（整理）第八章地理信息系统设计与标准化

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第八章 地理信息系统设计与标准化

第二节 地理信息系统设计

一、概述

GIS的开发建设和应用是一项系统工程，涉及到系统的最优设计、最优控制运行、最优管理，以及人、财、物资源的合理投入、配置和组织等诸多复杂问题。需要运用系统工程、软件工程等的原理和方法，结合空间信息系统的特点进行实施建设。GIS的用户不要认为购置了GIS硬软件就已大功告成。其实，在GIS中最有价值的是“信息”，而不是计算机等硬件。国际上的统计数据表明，一个信息系统如果硬件投资为1，则软件开发为5，而信息的采集、整理和加工为10。因此，在建立GIS过程中确定应用目标是什么，选用哪些数据源、什么数据入库，以及数据的质量、精度如何等一系列重大问题是至关重要的，直接关系到系统的有效性和实用性，也即GIS工程的成败及效益，取决于GIS工程的总体规划和设计、技术力量的组织、工程的建设实施和数据源的组织等问题。

地理信息系统的开发研究分为四个阶段：系统分析、系统设计、系统实施、系统评价及维护。系统分析阶段的需求功能分析、数据结构分析和数据流分析是系统设计的依据。系统分析阶段的工作是要解决“做什么”的问题，它的核心是对地理信息系统进行逻辑分析，解决需求功能的逻辑关系及数据支持系统的结构，以及数据与需求功能之间的关系；系统设计阶段的核心工作是要解决“怎么做”的问题，研究系统由逻辑设计向物理设计的过渡，为系统实施奠定基础。

地理信息系统设计要满足三个基本要求，即加强系统实用性、降低系统开发和应用的成本、提高系统的生命周期。在系统实施和测试过程中，发现软件开发领域内的错误大部分是由于系统设计不周而引起的。

系统设计可分为：地理信息系统设计方法、管理信息系统的设计方法和软件工程的设计方法。所有这些设计都要根据设计原理并采用结构化分析方法。其中最有用的理论是模块理论及其有关的特性、例如内聚性和连通性。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—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：

1、在研制地理信息系统的各个阶段都要贯穿系统的观点。首先从总体出发，考虑全局的问题，在保证总体方案正确，接口问题解决的条件下，然后按照自上而下，一层一层地完成系统的研制。这是结构化思想的核心。

2、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。只有设计出合理的逻辑模型，才有可能很好地进行物理设计。事实上地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复、不断提高的过程，每一个循环就是—个生命周期，要严格划分工作阶段，保证每个阶段任务很好地完成。 精品文档

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3、用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型。在系统的逻辑设计中包括分析信息流程，绘制数据流程图；根据数据的规范，编制数据字典；根据概念结构的设计，确定数据文件的逻辑结构；选样系统执行的结构化语言，以及采用控制结构作为地理信息系统的设计工具等。

4、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等。

信息系统的设计路线可以分为三类：地理信息系统的设计方法、管理信息系统的设计方法和和软件工程的设计方法。所有这些设计方法都已经采用了结构化分析和设计原理，其中最有用的理论就是模块理论及其有关的特征，例如内聚性(cohesiveness)和连通性(connectivity)。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，采用自上而下，划分模块，逐步求精的一种系统分析方法。这种结构化分析和设计的基本思想包括如下的要点：

1、在研制地理信息系统的各个阶段都要贯穿系统的观点。首先从总体出发，考虑全局的问题，在保证总体方案正确，接口问题解决的条件下，然后按照自上向下，一层层地完成系统的研制，这是结构化思想的核心。

2、地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复不断提高的过程，每一个循环就是一个生命周期，要严格划分工作阶段，保证阶段任务的完成。例如，没有调查研究和掌握必要的数据，就不可能很好地进行系统分析。没有设计出合理的逻辑模型，就不可能有很好的物理设计等等。这是系统设计的基本原则。

3、用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型和物理模型，包括在系统的逻辑设计中，分析信息流程，绘制数据流程图；根据数据的规范，编制数据字典；根据概念结构的设计，确定数据文件的逻辑结构；选择系统执行的结构化语言，以及采用控制结构(图7—2)作为地理信息系统设计工具。这种用结构化方法构筑的地理信息系统，其组成清晰，层次分明，便于分工协作，而且容易调试和修改，是系统研制较为理想的工具。

4、结构化分析和设计的其它一些思想还包括：系统结构上的变化和功能的改变，以及面向用户的观点等，是衡量系统优劣的重要标准之一。

由系统设计人员来设计地理信息系统，就是根据若干规定或需求，设计出功能符合需要的系统。一个地理信息系统最基本的模型框架一船由四部分组成（图7-3）。但随具体开发目标的不同，在系统环境、控制结构和内容设计等方面都有很大的差异。因此，设计人员开发地理信息系统时须遵循正确的步骤：

第一步：根据用户需要，确定系统要做哪些工作，形成系统的逻辑模型； 第二步：将系统分解为一组模块，各个模块分别满足所提出的需求；

第三步：将分解出来的模块，按照是否能满足正常的需求进行分类。对不能满足正常需求的模块需要进一步调查研究，以确定是否能有效地进行开发；

第四步：制定工作计划，开发有关的模决，并对各个模块进行一致性的测试，以及系统的最后执行。 精品文档

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第二节 地理信息系统设计的模式

地理信息系统最早的设计模式，是Calkins在1972年由国际地理学会地理数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(图8—1)：①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；②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、软件和有关的政治和法律因素等；③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；④对拟定的系统作最后的评价，从中选择一个运行的系统。

该模式的主要特点是强调对用户的调查和对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。

自从这个最早的地理信息系统设计模式诞生以来，地理信息系统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(除了硬件以外，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。现在的情况不同了，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，因此需要对原来的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图8—2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，及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。关于任务，要说明所要完成的工作，以及总体评分所采用的方法，目的和任务的说明要非常详细，以便用户进行评论和评价，而且这种说明代表着用户和系统设计人员对话的开始，并且在系统设计的过程中还要继续进行这种对话。

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、主要的过程和数据库，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。

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调查现有的数据源阶段1明确系统的用户目的及要求说明地理参考的要求调查地图参考系统描述和评价需要的数据数据集合的规定与说明信息传输的要求与规定 确定地理参照系统提出硬件提出软件数据处理方法政治结构法律结构用户背景信息阶段2评价资源保证情况描述选择的信息系统系统稳定性评价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阶段3可行性与成本评 价政治、法律意义评 价执行计划的评 价阶段4效益和影响的最终评价 图8-1 结构化的系统设计模式 精品文档