第7章地理信息系统的设计与评价

第七章地理信息系统的设计与评价1.系统设计的目的1.1系统设计地理信息系统，按其功能和内容，可以分为工具型地理信息系统和应用型地理信息系统。这里的系统设计是指应用型地理信息系统的设计。1.2应用型地理信息系统所谓应用型地理信息系统，是指在工具型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。第一节GIS设计概述1.3应用型地理信息系统的主要特点①具有特定的用户和应用目的。②具有为满足用户专门需要而开发的地理空间实体数据库和应用模型。③进行地理信息系统开发平台提供的大部分功能和软件。④具有专门开发的用户应用界面。1.4系统设计的目的建立这些应用型的地理信息系统，要求功能能满足需求，系统运行稳定可靠，系统应用能达到高效益，实现业务操作的手工模式向信息化模式的根本转变，以便提高管理和决策的高效和科学化。2.信息系统的模式地理信息系统最早的设计模型，是Calkins在1972年，由国际地理学会地理收据收集和处理委员会主持召开的地理数据处理学术会议上提出来的，后来又经过了几次修改和补充。（如下图）明确系统的用户目的及要求提供硬件数据处理方法提供软件法律结构政治结构用户背景信息描述和评价需要的数据说明地理参考的要求调查现有的数据项调查地图参考系统评价资源保证情况系统稳定性评价政治、法律意义评价可行性与成本评价执行计划的评价描述选择的信息系统描述硬件要求描述软件要求描述数据处理方法描述政治结构描述法律结构描述系统运行方法描述用户培训要求效益和影响的最终评价数据集合的规定与说明信息传输的要求与规定确定地理参照系统阶段四阶段三阶段二阶段一该模式的主要特点是强调对用户的调查和系统功能需求的分析。在系统设计的各个阶段都要写成有关的文件，以便进行评价，以及用户要参与系统的设计，以免系统设计的失误。现在，因为有许多处理空间数据的重要软件，而且有现成的系统和空间数据库，因此需要对原来地理信息系统设计模式进行修改，修改后的地理信息系统设计模式如下图所示。其主要的设计思想，是强调对现有的各个组成部分，包括硬件、软件和数据库，进行深入、认真的评价，以研究其满足系统功能的程度，保证所设计系统的实用可靠，即有效地处理数据和使用周期长等要求。目的与任务用户对象用户需要定义有关概念功能要求和规定需要和要求的变化数据质量标准数据的选择数据采集方法数据获取计划硬件要求性能规定软件要求质量指标软件测试程序设计软件设计现有系统测试软件综合和测试系统综合和测试运行和维护系统的更新数据测试变化控制软件和硬件型号识别该模式采用了管理信息系统和软件工程的一些设计理论，包括：①目的与任务。每个系统都要对目的和任务作详细的说明，指出该系统的目的，谁是主要的用户，以及如何使用该系统。②概念的定义。介绍系统的各个主要组成部分，分别按照输入、输出、主要过程和数据库来说明系统的基本结构，包括主要模块、系统开发的主要资源、主要的限制条件等。③功能的要求。具体说明该系统要做什么，对每一种功能要求都要说明，包括功能的技术特征、功能的目的、具体的标准和满足的条件等等。功能的要求一般分为以下三类：该系统必须具有的功能；如果时间和资源条件允许，希望具有的功能；其他有意义的功能。实际上只有第一类功能才是系统的真正要求。每一种功能要具体规定：输入（来源、数据、频率）；输出（格式、数据量、用户）；功能需要的处理步骤；功能成功地实现所需要的条件；功能生成的数据。④性能测定。在系统设计过程中，要对各个组成部分分别进行测试，对综合以后的整个系统要进行最后的测试。具体测试的内容包括：硬件、软件模块、数据库的质量控制等。测试根据所说明的功能要求和规定的标准进行，测试应考虑以下各种条件：系统的正常操作条件；重点测试，包括最坏情况和极端操作条件；逻辑测试，指检查各种可能的逻辑条件；线路测试。以上是H.W.Calkins提出的地理信息系统开发的基本模式，这种模式是软件工程中的结构化思想在应用型GIS开发中的应用。它针对系统开发中存在的用户需求不明、开发过程无序、开发人员之间缺少有效交流等几个主要问题，通过一系列规范性的支持技术和方法，力图将系统开发这种只存在与开发人员头脑中的抽象思维活动，转化为一组明确的、可控制的和可以检查的具体任务，要求做到对用户需求的充分了解和定义，严格有序的开发过程和组织管理，强调开发人员与用户之间的交流和协作，重视系统建设文档的完整和规范，以及加强系统开发综合的质量保证措施和计划等，最终实现以较少的人员、时间和投资，开发出尽可能符合用户要求的、高质量的应用系统的目的。3.系统设计的流程应用型地理信息系统的设计，大致可以分为四个主要阶段，即系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与维护。P2043.1生命周期设计法以上这四个阶段构成了系统的生命周期，如果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，这种方法被称为生命周期设计法。3.2原型化设计法由于生命周期法严格分阶段进行，便于开发工作的组织管理，但是也存在许多的缺陷，例如系统开发时间比较长等。为此人们设法寻求另外一种新的开发思路，称为原型化设计法。原型化设计法，就是根据用户提出的需求，由用户与开发人员共同商定其中重要和基本的开发目标，然后选择一个实验区，设计出初步方案，在较短时间内开发出一个能满足用户基本需求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。（如下图）找出当前的应用领域与未来的应用领域对当前与未来应用的在评价对原型的评价原型最急需任务的实施新数据源数据分析原型化设计法开发过程图第二节地理信息系统的设计1.系统分析（systemanalysis）1.1系统分析及其任务系统分析一词源自美国的蓝德公司，其基本思想是从系统观点出发，通过对事物进行分析与综合，找出各种可行的方案，为系统设计提供依据。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。系统分析实施设计达到合理、优化的重要步骤，其工作深入与否，直接影响到将来新系统的设计质量和实用性，因此必须予以高度重视。1.2用户需求调查即调查系统用户对开发的GIS系统的功能要求和信息需求情况。具体调查的主要内容有：Who，谁使用该系统，该系统的用户结构如何，哪些是直接用户，哪些是间接用户，哪些是最终用户，哪些是潜在用户。What，新系统是做什么用的，它需要具备哪些功能，它应能解决和处理哪些类型的问题，因此需要具有哪些设备、资源、数据等。Why，为什么需要具有这些功能和条件，具有这些功能以后与常规的业务流程有哪些不同点和优越性，对现行系统和建立的新系统从功能、效率、效益等方面作详细调查及对比研究等。Where，建立新系统所需要的资源从哪里获取，特别是数据资源能否得到保障，以及解决系统硬件和软件的途径等。Quality，指具体的技术指标、性能要求和可靠性要求，例如数据精度、运行速度、系统安全保障机制等，要认真听取用户的意见和要求。2.系统设计2.1总体设计总体设计又称为逻辑设计，其任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的软硬件配置，规定系统采用的技术规范，并作为经费预算和时间安排，以保证系统总体目标的实现。最后撰写系统总体设计方案，作为重要的技术文件提供论证和审批。总体设计的主要内容：（1）用户需求阐明系统的用户构成、不同用户对系统的要求、系统应具备的功能等。（2）系统目标阐明该系统的应用目标，属于演示系统或运行系统、单机运行系统或分布式运行系统、事务处理系统或系统管理系统等。（3）总体结构根据系统功能的聚散程度和耦合程度，将系统化分为若干子系统或功能模块，构成系统总体结构图。例如深圳市规划国土管理信息系统的总体结构（如下图）规划管理系统土地管理系统建筑报建管理系统房地产管理系统测绘地籍管理系统土地使用费征收系统征地拆迁管理系统地名管理系统国土基金管理系统计划及工程管理系统房地产行业与市场管理信息网规划国土信息网系统管理系统深圳市规划国土管理信息系统SUPLIS办文（公文管理与督办）深圳市规划国土管理信息系统总体结构（4）系统配置指系统运行的设备环境，包括计算机、存储设备、输入和输出设备以及网络等，并说明其型号、数量和内存等性能指标，画出硬件设备配置图（如下）。只读光盘驱动器手扶跟踪数字化仪PC终端用户手扶跟踪数字化仪PC终端用户磁带机图形工作站喷墨绘图机PCPCPC扫描数字化仪打印机局域网系统硬件配置图系统配置的软件包括计算机系统软件、网络管理软件、地理信息系统基础软件、数据库管理系统软件、应用软件等，并说明其版本、数量和性能特点。系统配置应遵循技术上稳定可靠、投资少、见效快、立足现在和顾及发展的原则。（5）数据库设计数据库是系统的核心组成部分，一个系统可以具备一个或多个数据库。按信息内容，可将数据库分为基础数据库和专题数据库。按数据类型，可将数据库分为空间数据库和属性数据库。数据库设计要确定空间数据与属性数据的管理模式，集中式或分布式的建库方案，采用的数据结构类型和数据库管理系统以及数据分类等。（6）系统功能由于应用型地理信息系统集成了开发平台所提供的大部分功能，因此应用型地理信息系统功能设计的任务不在于解决基本功能，而在于解决用户所需要的特定功能。例如，以一个地下管线信息系统为例，其系统功能包括：①数据录入与查询；②综合查询与统计；③网络分析和诊断；断面生成与分析；④管线工程辅助设计。因此，应用型地理信息系统的功能不同于开发平台的基本功能，具有自己的特殊性。但是，应用系统的这些特殊功能主要应该依靠基础GIS提供的基本功能来开发和实现。（7）经费和管理由于系统开发是一项复杂的系统工程，为保证系统开发工作的顺利进行，必须拟定好系统开发计划、系统管理措施、投资经费概算以及最后应提交的成果等。2.2详细设计详细设计又称实际设计，其任务是根据总体设计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的详细设计，用于具体指导系统的开发。详细设计的主要内容①子系统设计。子系统设计以对用户需求的进一步详细调查为依据，分别完成各个子系统的逻辑结构设计、数据库设计、功能模块设计、用户界面设计等。每个子系统设计的内容大体类似于总体设计的内容，但应更加详细和具体，作为各个子系统实施的指导文件。②数据库设计。主要内容包括：数据源的分析与选择；数据分类与分层的确定；数据获取方案的规定；数据编码设计；实体属性表与属性关系的设计；属性数据类型的建立；数据质量标准的规定；地理定位控制的确定及其他有关问题的规定等。③功能模块设计。详细描述各功能模块的内容，实现的技术和算法，输入输出的数据项和格式等。④用户界面设计。用户界面是人机对话的工具，它与功能模块一一对应，做到个模块之间界面的形式一致，相同功能要用相同的图标显示。3.系统实施系统实施是在系统设计的原则指导下，按照详细设计方案方案确定的目标、内容和方法，分阶段、分步骤完成开发的过程。系统实施的内容包括（1）系统硬件和软件的引进及调试。（如下图）制定应软件配置方案、网络设计方案网络设备购置硬件、操作系统、软件购置GIS基础软件购置（或开发）机房装修系统管理员培训系统软、硬件和网络安装、调试、试运行GIS基础软件培训(2)系统数据库建立其实施内容包括数据源的选择、数据源的现实更新和处理、数据格式的定义和转换、数据采集方法的确定、数据编辑处理、数据质量控制、建立数据库实体等。(3)应用管理系统的开发指在地理信息系统基础软件的基础上进行二次开发，建立应用管理系统。内容包括利用基础软件提供的开发语言进行编程、以各种菜单形式建立用户应用界面、应用模块的开发、建立图形符号库、编写用户操作手册等。(4)系统测试和联调对系统开发完成的每一个模块，均应进行测试。将模块组装成系统时，也应该进行联调和测试。系统测试是指利用