GIS基础讲稿第8章

第八章地理信息系统的设计与评价地理信息系统的设计是采用工程的概念、原理、技术和方法，针对特定的实际应用目的和要求来开发与维护地理信息系统的基础软件与应用系统的步骤和过程。

地理信息系统设计的主要内容是确定系统目标、进行系统分析、系统设计和维护、评价等工作。

建立地理信息系统的工作流程分以下4个阶段：⑪前期准备：确定系统目标、可行性分析、用户需求分析；⑫系统设计：总体设计、系统详细设计、数据库设计；⑬系统实现：软件编码、模块组装测试、诊断；⑭系统维护：系统交付使用和更新，进行正确性、适应性、完善性、预防性维护。

8.1 系统设计的前期准备地理信息系统设计的前期准备指确定系统目标、可行性研究与需求分析。

8.1.1确定系统目标确定系统目标指的是：提出要建立一个什么样的GIS，要干什么？要解决什么问题？投资多少？买什么样的硬件与软件，多长时间完成。

确定系统目标的关键问题是“要解决什么问题”？这是由用户提出，设计人员实施的问题。

但这常常是被轻视或忽略的问题。

在这个过程中，系统分析员要提出关于问题的性质、工程目标和投资规模（包括硬件、软件、数据和人力资源的投资）及用户已有的硬、软件环境的书面报告。

通过对系统使用部门的负责人员与管理使用人员（用户）进行访问调查，扼要地写出对问题的理解，并与用户认真讨论写好的书面报告，改正理解不正确的地方，最后确定出系统目标。

确定系统目标时通常遵循以下原则：⑪针对性：指对具体的专业要有具体的设计目标及对数据获取的目标，如是否利用航空遥感数据和全球定位系统等。

⑫阶段性：指对规划和设计要有分期实施的交付成果的计划。

⑬实用性：指系统能充分发挥经济效益和社会效益。

⑭预见性：指能适应信息技术的快速发展，在系统功能设计时要留有发展余地和良好的接口，系统可扩展。

⑮先进性：指要考虑到硬件（服务器与外设）、操作系统升级、更新与先进技术出现时系统的适应性。

8.1.2 可行性研究可行性研究是“根据系统目标确定出切实可行的方案”。

是在较抽象的高层次上进行分析和设计的过程。

具体指：进行应用目标的可行性分析，经济、效益、技术、时间上的可行性分析，风险性地理信息系统基础分析，最后拿出一个开发计划，指出系统功能、系统配置、信息处理方式，采用什么样的软件开发，成本进度，解决可能出现的问题的方法。

可行性研究阶段，往往要提供多个方案，让用户进行比较。

系统分析员要说明可供选择的各个方案，并评价其优缺点及其约束条件，准确地对系统的成本和效益进行估计与分析，即分析经济上的可行性和时间上的可行性。

最后写出可行性报告。

可行性研究被认可后，便对地理信息系统工作环境与基本功能特性加以研究，估算出所需要的资源、工作量、费用和进度，以此为内容写出软件文档。

可行性研究的任务是确定的系统目标是否值得去实现，有没有可行的解决方法及时间、财力与技术的允许程度。

并不是具体地解决问题。

8.1.3需求分析在可行性研究阶段虽已粗略地知道了用户的需求，提出了一些可行的方案，但因可行性研究是用较小的成本确定是否存在可行的方法，故许多细节被忽略。

而地理信息系统是不能遗漏任何一个微小的细节的，因此，它实际上没有准确地解决系统必须具备哪些功能的问题。

需求分析是对系统目标进行进一步的确认，是对可行性研究的进一步细化与审定，即确定系统必须完成哪些工作，对系统目标提出完整、准确、清晰、具体的要求。

用户往往不知道如何利用计算机解决他们的问题，因而难以把他们要求系统必须做的事情完整准确地表达出来；开发人员知道如何用计算机实现用户的要求，但对特定的具体要求并不完全清楚。

因此，在需求分析阶段开发人员与用户要充分交流、密切合作，对系统要求的运行环境和用户要求进行深入调查研究，明确外部环境（硬件）对系统的支持和制约程度，回答地理信息系统能做什么，能做到什么程度，以及对数据内容与应用范围的具体要求，使用户能直接且直观地了解开发出来的系统是否真正满足需要。

最后得出用数据流图、数据字典和简洁的算法描述的用户确认的系统逻辑模型（功能）。

前期阶段各组成部分的关系是：系统目标是设计的基础；可行性研究是需求分析的前提，需求分析具体地体现系统目标与可行性分析的内容。

可行性研究是在抽象的层次上进行的大大压缩和简化了的分析、设计过程，已得出了高层次的数据流图，需求分析是得出详细的系统逻辑模型，即确定系统的功能、性能、运行环境等。

系统逻辑模型是设计和实现系统目标的基础，是系统设计与开发取得成功的关键。

8.2 系统设计8.2.1总体设计需求分析提出“做什么”的问题，总体设计要解决的问题是“如何做”，也即系统怎么实现。

总体设计首先提出实现系统目标的几种不同的解决方案（数据流程图是设想各种可能方案的基础），每个方案用流程图表示，系统分析员比较这些方案，选出最佳方案向用户推荐。

一般几种不同的解决方案至少包括低、中、高成本方案。

低成本方案只完成最必要的工作；中成本方案能很好地完成预定的任务，使用方便；高成本方案具有用户希望的所有功能，甚至可能具有用户没有具体指定的某些功能与特点。

总体设计的内容一般包括系统要求、环境设计、外部设计与说明、软件结构设计和文件结构等组成。

确定功能模块及其之间的关系，定义各功能模块间的数据接口与控制接口，设计数据结构，规定约束和限制等是其中较重要的部分。

总体设计是系统可靠性、正确性与适应性的关键。

8.2.2详细设计总体设计是以比较抽象概括的方式提出解决问题的方法，详细设计是对解法具体精确的描述，是要解决“怎样具体地实现系统”，也即是总体设计的细化，详细描述功能模块的内部过程。

详细设计还不是编写程序，而是设计出程序的详细说明，可类比于工程领域中的蓝图，程序员可根据它们写出实际的程序编码。

因此详细设计基本上决定了最终的系统质量。

详细设计的目标不仅是在逻辑上正确地实现每个模块的功能，更重要的是设计出的处理过程应尽可能的简明、清晰、易读、易测试与维护。

结构化程序设计是实现上述目标的关键技术，是详细设计的逻辑基础。

下面对结构程序化设计进行介绍。

1）结构化程序设计方法结构化程序设计由荷兰学者提出。

以往的程序称为BS型程序，（BS是a bowl of Spaghetti，意为一碗面条似的程序）,这种程序无任何规律可言，因其允许用流程线任意转移去向，会使流程无规律地转来转去，如同一团乱麻一样，分不清来龙去脉，令人难以琢磨设计者的思路。

为提高程序的易读性，保证程序质量，现提倡使用结构化设计方法，结构化程序设计方法的要点是：⑪程序的质量标准是“清晰第一，效率第二”。

以前是效率第一，为了节约一点运行时间与内存，用小技巧，使程序变得涩晦难读。

现在是清晰第一，因为程序是给别人看的，使用中经常要加以修改，不能让人花大量时间才能看懂。

⑫按一定规范书写程序，不能随心所欲的设计程序。

过去的BS程序，如同手工业方式，程序如同艺术品，风格因人而异。

现在主张工程化生产方式，即每人都必须按照同一规则，同一方法进行工作，这样，使软件有统一的标准、风格，成为标准产品，便于生产与维护。

一个大程序开发采取自顶向下，逐步细化和模块化的方法，即将一个大任务分成若干个子任务，每个子任务就是一个模块。

若子任务仍太复杂，可再分为若干个子任务，如此逐层分解，每一模块也采取“自顶向下，逐步细化”的方法，直到将它分解为基本结构为止。

基本结构是构成程序的基本单元。

结构化程序设计的三种基本结构是：⑪顺序结构：各模块按出现的先后顺序执行。

⑫选择结构：根据给定条件是否满足而决定执行某模块，如满足执行A块，不满足自行B块。

⑬循环结构：分当型循环与直到型循环。

①当型循环是先判断条件，满足时反复执行某块循环体，直到不满足条件为止。

②直到型条件是先执行循环体，在判断条件是否满足，不满足则执行循环体，直到规定条件满足为止。

以上三种基本结构都具备一个出口，一个入口，不存在死语句和死循环，称良性结构，结构化程序是由一些良性结构单元构成的。

2）地理信息系统的结构化设计模式地理信息系统结构化设计分为描述地理信息系统的目标和基于用户需求的关系规格，定义系统开发的资源与限制，对形成的多种方案的说明及评价，对方案最终的评价与选择等四个阶段，共28个过程。

⑪描述系统的目标与需求地理信息系统基础①描述系统目标与需求。

②描述评价属性数据需求。

③描述空间数据需求。

④调查现有的属性数据源。

⑤登记现有空间数据系统。

⑥描述属性数据集规格。

⑦描述空间数据集规格。

⑧描述信息需求。

⑨评价系统规格和目标。

以上过程的前三步是勾画出地理信息系统的轮廓，详细的定义决策系统，包括系统任务及完成这些任务所需的数据，系统对这些数据需求范围要精确定义（包括属性数据与空间数据），要包括目前与未来的应用与需求。

第4～5步是现有的数据源，包括人工或自动化输入，如数字化仪输入、扫描输入、地面调查键盘输入与航空航天遥感等数据。

由于行政管理、保密性、采集频率、时间连续性与费用等问题，使数据获取成为完成系统的主要限制性因素。

第6～8步是对有关属性与空间数据、分析能力、输出格式等系统规格（指使用频率、响应时间、精度等）进行明确表达。

这里涉及到输入、存储与输出等信息系统技术的三个主要概念。

这几步要提供下列结果：系统中的属性、空间数据、数据查询、分析需求、系统输入、输出格式（包括各种参数、精度、可靠性、输入过程、划分数据集的方法、编码方法、编辑方法、数据压缩方法、更新方法、数据结构、文件结构、数据库管理系统等数据集规格）。

第9步对已形成的系统的有效性（系统满足目标和需求的程度）、一致性（空间定位能力、数据集规格、数据分析功能和系统传递方式等与需求间的一致性）与可行性（系统广泛的、主观的评价与费用）。

以上过程往往要反复多次，直至满足用户要求为止。

⑫定义系统开发的资源与限制这是对数据处理的物理逻辑结构进行全面的描述，用来决定系统开发的资源和约束条件。

①现有硬件：主要考虑有什么硬件？其性能是什么？有效利用率如何？主要用途是什么？它在拟订的系统中有什么作用？②现有软件：主要考虑有什么软件？其性能是什么？有效利用率如何？主要用途是什么？它在拟订的系统中有什么作用？若有地理信息系统软件，要调查一下它的用途与来历，自行开发的还是购买的？③现有数据处理方法：描述目前用户使用的软件的数据处理过程是怎样的，包括使用者的数据处理技术如何。

④行政体制：系统设计与运行过程中需要组织内部与组织之间的合作。

⑤法律制度：是执行开发资源与限制的条件，因为它对数据的采集方式及保密性有重要影响。

⑥用户背景信息：用户态度，其愿意接受新系统的程度。

⑦评价现有资源与限制：对以上各步进行综合评价。

⑬对形成多种方案的说明与评价①描述可选择的系统结构：各种侯选的地理信息系统开发方案形成，对各系统决策指标的规格进行综合评价。

②描述硬件需求：详细描述系统硬件配置。