地理信息系統(tǒng)原理-GIS工程與應(yīng)用

GIS工程與應(yīng)用一、軟件工程

基本概念計(jì)算機(jī)軟件工程是一類求解的工程。它應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)及管理科學(xué)等原理，借鑒傳統(tǒng)工程的原則、方法，創(chuàng)建軟件以達(dá)到提高質(zhì)量，降低成本的目的。

目的是為了解決60年代出現(xiàn)的軟件危機(jī)，當(dāng)時(shí)在大型軟件開發(fā)中存在著價(jià)格高，開發(fā)不容易控制，軟件開發(fā)工作量估計(jì)困難，軟件質(zhì)量低，項(xiàng)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(jī)。

軟件工程框架軟件工程框架GIS工程GIS工程是運(yùn)用系統(tǒng)工程的原理、方法研究GIS建設(shè)開發(fā)的方法、工具和管理的一門工程技術(shù)。它的目標(biāo)在于研究一套可行的工具系統(tǒng)，解決GIS建設(shè)中的最優(yōu)問題，即解決GIS系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)、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(chǎn)品。二、軟件工程活動(dòng)軟件工程活動(dòng)包括需求、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、確認(rèn)及支持等，它們對(duì)應(yīng)于軟件開發(fā)活動(dòng)的不同階段，一般來說，軟件開發(fā)都要經(jīng)歷從分析設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)確認(rèn)的過程。在每個(gè)階段按照相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行工作，并得到該階段的成果，是保證整個(gè)開發(fā)活動(dòng)成功的關(guān)鍵。1）需求分析是準(zhǔn)確定義未來系統(tǒng)的目標(biāo)，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(gè)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(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析階段的主要任務(wù)是確定系統(tǒng)“做什么”，而設(shè)計(jì)階段則要解決“怎么做”的問題。設(shè)計(jì)階段又劃分為總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架；而詳細(xì)設(shè)計(jì)要具體地描述如何具體地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，通?？梢砸罁?jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行編碼。3）實(shí)現(xiàn)階段將設(shè)計(jì)的結(jié)果變換成程序設(shè)計(jì)語言編寫的程序。需要確定程序設(shè)計(jì)語言；考慮程序的質(zhì)量：正確性、可讀性、可移植性、程序效率等4）確認(rèn)活動(dòng)軟件測(cè)試是主要的確認(rèn)活動(dòng)。軟件測(cè)試是指按照特定規(guī)程，發(fā)現(xiàn)軟件錯(cuò)誤的過程。測(cè)試技術(shù)：1）白盒測(cè)試技術(shù)2）黑盒測(cè)試技術(shù)根據(jù)測(cè)試的步驟，測(cè)試活動(dòng)又可以劃分為1）單元測(cè)試2）集成測(cè)試3）確認(rèn)測(cè)試4）系統(tǒng)測(cè)試5）軟件維護(hù)軟件維護(hù)可以分為：1）改正性維護(hù)；2）適應(yīng)性維護(hù)；3）完善性維護(hù)；4）預(yù)防性維護(hù)；三、分析和開發(fā)方法

結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，分解和抽象是它的兩個(gè)基本手段。結(jié)構(gòu)化分析將軟件視為一個(gè)數(shù)據(jù)變換裝置，接受各種輸入，通過變換產(chǎn)生輸出。數(shù)據(jù)流圖（DFD，Data-FlowDiagram）是一種描述數(shù)據(jù)變換的工具，是結(jié)構(gòu)化分析普遍采用的表示手段。旅行社預(yù)訂機(jī)票準(zhǔn)備機(jī)票訂票單航班記帳費(fèi)用旅客記帳文件航班目錄機(jī)票一個(gè)典型的數(shù)據(jù)流圖：飛機(jī)訂票

面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)客觀世界是由許多各種各樣的類組成的，每種對(duì)象都有各自的內(nèi)部狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)象之間的作用和聯(lián)系就構(gòu)成了各種不同的系統(tǒng)。面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)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(jié)構(gòu)達(dá)成一致。統(tǒng)一建模型語言（UML）：主要的面向?qū)ο蠓椒?，綜合了Booch、OMT和UseCase等方法用UML表達(dá)的線幾何體類以及和其它類的關(guān)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(dòng)和任務(wù)的結(jié)構(gòu)框架。軟件開發(fā)模型能夠清晰、直觀的表達(dá)軟件開發(fā)過程，明確規(guī)定要完成的主要活動(dòng)和任務(wù)，可以作為軟件項(xiàng)目工作的基礎(chǔ)。

瀑布模型將各項(xiàng)活動(dòng)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(jié)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(jìn)行評(píng)審，得到確認(rèn)后，才能繼續(xù)下階段工作。瀑布模型較好地支持結(jié)構(gòu)化軟件開發(fā)，但是缺乏靈活性，無法通過軟件開發(fā)活動(dòng)澄清本來不夠確切的需求。系統(tǒng)需求軟件需求需求分析設(shè)計(jì)編碼測(cè)試運(yùn)行瀑布模型

演化模型主要針對(duì)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(dāng)開發(fā)人員將核心需求實(shí)現(xiàn)后，用戶提出反饋意見，以支持系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

螺旋模型螺旋模型是在瀑布模型以及演化模型的基礎(chǔ)上，加入風(fēng)險(xiǎn)分析所建立的模型。在每一次演化過程中，都經(jīng)歷以下活動(dòng)：1）制定計(jì)劃2）風(fēng)險(xiǎn)分析3）實(shí)施工程4）客戶評(píng)估

噴泉模型噴泉模型體現(xiàn)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(dòng)需要多次重復(fù)。主要用于支持面向?qū)ο蟮拈_發(fā)過程。演化維護(hù)確認(rèn)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析噴泉模型

五、GIS領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)與構(gòu)件操作系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)工具區(qū)域GIS專題GIS領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)具體，專用抽象，通用GIS領(lǐng)域指共享某種功能性(Functionality)的系統(tǒng)或應(yīng)用程序的集合，換言之，領(lǐng)域表現(xiàn)了一組應(yīng)用系統(tǒng)共性的方面。對(duì)于地理信息系統(tǒng)而言，其共享的功能就是對(duì)空間數(shù)據(jù)輸入、管理、分析和表現(xiàn)，而這恰好是地理信息系統(tǒng)工具所提供的功能

領(lǐng)域GIS領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)：一個(gè)工作流視圖

軟件構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)1）OMG的CORBA（公共請(qǐng)求對(duì)象代理體系結(jié)構(gòu)-Commonobjectrequestbrokerarchitecture）定義了一個(gè)帶有開放軟總線的分布式結(jié)構(gòu)，在這一結(jié)構(gòu)中，來自不同廠商、運(yùn)行于不同操作系統(tǒng)上的對(duì)象，能夠進(jìn)行互操作。CORBA對(duì)象的互相通信通過對(duì)象請(qǐng)求代理（ORB，ObjectRequestBroker）為中介，可以在多種流行網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上實(shí)現(xiàn)。接口描述語言（IDL，InterfaceDescriptionLanguage）用于描述對(duì)象接口，它與語言無關(guān)，使得所有CORBA對(duì)象以一致的方式被描述。2）Microsoft的OLE/COM/DCOM/COM+技術(shù)DCOM（DistributedComponentObjectModel）技術(shù)是對(duì)原有的COM技術(shù)的擴(kuò)展，以支持在網(wǎng)絡(luò)上不同計(jì)算機(jī)的對(duì)象之間的通信。COM定義了接口的二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)，包括接口交互、管理對(duì)象及其資源等等。而DCOM通過增加網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，使得對(duì)象可以通過網(wǎng)絡(luò)互操作。DCOM技術(shù)很好的支持復(fù)用，位置獨(dú)立，可擴(kuò)展等，并且其執(zhí)行性能較好，目前被基于Windows平臺(tái)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(dòng)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(nèi)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(shù)據(jù)；

7）資源；

8）安全性；

9）質(zhì)量保證GIS需要額外考慮的內(nèi)容1）數(shù)據(jù)

1.1)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的內(nèi)容和要求：輸出數(shù)據(jù)要包括哪些內(nèi)容，數(shù)據(jù)的精度，比例尺等；

1.3）數(shù)據(jù)的分布性：數(shù)據(jù)是集中管理還是分布管理；

1.4）現(xiàn)有的紙質(zhì)地圖：現(xiàn)有的紙質(zhì)地圖的內(nèi)容，其比例尺、時(shí)效性、是否涉及保密；

1.5）現(xiàn)有的電子數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)形式（柵格/矢量/屬性數(shù)據(jù)庫）、數(shù)據(jù)格式、完整性、精度、投影方式、比例尺等因素。

1.6）數(shù)據(jù)錄入：數(shù)據(jù)量大小，輸入設(shè)備，包括數(shù)字化儀、掃描儀，軟件的支持程度，進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入的人員數(shù)目，能否在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)錄入；

1.7）數(shù)據(jù)購買：數(shù)據(jù)量以及價(jià)格；2）人員應(yīng)用地理信息系統(tǒng)一般是針對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的，在進(jìn)行需求獲取時(shí)不僅要考慮一般用戶，而且要聽取領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?，將他們的理論、?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突?，并在系統(tǒng)中完成。3）組織現(xiàn)有的組織機(jī)構(gòu)，有關(guān)部門的職責(zé)，業(yè)務(wù)流程，GIS如何在其業(yè)務(wù)流程中體現(xiàn)以及因?yàn)閼?yīng)用GIS所引起的可能的組織機(jī)構(gòu)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(shù)據(jù)流方法，信息模型方法（實(shí)體關(guān)系模型），面向?qū)ο蠓椒?。每種方法都有相應(yīng)的概念體系、符號(hào)表現(xiàn)和工具支持。七、數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)：目的是確定在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)管理方法：

1）普通文件管理

2）關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

3）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)GIS軟件中，需要管理的數(shù)據(jù)主要包括：空間幾何體數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化的非空間屬性數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化的描述數(shù)據(jù)。

如地籍管理系統(tǒng)中的地塊:

1）空間幾何體數(shù)據(jù)：地塊界點(diǎn)的坐標(biāo)；

2）時(shí)間數(shù)據(jù)：地塊存在的時(shí)段；

3）非空間屬性數(shù)據(jù)：地塊的權(quán)屬，地價(jià)等等；

4）非結(jié)構(gòu)化的描述數(shù)據(jù)：描述地塊所需要的圖像、聲音數(shù)據(jù)等。1）數(shù)據(jù)管理方案

全部采用文件管理

文件結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理

全部采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理1）空間數(shù)據(jù)：通過文件進(jìn)行管理；2）時(shí)間數(shù)據(jù)：是結(jié)構(gòu)化的，可以利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理；3）非空間屬性數(shù)據(jù)：利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理；4）非結(jié)構(gòu)化的描述數(shù)據(jù)：文件方式在這種管理方式中，不定長(zhǎng)的空間幾何體坐標(biāo)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊的形式被關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理，換言之，坐標(biāo)數(shù)據(jù)被集成到RDBMS中，形成空間數(shù)據(jù)庫地物ID坐標(biāo)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(shù)據(jù)通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理屬性數(shù)據(jù)利用地物ID建立記錄之間的連接關(guān)系空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫訪問接口空間模型服務(wù)GIS應(yīng)用GIS應(yīng)用GIS應(yīng)用RDBMSGIS空間數(shù)據(jù)訪問接口集成化的GIS數(shù)據(jù)管理

采用面向?qū)ο箨P(guān)系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫訪問接口空間模型服務(wù)GIS應(yīng)用GIS應(yīng)用GIS應(yīng)用OO-DBMSGIS空間模型服務(wù)采用OO-DBMS進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)管理八、界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)策略1）對(duì)人分類2）描述人和他們的任務(wù)腳本3）設(shè)計(jì)命令層4）設(shè)計(jì)詳細(xì)的交互5）繼續(xù)做原型6）設(shè)計(jì)用戶界面類7）根據(jù)圖形用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮如下問題：

界面設(shè)計(jì)要素1）數(shù)據(jù)選擇2）數(shù)據(jù)表現(xiàn)3）數(shù)據(jù)處理4）SQL設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的SQL并不能處理空間查詢，這是由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的弱點(diǎn)造成的，對(duì)于GIS而言，需要對(duì)SQL進(jìn)行擴(kuò)展。目前正在制定的SQL/MM，主要應(yīng)用于多媒體數(shù)據(jù)，其中包含了全面的GIS操作集合。SELECTSoils.Map FromSoils,Parcels WhereParcels.Value>6000andOverlay(Soils,Parcels);一個(gè)實(shí)現(xiàn)空間查詢的界面，將空間關(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)SQL分開輸入5）可視化由于地理信息系統(tǒng)是基于圖形的，其分析和解釋的結(jié)果通常是以可視化的形式表現(xiàn)出來?？梢暬侵笧榱俗R(shí)別、溝通和解釋模式或結(jié)構(gòu)，概括性地表現(xiàn)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(duì)于GIS，可視化可以描述為從信息到知識(shí)的轉(zhuǎn)化過程

界面樣式命令行是最簡(jiǎn)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(xiàng)，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(xué)習(xí)系統(tǒng)。采用命令行界面需要開發(fā)一個(gè)命令行解釋器，在命令行界面軟件中，功能模塊之間關(guān)系較為簡(jiǎn)單，常常是一個(gè)模塊的輸出作為另一個(gè)模塊的輸入，便于開發(fā)實(shí)現(xiàn)。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(zhǎng)處。1）基于命令行的GIS界面基于命令行的GIS界面2）菜單驅(qū)動(dòng)的GIS界面最大的長(zhǎng)處在于界面友好，便于用戶掌握系統(tǒng)。但是對(duì)于高級(jí)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(duì)批量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，這種情況下采用菜單界面就變得不可忍受。3）基于數(shù)據(jù)流圖GIS界面通過一種“可視化的語言”，而不是嚴(yán)格的文本來控制系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)用圖形符號(hào)來表現(xiàn)其提供的功能，稱為“圖標(biāo)”。圖標(biāo)不僅可以表示操作，也可以表示數(shù)據(jù)或者硬件設(shè)備。在基于數(shù)據(jù)流圖的用戶界面中，用戶可以通過“拖放（DragandDrop）”操作來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作（例如，可以將表示插值計(jì)算的圖標(biāo)