GIS設計與實現(xiàn)(完整版)

GIS設計與實現(xiàn)第一章GIS研究內容：數(shù)據采集、數(shù)據存儲、數(shù)據處理和分析、數(shù)據輸出GIS設計含義：遵循軟件工程的原理和方法，結合GIS開發(fā)的特點要求，對GIS軟件從定義、設計、地理模型庫設計、GIS實施、GIS測試維護各個階段進行工程化規(guī)范的體系。GIS設計目標：通過改進設計方法，做好項目組織管理，增強實用性，降低成本，延長系統(tǒng)生命周期。GIS設計的基本原則：標準化、先進性、兼容性、高效性、可靠性、通用性。GIS設計的內容：（1）軟件設計：首先，進行系統(tǒng)的工程管理，保證了系統(tǒng)建設的進度和軟件質量；其次，針對GIS軟件設計特點，采用最適合的軟件生存周期模型，確保了系統(tǒng)的用戶接受度和系統(tǒng)功能設置的合理性；最后，對系統(tǒng)技術實現(xiàn)方案進行設計，確保軟件開發(fā)風格的同意和功能模塊之間的有機聯(lián)系。（2）數(shù)據庫設計：取決于設計者的開發(fā)經驗，工程組織和數(shù)據源準備等方面。同時，數(shù)據庫設計與整個系統(tǒng)設計的相關環(huán)節(jié)是緊密結合的，有必要將軟件工程的方法和工具應用于數(shù)據庫設計中。GIS設計的特點：（1）GIS處理的是空間數(shù)據，具有數(shù)據量龐大，實體種類繁多，實體間的關聯(lián)復雜等特點。（2）GIS設計以空間數(shù)據為驅動。（3）GIS工程投資大，周期長，風險大，涉及部門繁多。第二章GIS工程學結構體系：GIS工程學結構體系主要由任務，基礎理論和方法論三方面組成。GIS工程三維結構圖P27系統(tǒng)定義：由相互作用、相互依賴的若干組成部分構成的具有一定功能的有機整體。系統(tǒng)工程學特點：①研究的對象是一個表現(xiàn)為普遍聯(lián)系、相互影響、規(guī)模和層次都極其復雜的大工程。②知識結構復雜，是自然科學和社會科學交叉的邊緣學科。③工程學是方法學，是泛化系統(tǒng)的研究方法。④是目的性很強的應用科學。結構法生命周期法：它要求設計過程必須嚴格的按階段進行，只有前一階段完成之后，才能開始下一階段的工作，同時，它要求在系統(tǒng)建立之前就必須嚴格地定義和描述用戶的需求。系統(tǒng)開發(fā)過程六個主要階段：（1）系統(tǒng)開發(fā)準備階段（2）調查研究及可行性研究階段（3）系統(tǒng)分析階段（4）系統(tǒng)設計階段（5）系統(tǒng)實施階段（6）維護和評價階段面向對象的概念：面向對象分析與設計方法的特點：①分析與設計能自然轉換，設計變得簡單，分析階段成為重點。②面向對象的分析是分析系統(tǒng)中的對象和這些對象之間相互作用時出現(xiàn)的時間。③實現(xiàn)映射的工具可以使面向過程的，也可以是面向對象的，當實現(xiàn)工具是面向對象時，映射關系有著比較一一對應的關系。④面向對象的開發(fā)方法促使軟件開發(fā)按應用域的觀點來工作和思考。⑤分析和設計中使用差異很大的工具。面向對象設計方法：OMT：采用對象模型、動態(tài)模型和功能模型等來描述一個系統(tǒng)。（34-35）UML：是一個通用的標準建模語言。一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言。其支持模型化和軟件系統(tǒng)開發(fā)的圖形化語言，為軟件開發(fā)的所有階段提供模型化和可視化支持，包括由需求分析到規(guī)格，到構造和配置。原型法概念：其主要思想是借助原型來輔助軟件開發(fā)。開發(fā)人員根據自己對用戶需求的理解，利用開發(fā)工具快速構造出原型軟件，用戶及開發(fā)人員通過對原型軟件的試運行、評價、修正和改進，逐步明確對軟件的功能需求以進行正式開發(fā)或者直接把原型擴充成最終產品。原型法的工作方法：開發(fā)人員在初步了解用戶需求的基礎上構造一個應用系統(tǒng)模型，即原型，用戶和開發(fā)人員在此基礎上共同反復探討和完善原型，直到用戶滿意為止。原型法開發(fā)階段：（1）確定用戶的基本需求（2）開發(fā)初始原型（3）利用原型來提煉用戶需求（4）修正和改進原型三種GIS基本設計方法（P41）GIS設計方法的選擇（原則）：考慮多方面的因素，包括系統(tǒng)規(guī)模的大小、系統(tǒng)應用類型、系統(tǒng)需求明確程度等。小型GIS軟件設計常采用原型法進行開發(fā)；而大型GIS軟件設計多采用結構化生命周期法或是面向對象方法進行開發(fā)，考慮到GIS設計需求不確定性特點，通常也在需求分析階段應用原型法來確認用戶需求。第三章系統(tǒng)定義的目標與任務：目標：明確系統(tǒng)要解決的問題是什么基本任①功能需求②性能需求③環(huán)境需求④數(shù)據需求系統(tǒng)定義時期的主要任務：確定軟件開發(fā)工程必須完成的總目標以及工程可行性；導出實現(xiàn)工程目標應該采用的策略即系統(tǒng)必須完成的功能；估計完成該項工程需要的資源和成本；制定工程進度表；最后編寫系統(tǒng)需求分析報告。這個時期的工作通常又稱為系統(tǒng)分析。系統(tǒng)定義工具：①GIS數(shù)據流模型②GIS數(shù)據字典③加工邏輯說明：結構化英語、判定表、判定樹數(shù)據流：一組有順序的、有起點和終點的字節(jié)集合，程序從鍵盤接收數(shù)據或向文件中寫數(shù)據數(shù)據字典：關于數(shù)據信息集合。1）用途：作為分析階段的工具2）實現(xiàn)方法：全人工過程、全自動過程、混合過程3）任務：使每一個圖形要素的名字都有一個確切的解釋。用例圖概述：用例圖是從軟件需求分析到最終實現(xiàn)的第一步，它顯示了系統(tǒng)的用戶和用戶希望提供的功能，有利于用戶和軟件開發(fā)人員之間的溝通。用例圖組成：用例圖的四個組成要素：參與者，用例，系統(tǒng)邊界和用例關系。參與者：參與者是指存在于系統(tǒng)外部并直接與系統(tǒng)進行交互的人、系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類的外部實體的抽象。用例：定義了系統(tǒng)所提供的功能和行為單元。參與者使用系統(tǒng)的每種方式都可以表示為一個用例。一個用例被認為是一個類元，具有操作和屬性。用例之間的關系：（1）包含：用例可以簡單地包含其他用例具有的行為，并把它所包含的用例行為作為自身行為的一部分。（2）擴展：把新的行為加入到已有的用例中，把擴展用例到基礎用例的關系就是擴展關系。（3）泛化：一個父用例可以被特化形成多個子用例，而父用例和子用例之間的關系就是泛化關系。子用例繼承了父用例所有的結構、行為和關系，子用例是父用例的一種特殊形式。技術可行性從哪幾個方面進行評估：①采集系統(tǒng)性能、可靠性、可維護性和生產性能方面的信息②分析技術方面的風險與成本③選擇硬件要與GIS軟件使用周期相適宜④以用戶需求為依據置頂開發(fā)方案⑤分析GIS設計技術人員，確定設計可行性。第四章總體設計的目標與任務：（1）目標：將系統(tǒng)需求轉換為數(shù)據結構和軟件體系結構，即數(shù)據設計和體系結構設計。（2）任務：確定系統(tǒng)總體架構與軟、硬件配置，根據系統(tǒng)分析成果進行系統(tǒng)功能模塊的劃分，建立模塊的層次結構及調用關系，確定模塊間的接口及人機界面，病設計數(shù)據庫總體結構。系統(tǒng)總體設計工具：結構化的：層次圖：是在軟件總體設計階段最常用的工具之一，用來描繪軟件的層次結構。HIPO圖（HIPO代表的含義）：“層次＋輸入／處理／輸出圖”的英文縮寫。HIPO圖實際上由H圖（即層次圖）和IPO圖兩部分組成。結構圖：結構圖和層次圖類似，也是用來描述軟件結構的，但其描述能力比層次圖更強類圖（類是什么）：類圖是由類，接口等模型元素以及它們之間的關系構成。類之間關系的種類：①依賴關系：兩個或多個模型元素之間的依賴關系②泛化關系：描述類之間的一般和具體的關系③關聯(lián)關系：類實例之間連接的描述④實現(xiàn)關系：說明和實現(xiàn)間的關系。GIS用戶界面設計方法：P81GIS用戶界面設計原則：一致性原則；合適的功能；封裝性；靈活性；合理、高效利用屏幕；用戶界面的效率；提供反饋、幫助信息以及出錯處理機制；與應用程序設計分離；復雜性和可靠性。第五章詳細設計階段的根本目標：確定怎樣具體實現(xiàn)所要求的系統(tǒng)。詳細設計階段的主要內容：為細化總體設計中的每個功能模塊選擇算法描述出來，在具體編碼階段把描述直接翻譯成某種程序設計語言書寫的程序。詳細設計的具體任務：1）細化總體設計的體系流程圖，繪出程序結構圖，直到每個模塊的難度可被單個程序員掌握為止；2）為每個功能模塊選定算法；3）確定每個模塊使用的數(shù)據組織；4）確定模塊的接口細節(jié)，以及模塊間的調用關系；5）描述每個模塊的流程邏輯；6）編寫詳細設計文檔。結構化的系統(tǒng)詳細設計工具：程序流程圖：它是應用最廣泛的描述過程的方法，具有簡單，直觀，易于掌握的優(yōu)點，特別適用于具體模塊小程序的設計。缺點：①使程序員過早地考慮程序的控制流程，而不去考慮程序的全局結構；②程序員可以完全不顧結構化程序設計的精神，隨意轉換控制；③程序流程圖不易表示數(shù)據結構；④對于提高大型系統(tǒng)的可理解性作用甚微。N-S盒式圖：一種清晰的圖形表達式，能定義功能域；控制不能任意轉移；易于確定局部或全部的數(shù)據工作域；易于表示傳遞。PDL：類程序設計語言（PDL）又稱為偽碼，是用正文形式表示數(shù)據和處理過程的設計工具，一方面具有嚴格的關鍵字外部語法，用于定義控制結構和數(shù)據結構；另一方面，又具有靈活自由的內部語法，以適應各種工程項目的需要。PDL與實際的高級程序設計語言的區(qū)別在于：PDL的語句中嵌有自然語言的敘述，是不能被計算機識別和翻譯的序列圖（序列圖）概念與組成：概念：序列圖描述了一個交互，它由一組對象和它們之間的關系組成，并且還包括在對象間傳遞的消息。序列圖是強調消息時間順序的交互圖。序列圖描述了類以及類間相互交換以完成期望行為的消息。組成P97：對象、生命線、激活、消息活動圖概念與組成部分：活動圖是一種描述系統(tǒng)行為的模型視圖。描述動作和動作導致對象狀態(tài)改變的結果?；顒訄D記錄單個操作或方法的邏輯、單個用例或商業(yè)過程的邏輯流程，強調計算過程中的順序和并發(fā)步驟。組成：①動作狀態(tài)②活動狀態(tài)③組合活動④分叉與匯合⑥分支與合并⑦泳道第六章空間數(shù)據庫設計的目標：空間數(shù)據庫設計的目的是在充分考慮空間數(shù)據特性及數(shù)據庫系統(tǒng)特性的基礎上，嚴格按照軟件工程學方法，設計具有安全性、可靠性、正確性、完整性、獨立性、共享性、低冗余度、可擴展的空間數(shù)據庫，實現(xiàn)空間數(shù)據高效存儲管理，支撐GIS軟件的設計與應用?？臻g數(shù)據庫設計的任務：進行空間數(shù)據庫系統(tǒng)設計的主要任務是確定空間數(shù)據庫的數(shù)據模型以及數(shù)據結構，并提出空間數(shù)據庫相關功能的實現(xiàn)方案；空間數(shù)據庫系統(tǒng)實現(xiàn)的主要任務是將設計的空間數(shù)據庫系統(tǒng)的結構體系進行編碼實現(xiàn)，并將收集來的空間數(shù)據入庫，建立空間數(shù)據庫管理信息系統(tǒng)?？臻g數(shù)據庫需求分析：需求分析就是分析軟件用戶的需求是什么，包括三個步驟：一是用戶需求調查；二是空間數(shù)據現(xiàn)狀分析；三是系統(tǒng)分析。E-R模型：E-R模型（entity-relationdatamodel）又稱實體-關系數(shù)據模型。它是由實體類（簡稱實體）、關系類（簡稱關系）和屬性三個抽象概念組成，是構成信息系統(tǒng)或數(shù)據庫概念模型的一種有效工具或有效方法（也稱為E-R方法）。空間數(shù)據庫的概念模型設計：數(shù)據庫概念模型是數(shù)據庫的全局邏輯數(shù)據視圖，是數(shù)據庫管理員所看到的實體、實體屬性和實體間的聯(lián)系。概念數(shù)據庫設計的兩方面任務：概念數(shù)據庫設計的任務包括兩個方面：概念數(shù)據庫模式設計和事務設計。其中概念數(shù)據庫模式設計是以需求分析階段所提出的數(shù)據要求為基礎，對用戶需求描述的現(xiàn)實世界通過對其中信息的分類、聚集和概括，建立抽象的高級數(shù)據模型(如E-R模型)，形成概念數(shù)據庫模式；事務設計是考察需求分析階段提出的數(shù)據庫操作任務，形成數(shù)據庫事務的高級說明?？臻g數(shù)據庫的邏輯設計：傳統(tǒng)數(shù)據模型、面向對象數(shù)據模型、空間數(shù)據模型關系模型三種傳統(tǒng)數(shù)據模型的比較：層次模型、網絡模型、關系模型空間數(shù)據庫的功能設計包括：（1）空間數(shù)據輸入數(shù)據（2）空間數(shù)據檢索設計（3）空間數(shù)據輸出設計（4）空間數(shù)據更新設計（5）空間數(shù)據共享設計空間數(shù)據庫建庫流程：首先，必須確定數(shù)字化的方法及工具；其次，掌握該圖的空間信息；再次，按照分層要求進行一個Coverage的數(shù)字化；再其次，進行拓撲關系的建立，并給空間實體賦屬性值；最后，進行坐標變換和地圖接動處理。第七章地理模型概念：地理模型是對地理實體的特性及其變化規(guī)律的一種表示或者抽象，同時也是對地理實體的那些所要研究的特定特征進行定量的抽象。地理建模：運用數(shù)學語言、地理知識和程序設計工具，對地理信息加以翻譯和歸納。建立地理模型時遵守的原則：①相似性：在允許的精度范圍內，較好地反映地理實體的客觀本質。②抽象性：在深入認識地理實體的前提下，抽象出更深層次的理性表達。③簡潔性：既是地理實體的抽象表達，又必須是地理實體的簡化，以降低求解難度。④準確性：必須使模型的運行結果與所模擬的地理實體的演變有較高的精確度。⑤可控性：以地理模型所表示的地理環(huán)境，要能進行控制下的運行及模擬。地理模型的類型：理論模型、經驗模型、混合模型地理模型建模的一般過程：建模準備；模型假設；建立模型；模型求解；模型分析；模型檢驗。1）建模準備：模型準備包括了解地理問題的實際背景、明確地理建模的目的、掌握地理對象的各種信息（如數(shù)據資料等）以及搞清對象的特征。2）模型假設：模型假設是根據地理對象的特征和建模的目的，對問題進行必要的簡化，并且用精確的語言做出假設。這是地理建模至關重要的一步。3）建立模型：建立模型是指根據所做的假設，利用適當?shù)臄?shù)學工具，確定各因子之間的聯(lián)系，通過表格、圖形或是其他數(shù)學結構建立地理模型。4）模型求解：對以上建立的模型進行數(shù)學上的求解，包括：解方程、畫圖形、邏輯推理、穩(wěn)定性討論等。5）模型分析：對模型求解的結果進行數(shù)學和地理上的分析。6）模型檢驗：將模型分析的結果“翻譯”到地理對象中，用實際現(xiàn)象或數(shù)據檢驗模型的合理性和適用性，即檢驗模型的正確性。第八章GIS開發(fā)的三種方式：獨立開發(fā)：不依賴于任何GIS工具軟件，所有算法由開發(fā)者獨立設計，在一定操作系統(tǒng)平臺上通過編程實現(xiàn)。單純二次開發(fā)：完全借助GIS軟件工具軟件提供的開發(fā)語言進行應用系統(tǒng)開發(fā)。組件式二次開發(fā)：利用GIS工具軟件生產廠家提供的GIS功能控件，直接將GIS功能嵌入其中，實現(xiàn)GIS的各種功能。第九章GIS軟件測試概念和內容：下面的是步驟①模塊測試（單元測試）。把每個模塊作為一個單獨的實體來測試，目的是保證每個模塊作為一個單元能正確運行，該過程發(fā)現(xiàn)的往往是編碼和詳細設計階段的錯誤。②子系統(tǒng)測試。把經過單元測試的若干模塊放在一起形成一個子系統(tǒng)來測試，本步驟著重測試模塊的接口。③系統(tǒng)測試。系統(tǒng)測試是把經過測試的子系統(tǒng)裝配成一個完整的系統(tǒng)來測試。本步驟發(fā)現(xiàn)的往往是軟件設計中的錯誤，也可能發(fā)現(xiàn)需求說明中的錯誤。④驗收測試（確認測試）。與系統(tǒng)測試基本相同，但是它是在用戶積極參與下進行的，而且要用實際數(shù)據進行測試。驗收測試的目的是驗證系統(tǒng)確實能夠滿足用戶的需求，這個測試步驟中發(fā)現(xiàn)的往往是系統(tǒng)需求說明