第七章_地理信息系统的设计与评价

主要内容第1节应用型GIS设计概述第2节地理信息系统的设计第3节地理信息的标准化第4节地理信息系统的评价本章重点：GIS设计模式、流程、方法；地理信息标准化的内容；GIS的评价内容第一节应用型GIS设计概述一、系统设计的目的GIS按其功能和内容，可以分为:•基础型GIS：指的是如ArcGIS等GIS软件平台，它是具有地理信息系统基本功能，供其他系统调用或用户进行二次开发的操作平台。•应用型GIS：是根据用户的需求和应用目的而设计开发的一种解决一类或多类实际应用问题的地理信息系统。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继承基础型GIS开发平台提供的部分功能。④具有专门开发的用户应用界面。应用型GIS根据其应用层次的高低，又可分为：•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（如在房产、地籍部门的应用）•空间管理信息系统(SMIS):主要目的是实现空间信息管理的高效率、模型开发和空间数据库的动态更新，其功能不仅表现为数据的查询和统计，还具有专业模型的分析应用等功能。（如在城市规划、土地利用、道路交通管理、管网规划管理中的应用）•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（在宏观决策、行业发展规划等领域具有广泛需求）系统设计的目的建立满足功能需求、稳定、可靠、高效的业务化的运行系统，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。为了加强系统的实用性，降低系统开发和应用的成本，提高系统的生命周期，采用先进的系统设计方法、合理的设计路线是十分重要的。二、系统设计的模式（一）最早的GIS设计模式（Calkins，1972）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。这个最早的设计模式称为结构化的系统设计模式，由四个组成部分构成：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结构化系统设计模式的构成•通过访问用户，调查用户的需求和数据源，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，例如现有的硬件、软件和有关的政治、法律因素等；•说明和评价所拟定的不同系统，这些系统能够满足所规定的要求；•对拟定的系统作最后的评价，从中选择一个运行的系统。•所谓结构化就是有组织、有计划和有规律的一种安排。•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，采用自上向下，划分模块，逐步求精的一种系统分析方法。•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。（二）修改后的GIS设计模式（Calkins，1984）自从这个最早的GIS设计模式诞生以来，GIS的开发已经取得很大的进展。原来的设计模式是假定系统的大部分组成（除硬件外，包括所有的软件和数据库）都需要由系统设计人员来完成，有时甚至包括处理空间数据的某个专门的硬件。现在，不但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。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。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于1984年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。三、系统设计的流程系统分析系统设计系统实施系统运行和维护应用型GIS设计的四个阶段（一）主要阶段P204(二）设计方法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，这种方法被称为生命周期设计法。•优点：严格分阶段进行，便于开发工作的组织管理•缺点：系统开发过程比较长，新系统实际效果的可见性差，来自最终用户的反馈比较迟，不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，然后选择一个试验区，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。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•优点：能使用户更积极地参与系统的设计和实现，使开发人员及时获得客户反馈意见，更快地看到系统的实际效果，使系统开发的风险降到最低。第二节地理信息系统的设计一、系统分析基本思想：系统分析（Systemanalysis）一词源自美国的兰德公司，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。任务：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。系统分析是使设计达到合理、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。（一）用户需求调查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。主要内容•Who——谁使用系统？•What——新系统需要具备哪些功能？•Why——为什么需要具有这些功能和条件？•Where——新系统需要的资源和条件从哪里获得？•Quality——具体的技术指标、性能要求和可靠性要求。调查方法访问、座谈等（二）可行性分析在对用户需求分析基础上，从社会、技术和经济三大因素方面对建立应用型地理信息系统的必要性和实现系统目标的可能性进行分析，以确定用户实力、系统环境、原始数据、数据流量、存储空间、软件系统、经费预算以及时间分析和效益分析等。主要内容•数据源调查与评估•技术可行性评估•经济和效益分析•系统开发和运行的环境评价二、系统设计（一）总体设计（逻辑设计）任务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，并作出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。主要内容•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。•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、事务处理系统或信息管理系统等。•总体结构：根据系统功能的聚散程度和耦合程度，将系统划分为若干子系统或功能模块，构成系统总体结构图。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•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，应遵循技术上稳定可靠、投资少、见效快、立足现状和顾及发展的原则。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•数据库设计：把现实世界中一定范围内存在着的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。需要确定空间数据和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及数据分类等。•系统功能：即系统具有哪些功能以及这些功能处理事务的能力。主要解决用户所需要的特定功能，但应该依靠基础GIS提供的基本功能来开发和实现。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。•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。（二）详细设计（实际设计）任务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。主要内容•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。•数据库设计：主要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。•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。•用户界