第8章GIS设计方法及应用的知识

第8章GIS设计方法及应用8.1GIS的设计开发简介8.1.1工具型GIS和应用型GIS8.1.2三种开发方法简介8.2GIS开发的系统工程方法8.2.1GIS工程的概念8.2.2GIS工程开发阶段划分及任务制定8.2.3GIS工程开发中的组织管理8.3应用GIS开发案例8.3.1福建省生态环境信息系统构建及应用研究8.3.2福建生态环境综合信息图谱构建与应用寻找一套高效的科学方法来进行GIS的组织管理，是当前GIS设计开发及应用迫切需要解决的问题。8.1GIS的设计开发简介8.1.1工具型GIS和应用型GISGIS作为一个特殊的软件领域，其主要特点是海量数据存储及空间数据与属性数据一体化管理，是能处理、分析地理空间数据的一类信息系统。GIS开发一般具有两个方面的含义：（1）从底层开发一个通用的工具型GIS。（2）借助通用的GIS开发平台(多为商业化GIS)进行二次开发，完成专用GIS的开发任务；或从底层根据应用目的开发一个专用的GIS。在第1章介绍GIS类型时曾提及GIS按其应用的特点，可以划分为工具型GIS、应用型GIS和大众型GIS。表8.1比较了工具型GIS和应用型GIS的要点及主要产品。工具型GIS，就是可以对各种地理空间数据进行输入、编辑、显示、管理、查询和处理分析，并能用以建立应用型GIS的软件包，例如ArcGIS、Arc/Info、ArcView、GenaMmap、MapIinfo、Idrisi、MapGIS、GeoSstar等商业软件。一般具有设计先进、技术含量高的地理信息处理平台支持，在很大程度上满足用户的应用要求，但其面向的往往是GIS的理论与技术，对用户的专业问题针对性不强，除非对GIS理论技术方法熟练掌握的专业用户，才能自如地解决自己的专业应用问题，而一般用户则难以直接使用。空间分析方法与应用模型是GIS的一个很重要的组成部分，这一部分的好坏是衡量一个GIS的功能强弱的重要指标。应用型GIS，就是应用目的明确，与特定的地理区域相联系。应用型GIS一般具有如下特点：区域性。应用型GIS，一般都针对特定的地理区域，或者说与特定的地理区域相联系。如“加拿大地理信息系统”、“福建省生态环境数据库系统”等。系统名称前一般都冠以区域名称，即指明了系统的区域性。目的性。应用型GIS，一般都具有更为明确的应用目的和使用对象。如：福建省减灾防灾综合信息评估系统，明确指明其应用目的就是为福建减灾防灾评估服务，它的使用对象只能是对福建灾害的时空格局、灾害预测及评估，具有查询、建模和调控等功能。核心应用模型。应用型GIS，特别是专业性的GIS，一般以一个或到几个核心应用分析模型作为系统的核心应用模型。这些应用模型，有的是GIS常规的应用分析方法或模型——如缓冲分析、邻域分析、地形分析、叠加分析、最短路径分析等的简单使用或各种组合，但更多的是以这些常规的应用分析方法或模型为基础，结合本专业的新理论和新技术而建立的专业应用由于模型。如：闽西根溪河流域水土流失综合整理研究，通过核心模型水土流失与植被的关系、水土流失与坡度的关系、水土流失与坡向的关系、水土流失与降水量的关系等来揭示闽西根溪河流域水土流失与环境要素的关系以及提出根治方案的依据。专业用户界面。应用型GIS，一般都结合专业的应用问题并针对特定的用户群体建立完全专业化和用户化的系统界面。如构建“闽江上游流域生态环境信息系统”时，在要求使用缓冲区分析模型建立河流沿岸一定宽度范围内的植被重点保护范围时，就可能在其相应的菜单项中直接使用“确定植被重点保护区范围”的专业术语，而不用“缓冲区分析”的GIS专业术语等。8.1.2三种开发方法简介从软件编程角度来看，目前GIS平台开发方法主要有3种。方法一，借助于GIS工具软件（如：Arc/Info、MapInfo、ArcView、MEG等）所提供的开发语言，进行系统建设与开发，并利用这些宏语言，以原GIS工具软件为平台开发出针对不同应用对象的应用程序。这种方法对开发者来说自主性比较差，对用户的多方需求也难以实现。方法二，是在VB、C或C++等环境下编程实现的“独立开发”，不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果的输出，所有的算法都由开发者独立设计，在一定操作系统平台上编程和调试，以便实现目标。此方法对开发者来说虽自主性很强，但需要开发者有较高的计算机编程技术，而且耗时多。方法三，通过通用软件开发工具或是可视化开发工具(如Delphi、，VisualC++,、VisualBasic,、PowerBuilder等)作为平台，进行二次集成开发。常见的也有两种方式：①采用OLEAutomation技术或利用DDE技术，在VB中进行软件集成，来实现GIS绝大部分功能。如将自己开发的程序和模型集成到IdrisiGIS中，从而就可建立自己的应用系统；②利用GIS组件（如：MapObjects，简称MO），在满足用户需求条件下，实现的GIS各种功能。如“基于MO的福建生态环境综合信息图谱数据库开发系统”，就是基于这种方法（稍后介绍）。二次集成开发对实现GIS功能是一种比较理想的方法。8.2GIS开发的系统工程方法8.2.1GIS工程的概念运用系统工程的原理、方法研究地理信息系统建设开发的方法、工具和管理的一门工程技术称为“GIS工程”。GIS工程的目标在于研究一套科学的工程方法，并与此相适应，发展一套可行的工具系统,解决GIS建设中的最优问题，即解决GIS系统的最优设计、最优控制和最优管理问题，力求通过最小的投入，最合理地配置资金人力物力而获得最佳的GIS产品。GIS工程与机械工程、建筑工程不同,它作为一种软件产品是抽象的、逻辑性的，而不是实物性的，对它的研制和维护本质上是一个“思考”的过程，很难对其进行控制。8.2.2GIS工程开发阶段划分及任务制定1.GIS工程建设的阶段分析：（1）GIS工程的建设从计划立项到产品运行涉及到多个环节，参照其他系统的研制过程，用工程化的方式有效地管理GIS建设的全过程，可分为六个阶段：可行性研究用户需求分析系统总体设计系统详细设计系统实现运行与维护。（2）六个阶段可看作是GIS工程建设的生命周期。尽管系统开发随应用领域和功能要求不同而不同，且具体内容也有所差别。（3）开发的步骤主要有：可行性研究用户需求分析系统总体设计系统详细设计系统实现运行与维护

8.2.3GIS工程开发中的组织管理1.组织机构GIS工程建设应该成立专门的组织机构，负责系统的开发管理工作。组织机构可分为三个层次：高层是领导小组，中层是总体技术组，底层是各种工作组。一般地说，底层的各种工作组的设置应考虑系统规模，从专业构成上应有计算机软硬件人员、测绘专业尤其是地图学专业的人员以及与系统用户有关的专业人员，如土地管理与城市规划专业的管理人员和规划师，所有这些人员都应受到GIS原理的基本训练。

2．开发进程管理（1）开发人员的配置开发人员是GIS建设中最活跃的因素，可以将其分为三类：高级技术人员（GIS专家或受过GIS基本训练的系统分析员、系统设计人员)一般技术人员(代码设计员、数据录入员、系统管理员)管理人员(领导决策者、各阶段的公关协调人员)。

工程建设的不同阶段对各类人员的数量要求是不一样的，一般地说在系统实施阶段人员需求量大于系统规划阶段，这也是大多数城市在建设GIS时多采取技术承包的原因。（2）开发阶段的纵向协调GIS工程建设的生命周期是有序的，前后阶段具有衔接性、依赖性，各阶段的工作要不时地反馈协调。若在设计阶段进行物理模型设计时发现数据流程图、数据字典不够完备，逻辑模型十分模糊，应当返到分析阶段重新进行逻辑模型的设计。生命周期的划分是相对的，系统规模小时总体设计与详细设计可以合并。而且阶段的某些顺序可以打破，如数据库建库工作在建库方案制定好之后可以提前进行。（3）各子系统开发的横向协调子系统开发往往由多个开发组并行进行。总体设计中对子系统间的接口及其他联系有明确规定。在实际建设实施中要作管理上的协调，对共享数据格式、传递数据形式、功能调用需要各开发组不时集中讨论协商。（4）取得用户的密切配合最好能吸收专业用户中熟悉业务的专职人员直接参与系统开发，尤其是在系统建设前期阶段。3.文档管理整个GIS工程建设中要产生多种文档，包括可行性研究报告、用户需求分析报告、总体设计方案、详细设计说明书、数据库建库方案、数字化方案、操作手册、测试报告等等。这些文档是软件的一个部分，是开发人员逻辑设计思想的体现，是系统建设的重要成果，是系统维护的重要依据。注意：文档建设要与开发阶段相配套，作为阶段性成果，一个阶段结束时相应的文档也应提交出来，并作为下一阶段的指导性依据。用户需求很重要，否则，系统设计就无法开展；没有详细设计说明书，代码设计就无法进行。开发过程中，对先行成果作了修改，同时要在文档中体现，前后阶段文档内容要衔接，形成一定体系。很难对文档的编制制定统一规范的格式，但各文档的内容可以规定。文档的术语要符合软件工程的内容要求。在需求分析报告中运用正确表达的数据流程图，数据字典描述工具表达系统的逻辑模型，比自然语言描述要强得多。比较底层的与GIS开发平台紧密相关的文档应使用平台软件指令、功能术语。如选Arc/Info作为开发平台，在数字化方案、程序设计说明书中应出现TIC、COVERAGE、LAYER、ROUTE、TIN等术语。§8.3应用GIS开发案例8.3.1福建省生态环境信息系统构建及应用研究1.系统构建（1）福建省生态环境信息数据库系统及应用总体设计A．目标：构建福建省生态环境信息数据库及应用系统。B．任务：室内处理数据、野外考察、GPS测量数据等，2006年完成。C．软硬件选择：配备好奔5台式机和笔记本电脑若干台，在WindowsXP以及网络环境支持下，基ArcView3.3、ArcGIS9.0、AO、MO、Accesses、Excel、VB、PhotoShop等软件。D．GIS开发方法选择：基于MO的ArcView或基于AO的ArcGIS二次集成开发。E．代码设计和数据编码：以土地为例，数据编码见表8.4。F．界面设计：用面向对象的方法设计。（2）福建省GIS基础数据库详细设计

从系统数据的输入、处理和输出来考虑，数据库概念模型分析的具体内容包括系统数据来源分析、数据间逻辑关系分析、系统数据流程关系分析和生态环境数据的图层关系分析。①数据源的选取和预处理数据源包括地图数据、统计数据、图像数据和其他数据。根据系统的目标和功能，对收集的数据进行筛选，作为系统数据库的原始数据。因数据的来源不同、格式不一，在将这些数据输入数据库之前，需要对各类数据源进行预处理，即对数据标准化和规范化处理。例如，生态环境信息系统中的生态环境数据一般由多个部门多人合作完成，为了便于生态环境数据的分析和保证数据的可靠性，建立数据库之前必须对生态环境数据进行统一编码。对空间数据不一致（如：数据源中可能存在同一区域不同专题数据的坐标系不一致、比例尺不一致、数据精度不一致、数据格式不一致等）要进行几何纠正、标准化处理及数据转换。②数据分类和组织在明确了系统的功能要求和系统的数据来源后，可对各种数据进行分类。如对区域生态环境数据分类，要求在内容上既能有反映生态环境的历史断面数据，也有反映生态环境现状的数据；从信息系统的数据处理形式来看，这些数据可分为空间数据和属性数据。福建生态环境数据分类与组织思路如图8.1所示。为了进一步分类，需要划分图层，在第2章已介绍图划分层的方法，本案例福建生态环境信息系统中对空间数据的部分分层见表8.5。图8.1生态环境数据分类与组织根据结构化系统分析的思想，可将生态环境信息系统的数据先分为不同的层次（省、市县、乡、镇以及重点区域），然后明确各层次数据的专题信息，并定义各专题信息的层次关系。这样将整个系统的数据分成相对独立的小部分，构建逻辑关系。为在时空上能相互衔接，还需要建立一个有效的时空索引数据库，实现数据流程图（如图8.2所示），以便更好地管理生态环境数据库。图8.2构建生态环境数据库流程图（3）应用模型和方法设计常用的应用地图模型在工具性型GIS软件中已有提供，如叠加模型、邻域模型、缓冲模型、DEM模型等；区域性或专门化应用模型设计，如：闽西根溪河流域地形分析模型等。（4）输入/输出设计对预处理的数据格式转换、共享以及输入/输出设备的匹配进行考虑设计。（5）GIS分析和建模功能设计理论分析有两方面，一是GIS提供的数据结构、数据模型与应用所设计到的专业数据的特征和结构的适应性分析，二是分析方法和应用模型与GIS技术结合可能性分析。基于MO或AO,应用ArcView或ArcGIS进行二次开发。8.3.2福建生态环境综合信息图谱构建与应用以福建生态环境信息基础数据库系统为依据，进一步构建福建生态环境综合信息图谱数据库。1.构建生态环境综合图谱数据库系统（1）划分生态环境类型基本原则划分生态环境类型的基本原则是：以构成生态环境的自然要素为主，同时考虑人类活动对生态环境的影响。其中气候带是影响福建省生态环境的主要宏观自然因素，作为第一级（大类）划分的指标，划分为中亚热带生态环境、南亚热带生态环境两大类，人工建筑生态环境也作为一大类；地貌是福建省生态环境的主导因素，作为第二级划分指标，划分为山地、丘陵、台地、山间盆地谷地、滨海平原、湿地等生态环境类型；植被、土壤、土地利用等作为第三级划分的指标，同时通过植被的覆盖程度、土壤侵蚀的强度、人工建筑类型、土地利用类型（如水田、旱作、果园茶园等）反映人类活动对生态环境的影响。依次原则，福建省生态环境类型共划分了三大类、13个中类和83个类型。（2）生态环境综合信息图谱分类方案生态环境综合信息图谱研究的首要任务是按照地表自然界的真实情况、历史形成的地域差异，阐明生态环境区域分异的空间格局。生态环境综合信息图谱的类型反映了这种区域的差异，而类型的确定要由一系列反映生态环境区域特征的指标为依据。分类体系划分是否合理和规范，直接影响到图谱数据的组织以及它们之间的链接、传输和共享。图谱分类是系统设计和建立数据库前一项极为重要的工作。两个方案备选。“4大类22个类型”和“7大类49个类型”（3）生态环境综合信息图谱数据库系统结构生态环境综合信息图谱是在生态环境数据库与综合系列地图基础上，经过信息挖掘、知识发现、抽象概况、模型分析形成综合性的图形谱系，是计算机化的地学图谱。图谱应能反映福建省生态环境的时空变化规律。生态环境综合信息图谱数据库是研究图谱特性的主要依据。在福建省生态环境类型研究基础上，根据生态环境综合信息图谱的要求，进行类型归并与综合生成生态环境综合信息图谱。福建生态环境综合信息图谱的数据库与一般GIS生态环境基础数据库有相同的地方，但也有明显不同之处，比较见表8.8。表8.8福建生态环境综合信息图谱数据库与一般GIS生态环境数据库比较生态环境综合信息图谱不仅是生态环境数据库的基础资料，而且以可视化技术揭示生态环境的空间格局与时空变化规律，可为生态环境规划治理与决策咨询提供深层次的科学依据和具体方案。生态环境基础数据库由生态环境统计资料数据库、文本数据库、系列地图图形数据库、电子图集数据库、综合信息图谱数据库、遥感影像数据库等构成。生态环境综合信息图谱数据建库则采纳4大类22种类型。图谱数据组织分为关系型数据库和空间数据库两部分内容，如图8.3所示。构建了福建生态环境综合图谱数据库系统，如图8.4所示。图8.3福建生态环境图谱数据库数据组织图8.4福建生态环境综合信息图谱数据库系统图示.（4）软件平台及系统实现的主要功能建立一个良好的数据组织结构和数据库，使整个系统能够迅速、方便、准确地调用和管理所需的数据，是系统开发的必然要求。在考虑数据结构的同时，对系统设计还要求遵循实用性、标准化、系统性以及安全性等原则。利用地学图谱实验数据，比较了图谱与属性数据的双向检索与查询实现的几种方法，为了使系统的功能更好地实现，在原先研究的基础上，选择基于VB等环境下的GIS组件MapObjects模式作为开发平台，建立福建生态环境综合信息图谱数据库系统。在GIS技术支持下，系统的数据流向主要分两大块：一是利用MapObjects来显示图谱数据，并对图谱数据进行查询；二是利用ADO组件访问图谱数据的元数据，这些元数据描述了图谱数据的分类信息以及图谱特征与指标。通过对元数据的查询可进一步细分查询类型。系统可实现3大功能，即：数据输入功能、查询和双向检索显示功能和输出功能。福建省生态环境综合信息图谱数据库系统界面及主要功能显示如图8.4所示2.信息图谱数据库功能信息图谱数据库可主要应用在以下几个方面：（1）查询和检索功能。

例如：若要查询A4-(105)类型的图斑特征，只要单点击该类型，屏幕上就可显示；要是单点击图谱（如图斑、轮廓），屏幕上也可出现图谱类型以及显示该图斑的一系列定性与定量指标（如地形、气候、植被、土壤、土地利用、生态环境类型），图谱特征与指标检索可见表8.9。系统也支持显示结果，可打印输出。（2）可视化功能。在数据库技术支持下，实现图形可视化，如在系统支持下可生成“福建生态环境信息图谱类型及界线图”。信息图谱模型是强调用数字化、系列化的图形图像揭示客观事物和现象空间结构特征与时空变化规律的一种方法与手段，它能够将复杂的本质属性简洁、直观地可视化表达出来，而且具有图形多维化、时空动态化等特点。（3）分析功能。利用生态环境信息图谱谱系叠加在景观生态图或遥感图像上进行分析，可以发现新知识和新规律。通过数学模型，信息图谱有助于模型构建者对空间信息及其过程的理解。（4）决策辅助功能。利用生态环境信息图谱数据库的定量指标，建立生态环境综合信息图谱的数学模型，从而进一步分析出生态环境动态变化的规律，为今后生态环境治理、保护、重建的规划与建设提供科学依据。开发和应用生态环境信息图谱，不仅要通过图谱直观地反映事物和现象分布格局的时空功能，更重要的是要挖掘图谱的分析功能和辅助研究功能。这也是生态环境信息图谱研究的重点和难点。（5）其他功能。福建生态环境信息图谱数据库建设得到GIS集成技术的支持，得到多学科研究成果的支持，为推动区域生态系统多学科渗透和跨学科的综合，地学信息图谱恰好提供了多学科知识融合的技术平台。在GIS集成技术支持下，实现福建生态环境综合信息图谱系统工作流程如图8.5所示。（1）实现目标以福建某地区生态环境综合图谱为例，基于VB环境下的GIS组件MapObjects开发实现了综合信息图谱特征与指标检索表的连接实现综合信息图谱特征与指标检索表的内容按编码与代号输入计算机，建立综合信息图谱检索系统。同时建立同景观类型名称索引表的双向检索。（2）开发方法为了能够建立一个相对统一的数据库，必须设计数据库的结构，属性数据库的字段除属性描述指标外，再加上代号、编码和名称。自然景观各要素图谱的属性数据库结构与此类似，它们是图谱信息系统开发的重要前提。一般编码规则见表8.9。景观带图谱数据库编码为7位，编码的第一位为自然景观综合信息图谱的类型码，后面6位就是上述的景观带的代码、景观亚带的代码以及景观类型的代码。例如长江中游平原北亚热带湿润双季水稻与常绿果林、经济林景观，其代号为IVA8，即属于第四类景观带，第一类景观亚带，第八类景观类型，因此编码为1040108。这种组合代号体现了一定的谱系结构。（3）数据库系统构架设计福建生态环境综合信息图谱数据库及其查询系统的建立是在生态环境综合信息图谱各类型单元的归并与属性信息的提炼，定量指标确定的基础上，设计符合生态环境综合信息图谱特点的数据库结构，并利用GIS技术实现生态环境综合信息图谱查询检索系统。自然景观信息图谱提炼的技术流程包括图像扫描、配准、数字化、界线的拟定、卫星图像的判读分析、界线的确定、属性指标体系的建立、数据库结构设计以及对自然景观单要素信息图谱（地貌图谱、气候图谱、水文图谱、植被图谱、土壤图谱等）的构建。福建自然景观综合信息图谱的数据库设计见表8.10。本系统采用Microsoft的Access2000数据库管理模式，空间数据为shape格式，系统的数据流向主要分两大块：一是利用MO来显示图谱数据，并对图谱数据进行查询；二是利用ADO组件访问图谱数据的元数据，这些元数据描述了图谱数据的分类信息以及图谱特征与指标，通过对元数据的查询可进一步细分查询类型。建立综合信息图谱特征与指标检索表，将综合信息图谱特征与指标检索表的内容按编码与代号输入计算机，建立综合信息图谱检索系统。同时建立同景观类型名称索引表的双向检索。4.实验区功能的实现以福建某区域生态环境综合信息图谱为例，在VB、MSAccess2000的环境中，利用MO开发生态环境综合信息图谱数据库系统，设计实现信息图谱图形与属性信息的双向查询与检索的功能。由于不同的人考虑的具体指标是不同，因此，图谱的划分归并是因人而异的。本案例采用廖克教授划分的福建生态环境信息图谱类型初步方案为21种，如表8.11。

图8.7图谱图形与属性信息的查询与检索主界面图8.6数据库字段的窗口的显示

按上面的思路，建立的图谱数据库、图谱查询与检索系统，同时建立了与景观类型索引表一致的双向检索。这种方法能满足用户的需求进行设计界面，实现的功能也强。基本数据库表的字段显示如表8.12和图8.6。图谱图形与属性信息的查询与检索主界面如图8.7所示。生态环境综合信息图谱是按照一定指标递变规律或分类体系排列的一组能够反映地学空间信息规律的数字地图、图表、曲线或图像。它是空间时代与信息社会的产物，是指区域自然过程与社会经济可持续发展的时态演进与空间分异，既可再现历史又可虚拟未来，是研究区域自然环境与社会发展的一种现代化的科学方法和高新技术手段。信息图谱既是表达地表现象的一种表现形式，又是揭示地表现象的一种分析方法。福建生态环境综合信息图谱类型，如图8.8所示。图8.8福建生态环境综合信息图谱类型5.应用模型构建闽西根溪河流域地表物质以花岗岩为主，在地貌上有