GIS设计

第一讲地理信息系统应用概论•Why？•What？•How?GIS设计与开发实验学习目标•了解GIS研制过程•掌握GIS设计步骤•了解GIS的评价过程•认识GIS标准化的意义•掌握信息技术的标准和规范重点：GIS设计步骤、GIS的评价过程GIS基础•信息与数据•地理信息与地理数据•信息系统与地理信息系统•地理信息系统包括什么•地理信息系统是什么•什么是地理信息应用系统•地理信息系统的应用•举例•如何实现•相关学科•昨天，今天，明天•数据的采集与编辑•数据处理•数据的存储与组织•空间查询与分析地理信息系统的功能地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特征，可以存贮和处理不同发展时期的大量地理数据，并具有极强的空间系统综合分析能力，是服务于地理科学研究和应用的新技术，是地理学现代化的重要手段。GIS的开发设计不仅有其既定的目标，而且有其阶段性。地理信息系统设计的基本思想和要求系统分析系统设计系统实施系统维护及评价GIS开发研究的四个阶段GIS的研制过程加强系统的实用性降低系统开发和应用的成本提高系统的生命周期地理信息系统设计要满足的三个基本要求加强系统的实用性降低系统开发和应用的成本提高系统的生命周期加强系统的实用性降低系统开发和应用的成本系统设计要根据设计原理,采用结构化分析方法结构化----有组织,有计划,有规律的一种安排.利用一般系统工程分析法和有关结构概念,把它们应用于地理信息系统的设计,采用自上而下划分模块,逐步求精的系统的分析方法。结构化系统分析方法----结构化的基本思想1.系统的观点2.调研的观点3.结构化的观点4.面向用户的观点1.系统的观点：首先要从总体出发，考虑全局的问题，然后再自上而下，一层一层的完成系统的研制，这是结构化的思想核心。2.调研的原则：只有先进行调查研究，了解用户的需求，掌握必要的数据，才能进行系统分析,做出合理的设计。调查研究是地理信息系统设计的基本原则。3.结构化的方法:在地理信息系统的逻辑设计中,要用到结构化的方法,包括:分析信息流程,绘制数据流程图；根据数据的规范,编制数据字典;根据概念结构的设计,确定数据文件的逻辑结构;选择系统执行的结构化语言,以及采用控制结构作为地理信息系统的设计工具等,还包括系统结构上的变化和功能上的改变。4.面向用户的观点:地理信息系统类型的选择,很大程度上取决于使用部门的工作性质、工作领域以及该领域内的应用范围和应用期限。另外,用户的技术选择,用户的财力和人力的费用等,都是设计地理信息系统适应考虑的内容。二、地理信息系统设计的步骤地理信息系统的设计：首先需要进行大量仔细的调查工作和准备工作，其中包括了解和掌握有关部门已做了些什么，有什么文献可供参考等。在获取大量可供使用的资料并明确系统目标的基础上，从系统观点出发，对地理事物进行分析和综合，然后才是系统的设计，具体步骤如下:1.系统分析系统分析就是要解决“做什么”的问题，它的核心是对地理信息系统进行逻辑分析，解决需求功能的逻辑关系及数据支持系统的结构，以及数据与功能之间的关系。系统分析包括：–需求分析–可行性分析–业务调查–逻辑设计需求分析：就是在明确用户的基础上，调查并分析用户在目前和将来发展业务上需要些什么信息，以及完成该项专业活动所需的数据、采用的处理手段、进行的实践活动和他们的设想和建议。以此来确定系统的目的和范围、系统的运行周期、成果形式以及系统应具有的效率和水平。可行性分析：是从社会、经济和技术三方面对需求和约束条件进行分析，确定项目开展的必要性和可能性。包括：①效益分析；②经费预算；③进度预测；④技术水平的支持能力；⑤有关部门的支持程度；⑥数据的可靠性和精度；⑦系统的兼容性等。业务调查：主要是查看掌握数据的情况。分析研究什么样的数据能变换成所需要的信息，然后对现有的数据形式、精度、流通程度等做进一步分析，还要在分析数据内容形式和处理方法之后，找出需要改进的地方。系统逻辑设计：是系统和使用者之间相互“理解”，系统设计者与使用者沟通，即使用者要明确如何发出指令，使系统完成特定的任务，系统需要能够解释使用者发出指令的意义以及完成正确指令的正确操作。这就需要建立一套独立于系统物理结构和计算机之上的逻辑规则，使用者基于这种逻辑规则组织自己的应用问题和分析模型，这些规则的建立就是地理信息系统的逻辑设计，包括：数据模型基本操作地图集合逻辑等。2.系统设计系统设计就是将分析阶段提出的逻辑模型转化为物理模型，其设计的内容随系统的目标、数据的性质和系统环境的不同而有很大的差异。首先应根据系统研制的目标，确定系统必须具备的空间操作功能；其次是将数据分类和编码，完成空间数据的存贮和管理；最后是系统的建模和产品的输出。系统设计阶段的工作包括：系统总体设计：即在系统逻辑模型的基础上设计系统的物理模型。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，并说明它们在整个系统中的作用与相互关系。包括软件、硬件环境、系统功能设计和数据库设计。主要步骤：首先根据系统的要求确定支撑系统的软件、硬件环境。其次根据系统逻辑模型的要求设计系统的功能组成、系统组织结构、各子系统的功能和性能要求。模块设计：即将系统进行分解，确定实现方法，进行代码设计。系统分解就是根据系统功能间的聚合度将系统分解为若干程度适当的模块，块内聚合度最大、块间聚合度最小，一个模块只执行一种功能，一种功能只能用一个模块来实现。实现方法主要有：结构化的软件设计方法、面向对象的软件设计方法和原型化的设计方法等多种。各有特点，在具体工作中需灵活地选择或结合各种方法作出最有效最佳方案的设计。模块代码设计要采用地理信息系统软件工具和程序设计语言来完成。系统设计：是地理信息系统整个研制工作的核心。不但要完成逻辑模型所规定的任务，而且要使所设计的系统达到优化。所谓优化，就是选择最优方案，使地理信息系统具有运行效率高、控制性能好和可变性强等特点。要提高系统的运行效率，一般要尽量避免中间文件的建立，减少文件扫描的遍数，并尽量采用优化的数据处理算法。为增强系统的控制能力，要拟定对数字和字符出错时的校验方法；在使用数据文件时，要设置口令，防止数据泄密和被非法修改，保证只能通过特定的通道存取数据。为了提高系统的可变性，最有效的方法是采用模块化的方法，按功能将系统逐步分解为若干个第一层模块、第二层模块等。3.系统实施是指根据系统设计将物理模型转化为实际系统，其工作包括硬件配置、软件编制、数据准备、人员培训、系统组装、试运行和测试，最后交付使用。系统实施过程中要进行实施组织，实施管理小组负责整个系统实施的进度和质量管理。是指在GIS整个运行过程中，为了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。GIS维护的内容主要包括以下四个方面：①纠错纠错性维护是在系统运行中发生异常或故障时进行的。②完善和适应性维护软件功能扩充、性能提高、用户业务变化、硬件更换、操作系统升级、数据形式变换引起的对系统的修改维护。③硬件设备的维护包括机器设备的日常管理和维护工作。一旦机器发生故障，则要有专门人员进行修理。另外，随着业务的需要和发展，还需要对硬件设备进行更新。④数据更新数据是GIS运行的“血液”，必须保证GIS中数据的现势性，进行数据的实时更新。系统维护系统评价，就是指从技术和经济两个大的方面，对所设计的地理信息系统进行评定。基本做法是将运行着的系统与预期目标进行比较，考察是否达到了系统设计时所预定的效果。考察的主要内容有：第二节地理信息系统的评价考察的主要内容一、系统效率二、系统可靠性三、可扩展性四、可移植性五、系统效益系统效率是通过地理信息系统的各种职能指标、技术指标和经济指标反映出来的。例如：系统操作是否方便快捷,系统出错率如何，资源的使用效率高低等等。一系统效率系统可靠性是指系统在运行时的稳定性。可靠性好的系统，一般很少发生事故，即使发生事故也能很快修复。可靠性还包括系统有关的数据文件和程序能否妥善保存，系统是否有后备体系等。系统可靠性二三可扩展性任何系统的开发都是从简单到复杂的不断求精和逐步完善的过程。地理信息系统常常是从清查和汇集空间数据开始,然后逐步演化到从管理到决策的高级阶段，功能逐步增加和提高。因此,要在现行系统上不做大的改动或不影响整个系统的情况下增加功能模块,就必须在系统设计时留有接口,否则,当数据增加或功能增加时,系统就要重新设计,这就是一个没有生命力的系统。四可移植性可移植性是评价地理信息系统的一项重要指标。一个有价值的地理信息系统软件和数据库,不仅在于它自身结构的合理,还在于他对环境的适应能力。这首先要求系统必须按国家规范标准设计,以保证软件和数据的匹配、交换和共享。此外,在地理信息系统软件的设计中,采用自上而下的结构设计。首先将与平台软件、硬件有关的公用子程序列出；再列出与平台软件、硬件无关的子程序；最后组成软件系统,也可提高软件开发的可移植性。五系统效益经济效益---体现:促进生产力和产值的提高,减少盲目投资,降低工时耗费,减轻灾害损失等.现状:目前GIS经济效益还不太显著.但前景将会不断提高.社会效益---体现:信息共享的效果,地学综合能力的发展,应用系统的模型化,工作时间的缩短等现状:目前评价GIS主要侧重社会效益.一、GIS标准化概述随着GIS技术的发展，特别是网络技术应用到地理信息系统建设中，与它有关的标准化也成为一个必须解决的问题。在信息技术领域，标准和规范按照其使用状态，可以分为两种，即实际使用的标准和法律意义上的标准。按照管辖地区的大小，制定信息技术的标准化组织可以分为五个层次（Cargill）：国际级标准化组织，如ISO；区域级标准化组织；国家级标准化组织，如美国国家标准化组织ANSI以及美国联邦地理数据委员会；政府和用户级标准化组织，在GIS领域，OGC（OpenGIS）就属于该层次；以及补充性标准化组织。地理信息系统的标准化二、GIS标准化的内容信息技术的标准和规范可以分为以下五个方面：硬件设备的标准：在网络技术中，存在着大量这种标准，如IEEE802系列；软件方面的标准：包括操作系统，查询语言，程序设计语言，图形用户界面等等，如SQL、DCOM、CORBA等等；数据和格式的标准：包括数据模型，数据库的构建，数据质量和可靠性，地理要素的分类系统，数据格式转换等，在地理信息应用中，空间数据编码规范、元数据标准等就属于该范畴；数据集标准：数据存放的文件格式标准，如美国人口普查局的TIGER文件标准等；过程标准：如ISO9000系列和CMM等，主要是针对系统开发过程的指导。地理信息系统标准化主要包括后四个方面的标准，具体内容有：软件工具，如文档，设计、验收、评测标准以及软件的接口规范等；数据，包括数据模型，数据质量，数据产品，数据交换，数据显示，空间坐标投影等；系统开发，系统设计过程，数据工艺流程，标准建库流程等；其他，包括名词术语，管理办法等。一般而言，软件工具，系统开发，管理办法等方面的标准可以借用更为通用的信息技术标准规范，所以GIS标准主要集中于空间数据以及相关的一系列规范。三、ISO/TC211地理信息标准简介ISO/TC211地理信息/地球信息科学专业委员会成立于1994年3月。其目的是为了促进全球地理信息资源的开发、利用和共享，即制定ISO/TC211地理信息/地球信息科学标准，它是对与地球上位置直接或间接有关的物体或现象信息的结构化标准。该标准共分为25部分（截至2000年5月）：主要针对地理信息的内容和相关的方法；各种数据管理的工具和服务及有关的请求、处理、分析、获取、表达；以及在不同的用户、系统平台和位置上进行数据的转换。1.参考模型描述地理信息系统标准的使用环境、使用的基本原则和标准的改造框架，同时也定义了该标准的所有的概念和要素。参考模型是一个独立于任何应用、方法和技术的模型，也是整个ISO/TC211的委员会的工作指南。2.综述整个ISO/TC211标准系列的介绍和回顾。ISO/TC211将是一个完整全面的地理信息系统的