第五章 GIS软件工程的总体设计

1、第五章GIS软件工程的总体设计5. GIS软件工程的总体设计n本章进入了GIS软件工程的设计阶段，该阶段包括如何设计GIS软件的体系结构，如何设计GIS软件结构，如何进行空间数据库的设计，如何进行应用模型的分析与设计。这些内容是GIS软件工程总体设计包含的基本内容，是GIS软件工程的基础和关键。5. GIS软件工程的总体设计n5.1 概述n5.2 体系结构设计n5.3 软件结构设计n5.4 数据库设计基础n5.5 空间数据库设计n5.6 应用模型设计5.1 概述n系统设计是GIS整个研究工作的核心，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。如何选择最优的方案，这是系统设计人

2、员和用户共同关心的问题。5.1 概述n5.1.1 系统设计在软件开发中的位置n5.1.2 总体设计过程中需要完成的工作5.1.1 系统设计在软件开发中的位置5.1.1 系统设计在软件开发中的位置5.1.2 总体设计过程中需要完成的工作n1.制定规范n（1）阅读和理解软件需求说明书，在给定预算范围内和技术现状下，确认用户的要求能否实现。若能实现则需明确实现的条件，从而确定设计的目标，以及它们的优先顺序。n（2）根据目标确定最合适的设计方法。5.1.2 总体设计过程中需要完成的工作n1.制定规范n（3）确定设计文档的编制标准，包括文档体系、用纸及样式、记述详细的程度、图形的画法等。n（4）通过代码

3、设计确定代码体系，与硬件、操作系统的接口规约，命名规则等。5.1.2 总体设计过程中需要完成的工作n2.软件结构设计n(1)采用某种设计方法，将一个复杂的系统按功能划分成模块的层次结构。n(2)确定每个模块的功能，建立与已确定的软件需求的对应关系。n(3)确定模块间的调用关系。n(4)确定模块间的接口，即模块间传递的信息。设计接口的信息结构。n(5)评估模块划分的质量及导出模块结构的规则。5.1.2 总体设计过程中需要完成的工作n3.数据库设计n(1)确定输人、输出文件的详细的数据结构。n(2)结合算法设计，确定算法所必需的逻辑数据结构及其操作。n(3)确定对逻辑数据结构所必需的那些操作的程序

4、模块(软件包)，限制和确定各个数据设计决策的影响范围:n(4)若需要与操作系统或调度程序接日所必须的控制表等数据时，确定其详细的数据结构和使用规则。n(5)数据的保护性设计。5.1.2 总体设计过程中需要完成的工作n4.编写总体设计阶段的文档n（1）总体设计说明书。n（2）数据库设计说明书n（3）用户手册n（4）制定初步的测试计划5.1.2 总体设计过程中需要完成的工作n5.总体设计评审n（1）可追溯性n（2）接口n（3）风险n（4）实用性n（5）技术清晰度n（6）可维护性n（7）质量n（8）各种选择方案n（9）限制n（10）其他具体问题5.2 体系结构设计n5.2.1 概述n5.2.2 总体

5、设计的目标n5.2.3 总体设计的步骤n5.2.4 总体设计的基本任务n5.2.5 GIS的系统设计模式n5.2.6 GIS的体系结构设计5.2.1 概述n系统设计要求满足三个基本条件，即加强系统的实用性、降低系统开发和应用均成本、提高系统的生命周期，因此，要改进软件的设计方法，使得在系统设计过程中产生的错误能及时得到改正。5.2.2 总体设计的目标nGIS总体设计的目标是一个优化的GIS。n一个优化的GIS心须具有运行效率高、可变性强、控制性能好等特点。5.2.3 总体设计的步骤n（1）根据用户需要，确定系统工程要做哪些工作，形成系统的逻辑模型。n（2）将系统分解为一组模块，各个模块分别满足

6、所提出的需求。n（3）将分解出来的模块，按照是否能满足正常的需求进行分类。对不能满足正常需求的模块需要进一步调查研究，以确定是否能有效的进行开发。n（4）制定工作计划，开发有关的模块，并对各个模块进行一致性的测试，以及系统的最后运行。5.2.4 总体设计的基本任务n1.设计软件结构n2.数据结构及数据库设计n3.编写总体设计文档n4.评审5.2.5 GIS的系统设计模式1.目的与任务2.概念的定义3.功能的要求4.性能测定5.2.6 GIS的体系结构设计5.2.6 GIS的体系结构设计5.2.6 GIS的体系结构设计5.3 软件结构设计n5.3.1 概述n5.3.2 结构化设计的优点n5.3.

7、3 开发和维护软件的费用n5.3.4 结构化设计的适用范围n5.3.5 结构化分析和结构化设计的关系5.3 软件结构设计n5.3.6 结构设计的基本概念n5.3.7 模块的独立性n5.3.8 软件结构图n5.3.9 软件结构形态n5.3.10 影响范围和控制范围n5.3.11 软件结构设计准则5.3.1 概述n结构化设计主要是在20世纪70年代由Constantine和Yourdon等总结了一些优秀的程序设计实践而发展起来的。5.3.1 概述n由目的是降低软件开发费用及维护费用的一组概念、标准和指导思想组成。n此外，还有利于进行软件的更动修正错误及实现新的需求。n其最大好处是极大增加了代码的重

8、用能力。5.3.1 概述n结构化的软件设计为软件工程提供了一种高效的、可维护的系统。n它主要的表示方法是一种分层次的结构图。它鼓励简洁明了的设计和评价标准，反对快速但是不清晰的程序设计风格。5.3.2 结构化设计的优点n1）减少设计复杂性n2）结构独立n3）单一的功能模块n4）易于进行软件的修改n5）易于开发和维护n6）加强了可重用代码的能力5.3.3 开发和维护软件的费用5.3.4 结构化设计的适用范围n结构化设计尤其适用于采用结构化程序设计实现的系统。在进行了系统分析(特别是结构化分析)之后，非常适合于确定程序中的对象和所有输人输出数据的格式。n同时，它应该在详细设计之前进行，以决定如何将

9、设计需求实现为程序代码。5.3.5 结构化分析和结构化设计的关系5.3.5 结构化分析和结构化设计的关系5.3.5 结构化分析和结构化设计的关系5.3.6 结构设计的基本概念n1.模块化n2.抽象n3.信息隐蔽5.3.7 模块的独立性n模块独立性是指每个模块只完成系统要求的独立的子功能，并且与其他模块的联系最少且接口简单。良好的模块独立性能使开发软件有较高的质量。n根据模块的外部特征和内部特征，提出了两个定性的质量模块独立性的标准，即藕合性和内聚性。5.3.7 模块的独立性n1.耦合度n1）联系方式的类型n2）接口的复杂性n3）联系的作用n4）耦连时间5.3.7 模块的独立性n2.内聚度n1）

10、偶然性内聚n2）逻辑性内聚n3）时间性内聚n4）过程性内聚n5）通信性内聚n6）顺序性内聚n7）功能性内聚5.3.7 模块的独立性n2.内聚度5.3.7 模块的独立性n2.内聚度5.3.8 软件结构图5.3.9 软件结构形态5.3.9 软件结构形态5.3.10 影响范围和控制范围1.影响范围不属于控制范围的子集2.控制范围包含了影响范围3.控制范围正好包含了影响范围4.最理想的设计5.3.11 软件结构设计准则n1.模块独立性准则n2.控制范围与影响范围之间的准则n3.软件结构的形态特征准则n4.模块的大小准则n5.模块的接口准则5.4 数据库设计基础n数据库设计是指对于一个给定的应用环境，提

11、供一个确定的最优数据模型与处理模式的逻辑设计，以及一个确定数据存储结构与存取方法的物理设计，建立能反映现实世界信息和信息联系，满足用户要求，又能被某个DBMS所接受，同时能实现系统目标并有效存取数据的数据库。5.4 数据库设计基础n简言之，数据库设计就是把现实世界中一定范围内存在的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。5.4 数据库设计基础n5.4.1 数据库分析的过程n5.4.2数据库的管理模式n5.4.3数据库设计的目标n5.4.4数据库设计的主要内容5.4 数据库设计基础n5.4.5数据库设计的步骤n5.4.6数据库的逻辑设计n5.4.7数据库的物理设计n5.4.8数据库的实现

12、n5.4.9数据库的运行与维护5.4.1 数据库分析的过程5.4.1 数据库分析的过程5.4.2数据库的管理模式n1.人工管理阶段n2.文件系统阶段n3.数据库系统阶段5.4.3数据库设计的目标n1）满足用户要求n2）良好的数据库功能n3）精确地模拟现实世界n4）能被某个DBMS接受5.4.4数据库设计的主要内容n1）静态特性设计n2）动态特性设计n3）物理设计5.4.5数据库设计的步骤5.4.6数据库的逻辑设计n1.数据库逻辑设计的步骤和内容n2.ER模型向关系数据模型的转换n3.关系数据库的逻辑设计5.4.7数据库的物理设计n1）存储记录的格式设计n2）存储方法的设计n3）访问方法的设计n

13、4）完整性和安全性考虑n5）事务控制n6）故障恢复方案设计n7）应用设计n8）形成物理设计说明书5.4.8数据库的实现n1.建立数据库结构n2.装入数据n3.调试运行5.4.9数据库的运行与维护n1.数据库的重组织n2.数据库的重构造n3.数据库的完整性、安全性控制5.5 空间数据库设计n5.5.1空间数据库的概念n5.5.2空间数据库技术的产生背景n5.5.3空间数据库的技术特色n5.5.4空间数据库的体系结构n5.5.5空间数据库设计的原则5.5 空间数据库设计n5.5.6空间数据库的设计过程n5.5.7空间数据库的需求分析和数据模型设计n5.5.8空间数据库的概念设计n5.5.9空间数据

14、库的详细设计n5.5.10地理信息元数据的设计5.5.1空间数据库的概念n空间数据库指的是GIS在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。5.5.1空间数据库的概念n空间数据库管理系统则是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。5.5.1空间数据库的概念n空间数据库管理系统的实现是建立在常规的数据库管理系统之上的。它除了需要完成常规数据库管理系统所必备的功能之外，还需要提供特定的针对空间数据的管理功能。5.5.

15、2空间数据库技术的产生背景n1.采用文件的形式进行管理n2.利用DBMS实现对空间数据的管理5.5.3空间数据库的技术特色n空间数据库技术为空间数据的管理提供了便利，它可以充分利用RDBMS安全用户管理、数据备份等功能，实现空间数据和属性数据真正的无缝连接，提高数据管理和应用效率，便于数据共享，也为GIS采用完全的C/S模式提供了基础。5.5.3空间数据库的技术特色5.5.4空间数据库的体系结构5.5.5空间数据库设计的原则n1）尽量减少空间数据存储的冗余量。n2）提供稳定的空间数据结构，在用户的需要改变时，该数据结构能迅速作相应的变化。n3）满足用户对空间数据及时访问的需要，并能高效地提供用

16、户所需的空间数据查询结果。n4）在数据元素间维持复杂的联系，以反映空间数据的复杂性。n5）支持多种多样的决策需要，具有较强的应用适应性。5.5.6空间数据库的设计过程5.5.7空间数据库的需求分析和数据模型设计n1.需求分析n2.数据模型设计n层次模型n网状模型n关系模型n语义模型n面向对象的数据模型5.5.8空间数据库的概念设计n空间数据库概念化设计是从抽象和宏观的角度来设计数据库，即定义GIS数据全局性的规范，保证数据库内容完整、组织合理和便于应用。5.5.8空间数据库的概念设计n一般它应该包含数据库的数据组成、数据模型、数据内部组织等核心内容，并在此基础上形成一份称之为数据库总体设计报告

17、的书面文件。5.5.8空间数据库的概念设计n1.概念化设计工作内容n2.GIS数据模型模式n3.数据的分层管理5.5.9空间数据库的详细设计n1.数据源设计n2.修订数据标准与数据字典n3.数据存储、读取、查询和管理结构的设计5.5.10地理信息元数据的设计n1.元数据的定义和作用n2.地理信息元数据确定的原则n3.地理信息元数据的主要内容n4.地理信息元数据字典5.6 应用模型设计n5.6.1 概述n5.6.2 应用模型n5.6.3 应用模型的分类n5.6.4 应用模型的作用n5.6.5 应用模型建模的步骤n5.6.6 应用模型的构建方法5.6.1 概述nGIS以数字世界表示自然世界，具有完

18、备的空间特性，可以存储和处理不同地理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，是地理分析的有力工具。5.6.1 概述n因此，GIS不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于GIS的地理分析模型，这是GIS软件走向实用的关键。5.6.2 应用模型n1.应用模型nGIS应用模型是用来描述地理系统各地学要素之间的相互关系和客观规律信息的语言的或数学的或其他表达形式，通常反映了地学过程及其发展趋势或结果。5.6.2 应用模型n2.应用模型的特点n1）应用模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带。n2）应用模型是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具。n3）应用模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器。n4）应用模型是G