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1、北京大学遥感与地理信息系统研究所GIS软件工程技术软件工程技术与应用项目组织管理与应用项目组织管理GIS软件工程方法GIS项目组织管理GIS应用工程实例软件工程软件工程l概念l一门指导计算机软件开发和维护的工程学科 l应用计算机科学、数学及管理科学等原理，借鉴传统工程的原则、方法，创建软件以达到提高质量，降低成本的目的 l目标 l生产具有正确性、可用性以及开销合宜的产品 l基本原则：l选取适宜的开发模型l采用合适的设计方法l提供高质量的工程支持l重视开发过程的管理l活动l需求分析：定义系统目标，满足用户需求 l系统设计：总体设计和详细设计 l系统实现：编写程序l确认：软件测试 l支持：软件维护
2、 GIS领域分析领域分析l领域l共享某种功能性的系统或应用程序的集合l表现了一组应用系统共性的方面l对于领域，可以实施领域工程，得到领域模型，并建立领域特定的软件体系结构l领域构件 lGIS领域l根据应用目的，GIS可以分为l区域地理信息系统l专题地理信息系统l地理信息系统工具l它们共同组成了GIS领域 lGIS的核心功能l空间数据的输入、管理、分析以及表现l这些功能形成了一个比较完全的数据处理流程 操作系统操作系统地理信息系统工具地理信息系统工具区域区域GIS专题专题GIS领域领域应用系统应用系统具体具体, ,专用专用抽象抽象, ,通用通用GIS的软件开发方法的软件开发方法l典型桌面或专业G
3、IS软件的体系结构：三层结构l图形用户界面层l工具层l数据管理层lGIS的核心功能l空间数据的输入、管理、分析和表现l基于组件的GIS二次开发方法l基于组件的GIS二次开发过程GIS需求分析（需求分析（1）l用户需求l功能性需求l非功能性需求 l一般性需求内容 l物理环境：物理设备的位置以及其分布的集中程度l接口：与其它软件系统的接口以及对数据格式的要求l用户或人的因素：系统用户熟练程度，使用系统需要接受的训练l功能：系统要完成什么，性能如何l文档：需要哪些文档以及其针对的读者l数据：数据格式、数据精度、数据量、接收和发送数据的频率l资源：使用系统需要的设备，开发需要的人力资源、计算机资源、时
4、间表l安全性：对访问信息的控制程度，数据的备份等l质量保证：对系统的可靠性要求，平均系统出错时间，可移植性，可维护性等 GIS需求分析（需求分析（2）lGIS系统需求的额外内容l数据l数据的输出样式：包括屏幕显示、Web发布、出版、工程图等l输出数据的内容和要求：输出数据要包括哪些内容，数据的精度，比例尺等l数据的分布性：数据是集中管理还是分布管理l现有的纸质地图：图的内容，比例尺、时效性、是否涉及保密l现有的电子数据：数据形式（栅格/矢量/属性数据库）、数据格式、完整性、精度、投影方式、比例尺等因素l数据录入：数据量大小，输入设备，包括数字化仪、扫描仪，软件的支持程度，进行数据录入的人员数目
5、，能否在预定时间内完成数据录入l数据购买：数据量以及价格l人员l针对专业领域的，在进行需求获取时要考虑一般用户l要听取领域专家的意见，将他们的理论、经验模型化，并在系统中完成l组织l现有的组织机构，有关部门的职责，业务流程lGIS如何在其业务流程中体现，因为应用GIS所可能引起的组织机构的变化GIS数据管理设计（数据管理设计（1） l目的是确定在数据管理系统中存储和检索数据的基本结构l原则是要隔离数据管理方案对整体系统的影响l主要的数据管理方法 l普通文件管理l提供基本的文件处理和分类能力。l关系型数据库管理系统（RDBMS）l建立在关系理论的基础上，采用多个表来管理数据l每个表的结构遵循一系
6、列“范式”进行规范化，以减少数据冗余。l面向对象的数据库管理系统l通过增加抽象数据类型和继承特性以及一些用来创建和操作类和对象服务，实现对象的持续存储lGIS需要管理的数据l空间几何体数据l时间数据l结构化的非空间属性数据l非结构化的描述数据 GIS数据管理设计（数据管理设计（2）lGIS数据管理的主要方案l全部采用文件管理 l文件结合关系数据库管理 l全部采用关系数据库管理 l采用面向对象数据库(OO-DBMS)管理 空间数据库数据库访问接口空间模型服务GIS应用GIS应用GIS应用RDBMSGIS空间数据访问接口集成化集成化GIS数据管理数据管理空间数据库数据库访问接口空间模型服务GIS应
7、用GIS应用GIS应用OO-DBMSGIS空间模型服务OO-DBMS GIS数据管理数据管理GIS系统界面设计（系统界面设计（1） l图形用户界面(Graphical User Interface, GUI)l人机交互的接口，要使用户更容易掌握系统，增加用户对系统的接受程度l数据选择 l输入命令语句l通过菜单选择l填充一个表单l使用鼠标选择 l数据表现 l图形显示l多边形轮廓、多边形填充、线、点、符号l正确地表达地物对象的含义，并被用户理解 l数据处理 l面向对象的界面设计 l以象形符号表现地理实体及操作l点击、拖放等操作lSQL lGeoSQL语句l标准SQL与空间查询的界面 l可视化 l以
8、可视化的形式表现各种信息 l表达的所见即所得 GIS系统界面设计（系统界面设计（2）lGIS系统主要的界面元素 l菜单l有普通菜单、下拉式菜单、弹出式菜单和图形菜单等类型l一般按类型和层次将主要功能操作组织为下拉式菜单l在窗口或主要部分提供弹出式菜单；l工具条l窗口顶部的主工具条l还可以沿窗口的不同部分放置工具条，或者浮动在窗口之中l目录树l在GIS中显示数据的分层组织通常可以使用树状的控件l状态栏l在状态栏上可以显示当前活动图层、地图当前比例尺、光标所在的地理位置以及操作进程条等内容l分隔式窗口l当地图、数据表、制图版等多种内容需要同时显示时，可以使用分隔式窗口l导航器l又称鹰眼可以为主地图
9、窗口建立一个全局的图形索引GIS界面要素示例界面要素示例菜单菜单工具条工具条目录树目录树状态栏状态栏导航器导航器浮浮动动窗窗体体主窗口主窗口ArcMap主界面主界面GIS应用模式与分类应用模式与分类l按照其应用模式分类l科学研究工具l办公服务系统l空间事务处理系统(STPS)l空间信息管理系统(SMIS)l空间决策支持系统(SDSS)l专家系统（ES）l按应用规模分类l小型GISl使用数据量小，使用系统的用户少，主要针对一个部门或特定领域，注重于专业模型的开发和应用l中型应用GISl应用于多个部门，数据量大，运行于局域网或城域网环境，侧重于决策支持l大型GISl拥有非常多的用户和海量的数据，注
10、重数据的管理，并通过网络实现分布式的计算和数据管理，并通过Internet发布空间信息GIS应用项目应用项目 lGIS应用系统开发方式l购买相应的GIS软件或系统，在本地区或本领域内部署实施l请软件开发商来开发l由组织内部人员自己开发lGIS应用项目l通过系统开发建立GIS应用，从开始确立需求，到最终的系统投入运行，这一个时间段内的活动统称为GIS应用项目 l项目的生命周期l识别需求l提出解决方案l执行项目l结束项目 造成造成GIS应用开发失败的因素应用开发失败的因素 GIS应用项目策略性规划应用项目策略性规划l应用项目策略性规划l对应于项目生命周期的识别需求阶段l主要目的是确定要建立怎样的G
11、IS应用，组织现有的条件，包括资金、人员、设备、场地等等，能否支持GIS的建立和应用lGIS项目策略性规划一般包括五个主要部分 l机构的状况分析和调查l机构的GIS系统开发目标l系统开发的可行性l主要包括资金、技术力量和组织运作三个方面 l要对风险进行客观的评价，并作出相应的防范措施 l系统开发的方案选择lGIS系统决策规划书的起草l应用项目合同 应用项目实施性规划应用项目实施性规划软硬件配置软硬件配置 项目目具体考具体考虑因素因素软件件数据量数据的分布性已有数据需要二次开发系统需要与其它软件协作现有的软硬件平台需要与Internet结合如果数据量大，要关注软件对大数据量处理的性能，是否支持图
12、库如果数据是分布管理的，需要软件支持网络软件能否顺利地读入现有的数据软件是否具支持二次开发，支持方式（API，控件，宏语言）软件对数据库是否支持软件必须能够运行于现有的软硬件平台上软件是否支持Web，具体方式(ActiveX,Java等)硬件硬件数据量大，并且需要共享数据需要定期备份大量的数据录入地图输出高质量、大幅面地图输出数据采集移动计算已选择的软件选择数据服务器磁带机，光盘课录机扫描仪，数字化仪彩色喷墨打印机喷墨绘图仪，其它高档绘图仪GPS接收机，平板测图仪笔记本电脑使软件能够运行良好的硬件平台网网络局域网远程访问接入Internet细缆线/双绞线，集线器拨号网络支持各种专线子项目划分子
13、项目划分 l常用的GIS项目任务 项目目规划划1.可行性分析2.市场调查3.技术调查和评价4.起草报告试点点项目目1.数据收集2.数据数字化3.数据转换4.数据质量控制5.制图6.设备购买7.设备安装数据数据库生成生成1.数据库概念设计2.数据库详细设计3.数据收集4.数据数字化5.数据转换6.数据编辑7.数据质量控制8.数据修改9.自动化编程数据数据输出出1.制图2.数据制表3.自动化编程GIS分析分析1.分析模型定义2.分析模型的过程设计3.分析模型实施4.分析制图5.分析制表6.分析自动化编程7.分析报告生成应用系用系统开开发1.系统的用户需求分析2.系统的设计3.系统设计报告起草4.系
14、统编程5.系统测试1.系统运行报告和安装2.系统培训3.系统的用户报告4.系统维护报告5.系统维护的技术服务其它其它1.人员技术培训2.项目管理3.系统维护4.数据安全备案5.项目技术会议6.项目中期报告7.项目终期报告进度安排进度安排 l原则l估计每项活动从开始到完成所需要的时间 l活动之间的依赖关系（必须完成一项才能进行下一项）l各个活动的最早开始-结束时间和最迟开始-结束时间l保证参与人员有足够时间来完成各项任务 l表示方法l里程碑表示法(Milestone Chart)l甘特图法（Gantt Chart）l关键路径法（CPM-Critical Path Method）l墙纸法（Wall
15、 Paper Method） 项目预算项目预算 l人力费用l拥有和使用人力资源来完成任务的费用l主要包括员工的工资和福利l材料和办公用品费用l包括购买各种办公用品、书籍、图件等的费用l设备费用l主要包括计算机硬件的购买或租赁费用l软件费用l计算机软件的购买或租赁费用。l软件和硬件维护费用l内部服务费用l主要包括机构内部某些部门的维持费用，它们间接支持项目和整个机构的运行l还包括保险、办公场所租赁、通讯费用等等l其他费用l不属于以上任何一类的费用l包括旅行费用、培训等项目管理项目管理l人员管理l项目管理人员l系统开发人员l数据录入和处理人员l开发支持人员l领域专家l用户l其它支持人员l软件开发管
16、理l用分阶段的生命周期计划严格管理l坚持进行阶段评审l实行严格的产品控制l采用现代程序设计技术l结果应能够清楚地审查l开发小组的人员应该少而精l承认不断改进软件工程实践的必要性l数据管理l数据的录入和处理过程l数据质量控制l定义文件命名规则 l元数据，数据字典l项目控制与评估l程序：数量和质量；l数据：数量和质量；l参与人员：工作时间和效率；l资金：使用情况和使用效率；l设备：占用情况和效率 GIS应用项目的软件文档应用项目的软件文档软件文档的分件文档的分类可行性研可行性研究与究与计划划需求分析需求分析软件件设计编码与与单元元测试集成与集成与测试运行运行维护开开发文文档档可行性研究报告 项目开
17、发计划 软件需求说明书 数据要求说明书 概要设计说明书 详细设计说明书 用用户文文档档用户手册 操作手册 软件需求说明书 维护修改建议 管管理理文文档档测试计划 测试分析报告 开发进度月报 项目开发总结报告 项目开发计划 GIS工程实例工程实例 中国国家公路地理信息系统中国国家公路地理信息系统l建设单位l全国公路数据库组l主要内容l背景l系统需求l系统目标l数据组织l软件选型l系统功能l进度安排背景背景l国际背景l当今世界公路交通作为国民经济的大动脉，越来越为各国政府高度重视l随着全球信息化的迅猛发展，尤其是发达国家都努力采用最新技术建立高效、智能化的路网管理体系，用以解决公路路网在管理、规划
18、、设计、通讯、监控等领域的标准化、系统化、自动化的问题；提高管理决策的准确度和可靠性，为国民经济的发展创造最佳的支撑环境l国内背景l随着经济建设的高速发展，我国的公路建设也取得了巨大成就，近年来公路建设规模大、发展快、无论是公路里程、技术等级、还是路面等级都有了突飞猛进的发展l国民经济和公路建设的飞速发展对公路管理方式和管理技术手段提出了更高的要求l采用先进的科学管理和决策方法，提高公路的管理水平，充分发挥公路在国民经济发展中的作用，是当前公路管理工作的重要任务之一系统需求系统需求l现状l通过2001 年的全国第二次公路普查，以及每年全国公路数据库系统的维护工作，交通部公路司已拥有了非常丰富翔
19、实的路况基础属性数据。在此基础上已建立了全国、省、地、县多级公路数据库系统，对于提高管理水平和改善管理效率发挥了积极作用l新的需求l对空间数据的需求l管理工作已经不再局限于对公路设施基本属性信息的处理，希望以地图方式实现公路属性信息可视化l对专题地图的需求l需要了解各种专题信息（如高速路网在全国的分布情况、危桥所在的区域等等），并且可以打印输出l对路线规划的需求l需要根据路线的位置及技术等级分布情况等信息，在地图上规划新的路线l处理突发事件的需求l需要对水毁、地震等突发事件实行快速定位，掌握路况信息进行事故分析l交通流量监控的需求l需要通过视频和图片信息了解主要路段的交通量信息l为社会服务的需
20、求l通过WEB 方式向公众提供路线分布及交通流量信息，为公众选择出行路线系统目标系统目标l集中力量建立“一库一网一套应用系统”，既“111”中国公路信息化工程。包括l一个标准的全国公路数据库平台l一个提供公众出行信息的人性化的公路信息服务网l一套以公路数据库为数据平台的业务应用系统l在现有全国公路数据库系统基础上建立和整合路网空间数据库、搭建全国路网综合信息平台、实现公路数据的可视化管理l为公路主管部门提供及时、准确、全面的有关公路线路、里程及路况的信息l实现高效的数据资源管理和深层次的开发利用，为决策者提供可靠的决策依据l为全国路网实时监控系统和公众出行服务系统提供基础平台数据组织数据组织l
21、基础地理信息（背景图层）l采用国家测绘局全国1：25 万数据库。该数据库以矢量方式存储管理1：25 万地形图上的境界、水系、交通、居民地、地貌、地名等要素。l路网图层l在一期建设过程中，公路路网图层主要包括国道和高速信息。每条路线包括的主要属性为：路线编码、路线名称、起点里程和止点里程。l在公路路网图层中，每条路线除包括坐标信息外，还存储有桩号信息，通过与公路数据库关联和动态分段技术，能得到所有公路信息。l公路路网图层包含网络拓扑结构，用户在系统中可以给定通行条件，在路网图层中寻找最佳路径。l2005 年开始二期建设，公路路网图层将增加省道信息l全国公路数据库l全国公路数据库以第二次全国公路路
22、况普查的数据集合为基础，主要包括路线概况集、路基集、路面集、主要构造物集、沿线设施集、交通量集、沿线环境集、年报数据集八大类， 84 张数据表，800 多个指标项l公路数据库的详细设计请参见全国公路数据库系统数据库设计方案l系统全部数据约2GB软件选型软件选型l选型要求l海量存储：系统的数据量非常大，第一期数据容量已经达到2GB。因此，要求GIS 软件对空间和属性数据有海量存储和管理的能力，并且有较快的响应速度l安全性：要求数据由数据库系统统一管理，并提供权限管理功能，保证数据的安全性l稳定性：要求GIS 软件供应商有较强的技术实力，其产品系列化，功能强大，在全球和国内有众多用户，并且有较多的
23、成功案例l提供Web 发布能力：方便为社会公众服务l选型产品l数据库服务器端产品：空间数据库引擎ArcSDE，提供海量空间数据和非空间数据的统一存储、管理和与客户端的互操作能力lWeb 服务器产品：互联网地图发布系统ArcIMS，提供通过网络获取动态地图、GIS数据以及各种服务的途径l客户端产品：地图组件MapObjects，提供地图访问功能系统功能（系统功能（1）l地图显示功能l设置地图显示范围，提供概览图、空间书签、比例尺控制等功能l控制图层显示状态，提供修改符号，制作专题图等功能l地图定位的功能，可以按照行政区划、路线编码及查找功能进行快速定位l数据管理功能l访问全国1：250000地形
24、图和全国公路数据库中的全部数据，并以图形化方式显示，实现公路指标数据的可视化，便于业务人员查询使用l根据行政区划、路线编码、技术指标等相关信息，按一定条件加载数据，使业务人员能够快速找到感兴趣的信息l公路数据库指标查询功能：对公路数据库中相关信息，给定多组条件，进行组合查询，将查询结果通过图形化方式在地图上显示系统功能（系统功能（2）l查询功能l查询任何一条路线的简明信息和明细信息。l查询任何一个行政区划范围内的路线简明信息和路线名细信息l查询路线上任何一点的桩号信息及相关技术指标l对全国公路数据库进行任意组合查询，并将查询结果在地图上可视化显示l通过点击地图方式，查询地图上任何一个要素的属性
25、信息l统计功能l对上述各种查询结果进行统计，方便业务人员把握路网的全局信息，便于对公路路网的规划管理系统功能（系统功能（3）l网络分析功能l指定起止点，可以选择最短路径l用鼠标临时设置某个路口不能通行，某个路段不能通行l指定通行条件，寻找最佳路径。例如：最佳路径必须在国省道上，技术等级在二级以上，并且不能经过危桥l通过行政区划名称设置起止点l显示网络分析的结果l统计最佳路径上的公路指标，如最佳路径经过国省县乡专道各多少公里l添加最佳路径上的公路数据，如将最佳路径上的隧道信息添加到地图上l路网监控功能l在地图上显示监控站点l通过互连网得到监控点的视频信息l通过互连网得到监控点的交通流量信息系统功
26、能（系统功能（4）l地图编辑功能l新建、打开、保存和备份临时编辑图层l对道路、地名及注记等内容进行编辑l选择、增加、删除、平移、增加顶点、移动顶点、删除顶点及修改属性l编辑具有回放功能（即取消操作和重做操作），防止误操作l制图输出功能l地图输出到裁剪板、影像文件和打印机上l具有页面设置功能，可以设置打印纸l插入多种图形元素，包括标题、图廓、比例尺、图例、指北针、图片、点、线、面和注记l修改打印布局，移动、删除和编辑图形元素，修改图形元素的属性l改变视图比例l修改地图的显示区域l打印效果随见即随得进度安排进度安排l前期准备(2004 年3 月-2004 年6 月)l系统方案设计l2003年全国公
27、路数据库维护：根据各省提供的最新公路数据，进行校核和更新l1：250000 地形图整理：包括图幅合并、路网提取、行政区划边界的更新、按省市进行地图裁剪等操作。l修图软件开发：为提高工作效率和作业精度，改变公路系统通过纸图提供地图的方式，项目组开发一套修图软件，方便数据采集和维护l资料收集校核阶段（2004 年6 月-10 月）l为支持本系统建设，交通部办公厅向各省交通厅下发了关于请协助做好全国公路电子地图更新工作的通知文件l全国31 个省和直辖市公路管理部门的相关专业技术人员，到北京参与了本系统的数据维护工作，为本系统提供详实可靠的路网数据l系统开发阶段(2004 年11 月-2005 年2
28、月)l全国公路数据库系统的完善和升级：进一步优化数据库结构和软件处理机制，使数据检索、查询统计、报表运算、汇总速度等方面的性能成倍提高l紧密结合公路数据库,建立公路路径系统，完成空属数据的一体化整合，保证空间、属性数据库的一致性l完成全国地图数据的最后整合、编辑和校验工作，建立1：250000 万地形图图库l建立基于C/S 的部级中国国家公路地理信息系统，为交通部提供一个可视化的GIS 公路管理平台GIS工程实例工程实例 城市水资源管理信息系统城市水资源管理信息系统l建设单位l山东省济宁市任城区水利局l解放军信息工程大学l主要内容l需求分析l系统体系结构l系统开发方法l主要功能l子系统划分l数
29、据库设计需求分析需求分析l建立城市水资源全数字化空间数据库平台，实现对各种水源数据和其他空间数据的管理和实时数据的动态加载l以多种方式直观地可视化表达各类信息的空间分布及动态变化过程，提供给本地数据查询、检索、统计分析、专业制图功能l以功能强大的软件工具和专业模型对水资源开发管理和各个方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的科学管理性和预见性l实现信息的互传功能、Web 信息发布功能，能通过广域网实现异地的信息同步共享，为水资源主管部门提供方便、及时、全面的信息服务，大大提高办公效率和准确率，降低办公成本l实现水资源专题信息的地图显示，并在此基础上通过Web 数据挖
30、掘算法对城市水资源信息进行相应的分析，提供地下管线安装、维修等的决策支持系统体系结构系统体系结构l系统主要采用WebGIS 服务的三层架构l表示层、功能层、数据层系统开发方法与主要功能系统开发方法与主要功能l开发方法l在软件设计上采用C/S 和B/S 结构相结合的混合模式lC/S结构面向内网用户群，具有高效的GIS 数据处理能力lB/S 结构具有维护数据和浏览权限的各级Web 用户。l系统的B/S 结构l选用ArcIMS9.0 和ArcSDE9.0 作为GIS 开发的基础平台l利用ServletConnector 和HTML Viewerl采用ASP 和JavaScript 语言进行开发l采用
31、Dreamweaver MX 和Visual InterDev6.0 网站开发工具进行二次开发l主要功能l水资源数据数据管理l查询检索l统计分析l空间分析l数据显示l网络发布子系统划分子系统划分数据库设计数据库设计l基础地理数据库l城市边界、行政区划、水系 (河流、渠道、水库)、居民地分布、地形、交通等数据l主要作为背景显示l水资源专题数据库l水情监测站点分布数据、水资源功能区划数据、水资源行政管理数据、水资源开发利用方案数据以及水资源评价数据、城市地下管网分布数据、地表水资源和地下水资源数据等l遥感影像数据库l主要由遥感影像数据组成，用于遥感影影像与数字线画图的叠加，以形成逼真的水资源环境分布效果l属性数据库l包括城市社会经济数据、水情监测站点基本信息、城市地下管网属性信息、水情汛情统计数据等
