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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。
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。
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。
3、功能的要求 具体说明该系统要做什么，对每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：①该系统必须具有的功能；⑨如果时间和资源条件允许，希望具有的功能；②其它有意义的功能。
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： (1)输入(来源、数据、频率)； (2)输出(格式、数据量、用户)；
(3)功能需要的处理步骤；
(4)功能成功地实现所需要的条件； · (5)功能生成的数据。
除了规定要完成的功能外，还要说明该系统期望的性能和特征，质量控制措施，以及该系统与其它部分的接口等。显然，在系统开发的过程中，要求可能发生变化，因此要制定专门的计划进行处理。
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： (1)系统的正常操作条件；
(2)重点测试，包括最坏情况和极端操作条件； (3)逻辑测试，指检查各种可能的逻辑条件； (4)线路测试。
硬件：软件和数据库的测试，是对系统进行总体评价的最后阶段，那么，在系统设计的各个阶段，谁进行这种评价。显然，在目的、任务和要求的评价中，与用户有关。而对系统设计其它方面的评价，则需要其它有关的技能，一个系统的有效性取决于软件的质量，而对软件的评价，则必须由具有软件工程专门知识的专家来进行。
地理信息系统的设计是一项复杂的工程，要建立一个计算机此的地理信息系统，决非几个人或较短时间内所能完成的，需要许多人在较长时间内才能完成。由于系统的复杂性，及软体研制时间长，成本高，错误多，故容易产生所谓“软件危机”，例如软件不能移植、不能修改等，因此提出“软件工程”的设计方法，即用工程方法来研究软件和进行地理信息系统的设计，以保证系统的功能标准和质量指标。
软件工程设计方法包括三个主要内容：①完整的需求定义和规范说明；②综合的质量保证措施和计划；③严格的设计过程和管理控制。
第三节 地理信息系统设计与开发的步骤
地理信息系统建立的过程（图8—3）大致可以分成以下几个主要步骤。
一、可行性研究
可行性研究主要是进行大量的现状调查，在调查的基础上论证GIS的自动化程度、涉及的技术范围、投资数量以及可能收到的效益等。经过论证后确定系统的目的、任务及GIS的起始点，从这个起始点出发，逐步向未来的目标发展。重点不应只是目前的计算机化，还应着眼于将来如何发展。 这一阶段的工作主要包括：
1、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。从上至下调查本部门各级机构在目前和将来发展业务上需要些什么信息；从下自上调查他们完成本部门专业活动所需要的数据和所采用的处理手段，以及为改善本部门工作进行了哪些实践活动等。还要收集他们对本部门的业务活动实现现代化的设想与建议。
2、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：①空间信息管