7 地理信息系统的设计与评价 北京大学.ppt

1、第七章 地理信息系统的设计与评价,第一节 GIS设计概述 第二节 GIS的设计 第三节 地理信息的标准化 第四节 GIS的评价,第一节 GIS设计概述,系统设计的目的 这里的系统设计是指应用型或业务型地理信息系统的设计； 应用型地理信息系统是指在工具或基础型地理信息系统的基础上，经过二次开发，建成满足专门用户解决一类或多类实际问题的地理信息系统。 应用型地理信息系统设计的目的是为了建立业务化的运行系统，以实现业务操作的手工模式向信息化模式的根本转变，实现管理和决策的高效率和科学化。,空间事务处理系统（STPS） 主要目的是通过应用GIS的数据库技术，实现由传统的事务处理向计算机处理的转换（如在

2、房产、地籍部门应用） 空间管理信息系统（SMIS） 主要目的是实现会计信息管理的高效率、模型开发和空间数据库的动态更新（城市规划、土地利用、道路交通管理、管网规划） 空间决策支持系统（SDSS） 主要目的是以解决半结构化和非结构化的决策问题，除了需要利用GIS的数据库和空间分析技术，模型库及其管理系统是决策支持系统的核心（宏观决策、行业发展规划）,应用型地理信息系统的分类,系统设计的模式,结构化的系统设计模式； 结构化系统分析方法就是利用一般系统工程分析法和有关结构概念，把它们应用于地理信息系统的设计，采用自上而下划分模块，逐步求精的系统分析方法。这种结构化分析和设计的基本思想包括如下要点：

3、在研制地理信息系统的各个阶段都要贯穿系统的观点。从总体出发按照自上而下，一层一层地完成系统的研制，这是结构化思想的核心。 地理信息系统设计的基本原则是首先进行调查研究，掌握必要的数据，否则就不可能进行系统分析。 用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型。 结构化分析和设计还包括系统结构上的变化和功能上的改变，以及面向用户的观点。,系统设计的模式,四个组成部分 访问、调查用户，确定系统的目的、要求和规定； 描述和评价与系统设计过程有关的资源和限定因素； 说明和评价所拟定的不同系统，满足所规定的要求； 对拟定的系统作最后的评价，选择一个运行的系统。,软件工程理论的应用。 结构化的系统评价模式 目的

4、与任务 概念的定义：介绍系统的各个主要组成部分； 功能的要求：系统要做什么；输入、输出、功能需要的处理步骤、实现条件、生成的数据。 性能测定：硬件、软件模块、数据库的质量控制； 系统设计的流程 系统分析； 系统设计； 系统实施； 系统运行与维护。,生命周期设计法 系统设计按阶段进行，预先规定每一阶段的开发目标和任务，然后按照一定的准则顺序开发实施。 缺点：开发过程厂、新系统实际效果的可见性差、用户反馈意见迟、不容易把握用户需求的变化。 原型化设计法 根据用户提出的需求，由用户和开发人员共同商定其中重要和基本的开发目标，然后选择一个试验区，涉及处处不方案，在较短时间内开发出一个能满足用户基本要求

5、的初步原型或系统雏形，交用户试用，经过一段时间的运行后，根据用户意见对原型加以修改或扩充，产生一个新的原型版本，如此反复和迭代，最后形成一个比较完善和质量较高的应用型地理信息系统。 优点：节约开发经费和时间。,第二节 地理信息系统的设计,系统分析 系统分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案； 系统分析的内容包括： who谁使用该系统； what新系统需要具有哪些功能和条件； why为什么需要这些功能和条件； where新系统需要的资源和条件从哪里获得； quality系统需要具有的技术指标、性能和可靠性要求等。 最后将系统分析的结果写成可行性分析报告（社

6、会、经济和技术），为系统立项提供依据。,系统设计 总体设计：系统立项后便转入总体设计；总体设计完成后，撰写系统总体设计方案，提供专家论证和评审。 主要内容 用户需求 系统目标 总体结构 系统配置 数据库设计 系统功能 经费和管理,详细设计：专家论证通过后，才能转入详细设计。详细设计的任务是根据总体设计的方案确定的目标和阶段开发计划，紧密结合特定的硬件、基础软件和规范标准，进行子系统和数据库等的详细设计，用于指导系统的开发。,详细设计的主要内容： 子系统设计 数据库设计 功能模块设计 用户界面设计,系统实施 系统实施是按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段完成系统开发的过程； 系统实施的

7、内容包括： 系统硬件和软件的引进和调试； 系统数据库的建立和数据质量控制； 应用模块开发和建立用户应用界面； 应用系统联调、测试和编写系统测试报告； 按照计划任务书进行系统的验收及技术鉴定。 系统运行和维护 系统运行； 系统维护。,GIS的设计过程,可行性研究：（可行性研究主要是进行大量的现状调查） 用户需求调查：是指调查本部门或其它有关部门对相应GIS系统的信息需求情况。 系统目的和任务： 一般来讲，地理信息系统应具有四个方面的任务：空问信息管理与制图；空间指标量算；空间分析与综合评价；空间过程模拟。 数据源调查和评估：数据形式、精度、流通程度分析、评价。 评价地理信息系统的年处理工作量、数

8、据库结构和大小、GIS的服务范围、输出形式和质量等。 系统的支持状况：部门管理者、工作人员对建立GIS的支持情况；人力状况；财力支持情况。 根据上述调查结果确定GIS的可行性及GIS的结构形式和规模。可行性分析就是根据社会、经济和技术条件，确定系统开发的必要性和可能性，主要进行效益分析；经费估算；进度预测；技术水平的支持能力；有关部门的支持程度等。,系统设计 系统设计的任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型，一般包括： 功能设计：根据系统研制的目标，确定系统必须具备的空间操作功能。 数据设计：数据分类和编码，完成空间数据的存储和管理。 应用设计：系统的建模和产品的输出。 从系统

9、设计的任务来看，又包括：数据库设计；硬件配置与选购；软件设计。 建立系统的实施计划 建立GIS的执行计划，包括硬件、软件的测试和购置、安装调试等，主要工作是测试，测试工作完成后，确定购置硬件的类型，经安装调试后，编制实验计划，进行试验。 系统实验 结合用户要求完成的任务，选择小块实验区(或者用模拟数据)对系统的各个部分、各种功能进行全面试验。,用户需求分析,用户类型和用户需求 具有明确而固定任务的用户。这类用户希望用GIS来实现现有工作业务的现代化，如测绘调查、制图部门等。 部分工作任务明确、固定，且有大量业务有待开拓与发展，因而需要建立GIS来开拓他们的工作。如行政或生产管理部门。 工作任务

10、完全不定。每项工作都可能不同，对信息的需求未知或可变。包括大学中的研究室和研究所，想用地理信息系统作为科学研究和教学工具。,应用范围,地理信息系统类型的选择，很大程度上取决于使用部门的工作性质、工作领域及该领域内的应用范围和应用期限。 用于短期项目的GIS：应具有数据采集和输入、数据分析处理及信息输出迅速的特点和能力，但不要求包括大型而复杂的数据库管理与维护方面的功能。 用于长期项目的GIS：包括大型数据库，就目前的技术条件来讲未必能在任何时候对数据库的任何部分进行访问，在不断的完善中。 认真考虑建立GIS的目的和它的应用范围。,用户对技术的选择,一般的看法是栅格和矢量数据结构是GIS的互补形

11、式，可选其中一种作为主要形式，而另一种作为辅助形式。 GIS中栅格和矢量数据结构的应用范围： 用矢量数据结构建立空间数据的表象结构，例如土壤区域、土地利用单元等多边形数据； 用矢量数据结构进行网络分析，例如电话网、交通运输网、城市管线网分析等； 用矢量数据结构和矢量显示设备进行高质量线划绘图； 用栅格数据结构进行快速而费用低的地图叠置、数据组合和空间分析； 用栅格数据结构对地物表面进行仿造和模拟； 用栅格和矢量数据结构的联合方法进行高质量绘图，使多边形边界用矢量法绘制，而面积中的颜色用栅格法填绘； 用矢量数据结构进行数字化，用栅格数据结构存储叠置层，特别是数字化等高线建立DEM等； 用栅格一矢

12、量和矢量一栅格算法，将数据转换成最适合于分析处理的形式； 显示系统存储和管理数据的数据结构系统是相互独立的，互相存在依赖关系。,财力和人力状况,财力支持是关系到GIS成败的主要决定性因素。 资金丰富，财力支持有充分保证，因此可以建立任何形式和规模的地理信息系统； 资金有限，财力支持没有充分把握，须对设计中的GIS进行仔细地论证； 资金相当有限，对GIS的财政支持将是某种程度的冒险。,人力状况,要使GIS有效地运行，必须有既懂得本行业专门知识和技术，又懂得GIS知识和技术的熟练的工作人员。从事GIS工作的人员可分成低级技术人员和高级技术人员两类： 低级技术人员：指那些不必知道GIS的深奥原理技术

13、，而只要求知道如何使GIS保持工作的人员；他们日常任务是数据输入、结果输出、操作计算机、打印和绘图前的检查工作。 高级技术人员：包括业务管理人员、业务联络员、技术人员和科学研究人员。 一般情况下，地理信息系统组织应由各种技术人员混合组成，才能使建立和应用GIS的工作正常开展并高效运行。,GIS逻辑设计模型,系统设计者与使用者沟通，存在两个问题：使用者不可能完全了解系统的底层结构和具体算法；使用者的问题是灵活多变的，系统不可能“事先”了解使用者的所有问题以备提问。这就需要建立一套独立于系统物理结构和计算机之上的逻辑规则，使用者基于这种逻辑规则组织自己的应用问题和分析模型，系统则依据逻辑规则将用户

14、的问题和模型分解成相应的基本操作步骤加以完成，这套逻辑规则必须为系统设计者和使用者双方理解和采用。这些规则可称为地理信息系统的逻辑设计模型。 数据模型 地理信息系统数据包括三方面的内容：数据所处的位置，以及一定地理坐标下的一组坐标表示；数据之间的空间拓扑关系；数据所代表的与空间位置无关的地理意义，即通常所说的属性。,GIS软件设计,软件设计：根据建立GIS的目的，任务和今后的研究方向进行。 GIS的任务抽象为四个方面：空间信息获取与管理；空间特征量测与分析；空间过程模拟与预测；时空规律的总结与应用。 软件设计：是将所要编制的程序表达为一种书面形式。,信息描述,系统数据结构划分为两个层次: 外部

15、数据格式(逻辑数据格式）：面向用户，描述地图之间的逻辑联系，由用户建立应用系统时定义；内部数据格式（物理数据格式）：面向程序设计，描述系统数据的物理存储结构和数据之间的拓扑关系、联结方式，在程序设计时确定。 进入系统的数据有：遥感影像数据、专题地图数据、栅格地图数据、台站观测数据、社会经济统计数据、文字报告数据、外部系统数据等。 矢量数据的来源： 专题地图内手扶跟踪数字化仪得到的标准矢量格式数据；将遥感影像、栅格图像等经过栅格向矢量的转换得到的数据；由外部系统通讯进入系统的矢量格式数据。,栅格数据：由遥感影像或其它外部栅格图像得到，也可由矢量向栅格转换的栅格地图得到。 属性数据主要是与专题地图

16、有关的数量、类别、等级和描述性信息，通过相应图素(点、像元、弧段、多边形等)编号与图形建立联系。 系统的运行方式：采用中西文莱单或命令方式驱动，工作时，用户首先进入系统回答口令，然后通过数字化仪、键盘或通信方式录入编辑多种数据，建立应用数据库，通过检索和模型分析，得到输出的信息。 用户权限：具有最高权限的是系统管理人员；用户权限大小由系统根据口令和文件密级检查确定。,系统的约定：如规定矢量文件扩展名为VEC；栅格文件名为RAS；属性文件扩展名为DBF；系统运行文件扩展名为ExE或COM，及其它弧段扩展名为ARC。 系统外部要素：包括系统用户、输入数据(影像、专题地图、文字描述等)、用户程序、操

17、作系统和计算机硬件外设。 系统内部要素：数据编辑、数据库管理、图像处理、模型分析和整饰输出等模块组成。 系统的接口方式：矢量格式数据(V)、栅格(或游程长度编码)数据(R)、文本数据(A)、程序或命令调用(F)。 统与用户接口以菜单、命令和程序方式实现。 上述GIS信息描述，将成为确立软件设计目标及具体进行软件设计的重要依据。,结构化的软件设计方法 早期形成的，设计工作侧重于软件结构本身，遵循三种准则：分清任务的执行顺序；明确任务执行条件和分支，即“如果则否则”结构；重复执行某项任务直到定义的条件满足为止。 设计方法（思想）：自顶向下逐步精化的顺序设计方法。它将系统描述分为若干层次，最高层次描

18、述系统的总功能，其他层次则一层比一层更加精细、更加具体地描述系统的功能，直到分解为程序设计语言的语句。 特点：软件结构描述比较清晰，便于掌握系统全貌，也可逐步细化为程序语句，是十分有效的系统设计方法。,面向对象的软件设计方法 近年来发展起来的一种新的程序设计技术，其基本思想是将软件系统所面对的问题，按其自然属性进行分割，按人们通常的思维方式进行描述，建立每个对象的模型和联系，设计尽可能直接、自然地表现问题求解的软件。 软件设计带有智能化的性质，这种形式更便于程序设计人员与应用人员的交流。,原型化的设计方法 基本步骤：识别基本要求，做出基本设想；开发工作模型，提出有一定深度的宏观控制模型；程序编

19、制和模型修正；原型设计完成。判断用户需求是否已被体现，决定系统是否改进。 特点：不需要一开始即清晰地描述一切，而是在明确任务后，在软件的实现过程中逐步对系统进行定义和改造，直至系统完成，设计简单，动态技术。,数据库录入与存储设计,数据库是地理信息系统的核心组成部分，其设计的内容包括数据录入设计、数据存储设计和数据检索设计。 数据录入设计 是将系统外各种来源的空间数据以一定的格式输入计算机，其设计的主要要求是保证输入数据的拓扑一致性、图形数据文件和属性数据文件的分别建立，以及冗余数据的清除等。 数据存储设计 是指数据存储介质的选择、数据逻辑关系的设计和数据存储结构的设计等。,例：某地区DATAB

20、ASE的存储介质为磁盘、磁带。真逻辑关系如图76。图斑是计算机处理的基本单元，图斑的数据文件分为两类：图形和属性数据文件。,图形数据文件的设计：文件由4个记录组成（其存储格式见图77）即图幅、多边形、线段、紧凑记录。,属性数据文件的设计：各要素的属性数据记录按多边形的组织，每个POLY包含一个或一个以上的属性数据记录，其存储格式见图78。,数据检索设计,目的是从数据库中找出所需要的数据：一般采用动态处理系统的设计方法，见图79所示。“请求”表示用户的问题，为回答问题而编制的程序称为“请求系统”，由一组具有不同检索功能的命令和子命令组成。,用户界面设计,用户界面影响到系统的形象和直观水平，又决定

21、了是否可被用户接受，主要的用户界面有三类： 菜单式界面 菜单式界面将系统功能按层次全部列于屏幕上，由用户用数字、键盘箭头键、鼠标器、光笔等选择其中某项功能执行。 特点：易于学习掌握，使用简单，层次清晰，不需大量的记忆，利于探索式学习使用；缺点是比较死板，只能层层深入，且无法作出批处理作业。,命令式界面 是以某几个有意义或无意义的字符调用功能模块的方式。 特点：灵活，可直接调用任何功能模块，又可组成复杂的调用，可以组进行批处理作业；但不容易记忆和全面掌握，命令难以用汉字构成。 表格式界面 表格式界面是将用户的选择和需回答的问题列于屏幕，由用户填表式回答，可与菜单式界面配合使用。 系统应该有好的用户界面，即能够提供多种界面。,第三节 地理信息的标准化,地理信息标准化的内容 统一的名词术语内涵； 统一的数据