第五章GIS系统总体设计

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1、第五章 GIS 系统总体设计在系统定义阶段确定系统建设的目标和任务之后，需要进行系统的总体设计。GIS总体设计阶 段的主要任务是将系统需求转换为数据结构和软件体系结构，即数据设计和体系结构设计。数据设 计就是把分析阶段所建立的信息域模型变换成软件实现中所需的数据结构。体系结构设计则是把系 统的功能需求分配给软件结构，形成软件的模块结构图，并设计模块之间的接口关系。在总体设计 阶段，各模块还处于黑盒子状态，模块通过外部特征标识符（如名字）进行输入和输出。使用黑盒 子的概念，设计人员可以站在较高的层次上进行思考，从而避免过早地陷入具体的条件逻辑、算法 和过程步骤等实现细节，以便更好地确定模块和模块

2、间的结构。一、总体设计的任务、方法和准则（一） 总体设计的任务和方法总体设计的任务是要求系统设计人员遵循统一的准则和采用标准的工具来确定系统应包含哪些 模块、用什么方法联结在一起，以构成一个最优的系统结构。总体设计一般采用结构化设计方法进行实现。结构化设计强调软件总体结构的设计，是一种自 顶向下、逐步求精和分阶段实现的设计策略。结构化设计的基本特点由问题结构导出系统结构，即问题结构到系统结构的映射。问题结构主要用数据流图（DFD） 来描述系统的逻辑模型，而系统结构是指用系统的模块结构图来描述软件结构通过自顶向下分解和层次组织的方法来简化系统，产生模块结构运用一系列的图表工具。为使系统设计流程易

3、于理解，结构化设计使用了两种主要的图表工 具：伪码和结构图。伪码描述的是模块的处理逻辑，用来表达程序的设计思路；结构图用于 描述软件的总体结构，采用自顶向下、层次组织的方法提供一系列的系统设计策略。结构化设计提供了两种设计策略，它们分别是面向过程的数据 流方法与面向数据结构的Jackson方法和Warnier-Orr方法。 提供一组评价系统设计质量的准则。结构化设计方法提供了一系列评估准则，如耦合、内 聚、扇入和扇出、信息隐蔽以及模块化等。结构化设计方法与一般设计方法的比较结构化设计方法一般设计方法设计工具设计思想P =;设计重心I1= 设计过程性能数据流图二模块结构图匸图表工具二流程图- 自

4、顶向下，逐层分解自底向上，统一组装强调软件总体结构/其次才考虑软件模采用系统流程图描述源程序的处理逻辑,强调 块的内部处理逻辑（程序结构）的是系统实现分为总体设计和详细设计 m :没有明确的阶段划分系统具有较好灵活性和可维护性，系统系统结构性差，缺乏灵活性和可维护性，并且整体性好，易于把握用户需求目标 可靠性和效率不高设计方法和策略问题一一如何构造（导出）软件的总体结构 软件评估准则问题一一什么样的软件结构是“最优”的软件设计工具问题一一如何表述软件的结构 结构化设计中的模块在结构化设计过程中，模块是一个重要的概念。模块指的是具有输入和输出、逻辑功能、运行程序、内部数据四种属性的一组程序语句。

5、其中，输入、输出和逻辑功能是其外部属性，反映功能 是可见的；运行程序、内部数据是其内部属性，反映具体实现途径，是不可见的。除了上述四个主 要属性外，模块还有其它的属性。例如，它有一个名称，可以使用别的模块，也可以被别的模块使 用，即“调用”和“被调用”。在结构化系统总体设计中，主要关心的是模块的外部属性，即它的功 能，而不是它的内部属性，即如何去实现。总体设计的准则 采用结构化设计方法进行系统总体设计的最大优势是它提供了一种便于衡量软件设计质量的广泛的 评价准则。这些评价软件设计质量的主要准则包括：模块化A抽象和信息隐蔽模块独立性模块化软件可以简单地理解为模块的集成。目前，几乎所有的软件体系结

6、构都体现为模块化。模块化 是软件设计的一个基本准则，它使得一个程序易于为人们所理解、设计、测试和维护。高层模块可 使我们从整体上把握问题，隐蔽细节以免分散我们的注意力，在需要时，又可以深入到较低的层次 以了解进一步的细节。模块化往往将较复杂的问题转化为一些简单问题的集合，使我们可以将工作 量分散到各个工作组以集中力量解决各个问题。1模块化原则每一个模块表示一个自我包含的逻辑任务；A每个模块都是简单的；A每个模块都是封闭的；每个模块都是可以独立测试的；每个模块对应单一、独立的程序功能；A每个模块有单一的入口和出口；每个模块都由一个标准返回点返回上层模块开始执行该模块的那一点；可以把多个模块组合成

7、较大的模块，而不必了解模块内部构造的知识；每个模块都有严格规定的接口，其中包括由入口和出口形成的控制连接、由参数和共享的公 用数据形成的数据连接以及由模块间的服务支持形成的功能连接。2抽象和信息隐蔽抽象是抽出事物的本质特性而暂时不考虑它们的细节，它反映在数据和过程两方面。在模块化 问题求解时，在最高抽象级可以采用面向问题环境语言的抽象术语进行叙述；而在较低抽象级，则 可采用过程性术语。模块化的概念加上逐步求精的方法将面向问题的术语和面向实现的术语两者结 合起来，前者是后者的一种抽象。在软件模块结构图中，下层模块是上层模块的细化，因此顶层或 上层模块的抽象程度较高，而在下层模块中则体现功能实现的

8、细节。信息隐蔽是模块的另一重要特征。“信息隐蔽”意味着有效的模块化可以通过定义一组独立的模 块来实现，这些独立的模块彼此之间仅仅交换那些为了完成系统功能所必须交换的信息。一个模块 内部所包含的信息（数据或过程），如果它不允许外部的模块访问的话，其它模块是不能对它们访问 的。抽象和信息隐蔽从两个不同方面说明了模块化设计的特征。“抽象”帮助定义构成软件的过程实 体，而“信息隐蔽”实施对过程细节的存取约束。3模块独立性模块独立性的概念是模块抽象和信息隐蔽的直接结果，是保证软件质量的关键性因素。采用结 构化设计方法进行系统总体设计强调把系统设计成具有层次式的模块化结构。模块独立性程度较高 的软件，其功

9、能易于划分，接口简单，因此开发、测试和维护都较容易，修改引起的副作用也较小。模块独立性有两个定性的标准来度量，即内聚（cohesion,又称块内联系）和耦合（coupling， 又称块间联系）。内聚是模块内部各成分之间的联系，如果一个模块的内聚度大，模块的独立性则会GIS设计与应用第5章 提高。耦合是指模块间的联系，耦合度是对模块独立性的直接衡量，很显然，块间联系越小，模块 的独立性则会越高，耦合度就会降低。在系统中，内聚度和耦合度是相互联系的，模块的内聚度越 高，则耦合度就越低。采用好的设计规则，改进软件结构，提高模块独立性，设计出软件初步结构以后，应该审查和 分析这个结构，通过模块的分解和

10、合并，力求降低模块耦合度，提高模块内聚度。例如，多个模块 公用的一个子功能可以独立成一个模块，供这些模块调用。有时则可通过分解或合并模块以减少控 制信息的传递及对全局数据的引用，降低接口的复杂程度。经验表明，模块规模应当适中，过大则 可能导致独立性降低，引起开发、测试和维护的不便。第二节、系统总体设计工具在总体设计阶段采用一些特殊的表达工具用来表达系统的数据结构和软件体系结构。（一） 层次图层次图（hierarchical chart）是在软件总体设计阶段最常用的工具之一，用来描绘软件的层次结 构。下图为某土地定级信息系统的局部层次图，图中的每个方框代表一个模块，方框间的连线表示 模块的调用关

11、系。层次图适合于在自顶而下设计软件的过程中使用。某土地宦级信息系统（二） HIPO 图HIPO图是由美国IBM公司发明的“层次+输入/处理/输出图”的英文缩写。HIPO图实际上由 H图（即层次图）和IPO图两部分组成。这里的H图是在层次图的基础上对每个方框进行编号，使 其具有可跟踪性。编号规则如下：最顶层方框不编号，第一层中各模块的编号依次为 1.0， 2.0， 3.0，；如果模块2.0还有下层模块，那么下层模块的编号依次为2.1，2.2，2.3，；如果模 块2.2又有下层模块，则下一层各模块的编号根据上面的规律依次为2.2.1， 2.2.2， 2.2.3， ，依 次类推。某土地定级信息系统成

12、果输出3.0级差收益测算吓 样点级别提豎 扮值分级15.21 分值频率分析15.11 缓冲冈分析13.61 引力模型13.51 IffilIBII分级1341 平均高程勞析3.31地形坡度分析空间内插另析3.1H圏举例 傑土地定红借息茅统射局部H图）和H图中每个方框相对应，应该有一张IPO图描述这个方框所代表的模块的信息处理过程oIPO 图使用简洁的方框来方便地描述数据输入、数据处理和数据输出三部分之间的关系。值得强调的是 HIPO图中的每个IPO图都应该明显地标出它们所描绘的模块在H图中的编号，以便跟踪了解这个模块在软件结构中的位置。如下图描述的是缓冲区分析模块，对应的编号是3.6。三） 结

13、构图Yourdon提出的结构图（Structured chart）是进行软件结构化设计的另一种有力的工具。结构图 和层次图类似，也是用来描述软件结构的，但其描述能力比层次图更强。如下图，图中每个方框代 表一个模块，框内注明模块的名字或主要功能，模块的名称通常是动宾结构的名词，方框之间的箭 头（或直线）表示模块间的调用关系。在结构图中通常还用带注释的箭头表示模块调用过程中来回传递的信息，如果希望进一步标明 传递的信息是数据还是控制信息，则可以利用注释箭头尾部的形状来区分：尾部是空心圆表示传递 的是数据，尾部是实心圆表示传递的是控制信息。此外，还可以附加一些符号以表示模块的选择调 用或循环调用关系

14、。在结构图中，关键要描述的内容有两个：一是模块的功能，通常是由模块的名称来标识的；二 是要描述模块与模块之间的接口。构造结构图时，要注意以下几个问题：首先，一个模块可以被不 同的模块所调用；其次，在同一层次中，模块的调用次序不一定是自左向右。结构图并不严格地表 示模块的调用次序，虽然多数人习惯于按照调用次序从左到右描述模块，但也可以出于其它考虑（例 如为了减少交叉线），完全不按这种次序画。模块的调用次序在很多情况下可以根据模块所传递的数 据和控制来区分。此外，结构图和层次图一样，并不指明什么时候调用下层模块。通常上层模块中 除了调用下层模块的语句外还有其它语句，究竟是先执行调用下层模块的语句还

15、是先执行其它语句， 在图中并没有表示。第三节、GIS应用分析模型设计GIS 软件是服务于地理科学研究的新技术，是地理学现代化的重要手段。地理学的最新发展有 以下四个趋势：定量研究；空间研究；时间过程研究；区域综合研究。GIS 以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特性，可以存储和处理不同地理发展时期的大 量地理数据，并具有极强的空间系统综合分析能力，是地理分析的有力工具。因此，GIS不仅要完 成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务 必须发展广泛的适用于GIS的地理分析模型，这是GIS软件走向实用的关键。（一） GIS 空间处理与分析设计GIS空间处理与分析设计是GIS设计的核心内容之一，其主要内容为：GIS 空间处理与分析设计主要内容GI咗 间数据编辑处理：图形数据和属性数据的编辑，图形数据的拼接和分割等； 变换处理：投影变换、坐标变换、比例尺变换、几何校正等； 编码和压缩处理：数据编码、多余节点去除以及栅格数据压缩等； 数据的插值：点的内插、区域的内插等；数据类型转换：矢量与栅格数据转换、系统间数据格式的转换等GI咗 间分析S1+查询分; 几何分; 地形分彳 分析流域分彳邻域分1