毕业论文GIS技术的设计研究与开发应用.doc

分 类 号 密 级 U D C 编 号 毕业论文GIS技术的设计研究与开发应用毕业生姓名： 指导教师姓名、职称： 工 程 领 域 名 称： 研 究 方 向： 2010年9月17日摘 要近年来，GIS广泛应用于各行各业，伴随着“数字地球”提出，“数字城市”、 “数字油田”等建设已初具规模。“数字供水”作为“数字油田”的重要组成部分自然备受关注。为此开发一套完整的、适应油田供水业务需求的数字化管网管理系统尤为必要。本文主要分析研究了地理信息系统在各个领域的设计、开发与应用。关键词: 地理信息系统；开发；设计；应用 SummaryIn recent years, GIS is been extensive to apply in every trade, accompanying with the " arithmetic figure the Earth" put forward," arithmetic figure city"," arithmetic figure oil-field".etc.、developments are already early to set up the scale." the arithmetic figure supplies water" the importance of the conduct and actions" arithmetic figure oil-field" constitutes parts of natures highly anticipated.Develop for this a set of complete, the orientation oil-field supplies water the arithmetic figure of the business need turns to take care of the net the management the system particularly for necessity.The main analysis in this text studied the geography information system development in each realm, design and application.Keywords: Geography Information System, Design, Development, Application目 录摘 要1目 录3第1章 GPS系统概述61.1概述6第2章 GIS的基本功能与特点72.1数据的获取72.2数据存储与管理72.3数据处理与分析82.2数据显示与输出8第3章 GPS的应用领域有那些？103.1 GIS用于全球环境变化动态监测103.2 GIS用于自然资源调查与管理103.3 GIS用于监测、预测103.4 GIS用于城市、区域规划和地籍管理103.5 GIS的军事应用103.6 GIS资源管理(Resource Management)113.7资源配置(Resource Configuration)113.8城市规划和管理（Urban Planning and Management）113.9应急响应(Emergency Response)113.10地学研究与应用(Application in GeoScience)113.11商业与市场(Business and Marketing)113.12基础设施管理(Facilities Management)113.13选址分析(Site Selecting Analysis)113.14网络分析（Newwork System Analysis）123.15可视化应（Visualization Application）123.16 其他12第4章 GIS的开发方法与设计134.1 应用型GIS的开发过程134.1.1可行性研究134.1.2系统总体设计134.1.3系统详细设计144.2方法简介144.3概要设计14第5章 GIS系统研究的新进展165. 1 稳定、快速的GIS 数据采集和数据更新体系165. 2 GIS 空间数据的质量与不确定性分析165. 3 3D 地理信息系统(3DGIS) 的研究165. 4 GIS 时空系统(spatio - temporal system) 研究165. 5 GIS 空间数据查询语言的研究175. 6 GIS 空间数据共享和数据标准研究185. 7 地理计算( GeoComputation)185. 8 构件式地理信息系统ComGIS 研究195. 9 万维网地理信息系统WebGIS 研究195. 10 空间数据可视化与虚拟现实研究可视化(Visualization) 和虚拟现实(VR) 是GIS发展中涉及的一个重要技术问题19第6章 GIS系统研究的新进展196.1 对于做应用来讲，二次开发展具有的优点206.2 GIS二次开发方式21第7章 总结和发展22参考文献23致谢24第1章 GIS系统概述1.1概述地理信息系统 (GIS, Geographic Information System) 是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使 GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人 企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值 。 物质世界中的任何事物都被牢牢地打上了时空的烙印。人们的生产和生活中百分之八十以上的信息和地理空间位置有关。地理信息系统（ Geographic Information System, 简称 GIS ）作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。由于信息技术的发展，数字时代的来临，理论上来说，GIS可以运用于现阶段任何行业。从技术和应用的角度， GIS 是解决空间问题的工具、方法和技术；从学科的角度， GIS 是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系；从功能上， GIS 具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；从系统学的角度， GIS 具有一定结构和功能，是一个完整的系统。简而言之， GIS 是一个基于数据库管理系统（ DBMS ）的分析和管理空间对象的信息系统，以地理空间数据为操作对象是地理信息系统与其它信息系统的根本区别。GIS即地理信息系统（Geographic Information System），经过了40年的发展，到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术，并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年，GIS更以其强大的地理信息空间分析功能，在GPS及路径优化中发挥着越来越重要的作用。GIS地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。GIS与其他几种信息系统密切相关，但由于其处理和分析地 理数据的能力使其与它们相区别。尽管没有什么硬性的和快速的规则来给这些信息系统分类，但下面的讨论可以帮助区分GIS和桌面制图、计算机辅助设计CAD、遥感、DBMS、以及 GPS技术。地理信息系统在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。 (加测绘、应急、石油石化等国民经济各个领域。)第2章 GIS的基本功能与特点GIS具有四项基本功能，数据获取、数据存储与管理、数据处理与分析、数据显示与输出，以及GIS的特点。2.1数据获取数据的获取包括数据的采集与输入，即将系统外部的原始数据传输到系统内部，并将它们从外部格式转换为系统能够识别和处理的内部格式存储于系统的地理数据库中。GIS所需的原始数据分为空间数据和属性数据两类，空间数据是指图形尸体数据，常采用的输入方法和键盘输入，利用数字化仪和扫描仪进行数字化和扫描化等，属性数据是指空间实体的特征数据，一般采用键盘输入，现在人们正视图着将遥感（RS）、 定位技术（GPS）地理信息系统相结合，这就为GIS的数据获取提供了史先进史丰富的手段，遥感数据和图像现已成为了GIS数据的数据来源，而GPS可同时测定空间实体的三维坐标，并可在不同作业和处理方法的支持下达到各种要求的精度，这将推动GIS数据获取技术的发展。2.2数据存储与管理 GIS的数据分为栅格数据和矢量数据两大类。数据的存储，即是把这些数据以某种形式记录在计算机的内部或外部存储器上，目的是使计算机能够灵活、高效、快速地访问并处理这些数据，关键就在于如何建立记录的逻辑顺序以确定存储的地址。一般而言，GIS系统都采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分为若干层。整张地图正是所有层的叠加结果。这样用户操作时就只涉及到一些特定的层，而不是整幅地图，因而系统能对用户的要求做出迅速反应。另外，随着GIS的发展，在实现多媒体地理信息系统时，如何合理地存储海量的图、文、声信息就成为首先要解决的存储技术难题，目前可考虑的是采用多媒体中的关盘技术，特别是可读写关盘的存储和读取数据的速度不断提高，为地图有声化、图像视盘等地理信息系统产品提供了可靠的存储介质保证。GIS的数据管理包括图形库管理和属性库管理。根据图形数据的几何特点，可将其分为点数据、线数据、面数据和混合性数据4种类型，混合性数据是由点状、线状与面状物件组成的更为复杂的地理构建或地理单元。地图数据的一个重要特点是它含有拓扑关系，即网结构元素中结点、弧段和面元之间的邻接、关联与包含关系等，这是地理实体之间的重要空间关系。图形数据的构模包括矢量数据模型和面片数据模型。两者之间的连接方式目前有：专题属性数据作为图形数据的悬挂体、用单项指针指向属性数据、属性数据与图形数据采用统一的结构、图形数据与属性数据自成体系。2.3数据处理与分析数据处理包括两方面工作：一是对输入的数据进行质量检查与纠纷，包括图形数据和属性数据的编辑、图形数据和属性数据之间对应关系的校验、空间数据的误差校正等；二是对输入的图形数据进行整饰处理，使其满足地理信息系统的各种应用要求，如对矢量数据的压缩与光滑处理、拓扑关系的建立、矢量删量数据的相互转化、地图裁减及拼接等。空间分析是地理信息系统的核心研究内容之一，也是其与计算机辅助设计(CAD)、计算机输注绘图系统（CAC）主要区别之所在。空间分析是指根据确定的应用分析模型，通过对空间图形数据的拓扑运算及空间、非空间属性数据的联合运算等各种操作运算来分析一定区域的各种现象，以获得更有效地数或某一特定问题的解决方案。通过空间分析，GIS可以从已知的数据中发现隐含的重要结论，从而回答用户提出的问题。从宏观上看，空间分析主要包括拓扑分析、属性分析、拓扑与属性的联合分析三个方面，主要表现在数据检索及表格分析、迭加分析、缓冲分析及网络分析上。2.4数据显示与输出即将用户所需的经GIS处理分析过的图形，数据报表、文字报考、数学数据以用户能够识别的形式灵活的显示出来。可以采用的输出设备有计算机显示器、打印机、绘图仪、照排机等。在输出之前一般还应进行数据校正、误差调整，平整排版及不同系统之间的数据转换等操作。2.5GIS的特点1. 空间可视化(Spatial Visualizaiton) a. 空间地物轮廓特征的可视化 信息系统是对现实世界的计算机模拟，而地理信息系统则突出了它对现实世界空间关系的模拟。使用我们对于在空间中各事物的状态有一个非常直观的感受。无论是在屏幕上展示一幅可以无级缩放和信息查询的地图，还是展现一幅三维的地形模型，都使我们对现实世界空间关系的认识更为直观、具体。或许我们可以用计算机科学中常用的“所见即所得”一词来解释这一点。 b. 具有空间参照特点的地物专题属性信息的可视化地理信息系统的空间可视化功能还包括对空间分布的地物的属性信息的图形可视化，这一点是由地理信息系统的一个重要特征来保证的，即GIS实现了空间信息和属性信息的集成管理，并能够完善地建立二者之间的联系。例如，利用一张中国的行政区划图，我们可以从地理信息系统数据库中提取各省、直辖市、自治区1994年的人口统计数据，计算人口密度，并按人口密度的分级指标指定不同的色彩和填充方式显示行政区所对应的图斑(这实现上是一个从属性到空间的关联过程)，这样空间地物的专题属性特征就可以通过地理信息系统工具实现具有空间参照信息的可视化。 2. 空间导向(Spatial Navigation) 利用地理信息系统，我们不仅可以纵览研究区域的全域，还可以利用缩放和漫游等GIS所提供的基本功能深入到我们更感兴趣的区域去研究。 一个完善的地理信息系统提供了空间数据库功能，使用我们可以以小比例尺查看全局，以中比例尺查看局部，以大比例尺查看细部。在比例尺不断增大的同时，展现给用户的空间信息内容会不断更新。例如在浏览一个行政省全局时，只需要显示大的河流、省级公路铁路以及市县级行政分区图斑等全局信息，而随着比例尺的不断增大，就需要显示宗地、建筑物、公园等具体的空间地物。这些与地图学中强调的制图综合的概念是相似的。 地理信息系统的空间导向功能还可以从空间查询功能中得到体现。例利用一张省级土地利用图，我们可以通过空间查询找到“城市中的公园”，并即时将地图的显示范围缩放到所有“公园”空间分布的范围内，这样同样是空间导向作用的体现。 3. 空间思维(Spatial Thinking) 地理信息系统的空间数据库在存贮各地物的空间描述信息的同时，还存贮了地物之间的空间关系，这一特点为进行空间分析提供了基础。 地理信息系统的空间思维，就是要利用GIS数据库中已经存贮的信息，通过GIS的工具(例如缓冲区分析、叠置分析)，生成GIS空间数据库中并求存贮的信息。 地理信息系统将许多空间分析工具集成起来，并提供二次开发工具。在进行空间分析时，用户将各种分析工具按所研究领域的专业模型组织成一个程序(即计算机可以识别和操作的思路)，交由地理信息系统完成，最后提供空间可视化的分析结果。 地理信息系统的空间思维功能使我们能够揭示空间关系、空间分布模式和空间发展趋势等其它类型信息系统所无法完成的任务。 城市与区域规划是地理信息系统技术体现空间思维特征的最典型的应用领域。 第3章 GPS的应用领域有那些？3.1 GIS用于全球环境变化动态监测11987年联合国开始实施一项环境计划（UNEP），其中包括建立一个庞大的全球环境变化监测系统（GEMS）； 2全球森林监测和森林生态变化有关项目(1990年对亚马逊地区原始森林的砍伐状况进行了调绘、1991年编制了全球热带雨林分布图）； 3海岸线及海岸带资源与环境动态变化的监测； 4全球性大气环流形势和海况预报等。 3.2 GIS用于自然资源调查与管理1在资源调查中，提供区域多条件下的资源统计和数据快速再现，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据； 2可应用于不同层次和不同领域的资源调查与管理（例农业资源、林业资源、渔业资源） 3.3 GIS用于监测、预测1借助于遥感（RS）和航测等数据，利用GIS对森林火灾、洪水灾情、环境污染等进行监视，例如，1998年长江流域发生特大洪水灾害期间，制作洪水淹没动态变化趋势影像图，为管理部门提供了有效的决策依据。 2利用数字统计方法，通过定量分析进行预测。如加拿大金矿带的调查，分析不宜再行开采的存在储量危机的矿山，优选出新的开采矿区，并作出了综合预测图。 3.4 GIS用于城市、区域规划和地籍管理1GIS技术能进行多要素的分析和管理，可以实施城市和区域的多目标开发和规划，包括总体规划、建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置等； 2城市和区域规划研究（研究城市地理信息系统的标准化、城市与区域动态扩展过程中的数据实时获取、城市空间结构的真三维显示、数字城市等）； 3地籍管理（土地调查、登记、统计、评价和使用）。 3.5 GIS的军事应用 1反映战场地理环境的空间结构；完成态势图标绘、选择进攻路线、合理配置兵力、选择最佳瞄准点和打击核心、分析爆炸等级、范围、破坏程度、射击诸元等。 2如海湾战争中，美国利用GIS模拟部队和车辆机动性、估算了化学武器扩散范围、模拟烟雾遮蔽战场的效果、提供水源探测所需点位、评定地形对武器性能的影响，为军事行动提供决策依据。 3美国陆军测绘工程中心还在工作站上建立了GIS和RS的集成系统，及时地（不超过4小时）将反映战场现状的正射影像图叠加到数字地图上，数据直接送到前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时服务。 4科索沃战争中，利用3S高度集成技术，使打击目标更精准有效。3.6 GIS资源管理(Resource Management)     主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场) 分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。3.7 资源配置(Resource Configuration)在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供 应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证 资源的最合理配置和发挥最大效益。3.8城市规划和管理(Urban Planning and Management)空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如， 在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、 公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。3.9应急响应(Emergency Response)解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员 撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。3.10地学研究与应用(Application in GeoScience)地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计 分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。ArcInfo系统就是一个很好的 地学分析应用软件系统。3.11商业与市场(Business and Marketing)商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场 的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法达到预期的市场 和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年 龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空 间分析和数据库功能可以解决这些问题。  房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进行决策和分析。3.12基础设施管理(Facilities Management) 城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、 电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。 它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。3.13选址分析(Site Selecting Analysis)根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、 环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是GIS的一个典型应用领域，充 分体现了GIS的空间分析功能。3.14网络分析(Newwork System Analysis)建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、 处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。  警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。3.15可视化应用(Visualization Application) 以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的 三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型 工程管理和仿真、旅游等领域。3.16 其他 GIS还在金融业、保险业、公共事业、社会治安、运输导航、考古、医疗救护等领域得到了广泛的应用。基于Map Objects的流域GIS系统开发及应用，基于ArcGIS Engine的三维GIS系统开发与应用，基于.NET和MapObjects开发应用GIS系统，基于PDA/GPS/GPRS的移动GIS在电力系统中的开发与应用，基于宽带光纤传送网的GIS管理系统的开发和应用等等。第4章 GIS的开发方法与设计4.1 应用型GIS的开发过程GIS的开发过程通常分为以下几个阶段：可行性研究、系统总体设计、系统详细设计、系统实现、系统运行和维护，并且应在一个阶段的工作完成后再进行下一阶段的工作，每一阶段的工作有其明确的完成标志，这样才能对GIS的开发过程进行严格而有效的管理。GIS各开发阶段的主要工作可简述如下：4.1.1可行性研究可行性研究的主要任务是通过大量的调查，确定GIS所要完成的任务，以及建成后所产生的效益，分析建立GIS的必要性和可能性。4.1.2系统总体设计1、确定系统的具体目标在对用户现有工作流程深入调查的基础上，应明确所建GIS的目标、规模、界限、主要功能、组织机构、业务流程、数据流程、数据存贮、z存在问题等，以确定所建系统的具体目标。根据所建系统对数据的使用、加工和处理过程，获得系统的数据流图。GIS是处理空间数据的，它的运行需涉及到大量的图形、表格、文档等数据，而数据流图代表了数据操作的逻辑模型，是对业务作业过程的一种有效反映，在GIS建设中具有重要作用。对数据流图中出现的所有空间数据、属性数据进行描述和定义，经形成了数据字典。数据字典应对数据流、文件、数据项、加工等名称、组成、取值范围、数据类型等进行详细的说明。2、确定系统的硬软件配置硬件在GIS的投资中占有不小的比重，应选择质量好、并有软件支持的设备。硬件设备主要包括计算机、存贮设备、数字化仪、绘图仪、扫描仪、打印机及其它外部设备。最后应绘出硬件设备配置图。对软件应选择功能强、价格合理、有升级能力，并符合硬件要求的产品。3、子系统及其功能设计一个大型的GIS通常包含若干个子系统，依据功能的聚散程度、进行过程的邻近性、行政管理机构的设置等划分子系统，并确定子系统的功能和子系统之间的接口，然后给出系统总体结构图。并将子系统的功能、接口方式、权限设置等记录在有关文档中。4、数据库设计GIS数据库设计重点是数据库的结构。需要确定空间数据库和属性数据库的结构，以及空间数据库和属性数据的连接关系、当选择了GIS的开发平台软件（如ARC/INFO）时，应根据其提供的数据库管理系统进行设计。4.1.3系统详细设计1、功能模块设计在确定了子系统的划分后需进行进一步确定子系统由哪些模块构成，以及模块之间的接口、模块实现的方案、及其它技术细节。在模块设计完毕后，应绘出各模块的结构图。以详细描述各模块的功能、内容、接口等。在模块划分和设计时，应使各模块功能特点清楚、各弄快应尽量相互独立、模块之间关系清晰、易于实现和操作等。2、数字化方案设计根据GIS不同数据的要求，确定数字化方案。例如数字化时的要素分层、关系处理、精度要求、作业步骤等。从地图上采集数据的数字化工作通常包括：原图检查与准备、数据采集、数据文件生成、格式转换、数据编辑、属性表建立、属性匹配、注记输入、对照检查、屏幕修改、进行数据库等。3、输入输出设计确定哪些设备进行输入，哪些设备进行输出，输出哪些内容，输入输出数据的格式，以及接口软件的设计等。4、用户界面设计用户界面在GIS中的地位越来越高，不仅要方便用户的操作，而且要尽可能与当前流行的操作界面一致。在界面设计时，应对图面布局内容、色调搭配、菜单形势、对话方式等加以说明。用户界面一定要简明，并以用户熟悉的专业或自然语言来表达GIS的功能和操作。5、系统的实现（1）软件设备的安装与调试（2）备和数据库建立（3）与调试（4）调与实验（5）验收（6）培训6、运行于维护4.2方法简介对于大型和复杂的软件系统，为了保证软件的质量，降低开发费用，提高系统开发的成功率，必须借助科学的软件开发方法，常用的有生命周期法和原型法。软件产品从形成概念开始，经过了定义、开发、维护，直到最后被淘汰的这一漫长的过程称为软件的生命周期。 生命周期法德特点是对软件需求的严格定义，以减少开发的盲目性、但是，并非所有的需求都是可以预先定义的，这时生命周期法就不能适应了。因此提出的原型法。原型法德基本思想是，应用开发工具或高层次的开发语言快速地建立一个基本符合用户需求的交互式系统。4.3概要设计1.要设计的任务是建立系统的总体结构。先把整体系统分成若干个子系统，子系统通常由它所能提供的服务来决定，如输入、输出、管理、查询、编辑、图像处理等，但每次分解的子系统数目不能太多。个子系统又可进一步分解为更小的子系统（功能模块）。在总体结构建立后，应对各子系统和模块进行功能描述和接口描述，并设计数据库和数据结构，进行全局资源的分配（如内存、屏幕空间），以及制定子系统的测试计划等。对于面向对象的GIS工具软件，很重要的一点是如何建立面向对象的空间数据库管理系统。如果直接以面向对象的方法从底层开始开发，工作量和难度都是巨大的;如果通过对现有关系数据库的改造来实现（如允许关系表的数据项为另一表等），也是极为困难的，从技术力量考虑也是很难达到的。因此可考虑在现有的关系数据库之上建立一面向对象层，把对象映射到关系数据库的关系表中。这样虽然会降低一些数据库的性能，因为面向对象层要把面向对象的数据库操作翻译成关系型的数据库操作，必然有相当的开销，并可能会造成相当的困难，但在当前还没有通用的、适合于空间数据库系统的情况下，这不失为一个好的解决办法。同时，用这种方法也可方便地使用原来关系型的GIS数据库中的数据。2.详细设计详细设计主要是指对象设计，即确定类的完整定义，并确定操作的算法。对象设计基础是对象模型、动态模型和功能模型。在对象设计时，可增加为实现而必须的内部对象，并对数据结构和算法进行优化，以提高效率。随着设计的深入，经常需要重新修正类及操作，以提高继承的层次，应注意把修改结果及原因记录在案。在系统设计阶段结束时应提交总体结构说明书、数据库设计说明书、子系统和模块测试计划，以及对类和操作的优化策略等文档。3.面向对象GIS工具软件的实现在面向对象的软件开发中，具体实现(即用具体的程序设计语言和数据库管理系统来实现)在开发周期中仅占相对较小的构成部分。在实现时应考虑如何重用现有的软件构件，以及在开发过程中如何提取可重用的软件机构。在具体编程实现时，应对程序设计提出明确的规范，必要时进行统一培训。为了保证GIS工具软件的质量，应进行严格的测试。、除了由研制人员自行测试外，应成立一个独立的测试小组，负责软件的测试工作，且所有测试结果应记录下来。由经过测试后的软件构件组成模块，经过测试后的模块组成子系统，经过测试的子系统组成整个系统。对整个系统应进行系统测试，并撰写测试分析报告，以及最终的用户手册和操作手册。4.软件维护软件维护时软件已交付使用后。为改正错误或满足新的需求而最终修改软件的过程。对于GIS工具软件，必须建立专门和稳定的维护机构，否则，当一个版本的工具软件研制成功后。将不会有新的版本软件推出。这样,GIS开发工具就没有了生命力。第5章 GIS系统研究的新进展 进入21 世纪以后,地理信息系统主要的基础理论和技术研究热点有了新的变化,代表了地理信息系统研究的新进展,主要归纳如下:5. 1 稳定、快速的GIS 数据采集和数据更新体系 GIS 数据的来源可以包括:野外数字化采集系统、地图扫描矢量化采集系统、局域和广域差分GPS 数据采集系统、遥感数据采集和更新系统、数字摄影测量数据采集系统等。对于每一种数据采集系统的研究都将设计许多具体内容,数据源采集和更新体系是GIS 理论和技术研究的首要问题。5. 2 GIS 空间数据的质量与不确定性分析 数据和软件是GIS 走向产业化的前提,同时GIS 空间数据的质量直接影响GIS 的分析和应用,影响了GIS 的生存和发展。当前GIS 空间数据的精度分析与质量控制研究中,从手工数字化数据采集质量到扫描数字化数据质量、从矢量数据误差模型研究到影象数据分类和分析质量研究、从空间位置数据质量研究到空间属性数据质量研究、从数据误差传播分析到数据误差模型的可视化、从模拟数据不确定性分析到批量数字产品生产的质量控制和抽样检验等的变化可看出GIS 数据质量不确定性研究的对象越来越广,内容越来越多。 5. 3 3D 地理信息系统(3DGIS) 的研究 在传统的二维(2D) GIS 中,通常是将垂直方向的信息抽象成一个属性值,如DTM 中的高程,然后进行空间操作和分析。如果在垂直方向上的采样多于一个,如:资源勘探中在一个钻孔中的多个采样,2DGIS 则难以处理。在这种场合下具有真三维(3D) 处理和分析功能的GIS 系统是必需的。而所谓的3DGIS 就是在二维GIS 的基础上对具有三维地理参考坐标的地理信息输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟操作的计算机系统。目前3DGIS 的数据结构研究比较多。基于体素的(Voxel2based) 三维系统比较成熟,广泛用于石油勘探中;基于矢量数据的系统模型处于研究中,例如四面体或边界表示的矢量方法、八叉树与TIN 的混合结构、八叉树与TEN 的混合结构、面向对象的矢量与栅格一体化结构等。目前3DGIS 的数据模型研究有两个方向:第一是利用三维几何和CAD 领域的可视化, 构成3DGIS 中交互式的模型和可视化功能;第二是开发3DGIS 数据管理和空间分析功能,它从数据库方面进行考虑,这两个方面的结合以及迅速发展的虚拟现实技术将产生新的3DGIS 数据模型。 5. 4 GIS 时空系统(spatio - temporal system) 研究在许多应用领域中,如环境监测、地震救援、天气预报等,空间对象是随时间变化的,而这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。过去GIS 忽略时态主要是受器件的限制,也有技术方面的原因。近年来,对GIS 中时态特性的研究变得十分活跃,即所谓“时空系统”。 根据处理时间和有效时间的划分,可以把时空系统分为4 类:静态时空系统(static ST system) 、历史时态系统( historical ST system) 、回溯时态系统(rollback ST system) 和双系统( bitemporal ST sys2tem) 。时空系统主要研究时空模型,时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。目前比较流行的做法是在现有数据模型基础上扩充,如在关系模型的元组中加入时间,在对象模型中引入时间属性。 5. 5 GIS 空间数据查询语言的研究 GIS 数据描述的是空间信息,一般包括位置、属性和时间三个方面。在GIS 应用中,使用最广泛的是空间数据的查询,有时查询某一个图形,有时是查询空间图形之间的相互关系。目前许多GIS 软件提供的是常用的关系数据库结构化查询语言(SQL) ,而关系数据库结构化查询语言有其固有的缺陷,例如:不支持空间概念特别是空间关系、空间对象的查询结果不能用空间图形的方式有效地显示给用户以及不支持元数据查询、知识查询、定性查询和基于图形对象的查询等。 当前对空间查询语言的研究包括:(1) 空间结构化查询语言( Spatial SQL) 。它是在关系型SQL 上发展起来的,不仅能完成空间数据的查询,而且能表达查询结果。其形式为: (空间数据库查询语言)SQL + (目标表示语言) GPL = Spatial SQL 。(2)可视化查询语言。将查询语言的操作对象和过程及其空间关系等,用直观的图形或表格显示给用户,构成可视化查询语言。(3) 自然查询语言。引入自然语言的概念,使查询语言的描述更接近自然语言,另外用模糊数学方法将模糊概念量化为确定的范围,实现具有能理解模糊概念的查询。 5. 6 GIS 空间数据共享和数据标准研究 现有GIS 软件与应用都有自己的数据格式和数据标准,不同GIS 软件之间还不能直接读取和操纵其他GIS 软件的数据,而必需经过数据转换。所以在GIS 的建设和发展中对空间数据共享和数据标准化问题迫切需要进行研究。一方面国家和行业部门指定自己的外部交换数据标准,要求采用公共的数据格式,以解决不同 GIS软件之间空间数据的转换问题:另一方面指定空间数据相互操作协议(OGIS) ,指定一套大家能够接受的空间数据操作函数(API) ,软件开发商必须提供与这一API 函数一致的驱动程序,这样不同的软件就可以操作对方的数据。目前已有几个重要空间数据转换标准:DIGEST数字地理信息交换标准(Digital Geographic Information Exchange Standard) 由北大西洋公约组织NATO 的数字地理信息工程组DGI2WG制定,可以处理栅格、矩阵和矢量数据的转换(含拓扑结构) 。STDS空间数据转换标准( Spatial Data Transfer Standard) 由美国地质测量协会USCS 制定,是一种不同计算机体系中空间数据的转换标准。OGIS开放地理数据互操作规范(Open Geodata Inferoperdility Specification) 是通过各软件开发商提供的与其定义的API 函数一致的驱动来实现的,从而使得不同软件可操纵对象的数据。 5. 7 地理计算( GeoComputation)上个世纪未围绕GIS 所做的研究和大量工作基本是围绕建立庞大的空间数据库,以及建