地理信息系统 第八章 地理信息系统工程

第八章地理信息系统工程在实际应用中，地理信息系统是一个实用化的计算机软硬件系统，这也是地理信息系统的真正价值所在。一个完整的GIS应用不是原理和技术方法的堆砌，而是基于系统化思想指导下的工程化建设过程。国内外的大量实践证明，那种认为只要具有先进的硬件设备和强大的GIS基础软件平台，就可以立即构成一个实用的GIS系统是十分8．1地理信息系统工程的概念目的和要求，统筹设计、优化、建设、评价、维护实用GIS系统的全部过程和步骤的统称。GIS工程具有一定的广泛性。它是系统原理和方法在GIS工程建设领域内的具体应用。它的基本原理是系统工程，即从系统的观点出发，立足于整体，统筹全局，又将系统分析和系统综合有机地结合起来，采用定量的或定性与定量相结合的方法，提供GIS工程的建设模和实现上要遵循软件工程的原理，研究软件开发的方法和软件开发工具，争取以较少的代价获取用户满意的软件产品，支持GIS工程。GIS工程又具有相对的针对性。GIS工程总是面向具体的应用而存在，它伴随着用户的背景、要求、能力、用途等诸多因素而发生变化。这一方法说明GIS具有很强的功用性，另一方面则要求从系统的高度抽象出符合一般GIS工程设计和建设的思路和模式，用以指导各种GIS工程建设。GIS工程涵盖范围很广，它贯穿工程设计、优化、建设、评价、考虑的范畴，做到“物尽其用，人尽其能”，以最小的代价取得最佳GIS工程涉及因素众多，概括起来可以分为硬件、软件、数据及数据是GIS系统的血液；人则是活跃在GIS工程中的另一个十分重要是系统的使用者、维护者。如果人的作用发挥得好，可以增强系统的功能，增加系统的效益，为系统增值，反之会削弱系统应有的潜能。如果说硬件、软件、数据表现出某种层次关系的话，件之上，数据赖以软件而存在，那么，人的作用就是嵌入在整个GIS工程领域之中。与一般信息系统相比，GIS是以管理具有定位特征的空间数据为其主要特征的计算机软硬件系统，其功能强大，种类繁多，数据种类多样，应用性强，结构复杂，主要表现为：(1)横跨多学科的边缘体系，GIS是由计算机科学、测绘遥感学、摄影测量学、地理学、地图制图学、人工智能、专家系统、信息学等组成的边缘学科。(2)以空间数据为主，数据类型多样：从内涵上说，GIS包含有图形数据、属性数据、拓扑数据。从形式上说，包含有文本数据、图形数据、统计数据、表格数据。所有数据皆以空间位置数据为主要核心，在图形数据库和属性数据库间相联系。(4)以应用为主，类型多样：GIS以应用为主要目标，针对不同领域，具有不同GIS，如土地信息系统、资源与环境信息系统、辅助规划系统、地籍信息系统。不同的GIS具有不同的复杂性、功能和要上述情况决定了GIS工程是一项十分复杂的系统工程，投资大、时又存在着自己的特殊性。在一个具体的GIS开发建设过程中，需要领导层、技术人员、数据拥有单位、各用户单位与开发单位的相互协作合作，涉及到项目立项、系统调查、系统分析、系统设计、系统开发、系统运行和维护多阶段的逐步建设，需要进行资金调拨、人员配置、开发环境策划、开发进度控制等多方面的组织和管理。如何形成一套科学高效的方法，发展一套可行的开发工具，进行GIS的开发和建设，是获得理想GIS产品的关键和保证。8．2地理信息系统的工程建设本节在系统工程、软件工程思想和方法的指导下，介绍了GIS的工程建设。内容包括系统调查、系统分析、系统设计、系统开发与实施、系统维护和评价、GIS建设的组织管理等。尽管GIS的种类繁多、而无论何种GIS，其开发建设仍可遵循下面介绍的方法进行。根据GIS建设的时间序列，可以把建设过程分为5个阶段：系统调查、系统分析、系统设计、系统实施、系统维护和评价并最经济地花费人力、物力投资，便于运行和维护。这些文挡作为软件产品的成果之一，集中体现了GIS开发建设人员的大量脑力劳动成果，是GIS不可缺少的组成部分。1．现行系统调查对现行系统调查是GIS工程开发和建设的第一步，由系统分析员承担完成。主要任务是通过用户调查发现系统存在的问题，完成可行性研究工作，确定建立GIS是否合理，是否可行。调查方法可采用访问、座谈、填表、抽样、查阅资料、深入现场、与用户一起工作等各种调查研究方法，获得现行状况的有用资料，解决以下几个问题：·根据用户的资金和技术力量分析建立GIS是否可行。(1)发现现行系统存在的问题通过对现行系统组织机构、组织分工、工作任务、只能范围、业务运作流程、信息处理方式、资料使用情况、工作负荷、人员配置、设备装置、费用开支等各方面的调查研究，指出现行工作状况在工作效率、费用支付、人力使用等方面存在的主要问题和薄弱环节，作为(2)初步确定系统的主要目标系统目标规定了待建GIS建成后所要求达到的运行指标，是进行可行性分析、系统分析与设计、系统实施、系统测试、系统评价与维护的重要依据，对GIS生命周期起着重要的作用。通过对现行系统硬件环境、GIS发展水平，投资规模，建设周期等因素的分析，初步确定系统的目标。系统目标决定了将来建成的GIS的位置和水平：1)建立数据库（图形和属性数据库），实现对有关数据的输入、存储、检索和查询统计，改进信息资源的管理和利用；2)不仅实现对有关数据的有效管理，而且提供较强的空间分析功能，建立相应的应用模型，提供辅助决策功能，例如，土地3)具有智能推断的高级GIS系统。一般来说，系统目标不可能在调查研究阶段就提得十分具体和确切，随着后续分析和设计工作的逐层深入，新建GIS系统目标也将逐步具体化和定量化。(3)技术力量的调查分析GIS是一个横跨多个学科组成的一个边缘学科，在GIS建设的各个阶段，需要各种层次、各种专业的技术人员参加，例如系统分析人员、设计人员、程序员、操作员、软硬件维护人员、组织管理人员等。应对新建GIS的规模和应用领域，对从事这些工作的技术人员数量、结构和水平进行调查分析，如果不能投入足够数量的上述人员或者投入人员的技术水平不理想，则可以认为GIS建设在技术力量上是(4)资金才力的调查分析GIS工程建设需要有足够的资金才力做保证。根据拟建GIS的规模，要对GIS开发和运行维护过程中所需要的各种费用进行预测估算，包括软硬件资源、技术开发、人员培训、数据收集和录入、系统维护、材料消耗等各项支出，衡量能否有足够的资金保证进行GIS的(5)数据资料的调查分析数据是信息的载体，是系统运行的“血液”。GIS涉及的数据种类繁多，形式多样，结构复杂，往往同时包括图形数据、图象数据、表格数据、文字数据、统计数据等。要对有关部门所拥有和能够提供的数据在数据种类、完备性、准确性、精确性等方面进行深入的调查统计与分析，明确数据资料是否实用于GIS的有效管理，是否提供GIS的有效运行。尤其对于作为定位依据的地形图等基础数据，要给予认真的调查和统计。这一步工作是十分重要的。(6)系统效益调查分析一般说来，GIS建设投资大，短期内效益不明显。要对GIS建成后带来直接或间接的经济效益和社会效益进行估计，并与GIS建设各阶段的投入相比较，看看能够带来多少好处。可从投资回收期、效益/费用、节省人力、减轻劳动强度、改进薄弱环节、提高工作效率、提高数据处理的及时性和准确性，辅助决策和提供决策依据等各个方面进行分析预测。(7)运行可行性的调查分析评价新建GIS运行的可行性及运行后引起的各方面的变化（如组织机构、管理方式、工作环境）对社会或人的因素产生的影响。主要包括GIS运行后对现有组织机构的影响，现有人员对系统的实用性，对现有人员培训的可行性，人员补充计划的可行性，对环境条件的影现行系统调查研究要求系统分析员与GIS用户、新涉及的各部门甚至领导之间进行充分的交流和沟通，正确分析GIS建设带来的利弊，最后由系统分析员提交可行性报告。2．系统分析系统分析是GIS开发的关键工作阶段，通过对现行系统的深入分析，获取现行系统的具体逻辑模型，从功能上确定用户的需求，定义新建GIS的逻辑功能，解决系统“干什么”，而不顾及“怎么干”的物理实现，获取GIS的逻辑模型以反映用户的需求。系统分析的结果将产生用户需求分析报告，它作为GIS开发者与用户沟通的主要桥梁和成果，是对将建成系统的概略性描述，是进行系统设计、开发、测试和评价的依据。GIS作为一类规模庞大、复杂多样的系统，合理的分析方法对GIS建设是非常重要的。以“逐层分解”和“抽象”为思想精髓的结构化分析方法作为GIS建设中的分析手段是非常有益的，通过把GIS对象抽象为一个系统，然后采用自顶向下，逐层分解的手段，使复杂的GIS系统分解成足够简单，能够清楚地被理解和表达的若干子系统和找出各部门间的接口，使GIS系统分析简单化、明确化，同时，结构助于对GIS表达。(1)分析现行运行过程，获取现行系统流程图系统分析员在对用户现行工作流程深入调查的基础上，要对现行系统进行深入细致的分析和研究，明确现行系统的目标、规模、界限、主要功能、组织机构、业务流程、数据流程、数据存储、对外联系、日常事物处理与主要存在问题，获取对现行系统的充分认识与理按照现行系统的职能划分和业务范围，概括抽象出现行系统的业务框图或业务流程图，通过各业务职能的相互关系和可实现程度，初步界定出GIS建设可实现的业务内容和可改进的职能。例如，对于在空间数据库基础上提供空间分析功能的土地管理信息系统，我们可以实现对土地有关的各项指标的查询、统计以及进行土地资源的单一或多用途评级、评价，但不可能期望通过该级别GIS的建设实现对土地利用的自动规划。按照现行系统对数据的使用、加工和处理过程，获得现行系统的数据流程图，对于以空间数据处理为其对象的部门来说，它的运作需要涉及大量的图形、表格、文挡资料，数据流程图是其具体业务过程和作业过程的反映，代表了数据操作的逻辑模型。(2)进行数据分析，获取数据字典对数据流程图中出现的所有空间数据、属性数据进行描述与定义，形成数据字典，列出有关数据流条目、文件条目、数据项条目、加工条目的名称、组成、组织方式、去值范围、数据类型、存储形式、存储长度等。数据流条目：组成、流量、来源、去向；文件条目：文件名、组成、存储方式、存取频率；数据项条目：数据项名、类型、长度、取值范围；处理条目：处理名、输入数据、输出数据、处理逻辑。(3)导出现行系统的逻辑模型对现行系统的具体模型进行抽象，去掉那些具体的、非本质的、在进一步深入分析中造成不必要负担的东西，获取反映系统本质的逻辑模型，作为待建GIS逻辑模型的依据。例如，对图8-1(a)所示非本质的因素进行抽象，可得图8-1(b)所示的逻辑模型。(4)进行用户需求分析与描述设计处——设计处——图8-1逻辑模型在对现行系统深入分析的基础上，找出现行系统存在的问题和弊端，对用户提出的要求进行综合抽象和提炼，形成对待建GIS需求的文字描述，包括有功能需求、性能需求、数据管理能力需求、可靠性需求、安全保密需求、用户接口需求、联网需求、软硬件需求、运行环境需求等的文字描述。(4)明确待建GIS的目标对可行性分析中的目标进行进一步深化明确，获得待建GIS更加(5)导出待建GIS的逻辑模型这是系统分析中实质性的一步。将待建系统的逻辑模型与待建GIS的目标相比较，找出逻辑上的差别，决定出变化的范围，明确待建GIS“做什么”；将变化的部分看作新的处理步骤或模块，对现有(6)制定设计实施的初步计划对工作任务进行分解，确定各子系统（或模块）开发的先后顺序，分配工作任务，落实到具体的组织和人；对GIS建设的时间进度进行安排；对GIS建设费用进行评估。系统分析的最后阶段由分析员提交用户需求分析报告，用户需求分析报告一般应经过用户主管部门的批准，在经过用户和开发者双方认可后，具有合同的作用，是GIS建设中进行开发设计和3．系统设计GIS建设中的系统设计是新建GIS的物理设计过程，在需求分析规定的“干什么”的基础上解决系统如何干的问题。也即按照对建设GIS的逻辑功能要求，考虑具体的应用领域和实际条件，进行各种具体设计，确定GIS建设的实施方案。按照GIS规模的大小，可将设计任务划分为两个阶段。第一个阶段是总体设计，用来确定GIS的总体结构，即GIS各子系统或各模块的划分，以及各组成部分（子系统或模块）之间的相互关系。第二阶段是详细设计，在总体设计的基础上，将各组成部分进一步细化，给出各子系统或模块的足够详细的过GIS工程建设的设计可采用结构化设计方法，这是一种面向数据流的设计方法，指用一组标准的准则和图表工具(如数据流图，DFD，DataFlowDiagram)确定系统有那些组成部分，用什么方法联系在一起，从而构成最好的系统结构，在此基础上，进行各种输入、输出、处理和数据存储的详细设计。总体设计的任务主要有：(1)系统的目的、目标及属性的确定系统的目的是系统建成后应达到的水平标志，或称系统预期达到的水平。GIS系统必须提出明确的系统目的，以指导工作的展开。系统目标是实现目的过程中的努力方向，GIS工程中提出的系统目标因具体问题而变化，比如：ⅆⅆ)ⅆⅆ)ⅆⅆ)·系统被接纳和使用度（或满意度）估计系统属性是指对目标的量度。由于GIS工程建设的多样性及不易量测的特点，衡量GIS工程的属性通常采用：·系统对原有工作模式改进程度·对使用者的满意度调查在处理实际问题时，常常遇到系统目标不只一个，而是多个，它们共同构成目标集合。对目标集合的处理，往往把目标分解，按子集、分层次画成树状结构，称其为目标树，如图8-2。构造目标树的原则是：1)目标子集按目标的性质进行分类，把同一类目标划分在一个目2)目标分解，直至可量度为止。把目标结构画成树状结构的优点是，目标集合的构成与分类比较的价值权衡，也就是说，在确定目标的权重系数过程中，能够明确地表明应该和那些层次、那些部门的决策者对话。(2)进行各子系统或模块的划分与功能描述按照GIS各功能的聚散程度和耦合程度、用户职能部门的划分、处理过程的相似形、数据资源的共享程度将GIS划分为若干子系统或若干功能模块，构成系统总体结构图，并对各系统或模块的功能进行(3)模块或子系统间的接口设计各子系统或模块作为整个GIS的一部分，相互间在功能调用、信息共享、信息传递方面都存在着或多或少的联系，故应对其接口方式、权限设置进行设计。例如，一个城市规划与国土信息系统可划分为基础信息、规划信息、土地管理、市政管线、房地产管理、建筑设计管理等子系统。相互间都要共享有关基础数据、规划数据、市政管权限等作出严格规定与设计。(4)软硬件配置设计硬件：包括计算机、存储设备、数字化仪、绘图仪、打印机、其它外部设备。说明其型号、数量、内存等性能指标，画出软件：说明与硬设备协调的系统软件、开发平台软件等。(5)网络设计包括对网络的结构、功能两方面的设计。例如，在城市规划与国土信息系统中，基础信息、规划管理、土地管理、市政管线、房地产管理、建筑设计管理等子系统间存在着数据共享和功能调用关系，由于各自针对不同的部门使用，就要求设计相应的网络结构，实现相互间及其与总系统的联网，同时，城市规划与国土信息系统也可能与城市经济信息系统联网。(6)输入输出与数据存储要求对新建GIS输入、输出的种类、形式要求等，以及对数据库的用途、组织方式、数据共享、文件种类作一般说明，详细内容在详细设计中考虑。(7)开发策略规定包括经费管理、条件保证、运行管理、计划实施、实施方案说明、组织协调等的规定。(8)成本与收益分析成本是指开发和（或）运行GIS系统所支付的资金，而收益是指由于新系统的投入而增加的收入或减少的成本。开发系统是一种投资，这意味着当前需向某一项目支付资金，希望将来某个时候能够获得收益。在开发周期的每一个阶段都需要投资，而期望的收益来至减少成本或增加收入。如果期望的收入小于成本，那么这个系统可能不值得继续做下去。详细设计是在总体设计的基础上进一步深化，主要内容有：(1)模块设计详细设计是对总体设计中已划分的子系统或各大模块的进一步深入细化设计。按照内聚度和耦合度、功能完整性、可修改性进一步划分模块，形成进一步功能独立、规模适当的模块，要求各模块高内聚低耦合（即块内紧，块间松），对各模块进行设计，画出各模块结构组成图，详细描述各模块的内容和功能。(2)代码设计GIS数据量大，数据类型多样，为减少数据冗余度，方便对数据的分类、统计、检索和分析处理，提高处理速度，便于管理，节约存储，需要对有关数据元素或数据结构（如用地分类、公共建设设施性质、管道类型、管道名称等）进行代码设计、形成编码文件，必要时还应建设代码字典，记载代码与数据间的对应关系。GIS中所设计的代码应具有唯一性、标准性和通用性、可扩充性和稳定性、易修改性、易识别和记忆等特点。(3)数据库设计常用的关系数据库并不适合对GIS中大量的空间数据的有效管理。GIS中一般应包含两个数据库：空间数据库和属性数据库。一般说来，GIS的开发平台已经提供相应的数据库管理系统或从现有的系统中选购。数据库设计要完成数据库模型设计、数据结构的设计。对于一个大型的GIS，数据库的设计是一个十分复杂的过程，要求数据库设计者对数据库系统和GIS应用系统有相当深入的了解，空间数据库的设计要对数据分层、要素属性定义、空间索引或检索等作明确的设计。(4)数据获取方案设计数字化作为GIS数据采集的重要方式，是GIS获取有关图形图件信息的重要手段。数字化方案设计的内容包括：内容选取与分层、数字化中要素关系的处理原则与策略、相应专题内容的数字化方案、数字化作业步骤、数字化质量保证等。(5)界面设计GIS作为一种可视产品，一个人机界面友好，简单易学、灵活方便的界面是GIS建设的一个重要内容。GIS数据信息的提供显示更多地与图形符号化紧密相联，要多图面布局形式、图面布局内容、色调搭配、菜单形式、菜单布局、对话作业方式说明。(6)输入输出设计在总体设计的基础上，对输入输出的内容、种类、格式、所用设备、介质、精度、承担者作出明确的规定。(7)程序模块设计对模块设计中的各模块进行逐个模块的程序描述，主要包括算法和程序流程、输入输出项、与外部的接口等。(8)安全性能设计用来避免由于存在的各种危险而造成的事故，确保GIS系统使用安全，运行可靠。按照待建GIS的状况和用户对象，进行如下某些内容的设计：对用户分级，设置相应的操作权限；对数据分类，设置不同的访问权限；口令检查，建立运行日志文件，跟踪系统运行；数据加密；数据转储、备分与恢复；计算机病毒的防治。(9)实施方案设计对工作任务分解，指明每项任务的要求和负责人，对各项工作给出进度要求，作出各项实施费用的估算及总预算。系统设计的主要成果是系统设计说明书，包括总体设计说明书和4．系统的开发与实施开发与实施是GIS建设付诸实现的实践阶段，实现系统设计阶段完成的GIS物理模型的建立，把系统设计方案加以具体实施。在这一过程中，需要投入大量的人力物力，占用较长的时间，因此必须根据系统设计说明书的要求组织工作，安排计划，培训人员，开发和实施的内容及流程见图8-3。图8-3GIS开发与实施的内容及流程(1)程序编制与调试程序编制与调试的主要任务是将详细设计产生的每一模块用某种程序设计语言予以实现，并检验程序的正确性。为了保证程序编制与调试及后续工作的顺利进行，软硬件人员首先应进行GIS系统设备的安装和调试工作。一般情况下，程序的编制与调试在GIS提供的环序规范化措施，最后完成程序的编制、调试、测试。程序编制可以采用结构化程序设计方法，使每一程序都具有较强的可读性和可修改性。当然也可以采用面向对象的程序设计方法。每一个程序都应有详细的程序说明书，包括程序流程图、源程序、调试记录以及要求的数据输入格式和产生的输出形式。(2)数据采集与数据库建立GIS过程中需要投入大量的人力进行数据的采集、整理和录入工作。GIS规模大，数据类型复杂多样，数据的收集与准备是一项既繁琐，劳动量又巨大的任务，要求数据库模式确定后就应进行数据的输入，对数据的输入应按数字化作业方案的要求严格进行，输入人员应进行相应程度的培训工作。(3)人员的技术培训GIS的建设需要很多人员参加工作，包括系统开发人员、用户和领导阶层，为了保证GIS的调试和用户尽快掌握，应提前对有关开发人员、用户、操作人员进行培训，掌握GIS的概貌和使用方法。对于一般人员和领导，也应给予一定的宣传和教育，使其对新建GIS系统有所了解，关心和支持GIS的实施工作。(4)系统测试系统调试与测试是指对新建GIS系统进行从上到下全面的测试和检验，看它是否符合系统需求分析所规定的功能要求，发现系统中的错误，保证GIS的可靠性。一般说来，应当由系统分析员提供测试标准，制定测试计划，确定测试方法，然后和用户、系统设计员、程序设计员共同对系统进行测试。测试的数据可以是模拟的，也可以是来自用户的实际业务，经过新建GIS的处理，检验输出的数据是否符合预期的结果，能否满足用户的实际需求，对不足之处加以改进，直到满足用户要求为止。测试方法可采用如下流程实施：设计一组测试用例→用各个测试用例的输入数据实际运行被测程序→检测实际输出结果与预期的输出结果是否一致。这里供测试用的数据具有非常重要的作用，为了测试不同的功能，测试数据应满足多方面的要求；含有一定的错数据之间的关系应符合程序要求。GIS的开发与实施阶段将产生一系列的系统文挡资料，一般包括用户手册、使用手册、系统测试说明书、程序设计说明书、测试报告5．系统的维护与评价GIS测试完毕，即可进入正式运行阶段，提供用户使用。在这一阶段，系统工作人员要对投入运行后的GIS进行必要的调整和修改。系统维护是指在GIS整个运行过程中，为适应环境和其它因素的各种变化，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规模大，功能复杂，对GIS进行维护是GIS工程建设中一个非常重要的内容，也是一项耗时，花费成本高的工作，要在技术上、人力安排上和投资上给予足够的重视。(1)系统的维护GIS的维护主要包括以下四个方面的内容。1)纠错纠错性维护在系统运行中发生异常或故障时进行的。往往是对在开发期间未能发现的遗留错误的纠正。任何一个大型的GIS系统在交付使用后，都可能发现潜藏的错误。2)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，进行数据的及时更新，包括地形图、各类专题图、统计数据、文本数据等空间数据和属性数据。由于空间数据在GIS中具有庞大的数据量，这里研究如何利用航空和多种遥感数据实现对GIS数据库的实时更新具有重要的意义，例如可借助航空影象实现对地图的更新。3)完善和适应性维护软件功能扩充、性能提高、用户业务变化、硬件更新、操作系统升级、数据形式变换引起的对系统的修改维护。4)硬件设备的维护包括机器设备的日常管理和维护工作。例如，一旦机器发生故对硬件设备进行更新。为了避免系统维护过程中带来的副作用（对其它过程或子系统的影响加强维护过程中的管理工作是非常重要的，要求按如下步骤严格执行：提出修改需求→领导批准→分配维护任务→验收工作结(2)系统的评价评价是指对GIS的性能进行估计、检查、测试、分析和评审。包括用实际指标与计划指标进行比较，以及评价系统目标实现的程度。在GIS运行一段时间后进行。系统评价的指标包括经济指标、性能指标个管理指标各个方面，最后应对评价结果形成系统评价报告。