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GIS设计与实现

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2020年4月19日
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GIS构成 由4个基本要素构成：硬件、软件、数据、人员
一 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
Ø 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
Ø 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
Ø 输出设备
• 输出设备一般是标准的计算机外围设备，如打印机、绘图仪
• 还能够经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
Ø GIS软件能够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
Ø 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
Ø 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
Ø 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
Ø 栅格数据结构
Ø 矢量数据结构
Ø 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
Ø 人员是GIS的重要构成因素
Ø 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

GIS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
Ø 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
Ø GIS设计以空间数据位驱动
Ø GIS工程投资大、周期长、风险大、涉及部门繁多。
GIS工程学体系 主要由任务、基础理论和方法论三方面组成
Ø 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
Ø 基础理论
• 系统学
• 地理信息科学
• 系统工程学
• ……
Ø 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
Ø 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
Ø 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
要实现地理信息资源共享，必须具备三个基本条件：
Ø 数据资源的储备
Ø 要有技术支撑系统的保障
Ø 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
Ø 结构化生命周期法
Ø 原型法
Ø 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能够划分为两种类型
Ø 自顶向下方法
Ø 自底向上方法
原型法开发信息系统包括以下几个阶段：
Ø 确定用户的基本需求
Ø 开发初始原型
Ø 利用原型来提炼用户需求
Ø 修正和改进原型
原型的种类及构造方法
Ø 原型从本质上可分为两种类型：
丢弃型原型和进化型原型
Ø 从应用目的和场合出发又可分为三种类型：
研究型原型；试验型原型；进化型原型
Ø 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。
Ø 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
面向对象设计方法的主要类型
Ø 面向对象建模技术（简称OMT）
Ø 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等来描述一个系统。
系统功能与性能分析
常见的方法有如下三种：
Ø GIS结构化分析方法
Ø GIS面向对象分析方法
Ø GIS快速原型化分析方法
GIS结构化分析方法采用自顶向下、逐层分解的系统分析方法来定义GIS系统的需求。
GIS面向对象分析方法经过自底向上提取对象并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
从以下方面着手：
Ø 进行用户类型分析
Ø 对现行系统进行调查分析
Ø 明确系统服务对象
Ø 用户研究领域现状调查

系统可行性研究
主要包括以下4个部分
Ø 数据源调查与评估
Ø 技术可行性评估
Ø 经济和社会效益分析
Ø 系统开发与运行环境评价
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、数据存储文件及基本成分备注
◇按分层的思想将GIS数据流图划分为顶层DFD、中间层DFD、底层DFD三种。
（二） GIS数据字典
◇数据字典（Data Dictionary ，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的工具。
◇数据字典和数据流图一起构成信息系统的逻辑模型。
◇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
加工逻辑说明的表示方法
Ø 结构化英语
Ø 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。
Ø 判定树
判定树是判定表的变形，本质完全一样，所有用判定表能表示的问题都能用判定树来表示。
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、逐步求精和分阶段实现的设计策略。
总体设计的准则
评价软件设计质量的主要准则包括：
Ø 模块化
Ø 抽象和信息隐蔽
Ø 模块独立性
模块独立性有两个定性的标准来度量，即内聚（cohesion，又称块内联系）和耦合（coupling，又称块间联系）。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。在系统中，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。
两个模块之间的耦合有五种形式，按照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
（一） 层次图
层次图是在软件总体设计阶段最常见的工具之一，用来描绘软件的层次结构。
（二） HIPO图
HIPO图是由美国IBM公司创造的“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
地理建模的一般过程。
Ø 建模准备
Ø 模型假设 模型假设是最易导致结果有误的环节。
Ø 建立模型
Ø 模型求解
Ø 模型分析
Ø 模型检验
详细设计的具体任务
Ø 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。
Ø 为每个功能模块选定算法。
Ø 确定模块使用的数据组织。
Ø 确定模块的接口细节，及模块间的调度关系。
Ø 描述每个模块的流程逻辑。
Ø 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
主要表现为以下两个方面：
Ø 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。
Ø 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。
详细设计的表示工具 （怎样画）
详细设计的表示工具可分为图形、表格和语言三种。
（一） 程序流程图
程序流程图（Program Flow Chart，简称PFC）又称为程序框图

（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示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，因此又叫N-S图或Chapin图。
（三） 问题分析图
问题分析图（Problem Analysis Diagram，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PDL)又称“伪码”（Pseudo code）
空间数据有三大基本特征
Ø 空间特征：包括比例尺、坐标系和投影类型等
Ø 时间特征
Ø 属性特征
空间数据库中常见的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系。
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
空间数据库的设计分为五个步骤：
Ø 空间数据需求分析
Ø 定义实体及其关系
Ø 实体空间类型的识别表示
Ø 选择适当的数据模型
Ø 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
Ø 组成：实体类（简称实体）、关系类（简称关系）和属性
Ø 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
Ø 层次模型
Ø 网络模型
Ø 关系模型
面向对象数据模型的特征
Ø 封装性 ：在面向对象的系统中，所有的实体都能够模型化为对象。对象是由描述该目标状态的一组数据和表示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。
Ø 类：它是同类对象的集合，即具有相同属性和操作的目标的组合。类描述了该类对象的共同属性和共同的操作（方法），避免了对象的重复定义工作 。
Ø 超类和继承：超类的概念是为了减轻类的重复定义问题，方便类的管理。继承的概念是为了在超类和子类之间，使子类能够获得超类的属性项和操作。
空间数据模型类型
Ø 混合数据模型
Ø 全关系型空间数据模型
Ø 对象-关系型空间数据模型
Ø 面向对象空间数据模型
空间数据库的功能设计
（一） 空间数据输入设计
（二） 空间数据检索设计
（三） 空间数据输出设计
（四） 空间数据更新设计
（五） 空间数据共享设计