GIS工程設(shè)計思想和內(nèi)容

講授內(nèi)容一、GIS設(shè)計目標(biāo)及其特點

二、GIS設(shè)計的理論基礎(chǔ)——GIS工程學(xué)思想

三、GIS開發(fā)的一般過程四、GIS設(shè)計的主要內(nèi)容五、GIS的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化GIS設(shè)計目標(biāo)就是通過改進系統(tǒng)設(shè)計方法、嚴(yán)格執(zhí)行開發(fā)的階段劃分、進行各階段質(zhì)量把關(guān)以及做好項目建設(shè)的組織管理工作，從而達到增強系統(tǒng)的實用性、降低系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的成本、延長系統(tǒng)生命周期的目的GIS設(shè)計目標(biāo)一、GIS設(shè)計目標(biāo)及其特點軟件危機如何開發(fā)軟件，以滿足對軟件日益增長的需要如何維護數(shù)量不斷膨脹的已有軟件GIS軟件危機情況日益嚴(yán)重進行GIS設(shè)計是避免軟件危機，保證GIS開發(fā)質(zhì)量、提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本的一個重要手段軟件危機的出現(xiàn)軟件危機的主要內(nèi)容階段主要內(nèi)容開發(fā)軟件對軟件開發(fā)成本和進度的估計不準(zhǔn)確軟件質(zhì)量不高用戶接受度不高軟件產(chǎn)品開發(fā)效率低相關(guān)的技術(shù)文檔資料不完備軟件可維護性、重用性和可擴展性不高維護軟件數(shù)據(jù)不能得到及時的更新系統(tǒng)需求變所更要求的系統(tǒng)升級不能得到實施網(wǎng)絡(luò)安全維護得不到貫徹執(zhí)行返回GIS設(shè)計特點（1）GIS處理的空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量龐大實體種類繁多實體間的關(guān)聯(lián)復(fù)雜GIS設(shè)計過程需要分析系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流分析系統(tǒng)所涉及的地理實體類型以及實體間的各種關(guān)系采用相關(guān)的地理數(shù)據(jù)模型表達這些關(guān)系GIS設(shè)計特點（2）GIS設(shè)計以空間數(shù)據(jù)為驅(qū)動GIS設(shè)計以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向進行系統(tǒng)建設(shè)系統(tǒng)的功能設(shè)計以提高數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理效率為原則GIS設(shè)計特點（3）GIS工程投資大、周期長、風(fēng)險大、涉及部門繁多。因此，在GIS設(shè)計中，項目計劃管理是一個十分重要的部分在項目計劃管理中，需要估計系統(tǒng)建設(shè)的投資效益評估系統(tǒng)建設(shè)的風(fēng)險性和必要性制定系統(tǒng)的建設(shè)進度安排，保證系統(tǒng)建設(shè)的高效性建立系統(tǒng)建設(shè)的組織機構(gòu)和進行人員協(xié)調(diào)二、GIS設(shè)計的理論基礎(chǔ)（一）GIS工程學(xué)特點

（二）GIS工程學(xué)體系（三）GIS工程學(xué)的基礎(chǔ)理論GIS工程學(xué)的產(chǎn)生

地理信息系統(tǒng)是自60年代產(chǎn)生以來，經(jīng)過大規(guī)模的科學(xué)試驗、技術(shù)創(chuàng)新、數(shù)據(jù)積累和商品化、產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)在已經(jīng)過入工程化應(yīng)用階段。

隨著GIS技術(shù)的成熟度與商品化程度不斷提高，應(yīng)用實踐過程中的勞動分工不斷細化，應(yīng)用的廣度、深度、復(fù)雜度與社會經(jīng)濟影響不斷增加，如何優(yōu)化配置各種資源，有效地組織GIS建設(shè)過程中各個環(huán)節(jié)、各個部分相互的時序與協(xié)作關(guān)系，發(fā)揮GIS的綜合功能和整體效益，越來越成為GIS建設(shè)中面臨的重大問題。這樣的實踐問題提出了引入系統(tǒng)工程學(xué)思想和方法的客觀需求，推動著GIS建設(shè)的工程化和GIS工程學(xué)發(fā)展進程。GIS工程學(xué)是應(yīng)用系統(tǒng)工程的原理和方法，研究有效組織和管理GIS工程規(guī)劃、設(shè)計、實施、評價、維護和業(yè)務(wù)運行的學(xué)問。GIS工程學(xué)是在GIS應(yīng)用不斷深入和系統(tǒng)思想逐漸引入的基礎(chǔ)上，由地理信息科學(xué)、地理學(xué)、地球系統(tǒng)學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、市場學(xué)、GIS技術(shù)、遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、電子計算機技術(shù)和通訊技術(shù)等科學(xué)技術(shù)相互滲透而發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科。GIS工程學(xué)的定義作為一門獨立的學(xué)科，GIS工程學(xué)具有自己獨特的研究對象、學(xué)科定位、思想原則、科學(xué)基礎(chǔ)、理論框架和方法論。GIS工程學(xué)的研究對象是GIS工程建設(shè)與管理。大型GIS建設(shè)是一涉及計算機軟件、硬件、數(shù)據(jù)和人力資源的復(fù)雜工程。因此，必須運用系統(tǒng)工程學(xué)的理論和方法，立足于整體，通觀全局，將系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合有機地結(jié)合起來，采取定性和定量相結(jié)合的方法，充分借鑒和吸取其它領(lǐng)域工程化建設(shè)的經(jīng)驗與成果，探討出一條適合分析和解決地理相關(guān)問題，具有GIS特色的工程化建設(shè)、管理的模式與法則，建立系統(tǒng)化、理論化的GIS工程學(xué)，以指導(dǎo)需求不斷增長、規(guī)模不斷擴大的作為全球信息化重要的內(nèi)容的GIS工程建設(shè)實踐。GIS工程學(xué)的研究對象GIS工程學(xué)本質(zhì)上是系統(tǒng)工程方法論與GIS建設(shè)實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，是GIS工程設(shè)計和實施工作中一般性法則的抽象和概括，是GIS工程建設(shè)的組織管理技術(shù)，是GIS工程建設(shè)中的科學(xué)方法論，是跨越各門學(xué)科的方法性、綜合性的應(yīng)用學(xué)科。GIS工程學(xué)的出現(xiàn)也是GIS應(yīng)用中勞動分工和學(xué)科演化的結(jié)果。GIS工程學(xué)在促進GIS的推廣應(yīng)用，加快GIS軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方面具有十分重要的意義，可以看作是GIS設(shè)計的方法學(xué)GIS工程學(xué)特點GIS工程學(xué)特點有：以空間信息系統(tǒng)工程優(yōu)化為目的橫跨多學(xué)科直接面向決策，為可持續(xù)發(fā)展提供決策支持與GIS產(chǎn)業(yè)化密切聯(lián)系GIS工程學(xué)體系任務(wù)運用系統(tǒng)論的理論和方法，實現(xiàn)GIS工程的最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)管理和最優(yōu)運行，以求得系統(tǒng)總體最優(yōu)化基礎(chǔ)理論系統(tǒng)學(xué)地理信息科學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)……方法論根據(jù)理論形成的一系列程序化的基本操作技術(shù)與方法系統(tǒng)工程學(xué)創(chuàng)始人之一霍爾（A.D.Hall）的三維結(jié)構(gòu)（如圖所示）目前比較經(jīng)典的、影響較大的一種系統(tǒng)工程基本方法將系統(tǒng)工程活動的方法體系分為前后緊密銜接的七個步驟和七個階段同時考慮為完成各個步驟和階段所需的各種專業(yè)知識

GIS工程三維結(jié)構(gòu)圖擇維邏輯維系統(tǒng)優(yōu)化與方案選知識維問題定義指標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)分析問題模型化計劃實施系統(tǒng)綜合意向階段規(guī)劃階段擬訂方案階段編制總體方案階段系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計與研制階段調(diào)試階段安裝階段業(yè)務(wù)運行階段時間計算機科學(xué)地理學(xué)測繪學(xué)遙感學(xué)管理科學(xué)地理信息科學(xué)GIS工程學(xué)的基礎(chǔ)理論（1）系統(tǒng)學(xué)思想系統(tǒng)可以定義為由相互作用、相互依賴的若干組成部分（要素）構(gòu)成的具有一定功能的有機整體每一個系統(tǒng)都有其獨特的層次結(jié)構(gòu)、功能與環(huán)境GIS工程學(xué)的基礎(chǔ)理論（2）系統(tǒng)工程學(xué)“系統(tǒng)工程”這個專用名詞二十世紀(jì)四十年代由美國貝爾電話公司提出，后來逐漸發(fā)展成為一門組織管理技術(shù)。作為一門的新興學(xué)科，國內(nèi)外對于系統(tǒng)工程學(xué)的研究和論述很多，但至今仍沒有關(guān)于這門學(xué)科的統(tǒng)一的定義。一般認(rèn)為，系統(tǒng)工程是以大型復(fù)雜系統(tǒng)為研究對象，按照一定的目標(biāo)對其進行研究、設(shè)計、開發(fā)、管理和控制，以其達到總體效果最優(yōu)的理論和方法?？梢?，在系統(tǒng)科學(xué)體系結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)工程學(xué)屬工程技術(shù)類，是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科。GIS工程學(xué)的基礎(chǔ)理論（2）GIS工程學(xué)的基礎(chǔ)理論（3）地理信息科學(xué)1992年GoodChild首次提出研究地理信息的本質(zhì)特征與運動規(guī)律被劃分為三個層次地理信息科學(xué)被劃分為三個層次理論地理信息科學(xué)技術(shù)地理信息科學(xué)應(yīng)用地理信息科學(xué)為什么要學(xué)習(xí)GIS工程學(xué)1）地理信息系統(tǒng)越來越作為一組嵌入式部件被集成在更為綜合的計算機系統(tǒng)中去，需要從更高的層次總體上把握和設(shè)計整體的技術(shù)解決方案，而不是象以前過分強調(diào)各個系統(tǒng)的不同特征與相對獨立性2）涉及地理信息系統(tǒng)技術(shù)的各個要素，包括計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、人力資源、相關(guān)政策等，以及它們之間相互聯(lián)系更為復(fù)雜，使得具體的應(yīng)用過程中對它們的品質(zhì)和行為難以控制和維護3）一個應(yīng)用過程的若干施工階段或工藝流程之間的有機聯(lián)系與合理組織，非常困難；4）地理信息系統(tǒng)資源的共享與重用，是個大問題；5）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地理信息系統(tǒng)資源的合理分配、負(fù)責(zé)與安全性；6）對地理信息過程中空間信息傳播誤差和不確定性難以把握；7）由于對系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)控制和預(yù)算控制的不力，系統(tǒng)成本不斷攀升，開發(fā)周期不斷延長，系統(tǒng)建設(shè)難以為繼；8）技術(shù)系統(tǒng)革新對傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式和工作制度的沖擊，急需在系統(tǒng)建設(shè)過程中推行工程化的思想，指導(dǎo)各類地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用。為什么要學(xué)習(xí)GIS工程學(xué)三、GIS開發(fā)的一般過程1、系統(tǒng)分析可行性研究需求分析2、系統(tǒng)設(shè)計總體設(shè)計詳細設(shè)計數(shù)據(jù)庫與編碼設(shè)計3、系統(tǒng)實施編程實現(xiàn)測試培訓(xùn)4、運行評價運行維護系統(tǒng)評價四、GIS系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容（一）總體設(shè)計（二）軟件設(shè)計（二）數(shù)據(jù)庫設(shè)計系統(tǒng)目標(biāo)和任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)和模塊子系統(tǒng)設(shè)計軟硬件選型數(shù)據(jù)庫選擇1、GIS總體設(shè)計GIS軟件設(shè)計應(yīng)當(dāng)根據(jù)GIS工程學(xué)的設(shè)計思想來開展，使應(yīng)用GIS系統(tǒng)滿足科學(xué)化、合理化、經(jīng)濟化的總體要求GIS軟件設(shè)計的基本原則標(biāo)準(zhǔn)化先進性兼容性高效率可靠性通用性2、GIS軟件設(shè)計GIS軟件設(shè)計應(yīng)當(dāng)根據(jù)GIS工程學(xué)的設(shè)計思想來開展，使應(yīng)用GIS系統(tǒng)滿足科學(xué)化、合理化、經(jīng)濟化的總體要求GIS軟件設(shè)計的基本原則系統(tǒng)功能設(shè)計界面設(shè)計輸入輸出設(shè)計接口設(shè)計模型和方法設(shè)計2、GIS軟件設(shè)計GIS軟件設(shè)計的基本原則基本原則具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化符合GIS的基本要求和標(biāo)準(zhǔn)；符合現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范先進性硬件設(shè)備的先進性；軟件設(shè)計的先進性；技術(shù)方法的先進性；管理手段的先進性兼容性數(shù)據(jù)具有可交換性，選擇標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式和實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)與不同數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)共享高效性具有高效率的數(shù)據(jù)采集工藝方法和圖形處理能力、存取能力、管理能力等等可靠性保證系統(tǒng)正常運行以及系統(tǒng)運行結(jié)果的正確性通用性系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織靈活，可以滿足不同應(yīng)用分析的需求GIS軟件設(shè)計與一般信息系統(tǒng)設(shè)計的差異軟件設(shè)計一般信息系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計重心處理的是海量空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計在GIS設(shè)計中尤其重要軟件功能實現(xiàn)是其設(shè)計重心數(shù)據(jù)庫建設(shè)不僅要進行屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，更要進行空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，包括空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲方式、管理機制等只需要建立屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向、以空間數(shù)據(jù)為驅(qū)動進行系統(tǒng)設(shè)計以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以功能為驅(qū)動進行系統(tǒng)設(shè)計GIS軟件設(shè)計一般采用合適的軟件生存周期模型以圖表和邏輯表達式的形式來描述定義和生產(chǎn)兩個階段提供了一種有目的和有規(guī)劃的方式來建立質(zhì)量保證體系最常用的軟件生存周期模型是瀑布模型瀑布模型將軟件過程分為六個階段存在缺乏靈活性、軟件模塊重用性差、開發(fā)周期長、修改困難、難以維護等缺陷適應(yīng)不同軟件開發(fā)的需求，陸續(xù)出現(xiàn)了快速原型模型增量模型螺旋模型……瀑布模型各階段任務(wù)劃分情況表

階段名稱任務(wù)支撐標(biāo)準(zhǔn)文檔需求分析用戶需求調(diào)查、確定系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和用戶對系統(tǒng)的功能性能要求，分析系統(tǒng)建設(shè)的可行性需求分析報告項目管理方案設(shè)計對系統(tǒng)建設(shè)過程進行總體規(guī)劃，包括對工作區(qū)域和可用資源的規(guī)定、開發(fā)成本估算、開發(fā)平臺和開發(fā)工具選擇、工作任務(wù)和進度安排等內(nèi)容項目管理計劃方案書系統(tǒng)總體設(shè)計將系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計總體設(shè)計報告系統(tǒng)詳細設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計階段確定下來的軟件模塊結(jié)構(gòu)和接口描述具體地實現(xiàn)，得出實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)技術(shù)的精確描述詳細設(shè)計報告系統(tǒng)實施、運行和維護根據(jù)詳細設(shè)計報告的描述對系統(tǒng)的模塊、函數(shù)和界面進行實現(xiàn)，并試運行和進行系統(tǒng)調(diào)試，以及對系統(tǒng)進行日常的維護軟件代碼和系統(tǒng)維護報告數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是存儲、管理、處理和維護數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理員及相關(guān)軟件數(shù)據(jù)庫的核心是數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是一種形式化描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間聯(lián)系以及有關(guān)語義約束的方法，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作的集合完整性約束3、GIS數(shù)據(jù)庫設(shè)計地理數(shù)據(jù)庫是一種應(yīng)用于地理信息處理和信息分析領(lǐng)域的工程數(shù)據(jù)庫，它管理的對象主要是地理數(shù)據(jù)較為常用的是文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理模式ESRI公司推出的Geodatabase數(shù)據(jù)模型基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，在通用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上建立空間數(shù)據(jù)庫通過空間數(shù)據(jù)引擎進行訪問是一種較為優(yōu)越和高效的空間數(shù)據(jù)庫管理模式返回五、GIS規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化（一）GIS規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的作用

（二）GIS規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容1、GIS規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的作用實現(xiàn)信息共享，推進GIS發(fā)展的最基本保障避免簡單重復(fù)的系統(tǒng)開發(fā)工作方便了數(shù)據(jù)共享，節(jié)約了資源2、GIS規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容GIS規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的主要內(nèi)容包括GIS相關(guān)的名詞術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)與GIS軟件工程開發(fā)有關(guān)的各種標(biāo)準(zhǔn)化活動與GIS數(shù)據(jù)庫建設(shè)有關(guān)的活動與GIS數(shù)據(jù)共享有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作從以下方向?qū)嵭蠫IS規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)地理信息標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GIS的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)（1）地理信息標(biāo)準(zhǔn)投影、坐標(biāo)系空間信息分類和編碼數(shù)據(jù)模型（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量GIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)的概