GIS设计与实现

1 GIS 构成构成 由 4 个基本要素构成 硬件 软件 数据 人员 一一 硬件硬件 计算机硬件环境包括从 GIS 数据采集到数据处理乃至数据输出所涉及到的所有硬 件设备 数据采集 输入设备 采集设备包括测绘仪器和遥感设备 输入设备包括数字化仪 扫描仪以及计算机的输入设备 数据存储和处理设备 存储设备包括磁盘 磁带机等磁存储介质以及一些光存储介质 处理设备包括计算机 图像处理器 网络设备等 输出设备 输出设备通常是标准的计算机外围设备 如打印机 绘图仪 还可以通过计算机显示器或是外接的高分辨率显示装置 如投影仪 等 进行输出 二 软件软件 GIS 软件可以分为工具型软件和应用型软件 工具型软件 GIS 二次开发平台软件 ArcInfo MapInfo MapGIS GeoMedia AM FM 专用开发平台软件 其它工具型软件 应用型软件 制图软件 资源调查 信息管理 空间分析与预测 三 数据数据 地理数据是以地球表面空间位置为参照 描述自然 社会和人文景观的数据 GIS 的数据来源 普通地图 影像 其它图形软件的结果数据或相关的数据资料 遥感数据 GIS 数据分为空间数据和属性数据两大类 空间数据是表征空间实体位置的数据 一般采用以下数据结构进行管理和 存储 栅格数据结构 矢量数据结构 不规则三角网 TIN 属性数据是表征空间实体属性信息的数据 一般用关系型数据库进行管理 四 人员人员 人员是 GIS 的重要构成因素 人员在 GIS 中 对 GIS 软件进行开发 维护和升级 对 GIS 数据进行搜集 入库和管理 应用 GIS 进行生产生活实践 实现 GIS 的价值 2 GIS 用户用户 GIS 最终用户 GIS 专业人士 GIS 开发商 系统集成商 GIS 设计特点设计特点 GIS 处理的是空间数据 具有数据量庞大 实体种类繁多 实体间的关联复杂等特 点 GIS 设计以空间数据位驱动 GIS 工程投资大 周期长 风险大 涉及部门繁多 GIS 工程学体系工程学体系 主要由任务 基础理论和方法论三方面组成 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 地理信息科学地理信息科学 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 信息资源共享信息资源共享 要实现地理信息资源共享 必须具备三个基本条件 数据资源的储备 要有技术支撑系统的保障 共享规则的制订 被广泛采纳和遵循 主要包含标准 规范 政策和相关法律 GIS 设计方法设计方法 结构化生命周期法 原型法 面向对象设计方法 结构化生命周期法根据其系统开发思想的不同又可以划分为两种类型 3 自顶向下方法 自底向上方法 原型法开发信息系统包括以下几个阶段 原型法开发信息系统包括以下几个阶段 确定用户的基本需求 开发初始原型 利用原型来提炼用户需求 修正和改进原型 原型的种类及构造方法原型的种类及构造方法 原型从本质上本质上可分为两种两种类型 丢弃型原型丢弃型原型和进化型原型进化型原型 从应用目的和场合出发应用目的和场合出发又可分为三种三种类型 研究型原型研究型原型 试验型原型试验型原型 进化型原型进化型原型 研究和试验型原型被认为是丢弃型 因为当真正的系统实现后 这些原型就会被丢 弃 在进化型原型中 原型将进化成最终产品 实际上 原型已变成了最终系统 原型构造方法 研究型原型构造方法 试验型原型构造方法 进化型原型构造方 法 面向对象设计方法面向对象设计方法 面向对象设计方法的主要类型 面向对象建模技术 简称 OMT 统一建模语言 简称 UML OMT 采用对象模型 动态模型和功能模型对象模型 动态模型和功能模型等来描述一个系统 系统功能与性能分析系统功能与性能分析 常用的方法有如下三种 GIS 结构化分析方法 GIS 面向对象分析方法 GIS 快速原型化分析方法 GIS 结构化分析方法结构化分析方法采用自顶向下 逐层分解自顶向下 逐层分解的系统分析方法来定义 GIS 系统的需求 GIS 面向对象分析方法面向对象分析方法通过自底向上提取对象自底向上提取对象并进行对象的组合进行对象的组合来实现系统功能和性 能分析 GIS 快速原型化分析方法快速原型化分析方法是在系统分析员和系统用户之间交流的一种工具方法 用来 明确用户对 GIS 系统功能和性能的要求 系统目标分析系统目标分析 从以下方面着手 进行用户类型分析 对现行系统进行调查分析 明确系统服务对象 4 用户研究领域现状调查 系统可行性研究系统可行性研究 主要包括以下 4 个部分 数据源调查与评估 技术可行性评估 经济和社会效益分析 系统开发与运行环境评价 系统分析工具系统分析工具 一 GIS 数据流模型 一般采用数据流图 Data Flow Diagram 简称简称 DFD 来表示 GIS 数据流图的基本成分 加工 外部实体 数据流 数据存储文件加工 外部实体 数据流 数据存储文件及基本成分备基本成分备 注注 按分层的思想将 GIS 数据流图划分为顶层顶层 DFD 中间层 中间层 DFD 底层 底层 DFD 三种 二 GIS 数据字典 数据字典 Data Dictionary 简称简称 DD 是关于数据信息的集合 数据字典最重要的用途是作为分析阶段分析阶段的工具 数据字典数据字典和数据流图数据流图一起构成信息系统的逻辑模型逻辑模型 数据字典的组成 1 数据项 2 数据结构 3 数据流 4 数据存储 5 处理过程 实现数据字典的方法 全人工过程 全自动过程和混合过程 三 加工逻辑说明 加工逻辑说明的表达方法 结构化英语 判定表 判定表包括四个要素 基本条件 基本操作 条件项 操作项 四个要素 基本条件 基本操作 条件项 操作项 判定树 判定树是判定表的变形 本质完全一样 所有用判定表能表达的问题都能用判定树来 表达 总体设计的任务和方法总体设计的任务和方法 总体设计一般采用结构化设计方法结构化设计方法进行实现 结构化设计强调软件总体结构的设计 是一种自顶向下 逐步求精自顶向下 逐步求精和分阶段实现分阶段实现的设计策略 总体设计的准则总体设计的准则 评价软件设计质量的主要准则包括 模块化 抽象和信息隐蔽 模块独立性 模块独立性有两个定性的标准来度量 即内聚内聚 cohesion 又称块内联系块内联系 和耦合耦合 coupling 又称块间联系块间联系 内聚是模块内部各成分之间的联系 如果一个模块的内内 聚度大 模块的独立性则会提高聚度大 模块的独立性则会提高 耦合是指模块间的联系 耦合度是对模块独立性的 直接衡量 很显然 块间联系越小 模块的独立性则会越高 耦合度就会降低块间联系越小 模块的独立性则会越高 耦合度就会降低 在系 5 统中 内聚度和耦合度是相互联系的 模块的内聚度越高 则耦合度就越低 模块的内聚度越高 则耦合度就越低 两个模块之间的耦合有五种形式 按照耦合程度由低到高耦合程度由低到高排列为 数据耦合 特征耦 合 控制耦合 公共耦合 内容耦合 系统总体设计工具系统总体设计工具 一 层次图 层次图是在软件总体设计阶段最常用的工具之一 用来描绘软件的层次结构 二 HIPO 图 HIPO 图是由美国 IBM 公司发明的 层次 输入 处理 输出图 的英文缩写 HIPO 图 实际上由 H 图 即层次图 和 IPO 图两部分组成 三 结构图 Yourdon 提出的结构图是进行软件结构化设计的另一种有力的工具 地理建模过程地理建模过程 地理建模的一般过程 建模准备 模型假设 模型假设是最易导致结果有误的环节 建立模型 模型求解 模型分析 模型检验 详细设计的具体任务详细设计的具体任务 细化总体设计的体系流程图 绘出程序结构图 直到 每个模块的编写难度可被单个程序员所掌握为止 为每个功能模块选定算法 确定模块使用的数据组织 确定模块的接口细节 及模块间的调度关系 描述每个模块的流程逻辑 编写详细设计文档 主要包括细化的系统结构图及逐个 模块的描述 如功能 接口 数据组织 控制逻辑等 详细设计与总体设计的区别详细设计与总体设计的区别 主要表现为以下两个方面 在总体设计阶段 数据项和数据结构以比较抽象的方式描述 详细设计要确定用什 么数据结构来表示 详细设计要提供关于算法的更多细节 在详细设计阶段为每个模块增加足够的细节 使得程序员能够以相当直接的方式对每个模块编码 详细设计的表达工具详细设计的表达工具 怎样画 怎样画 详细设计的表达工具可分为图形 表格和语言三种 一 程序流程图 程序流程图 Program Flow Chart 简称简称 PFC 又称为程序框图 6 起始框 处理框 判断框 输入输出框 连接点 流程线 二 N S 盒式图 N S Nassi Shneiderman 盒式图是另一种用于详细设计表达的结构化图形设计工具 最初 由 Nassi 和 Shnei derman 开发 后经 Chapin 扩充改进 所以又叫 N S 图或 Chapin 图 三 问题分析图 问题分析图 Problem Analysis Diagram 简称简称 PAD 是由日本日立制作所研究开发的 综 合了流程图 盒式图和伪码等技术的一些特点 在 Pascal 语言基础上发展而成的系统详细 设计工具 问题分析图采用自顶而下 逐步细化自顶而下 逐步细化的结构化设计的原则 力求将模糊的问题解的概念逐 步转换为确定的和详细的过程 四 类程序设计语言 类程序设计语言 Program Design Language 简称简称 PDL 又称 伪码 Pseudo code 空间数据有三大基本特征 空间特征 包括比例尺 坐标系比例尺 坐标系和投影类型投影类型等 时间特征 属性特征 空间数据库中常用的坐标系有地理坐标系地理坐标系和平面直角坐标系平面直角坐标系 空间数据的逻辑预处理空间数据的逻辑预处理 一 分幅 二 分层 三 分专题要素 空间数据库的设计空间数据库的设计 空间数据库的设计分为五个步骤 空间数据需求分析 定义实体及其关系 实体空间类型的识别表达 选择适当的数据模型 组织空间数据集 其中 前三步为概念设计 后两步为逻辑设计 空间数据库的概念设计 E R 模型模型 组成 实体类 简称实体 关系类 简称关系 和属性 分类 基本 E R 方法 扩展 E R 方法 空间 E R 方法 空间数据库的逻辑设计 传统数据模型的类型传统数据模型的类型 层次模型 7 网络模型 关系模型 面向对象数据模型的特征面向对象数据模型的特征 封装性 在面向对象的系统中 所有的实体都可以模型化为对象 对象是由描述 该目标状态的一组数据和表达它的行为的一组操作 方法 组成 即某种相关的数 据和行为的组合 这种行为就是对象的封装性 类 它是同类对象的集合 即具有相