【地大893 地理信息系统设计与实现】

893 地理信息系统设计与实现


前言

这是中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院电子信息专业硕士研究生初试专业课科目893。本文以将书本具体内容汇总以供GISer学习参考。

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GIS设计与实现

概述

系统分析

系统设计

总体设计

功能设计

数据库设计

系统实施与运行维护

测试与评价

其他

GIS质量管理 GIS标准化 GIS开发模式

应用型GIS设计实践


一、概论

1、【掌握】地理信息系统的基本概念、地理空间数据组成特征;

  • 地理信息系统的基本概念:GIS是在计算机软、硬件支持下,以采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示空间物体的地理分布数据及与之相关的属性,并以回答用户问题等为主要任务的技术系统。也可以从三个方面理解,①GIS使用工具:计算机软、硬件系统;②GIS的研究对象:空间物体的地理分布数据及属性;③GIS数据建立过程:采集、存储、管·理、处理、检索、分析和显示。
  • 地理空间数据组成特征:①基础性和共享性: ②随机性和模糊性:③复杂性和多样性④区域性和多层性:一般GIS都是针对特定的地理区域;具有鲜明的层次性表现在不同比例尺的区域层次,描述不同地理要素的专题层次或图层。

2、【了解】地理信息系统设计特点;

地理信息系统的特点:
①地理信息系统处理的是空间数据,具有数据量大,实体种类繁多,实体间的关联复杂等特点。GIS设计过程中必须对系统所涉及的地理实体类型以及实体间的各种关系进行分析和描述,并采用相关的地理数据模型进行科学的表达。
②地理信息系统处理的数据与地球空间位置有关,也就是说GIS必须以地理坐标作为参照构筑整个数据信息的结构框架。GIS必须以位置为参照,考虑空间数据基准和地图投影等其他问题,保证与应用相适应的空间数据精度。
③GIS研究对象是与空间位置有关的空间数据与属性数据。GIS是复杂的系统工程,需要面对复杂的系统分解和协调技术,系统分析方面的工作量巨大。
④GIS设计以空间数据为驱动。从某种意义上,GIS就是一种空间数据库,GIS的功能就是为数据库提供服务,其主要任务是对空间数据分析统计处理并辅助决策。系统的的功能设计以提高数据的存储、分析和处理效率为原则。
⑤GIS工程投资大,周期长,风险大,涉及部门繁多。估计信息系统建设的投资效益,评估系统建设的风险性和必要性;确定系统的建设进度安排,保证系统建设的高效性;建立系统建设的组织机构并进行人员协调。

3、【了解】常见的两类地理信息系统;

常见的两类地理信息系统包括工具型地理信息系统和应用型地理信息系统。

  • 工具性地理信息系统
    对地理空间数据进行输入、管理、处理、查询、分析和输出,是可供其它系统调用或允许用户进行二次开发,以建立应用型地理信息系统的操作平台,如ArcGIS,MapGIS等。
    特点:通用性强,功能全,效率高,操作简便容易掌握。
  • 应用型地理信息系统
    与特定的地理区域相联系的地理信息系统,是根据用户的需求和应用目的而设计的一种解决一类或多累特定应用问题的地理信息系统,除了具有地理信息系统的基本功能外,还具有解决地理空间实体与空间信息的分布规律、分布特征及相互依赖关系的应用模型和方法。
    特点:目的性明确,针对性强,专业性强,系统开销小。

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地理信息系统

工具性地理信息系统

应用型地理信息系统

专题地理信息系统

区域地理信息系统

4、【掌握】结构化程序设计、原型化设计基本思想;

GIS的设计方法主要包括结构化程序设计、原型化的设计方法、面向对象的设计方法及面向服务的设计方法。
结构化设计是面向数据流开展需求分析工作,采用一般系统工程的方法和有关结构概念,把他们应用与地理信息系统的设计;原型化的方法根据对用户的大致了解,由开发人员快速生成一个实实在在的初始系统原型,并不断对原型进行修正、补充和细化,用快速迭代的方法建立最终系统,并提交给用户使用。

  • 结构化程序设计的基本思想包括:
    ①一般采用自顶向下、逐层分解的演绎分析法来定义系统的需求。基本可分为三个基本层次:直观目录,概要图,详细图。
    ②地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复、不管提高的过程,每个循环都是一个生命周期,要严格划分工作阶段,保证阶段任务的完成。
    ③通过分析系统的每个细节、前后顺序和相互关系,找出各部分之间的数据接口。
    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。

  • 原型化的设计方法的基本步骤:①确定用户需求;②开发初始模型;③征求改进意见;④修改完善原型;⑤制定原型完成;

5、【掌握】面向对象技术的相关概念和性质;

  • 面向对象设计方法的基本思想:将系统所面对的问题,应用封装机制,暗器自然属性进行分类,按人们通常的思维方式进行描述,建立每个对象的领域模型和联系,既模拟信息实体的内在结构又模拟动作机制,式设计出的软件尽可能直接地表现出问题求解的过程。整个系统只有对象组成,对象之间的联系通过消息进行。
  • 相关的一些概念解释: ①对象:事物的抽象单位,具有特征的内部状态、性质、知识和处理能力,通过消息传递与其他对象相联系,是构成系统的元素或说是封装了数据和操作集的实体。
    消息:是请求对象执行某一操作或回答某些信息的要求,用以统一数据层和操作控制,将对像联系起来。
    分类:分类是关于同类对象的集合。具有相同属性和操作的对象组合在一起形成类。
    概括:在定义类型时,将几种类型中的某些具有公共特征的属性和操作抽象起来,形成一种更一般的所谓超类,称为概括(或父类)。
    联合:在定义对象时,将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起来,为了避免重复,设立一个从更高层次的对象来表示那些相同的属性值。
    聚集:与联合类似,是将不同特征的对象组合成一个更高层次的对象。
    传播:是作用于联合和聚集的工具,它通过强制性的手段将子对象的属性信息传播给高层次的组合对象。
  • 面向对象技术的性质
    封装性:一个对象既是一个独立存在的事宜,对象有各自的属性和行为,彼此一信息进行通信,对象的属性只能通过自己的行为来改变,实现了数据封装。
    继承性:相关对象在进行合并分类后,有可能出现共享某些性质,低层次的对象继承其高层次对象的特性。
    多态性:不同类中的对象,对系统中发生的同一信息都具有反应能力。

6、【掌握】面向服务的设计关键特性;

面向服务架构(SOA)的关键特性:一种粗粒度、松耦合服务架构,服务之间通过简单、精确定义接口进行通信,不涉及底层编程接口和通信模型。

7、【掌握】地理信息系统设计原则及主要内容;

  • 地理信息系统设计原则
    ①完备性:系统功能齐全、完备。采集、存储、管理、查询、处理、检索、分析、显示、输出等
    ②标准化:有两层含义,一是系统设计符合GIS的基本要求和标准;二是数据类型、编码、图式符号应符合现有的国家标准和行业规范。
    ③系统性:子系统中之间必须有机地结合为一体,各种参数之间可以相互进行传输。
    ④兼容性:数据具有可交换性,与不用的GIS、CAD和各类数据库之间可以相互进行传输;
    ⑤通用性:系统必须能够在不同范围内推广使用,不受区域限制;
    ⑥可靠性:系统运行的安全性,数据精度的可靠性和符号内容的完整性;
    ⑦实用性:系统数据组织灵活,可以满足不同应用分析的需求;
    ⑧可扩充性:采用模块化设计,模块的独立性强,便于对系统改进、扩充,完善。
  • 地理信息系统设计的主要内容:
    系统总体设计: 在对建设系统主、客观条件进行深入调查研究、用户信息需求分析等工作的基础上,确定系统目标和任务,设计出系统的总体设计框架结构,模块子系统,硬件系统组成,软件体系结构,用户界面等。
    ②数据模型设计: 依据系统所涉及专业数据及相关信息的特点等,为系统设计合适表达的数据模型及数据分类体系。
    数据库设计: 设计系统的数据库模型。
    系统功能设计: 要提供对空间数据的采集、管理、分析、建模和显示等功能,同时还需要为用户开发通用功能所不具备的功能。
    应用模型设计: 借助于应用系统的开发,通过软件设计实现对工具型地理信息系统的底层功能调用,为系统设计适合表达数据的、解决专业问题的应用模型和主要的空间分析方法。
    输入输出设计: 基础数据和专业数据的采集和输入,规划加工后的信息产品输出。

8、【掌握】地理信息系统设计过程及各阶段不同角色的分工;

按照开放时间序列可分为几个主要阶段:系统分析、系统设计、系统实施、运行维护与系统评价。
①系统分析: 确定“做什么”,通过对系统用户进行需求调查和可行性分析,最后提出新系统的目标和结构方案。
②系统设计: “回答怎么做”,划分为总体设计和详细设计。
③系统实施: GIS建设付诸实施的实践阶段,按照星系设计方案确定的目标、内容和方法,分阶段、分步骤完成系统开发的过程。
④运行维护与系统评价: 系统运行是系统经过调试和验收之后,交付用户使用;系统维护是微辣保证系统正常工作而采取的一系列措施和实际步骤。
应用型GIS开发阶段段及过程

表1.1 应用型GIS开发阶段及过程

9、【了解】 GIS 开发模式与开发方式;

  • GIS开发模式是采用GIS的原理和方法,基于系统化思想指导的工程化建设过程。
    自行开发模式: 由用户依靠自己的力量独立完成系统的设计与开发。需求明确,开发费用低,易于维护,但对用户要求较高。
    委托开发模式: 由用户委托GIS开发商按照用户的需求完成全部设计、开发任务,而用户只配备精通管理业务的人参与开发。用户比较省事,但开发费用高。
    联合开发模式: 由用户提供精通管理业务、计算机技术、GIS技术的开发人员与有丰富经验的专业开发人员共同完成系统的分析、设计、实施、评价、管理、和维护工作。折中了前两者的优点,但增加了合作协调难度。

  • 目前GIS开发可以分为独立开发、宿主开发和集成开发三种方式。
    ①独立开发: 不依赖于任何GIS工具软件,利用专业程序设计语言开发应用模型,直接访问GIS软件的内部数据结构。
    ②宿主开发: 基于现有的成熟GIS平台进行应用开发,完全借助于GIS工具软件提供的宏语言和专用开发语言进行应用系统系统开发,以原GIS工具软件为开发平台,开发出针对不同应用对象的应用程序。
    ③集成开发: 指利用专业的GIS工具软件,如ArGIS,实现GIS的基本功能,以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具,采用OLE/DDE或GIS控件两种方式,通过ADO与数据库系统连接,进行二者的集成开发。

10、【了解】GIS 模型复用的几种方式。

GIS模型复用的方式: ①源代码方式复用;②函数库方式复用;③独立可执行程序方式复用;④内嵌可执行方式复用;⑤DDE或OLE方式复用:DDE指动态数据交换,OLE指对象连接与嵌入,两者均用于windows 之间的数据传递;⑥模型库方式复用;⑦组件模型复用;


二、GIS系统分析

系统分析是按照系统论的观点,根据GIS用户的要i求,对现有业务流程进行全面的分析与综合,运用科学的方法为系统设计提供依据。

1、【了解】系统分析的要求;

系统分析阶段对系统分析员的要求: ①熟悉用户的业务流程;②与用户建立良好的合作能力;③较好的分析和综合能力;④循序渐进的阶段性工作思路;

2、【掌握】需求调查的内容、需求分类;

  • 需求调查的内容:
    ①用户情况调查: ①用户类型:基层生产管理部门、地学科研人员、地理信息系统科研和教学部门等;②用户范围及其应用期限;③用户的研究领域:为总体设计中的功能设计和应用模型设计提供科学、合理的依据;④用户数量调查:确定系统开发规模;⑤用户基础状况:确定系统的开发环境和开发工具;⑥组织机构;
    ②数据源调查: ①从数据源上,数据分为各类地图、航空影像、卫星图像、文字报告、统计数据等;②从表现形式上,分为字符型数据、数值型数据、日期型数据、图形型数据;③从数学性质上,分为名义型数据、有序性数据、间隔型数据、比例型数据。
    ③数据评价:数据的一般状况评价:数据目前的状态、是否是标准形式、是否可以直接被GIS使用、数据的原始性、可替代性、数据域其他数据的一致性、数据的共享性;②数据的空间特征评价:空间特征的表达方式、空间特征的连续性和闭合性、表示规则的比较、空间数据地理控制信息的比较、空间地理数据的系列性、分类方法的比较和评价、地理参考系统的一致性;③数据属性特征的评价:属性的存在性、属性数据的空间位置匹配、属性数据的编码系统、属性数据的现势性。
  • 需求分类:
    业务需求:业务需求文档反映了组织机构或客户对系统、产品高层次的目的要求,这在项目视图与范围文档中予以说明。
    用户需求:用户需求文档描述了用户使用产品必须要完成的任务,这在使用实例文档或方案脚本中予以说明。
    功能需求:功能需求文档定义了开发人员必须实现的软件功能,使得用户能完成他们的任务,从而满足业务需求。

3、【掌握】需求分析文档的撰写;

  • 需求规格说明书一般包括以下内容:概述、数据描述、性能描述、功能描述、参考文献、目录等。概述从系统角度描述系统实现的目标和任务;性能描述说明系统应达到的性能和应该满足的限制条件、检测方法和标准;功能描述中描述为用户解决问题所需要的没想功能的过程细节。
  • 需求文档还包括需求调查中所需要的表和清单:
    用户情况调查表:包括用户类型、用户范围、研究领域、用户数量、基础状况等内容。
    现有机构的组织机构图及部门功能清单;

    现有机构人员组织清单: 人员名称,所属部门职务、主要职责范围、技术优势、经验层次、目前工资等。
    现有数据及来源清单: 所有数据的来源、格式、目前的完善程度等有关信息。
    现有数据及功能参照表: 各种功能与各种数据之间的关系,帮助分析数据重要性的优先程序。
    ⑥现有软、硬件资源表等;

4、【了解】可行性分析考虑的因素;

可行性分析,从社会因素、技术因素和经济因素三大方面分析,通常要考虑的因素如: ①效益分析;②经费问题;③进度预测;④技术水平;⑤有关部门和用户的支持程度;⑥理论分析。

5、【掌握】数据流程图的基本画法;

  • 数据流程图(DFD)的基本组成:系统的外部实体、处理过程、数据存储和系统中的数据流。
  • ** 画数据流程图的基本原则:**
    ①数据流程图上所有图形符号必须是前面所述的四种基本元素。
    ②数据流程图的主图必须含有前面所述的四种基本元素,缺一不可。
    ③数据流程图上的数据流必须封闭在外部实体之间,外部实体可以是一个,也可以是多个。
    ④处理过程至少有一个输入数据流和一个输出数据流。
    ⑤任何一个数据流子图必须与它的父图上的一个处理过程对应,两者的输入数据流和输出数据流必须一致,即所谓“平衡”。
    ⑥数据流程图上的每个元素都必须有名字。
  • 画数据流程图的基本步骤:
    ①把一个系统看成一个整体功能,明确信息的输入和输出。
    ②找到系统的外部实体。一旦找到外部实体,则系统与外部世界的界面就可以确定下来,系统的数据流的源点和终点也就找到了。
    ③找出外部实体的输入数据流和输出数据流。
    ④在图的边上画出系统的外部实体。
    ⑤从外部实体的输入流(源)出发,按照系统的逻辑需要,逐步画出一系列逻辑处理过程,直至找到外部实体处理所需的输出流,形成数据流的封闭。
    ⑥将系统内部数据处理又分别看做整体功能,其内部又有信息的处理、传递、存储过程。
    ⑦如此一级一级地剖析,直到所有处理步骤都很具体为止。
  • 画数据流程图的注意事项:
    ①关于层次的划分逐层扩展数据流程图,是对上一层图中某些处理框加以分解。随着处理的分解,功能越来越具体,数据存储、数据流越来越多。究竟怎样划分层次,划分到什么程度,没有绝对标准,一般认为展开的层次与管理层次一致,也可以划分得更细,处理块的分解要自然,注意功能完整性,一个处理框经过展开,一般以分解为4个至10个处理框为宜。
    ②检查数据流程图对一个系统的理解,不可能一开始就完美无缺,开始分析一个系统时,尽管我们对问题的理解有不正确、不确切的地方,但还是应该根据我们的理解,用数据流程图表达出来,进行核对,逐步修改,获得较为完美的图纸。
    ③提高数据流程图的易理解性数据流程图是系统分析员调查业务过程,与用户交换思想的工具。因此,数据流程图应简明易懂。这也有利于后面的设计,有利于对系统说明书进行维护。
    (关于数据流程图此详细内容可见软件工程导论)

6、【掌握】数据字典的内容与作用。

数据流程图和数据字典都是系统分析的工具,前者是用来模拟GIS数据处理过程,后者是数据流图中用来严格定义要素的工具。

  • 数据字典定义:是各类数据描述的集合。对于数据库设计来说,数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果。数据字典的内容包括数据元素、数据结构、数据流、数据存储和数据处理5个部分。
  • 数据字典的作用
    ①在系统分析阶段,数据字典用来定义数据流程图中各个成分的属性和含义;
    ②在设计阶段,数据字典提供了一套工具以维护对系统设计说明的控制,保证设计人员在早期阶段所确定的需求与实现阶段一致;
    ③在实现阶段,提供元数据描述的生成能力;
    ④在调试阶段,辅助产生测试数据,提供数据检查的能力;
    ⑤在运行和维护阶段,可帮助数据库的重新组织和重新构造;
    ⑥在使用阶段,可以作为“用户手册”。

三、GIS总体设计

1、【了解】总体设计原则和主要内容;

  • 系统总体设计遵循的基本原则
    ①完备性;②标准化;③系统性;④兼容性;⑤通用性;⑥可靠性;⑦实用性;⑧可扩充性;
  • 系统总体设计的主要内容
    ①体系结构的设计;②总体模块的设计;③软硬件的配置;④应用模型设计;⑤地理编码设计;⑥用户界面设计。

2、【掌握】 GIS 体系架构的不同发展阶段;

GIS体系架构发展的三个阶段: ①第一阶段是面向过程的架构技术,即POA技术阶段;②第二个阶段是面向系统的架构阶段,即EOA技术阶段,称为计划经济阶段;③第三个阶段是面向服务的SOA技术,称市场经济阶段。

3、【掌握】C/S 结构与 B/S 结构的差异及各自优缺点;

  • 面向系统的体系架构在具体实施时分为:Client/Server结构(客户-服务器,简写C/S)和Browser/Server(浏览器-服务器,简写B/S)
  • C/S结构
    ①数据集中,脱离了数据的生产,维护和应用部门具有地理分布的现实,不利于数据的及时更新和维护;
    ②所有客户连接到一台服务器上,极容易形成网络阻塞和服务器事物阻塞,性能不稳定;
    ③只能在局域网内,不用适应Internet环境,不具备基于Web的集成能力。
  • B/S、C/S混合结构
    ①面向系统的设计思想,只解决了远程用户的应用问题,但没有解决数据集中更新、维护困难的问题;集中处理对硬件要求高,对系统处理和管理能力要求强。一系统为核心,数据移动网络负担重。
    ②不能实现广域网上的分布式处理,系统之间信息不通,不能共享。
    ③一系统为中心,不同系统、软件之间壁垒分明,难以实现共享。
    ④以图层为基础的处理模式,大范围跨图幅处理能力弱。
    ⑤基本上是二维的空间数据组织和管理,限制了动态分析决策。
    ⑥静态、单时相的空间数据组织和管理,限制了动态分析决策。
    ⑦空间数据尺度割裂,单一比例尺数据处理。
    ⑧组件化程序设计技术对程序员要求较高,不利于开发。

4、【掌握】面向服务的体系结构;

  • **面向服务的体系架构SOA:**是一个组件模型、将应用程序的不同功能单元通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口的定义是采用中立的方式,独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。
    SOA体系结构元素

图3.1 SOA体系结构元素

  • 体系结构堆栈分为功能性方面和服务质量方面。
    (1)功能性方面:①传输,是一种机制,用于将来自于服务使用者的请求传送给服务提供者,并且将服务提供者的响应传送给服务使用者;②服务通信协议,也是一种经过协商的机制,服务提供者和服务使用者可以就将要请求的内容和将要返回的内容进行沟通;③服务描述是经过协商的模式,用于描述服务是什么,应该如何调用服务以及成功地调用服务需要什么数据;④服务是实际可提供的服务;⑤业务流程是一个服务的合集,可以按照特定的顺序并使用特定的规则进行调用以满足业务要求;⑥服务注册中心是一个服务和数据描述的存储库。
    (2)服务质量方面:①策略是一组条件和规则;②安全性是规则集,可以应用于调用服务的服务使用者的身份验证、授权和访问控制;③传输是属性集,可以应用于一组服务,以提供一致的结果;④管理是属性集,可以应用于管理提供的服务或使用的服务。
    (3)SOA的运行机制:协作遵循“查找、绑定和调用”的范例,服务使用者执行动态服务定位,方法是查询服务注册中心来查找与其标准匹配的服务。如果服务存在,注册中心就会给使用者提供接口契约和服务的端点地址。
    图3.3面向服务的体系结构中的协作

    图3.2 面向服务的体系结构中的协作

  • SOA架构的优点: 是一种悬浮倒挂式平台架构,这是一种松耦合的,面向服务的体系架构,在这种体系架构下开发的系统了牢固可靠,同时也是绝对可以做到数据,功能共享。它的优点如下:①编码灵活性;②明确开发人员角色;③支持多种类型的客户;④更易于结成和管理;⑤更易维护;⑥更好的伸缩性;⑦降低风险;⑧更高的可用性。

5、【掌握】总体模块设计原则;

①把系统划分为一些模块,且其中每个模块的功能简单明确,内容简明易懂,任务清楚明确,以便于修改;
②每个模块都应比较小,每项任务限制在尽可能少的模块中完成,最好泡是一个模块来完成,这样就可以避免修改时遗漏应修改的地方;
③系统分成模块的工作按层次进行;
④每个模块应尽可能独立,尽可能减少模块之间的联系及相互影响;
⑤模块间的关系需阐明,一遍再修改时可以追踪和控制;
⑥模块所包含的各个过程之间的内在联系应尽可能的强;
⑦模块的划分便于总的系统设计阶段实现。

6、【掌握】GIS 软件系统体系结构;

  • GIS软件系统结构图: ①操作系统;②开发工具软件;③数据库管理系统;④GIS基本功能软件(系统软件);⑤GIS应用软件;⑥其他图形图像处理软件;
    GIS软件系统体系结构图

图3.3 GIS软件系统体系结构图

7、【了解】应用模型的特点、作用及分类;

  • GIS应用模型的特点: ①空间性;②动态性;③多元性;④复杂性;⑤综合性;
  • GIS应用模型的作用: ①是联系GIS应用系统和常规专业研究的纽带;②综合利用GIS应用系统中大量数据的工具;③是GIS应用系统解决各种实际问题的武器;④GIS应用系统向更高水平发展的基础;⑤有利于信息交流;⑥⑦⑧⑨
  • GIS应用模型的分类
    ① 按应用模型分类分为数学(理论)模型、统计(经验)模型和概念(逻辑)模型。
    ②按应用模型空间特性分类分为非空间模型和空间模型。
    ③按应用模型开发特点分类分为系统提供模型和二次开发模型两类。
    ④按照应用模型内容及所解决的问题分类,分为基础模型和专业模型。
    ⑤按模型空间过程模拟方法分类分为动力学过程模拟模型和随机过程模拟模型两种类型。

8、【了解】地理编码的作用、原则、步骤;

  • 地理编码: 是指在地理数据分类的基础上,以易于计算机和人识别的代码来唯一地标识地理实体的类型,这种代码通常是用来表征客观事物的一个或一组有序的符号。
  • 地理编码的作用:①鉴别功能;②分类;③排序;④专用含义;
  • 地理编码的原则:①唯一性;②合理性;③可扩充性;④简单性;⑤适用性;⑥规范性;⑦系统性;
  • 地理编码的步骤:①确定编码对象;②考查是否已有标准编码;③根据编码的使用范围、使用时间,根据实际情况选择编码的种类与类型;④考虑检错功能;⑤编写编码表;

9、【了解】用户界面设计的考虑因素。

  • 用户界面设计评价考虑的因素:①用户对界面的满意程度;②用户界面的标准化程度;③用户界面的适应性和协调性;④用户界面的应用条件;⑤用户界面的性价比;
  • 简单来说,一个好的界面至少具备以下特征: ①操作简单、易学、易掌握;②界面美观,操作舒适;③快速反应,响应合理;④用语通俗,语义一致。

四、GIS功能设计

1、【了解】 GIS 系统功能设计原则;

①功能结构的合理性:即系统功能模块的划分要以系统论的设计思想为指导,合理的进行集成和区分,功能特点清楚、逻辑清晰、设计合理;
②功能结构的完备性:根据系统应用目的和要求,功能齐全,适应各种应用目的和范围;
③系统各功能的独立性:各功能模块应相互独立,各自具备一套完整的处理功能,且功能相对独立,重复度最小;
④功能模块的可靠性:模块的稳定性好,操作可靠,数据处理方法科学、实用;
⑤功能模块操作的简便性:各自功能模块应操作方便、简单明了,易于掌握。

2、【掌握】 GIS 主要功能模块划分及其作用;

  • GIS中以数据为中心,按照数据的处理流程,可以将GIS的功能那个划分为数据输入数据管理数据处理空间分析数据输出等功能模块。
    ①数据输入模块:是将表征空间位置的图形数和描述它的对象特征的属性数据,通过数字化仪或扫描仪等输入设备输入到计算机中,建立相关的地理数据库;
    ②数据库管理模块:是GIS中最重要的一部分,提供存储、编辑、检索、查询、运算、显示、更新空间数据的能力。
    ③数据处理模块:对图形数据和属性数据的增加、删除、修改等基本操作。
    ④空间分析模块:根据用户的需求对地理空间信息进行统计分析、综合分析、拓扑叠加分析、网络分析、缓冲区分析,或运用各种数据分析模型,进行动态数学模拟、评价和预测。
    ⑤数据输出模块:GIS输出的结果应有很强的可视性,根据用途和目的,输出统计报表,屏幕显示,绘图机,胶片影像等。
    GIS主要功能模块

图4.1 GIS主要功能模块及其作用

3、【掌握】图形数据库的功能设计和属性数据库的功能设计差异;

空间数据库是由图形数据库和属性数据库组成,图形数据库中存放和管理着各种空间数据,属性数据库存放和管理着非空间数据。

  • 图形数据库的功能设计
    ①图形输入:通过手扶跟踪数字化输入和扫描输入两种方式完成点、线、面(多边形)的输入。
    ②图形转换:坐标配准和图形格式转化
    ③图形操作:指对图形的运算,包括图形的开窗、缩放,漫游、旋转、叠加和拼接等。
    ④图形编辑:图形整饰,包括设计符号和建立符号库,且由于自动生成各种符号的工具;图形修改,包括增删、连接、断开、移动和图形复制功能等;建立拓扑关系,包括建立图形各要素之间的拓扑关系。
    ⑤图形计算:对图形完成一些长度、周长、边长、点到线的距离、面积的量算及其他操作,如空间与属性的条件查询。
    ⑥图像处理:利用遥感技术更新数据库的内容,图像处理包括以下方面:遥感数据输入,画面显示、操作、坐标量测、色调变更等,几何校正,图像增强,特征提取,栅格数据矢量化处理,地面定位,输出功能等。
    ⑦空间分析:指图形、属性之间的查询,实现由图形查属性或者属性查图形的功能。空间分析包括以下功能:叠置分析,缓冲区分析,空间集合分析,网络分析,数字地形模型(DTM),地形分析等。
    ⑧图形输出:就是将系统处理的结果按照用户要求各种输出。比如添加符号、颜色、注记、图例等;具备与多种输出设备的类别和型号兼容的接口软件和绘图指令;能够像用户提供矢量图、栅格图、全要素图和各种专题图等。
    图形数据库子管理系统结构功能图

图4.2 图形数据库管理系统结构功能图

  • 属性数据库的功能设计
    ①数据库结构操作:包括建立新库,修改库结构,复制库结构等;
    ②属性数据输入:属性数据输入、属性数据修改、属性数据追加等
    ③数据库操作:双库拼接、文本文件转换、数据库排序、显示库信息、向用户提供自定义数据结构的功能、具有对数据结构的增删查改功能。
    ④属性数据查询统计:利用结构化查询语言提供多种方式的书记库查询:属性数据逻辑查询、属性空间查询、条件统计输出。
    ⑤输出方式:主要有格式报表输出、表格输出、饼图、直方图、折线图、立体直方图、立体饼图等。

属性数据库管理子系统

图4.3 属性数据库管理子系统

4、【掌握】图形符号库管理功能设计的内容;

  • 图形符号库管理的功能设计包括:增加新的图形符号、修改已存在的图形符号、删除已存在的图形符号、图形符号的换位、修改符号颜更新图形符号库的内容。

5、【了解】常见的数据输入方法和方式;

  • 数据输入的方法有:①GPS方法;②数字测图;③摄影测量方法;④测量数据;⑤影像处理和信息提取;⑥数据通信;⑦⑧⑨
  • 数据输入的方式有:①属性数据输入;②数字化仪输入;③扫描仪输入;④航拍资料输入;⑤卫片资料输入;⑥野外全站仪输入;⑦三维激光扫描仪数;⑧机载激光扫描仪;⑨ 三维立体扫描仪;

6、【了解】数据输出的内容和形式。

  • 设计输出信息的内容包括:信息形式、输出项目及数据结构、数据类型、位数及取值范围、数据的生成途径、精度、完整性及一致性的考虑等

  • 数据输出的形式包括:①显示器输出;②地形图输出;③胶片输出;④统计表格输出;⑤专题图件输出;⑥文件格式转换;⑦指定数据形式;⑧萨三维电子沙盘输出;⑨ 三维数字成像系统;机载数字成像系统;


五、GIS数据库设计

1、【掌握】 GIS 数据库设计原则与设计过程 5 个阶段;

  • GIS数据库设计遵循的原则: ①组织有序、层次分明;②最小冗余度原则;③具有足够的数据吞吐量;④数据独立性原则;⑤标准化、规范化原则;⑥可扩展原则;⑦系统可靠性、安全性与完整性原则;
  • GIS数据库设计过程的五个阶段:①需求分析;②概念分析;③逻辑分析;④物理设计;⑤数据库实施;

2、【掌握】 E-R 图的组成与绘制方法;

  • E-R图的三要素:实体、实体的属性、实体之间的联系。
  • E-R图的绘制方法:矩形表示实体;椭圆表示属性;双椭圆表示多重属性;菱形表示联系,联系基数(1:1,1:M,N:M)标注在菱形边;直线连接实体与属性,实体与实体间的联系等。

3、【掌握】逻辑模型设计的目的与要求;

  • 逻辑模型设计的目的:要规划出整个数据库的框架,回答数据库能够做什么的问题。
  • 逻辑模型设计的要求:
    ①在共享数据方面:降低使用成本,处理速度快,吞吐量大,响应时间短,可维护性强,存储量大等;
    ②在数据质量方面:要防止数据冗余,保持数据内容和格式的一致;
    ③要能最大限度地发挥系统的功能,支持多用户视图,有利于扩展用户应用开发地领域、保持数据检索、分析和生成的灵活性;
    ④维护数据的独立性;

4、【掌握】 E-R 模型向关系模型转换的原则;

①E-R模型中的每类实体转化为一个关系模式,实体属性构成关系模式的属性,实体的关键字用作关系模式的主关键字。
②E-R模型中的N:M联系转化为一个关系模式。
③一个1:M的联系可以转换为一个独立的关系模式,也可以与M端对应的关系模式合并。
④一个1:1的联系可以转换为一个独立的关系模式,也可以与任意一端对应的关系模式合并。
⑤三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式。
⑥同一实体集的各实体间的联系,即自联系,也可以按照上述情况分别处理。
⑦具有相同码的关系模式可以合并;
⑧E-R模型中的多值属性转换为一个关系模式,该关系模式的属性由相应实体的关键字和多值属性组成。

5、【掌握】栅格数据与矢量数据的差异;

  • 栅格结构数据冗余量大、精度低,但大多数图形、图像操作容易实现,而且便于屏幕显示和打印机制图。
  • 矢量结构数据可直接由跟踪式数字化专题地图得到,数据冗余低,量算与制图精度高,有些图形运算特别适用于矢量结构数据。

6、【了解】数据库物理结构设计考虑因素;

①确定数据的存储空间:
②决定数据的物理表示:
③设计数据的存取路径:
④确定数据的存放位置:
⑤选择数据的存储结构:
⑥确定系统的配置:

7、【了解】常见的几种空间数据组织方法及其特点;

  • 纵向分层组织
  • 横向分块组织
  • 分层分块索引

8、【了解】几种常见的空间数据管理模式及其特点;

  • 文件与关系数据库混合管理系统
  • 关系型空间数据库管理系统
  • 对象关系数据库管理系统
  • 面向对象空间数据库管理系统
  • 面向对象的全关系型数据库管理系统

9、【掌握】地理数据库中栅格数据的两种组织形式;

  • 地理数据库中有两种组织形式供选择:栅格目录和栅格数据集。
  • 栅格目录用于管理有相同空间参照系的多幅栅格数据,各栅格数据在物理上独立存储,易于更新,常用于更新周期快、数据量较大的影像数据;
  • 栅格数据集用于管理具有相同空间参考的一幅或多幅镶嵌而成的栅格影响数据,适合管理DEM等空间连续分布、频繁用于分析的栅格数据类型。

10、【掌握】栅格数据的存储结构与多级索引机制。

  • 栅格数据集的物理存储采用“金字塔层—波段—数据分块”的多级索引机制进行组织:金字塔层-波段索引表现为栅格数据在垂直方向上多尺度、多波段的组织形式,金字塔层-数据分层索引表现为栅格数据在水平方向上的多分辨率、分块存储的组织形式。
    ①金字塔层:金字塔层管理具有相同空间分辨率的一层栅格数据。
    ②波段:波段管理相同金字塔层内不同波段的相关统计和注释信息。
    ③数据分块:对相同金字塔层、相同波段内的数据按照一定分块大小进行分块存储。

六、GIS实施与维护

1、【掌握】系统实施的任务;

①硬件准备:计算机、输入/输出设备、存储设备、辅助设备、通信设备等;
②软件准备:操作系统、数据库管理系统、编译系统以及应用程序;
③人员培训:主管人员与业务人员的培训;
④数据准备与数据库的建立:数据的收集、整理、录入;
⑤系统安装与调试:软件的安装与调试、系统软硬件的综合调试。

2、【掌握】程序编写工作实施内容;

①程序语言的选择:
②公认良好的编程风格:
③编程需顾及的其他因素:
④程序编写的格式:
⑤统一格式编写的代码文档:

3、【了解】数据预处理的主要内容;

主要内容包括: ①现势更新;②专题地图转绘;③图面处理;④统计报表整理;⑤数据转换;⑥制作预处理图。

4、【了解】空间数据的几种获取途径;

①利用扫描数字化地图进行空间数据自动或半自动采集;②利用遥感影像提取空间数据来建立数据库;③利用卫星定位系统和测量仪器进行外业数据采集;④利用空间数据编辑处理功能以人机交互方式采集空间数据,同时录入必要的属性数据。

5、【掌握】空间数据编辑处理内容;

①数据检查和编辑:分幅数字化完成后,对完成的图幅进行检查,及时编辑改正图形要素和主机发现的错误。
②误差校正:
③投影变换;
④拓扑关系生成:矢量化后的各图层,可以利用GIS软件提供的功能建立拓扑关系,在建拓扑关系式会发现数据错误,这时要进行编辑、修改、再重新建立拓扑关系。
⑤图幅拼接:保证图面数据的连续性。
⑥图面整饰。

6、【掌握】空间数据库建库流程;

①图像资料的收集;
②图像资料的预处理;
③图形数字化成矢量数据;
④建立拓扑关系;
⑤建立属性数据库;
⑥矢量图形数据与属性数据连接;
⑦投影转换;
⑧图幅拼接;
⑨图面整饰;

7、【了解】程序调试步骤;

①选取足够的测试数据对程序进行试验,记录发生的错误;
②定位程序中的错误位置,即确定是哪个模块内部发生了错误或模块间调用的错误;
③通过研究程序源代码,找出故障原因并改正错误。

8、【了解】系统维护的内容;

系统维护包括以下几个方面:①程序的维护;②数据文件的维护;③代码的维护;④机器、设备的维护。

9、【了解】系统维护的类型;

根据应用型地理信息需要维护的原因不同,系统维护工作可以分为如下四类:改正性维护、适应性维护、完善性维护、预防性维护。
①改正性维护:
②适应性维护:
③完善性维护:
④预防性维护:

10、【了解】影响系统维护工作量的因素。

①系统的规模大小;②程序设计语言;③系统年龄;④数据库技术的应用;⑤先进的软件开发技术;⑥其他一些因素如应用的类型、数学模型、任务的难度、开关与标记等。


七、GIS测试与评价

1、【掌握】 GIS 软件测试的定义;

GIS软件测试是使用人工或自动手段来运行和测定GIS软件的过程,其目的在于检验系统是否满足客户需求或是弄清实际效果与预期结果之间的差别。

2、【了解】 GIS 软件错误的根源;

①缺乏有效的沟通,或者没有进行沟通;②软件的复杂度;③编程错误;④不断变更的需求;⑤时间的压力;⑥缺乏文档的代码;⑦软件开发工具可能导致产品存在缺陷;

3、【掌握】 GIS 软件测试的目的和原则;

  • 软件测试的目的:①是为了发现错误而执行程序的过程;②一个好的测试用例能够发现至今尚未发现的错误;③一个成功的测试是发现了至今尚未发现的错误;
  • GIS软件测试的原则:①所有的测试都应追溯到GIS用户的需求;②在需求分析阶段就应该编制测试计划;③充分注意到测试中的群集现象;⑤应从小规模开始,逐步转向大规模;⑥测试之前应当根据测试的要求选择在测试过程中使用的测试用例;⑦牢记穷举测试是不可能的;⑧应该由独立的第三方进行测试;⑨严格执行测试计划,排除测试的随意性。

4、【了解】GIS 软件缺陷放大;

GIS软件缺陷放大: 在软件生存周期的每个阶段都不可避免地会产生差错,并且前一个阶段的故障自然会导致后一阶段相应的故障,从而导致故障积累。前一个阶段的一个故障可能会造成后一个阶段中出现几个故障,所以软件故障不仅有积累效应,还有放大效应。

5、【掌握】 GIS 软件测试的过程及内容;

软件测试过程是与开发过程相反顺序的自底向上、逐步集成的过程。软件测试的四个步骤:单元测试、集成测试、确认测试和系统测试。
①单元测试:对源程序中没以恶个程序单元进行测试,检查各个模块是否正确实现规定的性能,从而发现模块在编程中或算法中的错误,以消除模块内部在逻辑和功能上的故障和缺陷。
②集成测试:指在单元测试的基础上,将以测试过的所有模块按照设计要求组装成一个整体的软件系统后而进行的测试,故也称组装测试或联合测试。
③确认测试:又称有效性测试,实在GIS软件开发过程中或结束时确认评估系统会或组成部分的过程,目的是判断该系统是否满足规定的要求。
④系统测试:测试各个部分是否能在实际环境下协调工作,已验证软件系统的正确性和性能指标等是否满足需求规格书和任务书所指定的内容。
软件测试的过程

图7.1 软件测试的过程

6、【掌握】白盒测试和黑盒测试的主要方法与技术;

  • 白盒测试:已知产品的内部工作过程,可以通过测试来检验每种内部操作是否都符合要求。是一种基于程序的结构测试。
    白盒测试的方法:控制流分析、数据流分析、逻辑覆盖、域测试、符号测试、路径分析、程序插桩、程序变异等。
    白盒测试的技术:单元测试、动态分析、指令覆盖、分支覆盖、安全测试、突变测试。
  • 黑盒测试:已知产品具有的功能,可以通过测试来检验是否每个功能都能符合规定的要求。是一种基于规范的功能测试。
    黑盒测试的方法:穷举输入测试、等价类划分、边界值分析、故障推测法等。
    黑盒测试的技术:功能测试、压力测试、负载测试、易用性测试、烟雾测试、恢复测试、容量测试。

7、【了解】常见的 GIS 软件测试技术;

GIS中软件测试技术分为两大类:静态测试和动态测试。动态测试方法根据测试用例的设计方法不同,分为黑盒测试和白盒测试。

8、【了解】GIS 软件测试的主要工具;

根据软件测试工具用途的不同,可以分为白盒测试工具、功能测试工具、负载压力测试工具和测试管理工具等4类。

9、【掌握】 GIS 软件功能评价内容;

  • 软件功能评价分为五个部分:用户界面、数据库管理系统、数据库建立、数据处理和分析、数据输出。
    系统软件功能评价图

图7.2 GIS软件功能评价的方面

10、【掌握】 GIS 软件系统总体功能评价内容。

  • 总体功能评价从技术和经济两大分娩进行评定,分为以下几个方面:系统效率、可靠性、可扩展性、可移植性、系统效益、功能性、可操作性、维护性等。
    GIS 总体功能评价

图7.3 GIS总体功能评价的方面


八、GIS项目质量管理

1、【掌握】 GIS 项目申请书的大致内容;

项目申请书的大致内容如下:
①立项依据:项目建设的意义,国内外研究现状及发展趋势。
②需求分析和可行性研究:可行性研究是管理决策的主要依据。
③项目实施方案:项目建设的目标、内容、拟解决的关键问题、研究方法和技术路线。
④项目组织形式:人员组成、职称比例、技术力量等。
⑤研究进度:时间安排、任务进度、阶段成果。
⑥基本条件:软硬件条件、资源条件、工作积累、外部条件。
⑦经费预算:业务费、材料费、设备费、协作费、管理费;
⑧效益评价:经济小于与社会效益。

2、【掌握】 GIS 项目管理的主要范畴;

项目管理是对系统研究与开发进行的计划、调度、协调、组织、控制及决策的过程。其主要范畴包括:①项目经费预算与落实;②组织项目队伍;③项目技术路线控制;④项目进度管理;⑤项目质量管理;⑥人、物、资金管理;⑦项目最终收尾和评价;

3、【了解】 GIS 项目估算的内容;

项目估算的内容包括:人力估算、时间估算、资源估算、开发成本估算等四个方面。

4、【了解】 GIS 项目进度安排考虑因素;

①确定系统的验收与交付日期;②进度计划策略;③如何定义和识别GIS各项任务;④GIS项目管理人员如何掌握每一任务的结束时间,如何识别和监控关键路径以及如何确定任务的并行性,以确保项目顺利进行;⑤如何度量进度和质量,即对质量把关程度如何;⑥非技术因素的影响,如风险因素等。

5、【掌握】几种 GIS 项目进度安排表的编制方法;

  • GIS项目进度安排表的编制方法:①甘特图法;②里程碑表示法;③直方图法;④关键路径法;⑤计划评审技术;⑥墙纸法。

6、【了解】GIS 软件开发过程的质量保证工作;

①确保获得完整正确的需求;
②在开发的每一个阶段,要调整一下,以便进行充分审查并确保各个子系统工作与整个系统相协调;
③统一且完整的开发规范和标准;
④注重安装调试的问题;
⑤注意交付后的审计问题。

7、【掌握】 ISO9000 质量体系内容;

①质量管理和质量保证标准——选择和使用的导则。
②质量体系——设计/开发、生产、安装和服务中的质量保证模式。
③质量体系——生产和安装中的质量保证模式。
④质量体系——最终检验和测试中的质量保证模式。
⑤质量管理和质量体系要素——导则。

8、【了解】 CMM 和 ISO9000 的异同。

  • ISO09001标准只是质量管理体系的最低可接受准则,认证合格的企业至少能满足CMM第2级的大部分要求以及第3级的一部分要求。
  • CMM是专门针对软件开发企业设计的,因此在针对性上比ISO9001要好,但CMM强调的是软件开发过程的管理,对于“系统集成”没有考虑,所以应注意补充“系统集成”方面的内容。

九、GIS标准化

1、【掌握】 GIS 标准化的作用;

GIS标准化的直接作用:保障GIS技术及其应用的规范化发展,指导GIS相关的实践活动,拓展GIS的应用领域,从而实现GIS的社会及经济价值。

2、【掌握】制定 GIS 标准体系的目的和意义;

①描绘出标准化工作的整体框架;②指导标准制、修订计划的编制;③系统地了解国际、国内标准,采用国际先进标准提供准确、全面的信息。

3、【了解】编制 GIS 标准体系遵循的原则;

①科学性;②系统性;③全面性;④兼容性;⑤可扩性。

4、【掌握】 GIS 标准的主要内容;

①硬件设备的标准;②软件方面的标准;③数据和格式的标准;④数据集标准;
地理信息标准化的主要内容

图9.1 GIS标准化的主要内容

5、【了解】国外的几种 GIS 标准化体系和代表性组织;

①ISO/TC211;②OGC;③CEN/TC 287;④FGDC;⑤ANSI;

6、【了解】国家地理信息标准体系框架。

国家地理信息标准化体系框架图

图9.2 国家地理信息标准化体系框架图


十、GIS开发模式

1、【掌握】插件式开发主要思想;

主要思想:将扩展功能以插件的形式通过平台统一地管理起来,在平台内部提供平台和插件之间以及不同插件之间完备的消息机制(包括系统消息并发、框架内部自定义消息),对不同扩展功能进行分类并定义标准接口,从而把不同的功能插件有机地集成到一起来有效地协同工作。

2、【掌握】搭建式开发平台框架思想;

是一个基于SOA的轻量级应用程序框架,他是统一负责业务逻辑处理的开发框架,相当于.NET分层结构中的服务层和领域层的功能结合。它的目的是是应用服务组件的开发玩全面性Service,对于特定的业务需求,可以按照面向服务的理念将其分解成互相独立且较小的Service逻辑,然后在搭建平台框架上对这些较小的Service进行开发。

3、【了解】搭建式平台的特点。

①使用简便、培养周期短、生产率高;②提供良好的业务敏捷性;③可复用性高;④维护、部署、移植方便。


十一、应用型GIS设计实例

1、【掌握】应用型 GIS 框架图的绘制;

2、【掌握】应用型 GIS 功能模块图的绘制。


参考文献:

  1. 吴信才 等编著. 地理信息系统设计与实现(第三版). 北京:电子工业出版社,2015.4.
  2. 陈正江,张兴国 等编著. 地理信息系统设计与开发(2版). 北京:科学出版社,2012.6.
  3. 吴信才 等编著.地理信息系统原理与方法(第三版).北京:电子工业出版社,2014.6.
  4. 胡鹏,黄杏元,华一新编著.地理信息系统教程(第一版).武汉:武汉大学出版社,2002.2.

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