88 第八章 地理信息系统设计与标准化
第一节 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：
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《GIS原理》作业
章节 第二章
空间数据模型
姓 名
学 号
班 级 《GIS原理》作业 学号： 姓名：
1 《GIS原理》作业
1、空间数据结构在三层次地理空间认知中的作用和意义？
答： 地理空间认知包括空间特征感知，空间对象认知和空间格局认知三个层次。空间数据结构介于逻辑数据模型和物理数据模型中间媒介位置。空间数据结构能有效的对逻辑数据模型描述的数据进行合理的组织，将逻辑关系和数据转化为物理的数据，实现了将现实世界的空间关系向计算机系统智能化转化
2、根据GIS数据组织和处理方式，空间数据的概念模型有为哪三类？如何进行选择？
答： 空间数据的概念模型有要素（对象）模型、网络模型、场（域）模型。
模型的选择：
（1）基于要素模型强调了离散的对象。一般认为，要素模型特别适用于描述地理空间中各种独立存在的地理特征，适合于那些具有完整边界的地理目标，如：建筑物、街区、道路、行政区划等人文现象、或者湖泊、河流、植被景观等自然现象。
（2）根据应用不同场模型可以表现为二维或三维，用于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象。如：空气污染物在空间中本质上讲是三维的，但是许多情况下可以由一个二维场来表示。
（3）网络模型表示了特殊对象之间的交互。基于网络的地理认知模型与基于对象的地理认知模型有相似之处，都是描述不连续的地理目标。如道路、地下管线、通讯线路、自然界的物质流、能量流等。网络模型可以看成基于点对象和线对象《GIS原理》作业 学号： 姓名：
2 及其拓扑关系的集合描述。 《GIS原理》作业 学号： 姓名：
3 3、什么是空间关系？空间关系主要包括哪些？在GIS中引入空间关系有何意义？
GIS理论基础及在地理学科中的作用
1. GIS的概念及组成
GIS即地理信息系统（Geographic Information System），是一种特定的十分重要的空间信息系统，它是在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、模拟、分析。显示和描述的技术系统[1,2]。
从应用的角度，地理信息系统由硬件、软件、数据、人员和方法五部分组成。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境；数据是GIS的重要内容；方法为GIS建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其它几个组成部分。
2．GIS 的基本原理
2.1 GIS 中的信息存储方式
一幅地图包含的最基本的信息有两种: 空间信息(spatial information) 和描述性信息(descriptive information)。前者反映了地理特征(geographic features) 的位置和形状及特征间的空间关系, 后者则反映了这些地理特征的一些非空间属性[2]。在地图上, 一定的地图对象的地理特征及其非空间特性往往是用特定的符号同时反映出来的。数字地图是计算机地理信息系统存储的地图，它包含两种类型的信息: 空间信息和描述性信息。它们都是以一系列的数据库文件的形式存储于计算机中[3]。
数据库的概念是GIS 的中心概念, 也是GIS 与那些绘图系统或仅能产生好的图形输出的地图制作系统的主要区别。流行的GIS 软件都结合了数据库管理系统[2]。
2.2 数字地图的显示与输出
GIS 并不以图形或图像文件的形式保存地图, 而是存储着地图元件的空间信息数据库和描述性信息数据库。在显示数字地图时, GIS 能实时地访问空间信息数据库并读取其中的数据进行分析处理, 然后在计算机屏幕上显示出相应的图形。在输出方面, GIS 提供了多种地图版式(layout) 让用户选择。
GIS的地学基础
前言
地球表面是一个起伏不平，十分不规则的表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。固体地球表面的形态，是多种成分的内、外地貌营力在漫长的地质时代里综合作用的结果，非常复杂，难以用一个简洁的数学表达式描述出来，所以不适合于数字建模；它在诸如长度、面积、体积等几何测量中都面临着十分复杂的困难。因此GIS应运而生。
GIS的一般原理
地球模型由水准面、铅垂线、地球表面、大地水准面、地球椭球体组成。 静止的水面称为水准面，水准面是受地球表面重力场影响而形成的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。设想一个与静止的平均海水面重合并延伸到大陆内部的包围整个地球的封闭的重力位水准面。铅垂面是任何物体如铅垂一样的与地成正垂直，就是铅垂方向，与水平面成正交的面。地球自然表面极不规则，无法用数学表面进行描诉，因此水准面所包围的球体的不规则性，动态性，不唯一性，从而大地水准面所包围的球体的不规则性，相对唯一性，旋转椭球体是标准数学曲面。
坐标参考系统有地理空间坐标系。 地理坐标系是以地理极为极点。坐标有地理坐标和直角坐标系统。地理坐标用经度和纬度表达地理对象位置；直角坐标系统用（x,y）表达地理对象位置。
地面投影建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标与平面上对应点的平面坐标之间的函数关系。 地图投影的变形分类包括等角投影，等面积投影以及任意投影。投影面包括横圆柱投影，圆锥投影以及方位投影。平面位置有正轴投影，斜轴投影以及横轴投影。地图投影选择因素有制图区域的地理位置，形状和范围，制图比例尺，地图内容以及出版方式。 GIS以地图方式显示地理信息，地图是平面，而地理信息则是在地球椭球体上，GIS数据库中地理数据以地理坐标存蓄时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标：而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。在GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。
