（地图制图学与地理信息工程专业论文）西安地裂缝地面沉降信息管理系统设计与实现.pdf

摘要 地裂缝地面沉降地质灾害制约着西安的城市规划和建设，多年来备受各级政府关 注。目前，这种地质灾害的研究工作已历经5 0 余年，积累了大量资料。有效利用资料 并展开深入研究，需要现代信息技术的强力支撑。本论文适应新形势下对两种灾害研 究的现实要求，应用地理信息系统技术，在空间数据库建设基础上，尝试并初步完成 了西安地裂缝地面沉降信息管理系统( 简称x a d d g i s ) 的综合开发，从而使应对这两 种特定灾害的研究和防治工作有了可靠的依托和保障。 本系统的设计与实现严格按照软件工程的思想，将面向对象思想和方法贯穿于整 个系统的设计和开发过程之中。在设计基础上，依托主流工具软件( a r c e n g i n e 9 3 组 件和c 群n e t 平台) 设计并完成整个系统开发工作。其间，遇到并解决了一系列与系 统设计与实现有关的具体而关键的技术问题，取得如下成果和收获： 1 设计并实现的基于c n e t + a r c e n g i n e 的地裂缝地面沉降专题信息系统结构 框架，具有一定的普适性，能适用并满足基本需求相似的信息系统开发； 2 系统以空间数据库为基础，通过运用系统开发最新技术完成，具备应用性地理 信息系统管理、统计、显示、查询、分析地裂缝地面沉降专题数据的基本功 能和常用操作； 3 面向对象设计思想和插件式框架设计模式使系统结构完整紧凑，模块划分衔接 合理；经测试，系统运行总体稳定、开放性好、可靠性高； 4 系统在后台数据库连接方面，使用x m l 序列化和反序列化技术，提供并预设 多种连接方式，加强了系统与数据库之问通信的灵活性； 5 系统尝试使用m u l t i p a t h 方法和不规则三角网建模技术，应用实际样本钻孔数 据，初步实现西安大套地层三维建模和三维环境下剖切地层剖面功能。 关键词：地裂缝和地面沉降，系统设计和实现，地理信息系统，设计模式 a b s t r a c t t h eg r o u n df i s s u r e sa n dl a n ds u b s i d e n c ei ng e o l o g i c a lh a z a r dr e s t r i c t e dt h ec i t y p l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o no fx i a n ；a t t e n t i o nf r o mg o v e r n m e n t s a ta nl e v e l sh a sb e e nt a k e n i n t ot h i sf i e l di nr e c e n ty e a r s a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fg e o l o g i c a ld i s a s t e r sh a sb e e nw o r k e d o v e r5 0y e a r s ，a n dag r e a td e a lo fd a t ah a sb e e na c c u m u l a t e d m o d e mi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yi sh i g h l yr e q u i r e df o rt h ee f f e c t i v eu s e o ft h ea c c u m u l a t e dd a t aa n df o rf u r t h e r s t u d ya n d r e s e a r c h t h i sp a p e rf i n i s h e dt h ei n i t i a ls t a g eo ft h ec o m p r e h e n s i v ed e v e l o p m e n t o ft h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mo fg r o u n df i s s u r e sa n dl a n ds u b s i d e n c eo fx i a n c i t y ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sx a d d g i s ) ，b ya p p l y i n gt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m a n dt h es p a t i a ld a t a b a s ec o n s t r u c t i o nt h e o r y i ti se x p e c t e dt op r o v i d er e l i a b l eb a c k i n ga n d g u a r a n t e ef o rt h es t u d ya n dp r e v e n t i o no f t h et w og e o g r a p h i c a ld i s a s t e r sw i t ht h en e w l y d e v e l o p e ds y s t e mi nt h i sp a p e r t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs y s t e mi si ns t r i c ta c c o r d a n c ew i t ht h ei d e ao f s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，i ta d o p t so b j e c t o r i e n t e di d e a sa n dm e t h o d st h r o u g h o u tt h ew h o l e s y s t e m i nd e s i g n ，m a i n s t r e a mt o o l sa n ds o f t w a r e ( a r c e n g i n e 9 3c o m a n dc 撑n e t ) a r e u s e dt od e s i g na n dc o m p l e t et h ew h o l ed e v e l o p m e n tw o r k d u r i n gt h i sp e r i o d ，as e r i e so f k e y t e c h n i c a li s s u e sr e l a t e dt os y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nw e r ee n c o u n t e r e da n d r e s o l v e d t h ef o l l o w i n ga r et h es t a g e da c h i e v e m e n tt h ed e s i g n e rm a d e ： 1 t h es y s t e mi sad e s i g na n di m p l e m e n to ft h eg e n e r a ls y s t e mf r a m e w o r kb a s e do n c # n e t + a r c e n g i n es p e c i a li n f o r m a t i o ns y s t e m i tc a nb ea p p l i e dt ov a r i o u ss p e c i a l i n f o r m a t i o ns y s t e m s 2 b a s e do nt h es p a t i a ld a t a b a s es y s t e m ，a d o p t i n gt h el a t e s tt e c h n o l o g y , t h es y s t e m o w n st h eb a s i cf u n c t i o no ft h ea p p l i c a t i o ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n dt h e c o m m o no p e r a t i o n s ，s u c ha sm a n a g e m e n t ，s t a t i s t i c s ，d i s p l a y , e n q u i r ya n da n a l y s i s o fg r o u n df i s s u r e sa n dl a n ds u b s i d e n c es p e c i a ld a t a 3 o b je c t o r i e n t e dd e s i g ni d e a sa n dp l u g - i nf r a m e w o r kd e s i g nm o d em a k e st h e s y s t e mo fc o m p a c ts t r u c t u r ea n dm o d u l ep a r t i t i o nc o m p l e t ec o h e s i v er e a s o n a b l e ， b yt e s t i n g ，t h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mo w n st h ef e a t u r e so fg o o ds t a b i l i t y , s u p e r i o r h o p e n n e s sa n dh i g hr e l i a b i l i t y 4 o nt h eb a c k e n dd a t a b a s ec o n n e c t i o n s ，b yu s i n gx m ls e r i a l i z a t i o na n ds e r i a l i z e d t e c h n o l o g y , s y s t e mp r o v i d e sv a r i o u sc o n n e c t i o nw a y , m a k e st h es y s t e ma n d d a t a b a s ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o r ef l e x i b l e 5 t r ya d o p t i n gm u l t i p a t hm e t h o da n di r r e g u l a rt r i a n g l em e s hm o d e l i n gt e c h n o l o g y a n dm a k i n gu s eo ft h ea c t u a ls a m p l eb o r e h o l ed a t a ，t h es y s t e mr e a l i z e st h e f u n c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n dc u t t i n go f b i gs t r a t ai nx i a n k e yw o r d s ：g r o u n df i s s u r e sa n d l a n ds u b s i d e n c e ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f s y s t e m ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，d e s i g np a t t e r n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：参磊研年f 月矽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 厅磊 机 矽吁年歹月冲e t 呼厂月珈 长安大学硕七学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 地裂缝介绍 第一章绪论 西安是我国著名的古都，也是西北最大的工业基地。由于自然和人为作用的影响， 西安出现了严重的地裂缝、地面沉降灾害。自2 0 世纪7 0 年代至今，地裂缝、地面沉 降一直是困扰西安城市建设规划、土地合理利用的突出地质灾害【1 】。在西安，自1 9 5 9 年在城南小寨西路3 号院和城西南西北大学等地零星发现地裂缝以来，目前己发现的、 具有一定长度规模的地裂缝带达1 4 条，均分布在黄土梁洼地貌范围内，面积约1 5 0 k m 2 ， 地裂缝出露总长度约7 2 k m ，延伸长约1 0 3 k m ，单条地裂缝地表出露最长约1 4 5 k m ， 最短约2 k m ，均近东西向横穿西安市区和郊区。主要特征如下【9 】： ( 1 ) 西安地裂缝由主裂缝、次裂缝和分支裂缝组成。 ( 2 ) 地裂缝总体走向为n 刚e e ，近似平行于临潼一长安断裂；倾向s e _ 一s s e 的 地裂缝，正好相反，倾角约8 0 。，平面形态呈不等间距平行排列。 ( 3 ) 地裂缝的延伸具有很好的连续性，每条地裂缝的延伸长度达数公里至数十公 里。 ( 4 ) 地裂缝都发育在特定的构造地貌单元，即“梁岗”地貌的南侧陡坡上( 梁间洼 地的北侧边缘) 。 ( 5 ) 地裂缝的活动方式是蠕动的，主要表现为主地裂缝的南侧下降，北侧相对上升， 其中f 6 和f 9 次生地裂缝表现为北侧下降，南侧相对上升。 ( 6 ) 地裂缝的垂直位移具有单向积累的特征，断距随深度的增大而增大。 ( 7 ) 地裂缝活动速率与抽取深层承压水有很好的相关性。 迄今为止，西安地裂缝造成的直接损失已超过4 0 亿元。不仅如此，地裂缝的不断 发展和出现，还严重制约着西安市的建设用地使用和城市规划。其中，拟建中的西安 城市地铁工程和高架桥工程，因要穿越数条地裂缝带，一直是政府、专家十分关心的 重大潜在地质灾害问题【5 1 。从2 0 世纪5 0 年代起，陕西省地矿局区域地质调查队、第 一水文地质工程地质队、地质矿产部第三石油普查大队及科研院校等单位，在西安、 成阳市区进行了水文地质、区域地质调查、基础地质研究、重力、航地磁、人工地震、 1 第一章绪论 电测深等勘探及水资源评价等工作，以及其后的环境保护监测、工程地质勘察、灾害 地质及地热资源调查等【2 1 。相继完成了西安市1 ：2 0 万l ：3 万各种城市系列图的编 制，西安市地裂缝调查初步研究及环境地质等方面的工作。同时长安大学、成都理工 大学、中国地质大学( 武汉) 以及一些科研单位和其它有关部门也对西安及咸阳地裂 缝、城市环境地质、地震等进行了大量的工作，对城市周围的地质构造、地震、地裂 缝、地面沉降等，都提出了看法和认识。第一水文地质工程地质队和陕西省地质环境 监测总站对西安地面沉降和地裂缝进行了3 0 多年的监测，积累了较为丰富的资料，这 些都为本项目的开展提供了基础和参考【2 1 。 根据地裂缝现场调查及已有研究资料，西安地区目前露出地表的规模较大的地裂 缝带共有1 4 条，自北向南依次编号为：f l 一辛家庙地裂缝、f 2 一红庙坡地裂缝、f 3 一 劳动公园地裂缝、f 4 一西北大学地裂缝、f 5 一和平门地裂缝、f 6 一秦川机械厂地裂缝、 f 7 一小寨地裂缝、f 8 一大雁塔地裂缝、f 9 一陕西师范大学地裂缝、f 1 0 一新开门地裂缝、 f 1 1 一西三艾地裂缝、f 1 2 一东三艾地裂缝、f 1 3 一北庄子地裂缝。f 1 4 一清凉山地裂缝。 f 6 和f 9 还出现次生列带。除此之外，还有许多零星发现的地裂出露剧1 4 】。 1 1 2地面沉降介绍 地面沉降是一个世界性的环境地质问题。广义而言，地面沉降是指自然因素和( 或) 人为因素作用而形成的地面标高损失。自然因素作用包括构造下沉、地震、火山活动、 气候变化、地应力变化以及土体固结等；人为因素指开采地下流体( 油、气、水) 、地下 固体矿产( 金属矿、煤、盐岩等) 。狭义的地面沉降是指由人为因素引起的较为急剧的 地面变形。一般而言，地面沉降主要是不合理开采地下流体( 地下水、天然气、石油等) 所致。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度 大等特点，是一种对城市建设、经济发展和人民生活构成严重威胁的地质灾害。 监测数据和研究成果表明，西安地面沉降是地质构造活动和人类工程活动共同作 用的结果，其中前者主要指沉降区南侧南升北降的临潼一长安断裂和北侧南降北升的 渭河断裂。近几年来，地面沉降分布面积明显减小，原来的沉降中心沉降速率降低， 沉降中心向高新区和开发区迁移【1 6 】。 西安地区是一个地面下沉区域。自1 9 5 9 年从城市测量中发现西安地面沉降以来， 到1 9 7 2 年总沉降量在7 0 m m 以内。当时的沉降槽通过旧城区的东南部，呈北东一南 2 长安大学硕士学位论文 西向分布，年沉降速率小于3 m m 。1 9 7 2 年以后沉降速率逐渐加快2 _ 3 倍。到1 9 7 8 年城区东南、南郊吴家坟以北，西影路地区、东郊大部及东北郊辛家庙地区，总沉降 量均超过1 0 0 m m ，面积达到8 5 k m 2 ，局部地区沉降量超过3 0 0 m m 。1 9 7 8 - - 1 9 8 3 年总 沉降量超过1 0 0 m m 的面积己达1 2 7 k m 2 ，超过3 0 0 m m 的面积扩大到5 0 k m 2 。1 9 8 3 年 后沉降速率明显加快。如1 9 9 3 - - 1 9 9 7 年地面沉降的分布是：西郊、北郊年沉降速率 5 2 5 i 砌；旧城区年沉降速率2 5 - - 8 5 m m 。 南二环以北及辛家庙地区年沉降速率5 0 - - 9 0 m m ；南二环以南、东郊沉降速率 8 0 - - 1 7 0 m m 。总沉降量超过1 0 0 m m 的面积为1 6 8k m 2 ，大于3 0 0 m m 的面积9 3k m 2 。 到2 0 0 3 年总沉降量的分布是：西郊、北郊沉降量8 0 - - 3 2 0 m m ，旧城区沉降量 3 2 0 - - 1 2 3 0 m m ，钟楼沉降量9 4 9 9 m m ，东郊、南郊沉降量11 4 0 - - 2 9 3 7 m m 。 由于黑河引水工程通水后，逐步减少了自备井地下水开采量，大部分地区承压水 位趋于稳定，部分地区水位有明显回升，因而2 0 0 4 年地面沉降速率有所减缓。2 0 0 4 年地面沉降的分布是西郊、北郊年沉降量小于2 0 m m ；旧城区东郊及南二环以北年沉 降量2 0 _ 4 0 i i l i i l ；南郊南二环以南年沉降量4 0 _ - 9 5 m m 【2 l 】【1 l 】。 从上述各时段的沉降量对比可以看出，西安地区地面沉降速率在1 9 9 7 年以前是不 断加快，1 9 9 7 年以后因自备井开采量的减少，承压水位趋于稳定以及回升，地面沉降 速率有所减缓，但区域沉降漏斗的范围仍在不断扩大，从地区上看沉降量依然东郊和 南郊大于西郊和北郊，总的趋势是沉降量由东南向西北递减。 1 2 研究现状 在城市地裂缝灾害研究方面，西安、大同和邯郸等城市地裂缝出现较早、发育时 间较长，他们一直是灾害研究的重点地区，其中尤以西安的研究水平最高。西安市我 国地裂缝灾害最典型、最严重的城市，相关的科研机构和学者从不同的角度出来，对 西安地裂缝的形成机制进入了深入的探讨，但主要对其特征和成因机理进行研究，研 究比较侧重于数学分析和模型研究，很少综合地理信息系统进行空间分析与表达。目 前单纯对地面沉降监测或者地裂缝的分析研究并不少见，资料也很多，但将二者大量 的资料用某种方式进行统一组织、集成管理起来，综合加以分析，特别是利用g i s 技 术将二者纳入到同一系统进行分析研究，从空间分布上研究二者的空间关系，进而综 第一章绪论 合分析地裂缝地面沉降的空间关系及发育走势，相关的资料却很少。 目前，一些城市已经开始从地理信息系统的角度来分析研究地裂缝地面沉降灾害 分析的工作，例如上海地质调查研究院成功开发了基于c + + 语言和m a p g i s 平台 上海地面沉降信息系统，实现了对地面沉降数据资料进行综合管理、分析和处理；南 京地理和湖泊研究所开发了基于m a p i n f 0 软件的地面沉降信息系统，对地面沉降数据 进行管理、可视化分析和结果输出，实现了地面沉降的动态模拟和预报【1 4 】；西安建筑 科技大学硕士毕业生撒利伟从地理信息系统的角度，运用g i s 技术建立了空间数据库， 并对空间数据库进行了空间分析【l i 】；长安大学硕士毕业生乔枫运用a r c g i s 软件初步 探索实现了西安地裂缝信息系统的信息查询和空间分析功能【1 2 】。 在国外，地裂缝地面沉降灾害也有一定分布。与世界上其他国家相比，美国是地 裂缝研究开展得较为广泛、深入的国家，它对地裂缝的系统研究始于上世纪5 0 年代， 至今已对地裂缝的成因模式获得了综合性的认识。目前，美国的地裂缝研究主要集中 在位于其国土西南部构造活动比较活跃的盆地和谷底中，其中包括了亚利桑那州、加 利福尼亚州、德克萨斯州、内华达州及新墨西哥州等。在亚洲，日本也存在地面沉降 灾害的影响。中国地质环境监测院的何庆成同志在【国土资源情报】上发表了一篇题 为日本地面沉降灾害监测研究及借鉴的文章。文章通过研究日本地面沉降形成机 理及防治对策，提出如何监测防治国内地面沉降灾害的建议和意见【l5 1 。此外，从查新、 检索情况看，国内外尚无就该专题在空间数据库和地理信息系统两个层次上进行类似 的系统研究的先例。 1 3 研究目的和意义 西安市地裂缝灾害的研究虽己历史5 0 余年，但一直为建成系统的监测网络。因此， 运用现在的监测手段和信息技术对西安市地裂缝灾害进行系统的监测，建立地裂缝灾 害的数据库与信息系统，定期对灾害的发展变化及其可能引发的灾害做出预测预报， 为西安市城市建设、工程建设、地铁建设等提供基础地质资料和科学依据，为保障城 市工程建设和人民生命财产安全提供预报信息。 本系统的设计思想立足于国土资源大调查之汾渭盐地典型地区地裂缝地面沉降 监测与防治研究项目为背景，以服务于西安市可持续发展为宗旨，解决当前西安市 4 长安人学硕十学位论文 所面临的地裂缝地面沉降引起的地质灾害，建立可视化地质模型及城市地质灾害数据 管理与信息系统，显示和预测地裂缝的发展趋势，为城市规划、城市建设与管理以及 社会公众信息需求提供服务。 1 4 研究方法和研究路线 由于地裂缝地面沉降数据来源复杂，又涉及多种学科，如何归纳、整理、标准化 和集成管理这些多源数据，如何建立一个多角度、多功能的可视化信息平台对研究地 裂缝地面沉降给工程建设带来的影响是非常有必要的。 本系统旨在利用计算机技术、地理信息系统技术、三维可视化技术和空间数据库 管理技术对地裂缝地面沉降信息进行综合管理，并通过系统的空间分析和专业分析工 具，为城市建设、行业管理提供信息技术支持，为研究管理部门提供数据信息保障， 为各级领导和职能部门提供辅助决策服务；通过采用最新的地理信息技术、空间数据 库管理技术，建立以西安地裂缝地面沉降信息资料为中心的、能兼容多源数据、多种 数据格式的空间数据库，实现数据的集成和一体化管理，支撑项目研究，方便数据共 享，服务经济建设；采用最新的主流的地理信息软件一a r c g i s9 3 和二次开发组件 a r c e n g m e ，集成开发西安地裂缝地面沉降专题信息管理系统，提供一个信息集成的可 视化平台，通过其强大的空间分析功能，为项目研究、管理和决策提供支持；基于完 善的钻孔数据，借助a r c g i s 三维技术建立三维地层概略模型，为三维地质地层的虚 拟再现和工程建设( 如西安地铁建设) 提供了基础和参考。 第一章绪论 园国国国 接 l 计算机技术 融理信息系统技习严闻数繁管理技j 睡熏网 图1 1 技术路线图 6 客户端 应用系统 服务器 搜集整理数据 长安人学硕士学位论文 2 1 系统需求分析 第二章系统总体设计 系统需求分析是在对用户进行深入细致的调查基础上进行的，通过与系统潜在的 用户进行书面或口头交流，将收集的信息根据系统软件设计的要求归纳整理后，得到 对系统概略的描述和可行性分析的论证文件【3 1 。简言之，需求分析的任务就是解决“做 什么 的问题，就是要全面地理解用户的各项要求，并准确地表达所接受的用户需求。 它是进行系统设计的基础。 2 1 1系统总体需求 ( 1 ) 地裂缝、地面沉降的多源信息获取与采集，包含野外采集信息、工程地质勘察信 息、地质灾害监测信息等； ( 2 ) 为了满足信息共享和交流的需要，建立西安地裂缝地面沉降空间数据库( 后简称 空间数据库) 。通过应用空间数据库管理大量的地质、工程地质、水文地质、地裂 缝、地面沉降数据信息； ( 3 ) 在所建空间数据库基础上，建立涵盖项目区的集各类信息管理、分析及可视化于 一体的信息系统。 2 1 2空间数据库需求 ( 1 ) 以西安市地裂缝地面沉降信息为基础，全面收集西安市的基础地理数据、基础地 质数据、工程地质数据、水文地质数据、地裂缝数据、地面沉降数据和工程灾害 数据等相关专题数据。 ( 2 ) 参照相关的条例规范，经过对数据的预处理、数据格式转换等一系列操作最终完 成数据的规范化和入库，并对敏感数据进行保密处理。 ( 3 ) 以当前收集，整理，入库的西安市地裂缝地面沉降数据为基础，进行西安市地裂 缝地面沉降空间数据库的系统设计与实现。其包括的主要任务是确定空间数据库 的数据模型以及数据结构，并提出空间数据库相关功能的实现。 2 1 3信息管理系统需求 ( 1 ) 实现多源数据的浏览，包括基础地理数据、基础地质数据、水文地质数据、地裂 缝地面沉降报告、i n s a r 数据等； 第二章系统总体设计 ( 2 ) 地图输出，实现按不同要求进行地图的整饰、排版、出图功能； ( 3 ) 实现地裂缝信息、地面沉降信息、钻孔信息的分布情况，以及钻孔岩性信息的查 询、统计和分析功能。 ( 4 ) 实现地裂缝剖面图、工程地质剖面图、对点短水准曲线图等图件的浏览。 ( 5 ) 实现地层三维可视化，采用三维可视化技术、直观的和形象的图形图像方式表达 城市地质结构和地质灾害时空展布属性，建立信息化、可视化为一体的地质结构 与地质灾害数字模型。 ( 6 ) 灾害预警分析，评价地裂缝地面沉降地质灾害对工程建设、地铁建设、经济建设 的破坏影响，提出一种可行的评价分析方法，并实现对地质灾害潜在危害的评价 和分析。 2 1 4性能需求分析 系统的性能直接关系到用户对系统运行满意度的评价，也是评价一个系统好坏的 重要标准之一。一个好的系统不仅要在功能上满足用户的需求，在人机交互设计上， 系统运行效率上也是非常重要的。 概况起来，系统的性能要求主要包含以下几方面： ( 1 ) 系统界面友好，操作简单：系统要有良好的人机交互界面，界面风格力求简 洁明了，突出重点，化繁为简。操作流程应尽可能简单使用，尽量把复杂的 功能简化。 ( 2 ) 系统稳定：系统具有一定的容错和纠错功能。系统崩溃时保证数据的完好。 ( 3 ) 系统效率：系统具有较高的运行效率。尽量避免长时间的等待。 ( 4 ) 一定的吞吐量：吞吐量反映的是软件系统的“饭量9 j r 9 也就是系统的处理能力， 具体说来，就是指软件系统在每单位时间内能处理多少个事务请求单位数据 等。 2 2 系统总体设计的基本原则和目标 2 2 1 系统设计的基本原则 ( 1 ) 实用性原n - 系统旨在建立一个西安地裂缝地面沉降信息管理系统的平台，实 现对地裂缝地面沉降多源数据的组织、管理和分析，为西安市城市建设提供 基础地质信息服务，因此，系统的设计力求有组织、实用、重点突出，并要 8 长安大学硕十学位论文 全面反映数据的多源性等特点。 ( 2 ) 可靠性原则 a ) 数据的可靠性：收集整理到位的各种数据必须准确可靠，符合标准。 b ) 系统的可靠性：系统应有较强的容错能力和处理突发事件的能力，不至于 因某个误操作而导致数据的丢失和系统的瘫痪。 ( 3 ) 完备性原则：数据库中的各种数据应是比较完整的，能够满足系统的各项功能 的需要。 ( 4 ) 科学性和规范性原则：系统采用软件工程的思想和方法建立，保证系统结构的 科学性和合理性。同时，由于数据的多种多样，必须合理的、科学的、规范 的管理复杂数据。 ( 5 ) 可扩展性原则：系统具备良好的可扩展性，根据需求的更改，方便地扩展系统 的功能，以便系统的不断扩充、求精和完善。 2 2 2系统设计的目标 本系统命名为西安地裂缝地面沉降信息管理系统( 简称x a d d g i s ) 。通过收 集西安地区各类地裂缝地面沉降信息特别是各类钻孔数据和物探资料的基础上，利用 计算机技术、地理信息技术、信息可视化技术和数据库管理技术，建立项目研究需要 的基础性的地裂缝地面沉降空间数据库，并在此基础上建立地裂缝地面沉降专题信息 系统，为施工部门、研究管理部门、专家等相关人员提供信息支持和技术支持。通过 建立基础性的地裂缝地面沉降空间数据库，利用空间数据管理技术实现对西安地裂缝 地面沉降各类空间数据的集成和一体化管理，支撑项目研究，方便数据共享，服务经 济建设；通过建立地裂缝地面沉降专题信息管理系统，提供一个信息集成的可视化平 台，通过其强大的空间分析功能，实现对信息数据的查询统计以及空间分析，以获取 有价值的专题及相关信息；基于完善的钻孔数据，采用三维可视化技术，探索性地实 现了西安三维地层的浅层概略模型，为三维地质地层的虚拟再现和工程建设( 如西安 地铁建设) 提供了基础和参考。 系统的开发采用c s 模式。c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构的系统( 简称单机版系统) 主 要应用于单机或小型局域网中，主要实现西安地区项目区范围内地裂缝、地面沉降等 各类专题及基础地理信息的查询、分析、统计和处理，满足项目中对各类数据进行组 织、管理、分析和处理的需要。 o 第二章系统总体设计 2 3 总体设计的方法 系统涉及到数据属于多源数据，它来自不同的学科、也横跨了多门学科，因此数 据来源多而复杂，而且用户群中对系统所能实现的功能中她们所关心的内容也不尽相 同，这对数据库的建立和系统的设计是一个极大的挑战。既要满足整体的需要，又要 兼顾某个行业潜在用户的需要。这就有必要根据需求建立一个初步的系统模型供用户 去评价和完善。因此，在前期，系统采用原型设计方法，通过收集各个学科的数据， 统一组织入库，并对入库的数据进行分析、了解，按需求设计并实现系统的初步原型， 供用户对系统进行一个初步的评判，提出修改意见。 2 3 1 原型法概述 在早期的信息系统开发过程中，由于信息系统的规模有限，用户对这些系统的工 作方式大都比较了解。因此，可以在开发初期就对系统的功能进行解剖、分析、深入 了解，进而设计出满足用户要求的系统来。用户可以对原型做出评价，提出修改意见。 原型法开发信息系统包含以下几个阶段【3 】： 1 ) 确定用户的基本需求 在这一阶段，用户根据系统的特点清楚地表达自己的基本需求，即应该具备的一些 基本功能，用户界面的基本形式等。系统分析开发人员据此来确定系统的规模及基本 框架，判断系统需要的数据能否得到，同时应估算出开发原型的成本。 2 ) 开发初始原型 开发初始原型仅仅反映用户的基本需求，并不要求完善。开发初始原型的目的是 快速建立一个满足用户基本需求的交互式系统，并且能够按照用户的要求不断修改。 3 ) 利用原型提炼用户需求 系统原型是开发人员和用户就系统设计的构思进行对话的桥梁。利用原型来提炼 用户需求的阶段是整个开发过程的关键，用户通过亲自使用原型，从而了解其需求得 到的满足程度及存在的问题。开发人员一方面记录下用户提出的该系统的缺点与不足； 另一方面也要借助原型系统引导、启发用户表达对系统的最终要求，在用户和开发人 员共同反复讨论过程中进一步提炼用户需求以及需要修改和变动之处。 4 ) 修正和改进原型 开发人员根据第三阶段中用户提出的修改意见或发现的问题，对初始原型系统进 l o 长安大学硕士学位论文 行修改、扩充和完善。这是一个多次反复的过程，直到用户满意为止。如果用户满意， 则修改过的圆形成为一个运行原型，运行原型可能成为一个新的应用系统，也可能作 为应用系统开发的基础。如果用户不满意，则进一步修改增强原型，直至用户满意为 止。 2 3 。2结构化生命周期法概述 但随着应用需求的变化、用户对系统的要求的不断变化，系统的规模也越来越大， 功能也越来越完善。初期的原型法已不能完全满足系统的需求，此时，我们在通过原 型法获得用户大量需求的基础上，按照结构化生命周期法重新对系统进行设计，以完 善系统。 结构化生命周期法的基本思想是将系统开发看作工程项目，有计划、有步骤地进 行工作，它认为虽然各种业务信息系统处理的具体内容不同，但所有系统开发过程都 可以分为以下六个主要阶段【3 1 。 1 ) 系统开发准备阶段 当现行系统不能适应新形势的要求时，用户将提出开发新系统的要求。有关人员 进行初步调查，然后组成专门的新系统开发领导小组，制定新系统开发的进度和计划， 负责新系统开发的一切工作。该阶段虽不属系统分析与设计的正式工作阶段，却是不 可缺少的。 2 ) 调查研究及可行性研究阶段 系统分析员采用各种方式进行调查研究，了解现行系统的界限、组织分工、业务 流程、资源及薄弱环节等，绘制现行系统的相关图表。在此基础上，与用户协商方案， 提出初步的新系统目标，并进行系统开发的可行性研究，提交可行性报告。 3 ) 系统分析阶段 、系统分析阶段是新系统的逻辑设计阶段。系统分析旨在对现行系统进行调查研究 的基础上，使用一系列的图表工具进行系统的目的分析，划分子系统以及功能模块， 构造出新系统的逻辑模型，确定其逻辑功能需求，交付新系统的逻辑功能说明书。系 统分析也是新系统方案的优化过程，数据流程图是新系统逻辑模型的主要组成部分， 它在逻辑上描述了新系统的功能、输入、输出和数据存储等，而摆脱了所有的物理内 容。 4 ) 系统设计阶段 1 1 第二章系统总体设计 系统设计阶段有称新系统的物理设计阶段。系统分析员根据新系统的逻辑模型进 行物理模型的设计，并具体选择一个物理的计算机信息处理系统。这个阶段还要进行 人一机过程的设计、代码设计、输入、输出、文件数据库设计及程序模块、通讯网络 设计等。系统设计的关键是模块化。 5 ) 系统实施阶段 系统实施时新系统付诸实现的实践阶段，主要是实现系统设计阶段所完成的新系 统物理模型。为了保证程序和系统调试正常运行，首先要进行计算机系统设备的安装 和调试工作，然后程序员根据程序模块进行程序设计、代码编写和调试工作。为了帮 助用户熟悉、使用新系统，系统分析人员还要对用户及操作人员进行培训，编辑操作、 使用手册和有关的文档。 6 ) 维护和评价阶段 系统维护和评价是系统生命周期的最后一个阶段，也是很重要的阶段，新系统是 否有持久的生命力取决于此阶段的工作。系统信息是复杂的大系统，系统内、外部环 境、各种人为和机器因素的影响要求系统能适应这种环境，不断地修改完善，这就需 要进行系统维护。 2 3 3面向对象结构设计法 什么是面向对象? 面向对象( o b j e e to r i e n t e d ) 程序设计是一种新兴的程序设计方 法，或者说它是一种新的程序设计范型，其基本思想是使用对象，类，继承，封装， 消息等基本概念来进行程序设计。它是从现实世界中客观存在的事物( 即对象) 出发 来构造软件系统，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式，强调直接以问题 域( 现实世界) 中的事物为中心来思考问题，认识问题，并根据这些事物的本质特点， 把它们抽象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成单位( 而不是用一些与现实 世界中的事物相关比较远，并且没有对应关系的其它概念来构造系统) 。这可以使系 统直接地映射问题域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌。 从程序设计的角度来看，面向对象的程序设计语言必须有描述对象及其相互之间 关系的语言成分。这些程序设计语言可以归纳为以下几类：系统中一切皆为对象；对 象是属性及其操作的封装体；对象可按其性质划分为类，对象成为类的实例；实例关 系和继承关系是对象之间的静态关系；消息传递是对象之间动态联系的唯一形式，也 是计算的唯一形式；方法是消息的序列。 1 2 长安大学硕士学位论文 面向对象设计方法，即采用面向对象技术或思想的设计方法。也就是说在做系统 的分析和设计过程中，嵌入了面向对象的思想，将系统中所有的要素、信息抽象成对 象，为所有的对象赋予其基本的信息和动作。面向对象设计方法有多种，主要有面向 对象建模技术( o b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n gt e c h n i q u e ，简称o m t ) 和统一建模语言 ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，简称u m l ) 。 面向对象的分析与设计( o o a & d ) 方法的发展在8 0 年代术至9 0 年代中出现了一个 高潮，u m l 是这个高潮的产物。它不仅统一了b o o c h 、r u m b a u g h 和j a c o b s o n 的表示方 法，而且对其作了进一步的发展，并最终统一为大众所接受的标准建模语言。 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 是一种可视化的建模语言， 它能让系统构造者用标准的、易于理解的方式建立起能够表达他们想象力的系统蓝图， 并且提供了便于不同人之间有效地共享和交流设计结果的机制。u m l 作为通用的可 视化建模语言，用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统制品的文档。 它记录了对必须构造的系统的决定和理解，可用于对系统的理解、设计、浏览、配置、 维护和信息控制。u m l 适用于各种软件开发方法、软件生命周期的各个阶段、各种 应用领域以及各种开发工具，u m l 是一种总结了以往建模技术的经验并吸收当今优 秀成果的标准建模方法。u m l 包括概念的语义，表示法和说明，提供了静态、动态、 系统环境及组织结构的模型。它可被交互的可视化建模工具所支持，这些工具提供了 代码生成器和报表生成器。u m l 标准并没有定义一种标准的开发过程，但它适用于迭 代式的开发过程。它是为支持大部分现存的面向对象开发过程而设计的。 u m l 描述了一个系统的静态结构和动态行为。u m l 将系统描述为一些离散的相 互作用的对象并最终为外部用户提供一定的功能的模型结构。静态结构定义了系统中 的重要对象的属性和操作以及这些对象之间的相互关系。动态行为定义了对象的时间 特性和对象为完成目标而相互进行通信的机制。从不同但相互联系的角度对系统建立 的模型可用于不同的目的。 2 3 4设计方法比较与选择 1 设计方法比较 原型法的主要思想史借助原型来辅助软件开发。在开发初期，开发人员根据自己 对用户需求的理解，利用开发工具快速构造出原型软件，用户及开发人员通过对原型 软件的试运行、评价、修正和改进，逐步明确对软件的功能需求以进行正式开发或者 1 3 第二章系统总体设计 直接把原型扩充成最终产品。这种开发的优点是增进开发人员和用户对系统功能需求 的理解，为用户提供了一种有力的学习手段，能有效地保障最终产品的质量，尤其是 可以大大提高用户接受性。但是，该方法开发而成的系统比较粗糙，不能完全代表最 终的产品。 结构化生命周期法规定了软件开发过程中的各项工程活动，一般包括可行性分析、 需求分析、总体设计、详细设计、编码及测试六项活动，并规定了它们自上而下，相 互衔接的固定次序，前移阶段的成果是后一阶段工作开展的基础。这种开发方法为软 件提供了一个较为成熟和完善的管理模式，而且直观。其最大的不足在于缺乏灵活性， 尤其是在软件需求不明确或不准确的情况下，问题更为突出；其次还有修改困难、难 以维护和软件模块重用性差等缺点。 面向对象技术将客观世界( 问题论域) 看成是一些相互联系的事物( 或对象) 组 成，每个对象都有自己的运动规律和内部状态，对象间的相互作用和相互联系构成了 完整的客观世界，问题的解决由对象之间的通讯来描述。面向对象的开发过程经历了 分析阶段、高层设计、类的开发、实例的建立、组装测试等几个阶段。 2 设计方法选择 对一个完整系统设计的来说，必须根据系统的特点选择合适的设计方法来进行系 统的设计，每种设计方法都有其各自的优缺点，而且所做的系统本身应用存在多样化， 因此，想要找到一个适合于所有的软件开发的设计方法几乎是不可能的，选择设计方 法需要考虑多方面的因素，例如系统规模、系统应用类型、系统需求等等。结合本系 统的具体情况，一来由于系统涉及数据的多源化，数据本身的不规范性，涉及对数据 整理规范化要求很高，二来各用户群对系统的关心内容不同，这就形成前期的瓶颈一 即需求不明确。因此，很难用一种标准或统一的形式去组织数据、设计系统。这就需 要充分结合多种设计方法，扬长避短，满足系统的需求。本系统的设计和开发汇集了 原型法、结构化生命周期法和面向对象设计法三种设计方法，取其优点，综合使用。 在系统设计的前期，采用原型法。通过原型法构建一个系统的原型，提供给用户进行 评价，用户根据原型进一步提出需求，从而得到完善的需求分析；经过原型