS工程学的基础理论（2）系统工程学“系统工程”这个专用名词二十世纪四十年代由美国贝尔电话公司提出，后来逐渐发展成为一门组织管理技术。作为一门的新兴学科，国内外对于系统工程学的研究和论述很多，但至今仍没有关于这门学科的统一的定义。一般认为，系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按照一定的目标对其进行研究、设计、开发、管理和控制，以其达到总体效果最优的理论和方法。可见，在系统科学体系结构中，系统工程学属工程技术类，是一门应用性很强的学科。GIS工程学的基础理论（2）GIS工程学的基础理论（3）地理信息科学1992年GoodChild首次提出研究地理信息的本质特征与运动规律被划分为三个层次地理信息科学被划分为三个层次理论地理信息科学技术地理信息科学应用地理信息科学为什么要学习GIS工程学1）地理信息系统越来越作为一组嵌入式部件被集成在更为综合的计算机系统中去，需要从更高的层次总体上把握和设计整体的技术解决方案，而不是象以前过分强调各个系统的不同特征与相对独立性2）涉及地理信息系统技术的各个要素，包括计算机硬件、软件、数据、网络、人力资源、相关政策等，以及它们之间相互联系更为复杂，使得具体的应用过程中对它们的品质和行为难以控制和维护3）一个应用过程的若干施工阶段或工艺流程之间的有机联系与合理组织，非常困难；4）地理信息系统资源的共享与重用，是个大问题；5）网络环境下地理信息系统资源的合理分配、负责与安全性；6）对地理信息过程中空间信息传播误差和不确定性难以把握；7）由于对系统建设的技术控制和预算控制的不力，系统成本不断攀升，开发周期不断延长，系统建设难以为继；8）技术系统革新对传统业务模式和工作制度的冲击，急需在系统建设过程中推行工程化的思想，指导各类地理信息系统的应用。为什么要学习GIS工程学三、GIS开发的一般过程1、系统分析可行性研究需求分析2、系统设计总体设计详细设计数据库与编码设计3、系统实施编程实现测试培训4、运行评价运行维护系统评价四、GIS系统设计的内容（一）总体设计（二）软件设计（二）数据库设计系统目标和任务系统架构和模块子系统设计软硬件选型数据库选择1、GIS总体设计GIS软件设计应当根据GIS工程学的设计思想来开展，使应用GIS系统满足科学化、合理化、经济化的总体要求GIS软件设计的基本原则标准化先进性兼容性高效率可靠性通用性2、GIS软件设计GIS软件设计应当根据GIS工程学的设计思想来开展，使应用GIS系统满足科学化、合理化、经济化的总体要求GIS软件设计的基本原则系统功能设计界面设计输入输出设计接口设计模型和方法设计2、GIS软件设计GIS软件设计的基本原则基本原则具体内容标准化符合GIS的基本要求和标准；符合现有的国家标准和行业规范先进性硬件设备的先进性；软件设计的先进性；技术方法的先进性；管理手段的先进性兼容性数据具有可交换性，选择标准的数据格式和实现数据格式转换功能，实现与不同数据库之间的数据共享高效性具有高效率的数据采集工艺方法和图形处理能力、存取能力、管理能力等等可靠性保证系统正常运行以及系统运行结果的正确性通用性系统数据组织灵活，可以满足不同应用分析的需求GIS软件设计与一般信息系统设计的差异软件设计一般信息系统设计设计重心处理的是海量空间数据，数据库设计在GIS设计中尤其重要软件功能实现是其设计重心数据库建设不仅要进行属性数据库的设计，更要进行空间数据库的设计，包括空间数据结构、存储方式、管理机制等只需要建立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GIS软件设计一般采用合适的软件生存周期模型以图表和逻辑表达式的形式来描述定义和生产两个阶段提供了一种有目的和有规划的方式来建立质量保证体系最常用的软件生存周期模型是瀑布模型瀑布模型将软件过程分为六个阶段存在缺乏灵活性、软件模块重用性差、开发周期长、修改困难、难以维护等缺陷适应不同软件开发的需求，陆续出现了快速原型模型增量模型螺旋模型……瀑布模型各阶段任务划分情况表

阶段名称任务支撑标准文档需求分析用户需求调查、确定系统建设目标和用户对系统的功能性能要求，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、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代码和系统维护报告数据库系统是存储、管理、处理和维护数据的软件系统，包括数据库、数据库管理员及相关软件数据库的核心是数据模型数据模型是一种形式化描述数据、数据之间联系以及有关语义约束的方法，包括数据结构操作的集合完整性约束3、GIS数据库设计地理数据库是一种应用于地理信息处理和信息分析领域的工程数据库，它管理的对象主要是地理数据较为常用的是文件与关系数据库混合管理模式ESRI公司推出的Geodatabase数据模型基于面向对象技术，在通用的关系型数据库的基础上建立空间数据库通过空间数据引擎进行访问是一种较为优越和高效的空间数据库管理模式返回五、GIS规范化与标准化（一）GIS规范化和标准化的作用

（二）GIS规范化和标准化的内容1、GIS规范化和标准化的作用实现信息共享，推进GIS发展的最基本保障避免简单重复的系统开发工作方便了数据共享，节约了资源2、GIS规范化和标准化的内容GIS规范化和标准化的主要内容包括GIS相关的名词术语标准与GIS软件工程开发有关的各种标准化活动与GIS数据库建设有关的活动与GIS数据共享有关的标准化工作从以下方向实行GIS规范化和标准化建设地理信息标准数据标准信息技术标准应用标准GIS的设计标准和系统评价标准（1）地理信息标准投影、坐标系空间信息分类和编码数据模型（2）数据标准数据交换空间元数据标准数据质量GIS数据产品标准标准的数据格式标准的概