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1、第8章 GIS设计方法及应用,8.1 GIS的设计开发简介8.1.1工具型GIS和应用型GIS8.1.2 三种开发方法简介 8.2 GIS开发的系统工程方法8.2.1 GIS工程的概念8.2.2 GIS工程开发阶段划分及任务制定8.2.3 GIS工程开发中的组织管理8.3应用GIS开发案例8.3.1福建省生态环境信息系统构建及应用研究8.3.2福建生态环境综合信息图谱构建与应用,寻找一套高效的科学方法来进行GIS的组织管理，是当前GIS设计开发及应用迫切需要解决的问题。,8.1 GIS的设计开发简介,8.1.1工具型GIS和应用型GISGIS 作为一个特殊的软件领域，其主要特点是海量数据存储及
2、空间数据与属性数据一体化管理，是能处理、分析地理空间数据的一类信息系统。GIS开发一般具有两个方面的含义：（1）从底层开发一个通用的工具型GIS。（2）借助通用的GIS开发平台(多为商业化GIS)进行二次开发，完成专用GIS的开发任务；或从底层根据应用目的开发一个专用的GIS。在第1章介绍GIS类型时曾提及GIS按其应用的特点，可以划分为工具型GIS、应用型GIS和大众型GIS。表8.1比较了工具型GIS和应用型GIS的要点及主要产品。,工具型GIS，就是可以对各种地理空间数据进行输入、编辑、显示、管理、查询和处理分析，并能用以建立应用型GIS的软件包，例如ArcGIS、Arc/Info、Ar
3、cView 、GenaMmap、MapIinfo、Idrisi、MapGIS、GeoSstar等商业软件。一般具有设计先进、技术含量高的地理信息处理平台支持，在很大程度上满足用户的应用要求，但其面向的往往是GIS的理论与技术，对用户的专业问题针对性不强，除非对GIS理论技术方法熟练掌握的专业用户，才能自如地解决自己的专业应用问题，而一般用户则难以直接使用。 空间分析方法与应用模型是GIS的一个很重要的组成部分，这一部分的好坏是衡量一个GIS的功能强弱的重要指标。应用型GIS，就是应用目的明确，与特定的地理区域相联系。应用型GIS一般具有如下特点：,区域性。应用型GIS，一般都针对特定的地理区域
4、，或者说与特定的地理区域相联系。如“加拿大地理信息系统”、“福建省生态环境数据库系统”等。系统名称前一般都冠以区域名称，即指明了系统的区域性。目的性。应用型GIS，一般都具有更为明确的应用目的和使用对象。如：福建省减灾防灾综合信息评估系统，明确指明其应用目的就是为福建减灾防灾评估服务，它的使用对象只能是对福建灾害的时空格局、灾害预测及评估，具有查询、建模和调控等功能。,核心应用模型。应用型GIS，特别是专业性的GIS，一般以一个或到几个核心应用分析模型作为系统的核心应用模型。这些应用模型，有的是GIS常规的应用分析方法或模型如缓冲分析、邻域分析、地形分析、叠加分析、最短路径分析等的简单使用或各
5、种组合，但更多的是以这些常规的应用分析方法或模型为基础，结合本专业的新理论和新技术而建立的专业应用由于模型。如：闽西根溪河流域水土流失综合整理研究，通过核心模型水土流失与植被的关系、水土流失与坡度的关系、水土流失与坡向的关系、水土流失与降水量的关系等来揭示闽西根溪河流域水土流失与环境要素的关系以及提出根治方案的依据。专业用户界面。应用型GIS，一般都结合专业的应用问题并针对特定的用户群体建立完全专业化和用户化的系统界面。如构建“闽江上游流域生态环境信息系统”时，在要求使用缓冲区分析模型建立河流沿岸一定宽度范围内的植被重点保护范围时，就可能在其相应的菜单项中直接使用“确定植被重点保护区范围”的专
6、业术语，而不用“缓冲区分析”的GIS专业术语等。,8.1.2 三种开发方法简介 从软件编程角度来看，目前GIS平台开发方法主要有3种。方法一，借助于GIS工具软件（如：Arc/Info、MapInfo、ArcView、MEG等）所提供的开发语言，进行系统建设与开发，并利用这些宏语言，以原GIS工具软件为平台开发出针对不同应用对象的应用程序。这种方法对开发者来说自主性比较差，对用户的多方需求也难以实现。方法二，是在VB、C或C+等环境下编程实现的“独立开发”，不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果的输出，所有的算法都由开发者独立设计，在一定操作系统平台上编程和调
7、试，以便实现目标。此方法对开发者来说虽自主性很强，但需要开发者有较高的计算机编程技术，而且耗时多。方法三，通过通用软件开发工具或是可视化开发工具(如Delphi、，Visual C +,、 Visual Basic,、 Power Builder等)作为平台，进行二次集成开发。常见的也有两种方式：, 采用OLE Automation技术或利用DDE技术，在VB中进行软件集成，来实现GIS绝大部分功能。如将自己开发的程序和模型集成到Idrisi GIS中，从而就可建立自己的应用系统； 利用GIS组件（如：MapObjects，简称MO），在满足用户需求条件下，实现的GIS各种功能。如“基于MO的
8、福建生态环境综合信息图谱数据库开发系统”，就是基于这种方法（稍后介绍）。二次集成开发对实现GIS功能是一种比较理想的方法。,8.2 GIS开发的系统工程方法,8.2.1 GIS工程的概念运用系统工程的原理、方法研究地理信息系统建设开发的方法、工具和管理的一门工程技术称为“GIS工程”。GIS工程的目标在于研究一套科学的工程方法，并与此相适应，发展一套可行的工具系统,解决GIS建设中的最优问题，即解决GIS系统的最优设计、最优控制和最优管理问题，力求通过最小的投入，最合理地配置资金人力物力而获得最佳的GIS产品。GIS工程与机械工程、建筑工程不同,它作为一种软件产品是抽象的、逻辑性的，而不是实物
9、性的，对它的研制和维护本质上是一个“思考”的过程，很难对其进行控制。,8.2.2 GIS工程开发阶段划分及任务制定1.GIS工程建设的阶段分析：（1）GIS工程的建设从计划立项到产品运行涉及到多个环节，参照其他系统的研制过程，用工程化的方式有效地管理GIS建设的全过程，可分为六个阶段：可行性研究用户需求分析系统总体设计系统详细设计系统实现运行与维护。,（2）六个阶段可看作是GIS 工程建设的生命周期。尽管系统开发随应用领域和功能要求不同而不同，且具体内容也有所差别。（3）开发的步骤主要有：可行性研究用户需求分析系统总体设计系统详细设计系统实现运行与维护,8.2.3 GIS工程开发中的组织管理1
10、.组织机构GIS工程建设应该成立专门的组织机构，负责系统的开发管理工作。组织机构可分为三个层次：高层是领导小组，中层是总体技术组，底层是各种工作组。一般地说，底层的各种工作组的设置应考虑系统规模，从专业构成上应有计算机软硬件人员、测绘专业尤其是地图学专业的人员以及与系统用户有关的专业人员，如土地管理与城市规划专业的管理人员和规划师，所有这些人员都应受到GIS原理的基本训练。 2开发进程管理（1） 开发人员的配置 开发人员是GIS建设中最活跃的因素，可以将其分为三类：高级技术人员（GIS专家或受过GIS基本训练的系统分析员、系统设计人员)一般技术人员(代码设计员、数据录入员、系统管理员)管理人员
11、(领导决策者、各阶段的公关协调人员)。,工程建设的不同阶段对各类人员的数量要求是不一样的，一般地说在系统实施阶段人员需求量大于系统规划阶段，这也是大多数城市在建设GIS时多采取技术承包的原因。（2） 开发阶段的纵向协调 GIS工程建设的生命周期是有序的，前后阶段具有衔接性、依赖性，各阶段的工作要不时地反馈协调。若在设计阶段进行物理模型设计时发现数据流程图、数据字典不够完备，逻辑模型十分模糊，应当返到分析阶段重新进行逻辑模型的设计。生命周期的划分是相对的，系统规模小时总体设计与详细设计可以合并。而且阶段的某些顺序可以打破，如数据库建库工作在建库方案制定好之后可以提前进行。（3）各子系统开发的横向
12、协调子系统开发往往由多个开发组并行进行。总体设计中对子系统间的接口及其他联系有明确规定。在实际建设实施中要作管理上的协调，对共享数据格式、传递数据形式、功能调用需要各开发组不时集中讨论协商。,（4）取得用户的密切配合 最好能吸收专业用户中熟悉业务的专职人员直接参与系统开发，尤其是在系统建设前期阶段。3.文档管理整个GIS工程建设中要产生多种文档，包括可行性研究报告、用户需求分析报告、 总体设计方案、详细设计说明书、数据库建库方案、数字化方案、操作手册、测试报告等等。这些文档是软件的一个部分，是开发人员逻辑设计思想的体现，是系统建设的重要成果，是系统维护的重要依据。,注意：文档建设要与开发阶段相
13、配套，作为阶段性成果，一个阶段结束时相应的文档也应提交出来，并作为下一阶段的指导性依据。用户需求很重要，否则，系统设计就无法开展；没有详细设计说明书，代码设计就无法进行。开发过程中，对先行成果作了修改，同时要在文档中体现，前后阶段文档内容要衔接，形成一定体系。很难对文档的编制制定统一规范的格式，但各文档的内容可以规定。文档的术语要符合软件工程的内容要求。在需求分析报告中运用正确表达的数据流程图，数据字典描述工具表达系统的逻辑模型，比自然语言描述要强得多。比较底层的与GIS开发平台紧密相关的文档应使用平台软件指令、功能术语。如选Arc/Info作为开发平台，在数字化方案、程序设计说明书中应出现T
14、IC、COVERAGE、 LAYER、 ROUTE、TIN等术语。,8.3应用GIS开发案例,8.3.1福建省生态环境信息系统构建及应用研究1.系统构建（1）福建省生态环境信息数据库系统及应用总体设计A目标：构建福建省生态环境信息数据库及应用系统。B任务：室内处理数据、野外考察、GPS测量数据等，2006年完成。C软硬件选择：配备好奔5 台式机和笔记本电脑若干台，在Windows XP 以及网络环境支持下，基ArcView 3.3、ArcGIS 9.0、AO、MO、Accesses、Excel、VB、PhotoShop等软件。D GIS开发方法选择：基于MO的ArcView 或基于AO 的Ar
15、cGIS二次集成开发。E代码设计和数据编码： 以土地为例，数据编码见表8.4。F界面设计：用面向对象的方法设计。,（2）福建省GIS基础数据库详细设计 从系统数据的输入、处理和输出来考虑，数据库概念模型分析的具体内容包括系统数据来源分析、数据间逻辑关系分析、系统数据流程关系分析和生态环境数据的图层关系分析。数据源的选取和预处理数据源包括地图数据、统计数据、图像数据和其他数据。根据系统的目标和功能，对收集的数据进行筛选，作为系统数据库的原始数据。因数据的来源不同、格式不一，在将这些数据输入数据库之前，需要对各类数据源进行预处理，即对数据标准化和规范化处理。例如，生态环境信息系统中的生态环境数据一
16、般由多个部门多人合作完成，为了便于生态环境数据的分析和保证数据的可靠性，建立数据库之前必须对生态环境数据进行统一编码。对空间数据不一致（如：数据源中可能存在同一区域不同专题数据的坐标系不一致、比例尺不一致、数据精度不一致、数据格式不一致等）要进行几何纠正、标准化处理及数据转换。,数据分类和组织在明确了系统的功能要求和系统的数据来源后，可对各种数据进行分类。如对区域生态环境数据分类，要求在内容上既能有反映生态环境的历史断面数据，也有反映生态环境现状的数据；从信息系统的数据处理形式来看，这些数据可分为空间数据和属性数据。福建生态环境数据分类与组织思路如图8.1所示。为了进一步分类，需要划分图层，在第2章已介绍图划分层的方法，本案例福建生态环境信息系统中对空间数据的部分分层见表8.5。,图8.1 生态环境数据分类与组织,根据结构化系统分析的思想，可将生态环境信息系统的数据先分为不同的层次（省、市县、乡、镇以及重点区域），然后明确各层次数据的专题信息，并定义各专题信息的层次关系。这样将整个系统的数据分成相对独立的小部分，构建逻辑关系。 为在时空上能相互衔接，还需要建立一个有效的时空索引数据库，实现数据流程图（如图8.2所示），以便更好地管理生态环境数据库。,
