地理信息系統原理-GIS工程與應用

GIS工程與應用一、軟件工程

基本概念計算機軟件工程是一類求解的工程。它應用計算機科學、數學及管理科學等原理，借鑒傳統工程的原則、方法，創(chuàng)建軟件以達到提高質量，降低成本的目的。

目的是為了解決60年代出現的軟件危機，當時在大型軟件開發(fā)中存在著價格高，開發(fā)不容易控制，軟件開發(fā)工作量估計困難，軟件質量低，項目失敗率高等許多問題，給軟件行業(yè)帶來了巨大的沖擊。軟件工程的研究，提出了一系列理論、原則、方法以及工具，試圖解決軟件危機。

軟件工程框架軟件工程框架GIS工程GIS工程是運用系統工程的原理、方法研究GIS建設開發(fā)的方法、工具和管理的一門工程技術。它的目標在于研究一套可行的工具系統，解決GIS建設中的最優(yōu)問題，即解決GIS系統的最優(yōu)設計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理問題，力求通過最小的投入，最合理地配置資金、人力和物力而獲得最佳的GIS產品。二、軟件工程活動軟件工程活動包括需求、設計、實現、確認及支持等，它們對應于軟件開發(fā)活動的不同階段，一般來說，軟件開發(fā)都要經歷從分析設計到實現確認的過程。在每個階段按照相應的規(guī)范進行工作，并得到該階段的成果，是保證整個開發(fā)活動成功的關鍵。1）需求分析是準確定義未來系統的目標，確定為了滿足用戶的需求必須做什么。需求分析又劃分為兩個階段，即需求獲取和需求規(guī)約。存在如下的困難：1）問題空間的理解；2）人與人之間的通信；3）需求的不斷變化。2）

系統設計需求分析階段的主要任務是確定系統“做什么”，而設計階段則要解決“怎么做”的問題。設計階段又劃分為總體設計和詳細設計，總體設計確定系統的總體結構框架；而詳細設計要具體地描述如何具體地實現系統，通?？梢砸罁敿氃O計的結果進行編碼。3）實現階段將設計的結果變換成程序設計語言編寫的程序。需要確定程序設計語言；考慮程序的質量：正確性、可讀性、可移植性、程序效率等4）確認活動軟件測試是主要的確認活動。軟件測試是指按照特定規(guī)程，發(fā)現軟件錯誤的過程。測試技術：1）白盒測試技術2）黑盒測試技術根據測試的步驟，測試活動又可以劃分為1）單元測試2）集成測試3）確認測試4）系統測試5）軟件維護軟件維護可以分為：1）改正性維護；2）適應性維護；3）完善性維護；4）預防性維護；三、分析和開發(fā)方法

結構化分析與設計結構化的方法基于模塊化的思想，采用“自頂向下，逐步求精”的技術對系統進行劃分，分解和抽象是它的兩個基本手段。結構化分析將軟件視為一個數據變換裝置，接受各種輸入，通過變換產生輸出。數據流圖（DFD，Data-FlowDiagram）是一種描述數據變換的工具，是結構化分析普遍采用的表示手段。旅行社預訂機票準備機票訂票單航班記帳費用旅客記帳文件航班目錄機票一個典型的數據流圖：飛機訂票

面向對象分析與設計客觀世界是由許多各種各樣的類組成的，每種對象都有各自的內部狀態(tài)和運動規(guī)律，對象之間的作用和聯系就構成了各種不同的系統。面向對象方法學所追求的是使解決問題的方法空間與客觀世界的問題空間結構達成一致。統一建模型語言（UML）：主要的面向對象方法，綜合了Booch、OMT和UseCase等方法用UML表達的線幾何體類以及和其它類的關系（OpenGISConsortium）四、開發(fā)過程模型軟件開發(fā)模型是軟件開發(fā)全部過程、活動和任務的結構框架。軟件開發(fā)模型能夠清晰、直觀的表達軟件開發(fā)過程，明確規(guī)定要完成的主要活動和任務，可以作為軟件項目工作的基礎。

瀑布模型將各項活動規(guī)定為依照固定順序連接的若干階段工作，形如瀑布流水。特征：每一階段接受上一階段的工作結果作為輸入；其工作輸出傳入下一階段；每一階段工作都要進行評審，得到確認后，才能繼續(xù)下階段工作。瀑布模型較好地支持結構化軟件開發(fā)，但是缺乏靈活性，無法通過軟件開發(fā)活動澄清本來不夠確切的需求。系統需求軟件需求需求分析設計編碼測試運行瀑布模型

演化模型主要針對事先不能完整定義需求的軟件開發(fā)。用戶可以先給出核心需求，當開發(fā)人員將核心需求實現后，用戶提出反饋意見，以支持系統的最終設計和實現。

螺旋模型螺旋模型是在瀑布模型以及演化模型的基礎上，加入風險分析所建立的模型。在每一次演化過程中，都經歷以下活動：1）制定計劃2）風險分析3）實施工程4）客戶評估

噴泉模型噴泉模型體現了軟件開發(fā)過程中所固有的迭代和無間隙的特征。噴泉模型表明了軟件刻畫活動需要多次重復。主要用于支持面向對象的開發(fā)過程。演化維護確認實現設計分析噴泉模型

五、GIS領域的體系結構與構件操作系統地理信息系統工具區(qū)域GIS專題GIS領域應用系統具體，專用抽象，通用GIS領域指共享某種功能性(Functionality)的系統或應用程序的集合，換言之，領域表現了一組應用系統共性的方面。對于地理信息系統而言，其共享的功能就是對空間數據輸入、管理、分析和表現，而這恰好是地理信息系統工具所提供的功能

領域GIS領域體系結構：一個工作流視圖

軟件構件標準1）OMG的CORBA（公共請求對象代理體系結構-Commonobjectrequestbrokerarchitecture）定義了一個帶有開放軟總線的分布式結構，在這一結構中，來自不同廠商、運行于不同操作系統上的對象，能夠進行互操作。CORBA對象的互相通信通過對象請求代理（ORB，ObjectRequestBroker）為中介，可以在多種流行網絡通信協議上實現。接口描述語言（IDL，InterfaceDescriptionLanguage）用于描述對象接口，它與語言無關，使得所有CORBA對象以一致的方式被描述。2）Microsoft的OLE/COM/DCOM/COM+技術DCOM（DistributedComponentObjectModel）技術是對原有的COM技術的擴展，以支持在網絡上不同計算機的對象之間的通信。COM定義了接口的二進制標準，包括接口交互、管理對象及其資源等等。而DCOM通過增加網絡協議的支持，使得對象可以通過網絡互操作。DCOM技術很好的支持復用，位置獨立，可擴展等，并且其執(zhí)行性能較好，目前被基于Windows平臺的軟件開發(fā)商所廣泛支持。六、GIS需求分析1）GIS需求獲取GIS軟件開發(fā)活動的第一步，獲得正確的需求描述是成功軟件的前提。用戶需求分為兩類1）功能性需求；2）非功能性需求

需求獲取內容1）物理環(huán)境；

2）接口

3）用戶或人的因素

4）功能；

5）文檔；

6）數據；

7）資源；

8）安全性；

9）質量保證GIS需要額外考慮的內容1）數據

1.1)數據的輸出樣式：包括屏幕顯示、Web發(fā)布、出版、工程圖等；

1.2）輸出數據的內容和要求：輸出數據要包括哪些內容，數據的精度，比例尺等；

1.3）數據的分布性：數據是集中管理還是分布管理；

1.4）現有的紙質地圖：現有的紙質地圖的內容，其比例尺、時效性、是否涉及保密；

1.5）現有的電子數據：數據形式（柵格/矢量/屬性數據庫）、數據格式、完整性、精度、投影方式、比例尺等因素。

1.6）數據錄入：數據量大小，輸入設備，包括數字化儀、掃描儀，軟件的支持程度，進行數據錄入的人員數目，能否在預定時間內完成數據錄入；

1.7）數據購買：數據量以及價格；2）人員應用地理信息系統一般是針對專業(yè)領域的，在進行需求獲取時不僅要考慮一般用戶，而且要聽取領域專家的意見，將他們的理論、經驗模型化，并在系統中完成。3）組織現有的組織機構，有關部門的職責，業(yè)務流程，GIS如何在其業(yè)務流程中體現以及因為應用GIS所引起的可能的組織機構的變化。用戶只有看到他希望的東西，才知道想要什么2）需求規(guī)約在需求獲取階段，得到了用自然語言描述的用戶需求，但是其中存在著不一致性和二義性，這些問題要通過需求規(guī)約解決。目前有許多方法用于支持需求規(guī)約，如功能分解方法，數據流方法，信息模型方法（實體關系模型），面向對象方法。每種方法都有相應的概念體系、符號表現和工具支持。七、數據管理設計

數據管理設計：目的是確定在數據管理系統中存儲和檢索數據的基本結構。

數據管理方法：

1）普通文件管理

2）關系型數據庫管理系統

3）面向對象的數據庫管理系統GIS軟件中，需要管理的數據主要包括：空間幾何體數據、時間數據，結構化的非空間屬性數據以及非結構化的描述數據。

如地籍管理系統中的地塊:

1）空間幾何體數據：地塊界點的坐標；

2）時間數據：地塊存在的時段；

3）非空間屬性數據：地塊的權屬，地價等等；

4）非結構化的描述數據：描述地塊所需要的圖像、聲音數據等。1）數據管理方案

全部采用文件管理

文件結合數據庫管理

全部采用關系數據庫管理1）空間數據：通過文件進行管理；2）時間數據：是結構化的，可以利用數據庫進行管理；3）非空間屬性數據：利用數據庫進行管理；4）非結構化的描述數據：文件方式在這種管理方式中，不定長的空間幾何體坐標數據以二進制數據塊的形式被關系數據庫管理，換言之，坐標數據被集成到RDBMS中，形成空間數據庫地物ID坐標X1,Y1,X2,Y2厎X1,Y1,X2,Y2厎X1,Y1,X2,Y2厎厎ID1ID2ID3厎地物ID屬性1屬性值屬性值屬性值厎ID1ID2ID3厎屬性2屬性值屬性值屬性值厎厎厎厎厎厎通過文件管理空間數據通過關系數據庫管理屬性數據利用地物ID建立記錄之間的連接關系空間數據庫數據庫訪問接口空間模型服務GIS應用GIS應用GIS應用RDBMSGIS空間數據訪問接口集成化的GIS數據管理

采用面向對象關系數據庫管理空間數據庫數據庫訪問接口空間模型服務GIS應用GIS應用GIS應用OO-DBMSGIS空間模型服務采用OO-DBMS進行GIS數據管理八、界面設計

界面設計策略1）對人分類2）描述人和他們的任務腳本3）設計命令層4）設計詳細的交互5）繼續(xù)做原型6）設計用戶界面類7）根據圖形用戶界面進行設計考慮如下問題：

界面設計要素1）數據選擇2）數據表現3）數據處理4）SQL設計傳統的SQL并不能處理空間查詢，這是由于關系數據庫技術的弱點造成的，對于GIS而言，需要對SQL進行擴展。目前正在制定的SQL/MM，主要應用于多媒體數據，其中包含了全面的GIS操作集合。SELECTSoils.Map FromSoils,Parcels WhereParcels.Value>6000andOverlay(Soils,Parcels);一個實現空間查詢的界面，將空間關系和標準SQL分開輸入5）可視化由于地理信息系統是基于圖形的，其分析和解釋的結果通常是以可視化的形式表現出來?？梢暬侵笧榱俗R別、溝通和解釋模式或結構，概括性地表現信息的過程?？臻g分析需要考慮信息模式以及空間特征的感受，對于GIS，可視化可以描述為從信息到知識的轉化過程

界面樣式命令行是最簡單的界面樣式，它只使用文本語言，要求用戶了解可以使用的選項，需要記憶各種命令?；诿钚械慕缑娌惶峁┤魏翁崾拘畔⒑徒ㄗh，這使用戶要依賴于印刷文檔來學習系統。采用命令行界面需要開發(fā)一個命令行解釋器，在命令行界面軟件中，功能模塊之間關系較為簡單，常常是一個模塊的輸出作為另一個模塊的輸入，便于開發(fā)實現。利用批命令文件或者腳本文件，可以依次完成多步操作，這是命令行界面的長處。1）基于命令行的GIS界面基于命令行的GIS界面2）菜單驅動的GIS界面最大的長處在于界面友好，便于用戶掌握系統。但是對于高級用戶而言，與命令行界面相比，它往往顯得不夠靈活而且效率低下。在GIS中，往往需要連續(xù)地對批量數據進行處理，并且需要較長的計算時間，這種情況下采用菜單界面就變得不可忍受。3）基于數據流圖GIS界面通過一種“可視化的語言”，而不是嚴格的文本來控制系統，其中，系統用圖形符號來表現其提供的功能，稱為“圖標”。圖標不僅可以表示操作，也可以表示數據或者硬件設備。在基于數據流圖的用戶界面中，用戶可以通過“拖放（DragandDrop）”操作來實現相應的操作（例如，可以將表示插值計算的圖標