地理信息系统的设计与评价.ppt

第七章 地理信息系统的设计与评价,第一节 应用型GIS设计概述第二节 应用型GIS的设计第三节 地理信息标准化第四节 GIS评价,一、系统设计的目的,工具型地理信息系统 工具型地理信息系统是一种通用型GIS，它具有GIS的一般功能和特点，向用户提供了一个通用的GIS操作平台或开发工具。,工具型GIS设计的侧重点总体结构和功能设计；确定软硬件的运行环境和选择合适的开发工具；系统数据结构设计；用户界面设计；各子功能模块设计与系统集成；程序编制与优化调试。,第一节 GIS设计概述,2.应用型地理信息系统 应用型GIS实在比较成熟的工具型GIS基础上，根据用户的需求和目的而设计的一种解决一类或多类实际问题的地理信息系统，它具有特定的用户和应用目的,具有为满足专门用户专门需求而开发的地理空间实体数据库和应用模型,它继承工具型地理信息系统开发平台提供的大部分功能和软件,以及具有专门开发的用户应用界面。,第一节 GIS设计概述,应用型GIS设计的侧重点,1）需求分析;2）总体结构设计;3）软件配置,包括选择合适的工具型GIS软件;4）数据来源信息分类规范标准和内容的确定;5）数据库结构设计;6）应用方法选择和应用模型设计;7）用户界面设计;8）数据标准化和数据质量保证等等。,第一节 GIS设计概述,二、系统设计的模式,1.结构化的系统设计模式 地理信息系统最早的设计模式，是Calkins在1972年由国际地理学会地理数据收集和处理委员会主持召开的地理数据处理学术会议上提出来的，后来又经过了几次修改和补充。这个最早的设计模式称为结构化的系统设计模式，由四个组成部分构成，见下图。,第一节 GIS设计概述,系统设计模式概念框图,第一节 GIS设计概述,1）通过访问用户，调查用户的需求和数据源，确定系统的目的、要求和规定；2）描述和评价与系统设计过程有关的资源和限定因素，例如现有的硬件、软件和有关的政治和法律因素；3）说明和评价所拟定的不同系统,这些系统能够满足所规定的要求；4）对拟定的系统作最后的评价,从中选择一个运行的系统。,系统设计模式下，各阶段的主要任务,第一节 GIS设计概述,强调对用户的调查和系统功能需求的分析。在系统设计的各个阶段都要写成有关的文件，以便进行评价，以及用户要参与系统的设计，以免系统设计的失误。该设计模式是假定系统的大部分组成（除了硬件以外，包括所有的软件和数据库）都要由系统设计人员来完成，有时甚至包括处理空间数据的某个专门的硬件。,系统设计模式的主要特点,第一节 GIS设计概述,2、结构化的系统评价模式,自从结构化的系统设计模式诞生以来，地理信息系统的开发已经取得很大的进展。现在，不但有许多处理空间数据的重要软件，而且有现成的系统和空间数据库，因此对原来的地理信息系统设计模式有了一定修改，形成了结构化的系统评价模式，见右图。,第一节 GIS设计概述,结构化的系统评价模式 强调对现有的各个组成部分（包括硬件、软件和数据库）进行深入、认真的评价，以研究其满足系统功能的程度，保证所设计系统的使用可靠，及有效地处理数据和使用周期长等要求。结构化的系统评价模式下，各阶段的主要任务1）目的与任务指出该系统的目的,谁是主要的用户，以及如何使用该系统。关于任务，要说明所要完成的工作。,第一节 GIS设计概述,2)概念的定义 介绍系统的各个主要组成部分，分别按照输入、输出、主要的过程和数据库，来说明系统的基本结构，包括主要模块、系统开发的主要资源、主要的限制条件等。3)功能的要求具体说明该系统要做什么,对每一种功能要求都要说明。(1)输入(来源、数据、频率)；(2)输出(格式、数据量、用户)；(3)功能需要的处理步骤；(4)功能成功的实现所需要的条件；(5)功能生成的数据。,第一节 GIS设计概述,(1)系统的正常操作条件；(2)重点测试,包括最坏情况和极端操作情况；(3)逻辑测试,指检查各种可能的逻辑条件；(4)线路测试。(5)硬件、软件和数据库的测试，是对系统进行总体评价的最后阶段。,4)性能测定,对每个组成部分分别进行测试。具体测试的内容包括：硬件、软件模块、数据库的质量控制等。,第一节 GIS设计概述,三 GIS设计的流程,系统分析：立项、调研、可行性分析、用户需求；系统设计：总体设计、详细设计、数据库设计；系统实施：软件开发、建库、组装、试运行、诊断；系统运行与维护：系统交互使用和更新。,主要阶段,第一节 GIS设计概述,第一节 GIS设计概述,生命周期法：系统设计按阶段进行，预先规定每一阶段的开发目标和任务，然后按照一定的准则顺序开发实施，这种方法称生命周期设计法。原型化设计法：根据用户提出的需求，由用户与开发人员共同商定其中重要和基本的开发目标，然后选择一个试验区，设计初步方案，在较短时间内开发出一个能满足用户基本需求的初步原型，交用户试用，经过一段时间的运行后，根据用户意见对原型加以修改或扩充，产生一个新的原型版本，如此反复直至最后形成一个比较完善的应用型GIS。,一、系统分析,基本思想：是从系统观点出发，通过对事物进行分析与综合，找出各种可行的方案，为系统设计提供依据。任务：是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案。,第二节 地理信息系统设计,用户需求调查的主要内容有：（1）who（2）what（3）why（4）where（5）quality用户调查一般采用访问、座谈等方法。,二、系统设计,1、总体设计 总体设计又称为逻辑设计，是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的软硬件配置，技术规范，经费预算与时间安排，以保证系统总体目标的实现。最后撰写系统总体设计方案。,第二节 地理信息系统设计,总体设计的主要内容（1）用户需求（2）系统目标（3）总体结构（4）系统配置（5）数据库设计（6）系统功能（7）经费和管理,2、详细设计 详细设计又称为实际设计，其任务是根据总体设计方案确定的目标和阶段开发计划，紧密结合特定的硬件、基础软件和标准规范，进行子系统和数据库的详细设计，用于具体指导系统的开发。,详细设计的主要内容包括：（1）子系统设计：（2）数据库设计（3）功能模块设计（4）用户界面设计,三、系统实施,系统是实施在系统设计的原则指导之下，按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段、分步骤完成系统开发的过程。（1）系统硬件和软件的引进和调试（2）系统数据库建立（3）应用管理系统的开发（4）系统测试和联调（5）系统验收和鉴定,第二节 地理信息系统设计,四、系统运行和维护系统运行：指系统经过调试和验收之后，交付用户使用。系统维护：为保证系统正常工作而采取的一切措施和实际步骤:数据的维护：使系统的数据处于相对最新的状态；软件的维护：使软件能适应运行环境和用户需求的不断变化硬件的维护：使硬件能经常保持完好和正常运行的状态等。,第三节 地理信息标准化,标准和规范的制订其目的是为了统一表达，方便地将不同地点、单位的同类或异类的数据进行集成和应用，同时标准化和规范化是反映一个国家经济发展和科技进步的重要标志，也是保证信息交换与共享的前提。,一、意义和作用,第三节 地理信息标准化,地理信息技术标准化委员会,针对空间数据的应用以及“数字地球”研究需要，国际标准化组织成立了“地理信息技术标准化技术委员会”即ISO/TC211，该委员会的工作范围为数字地理信息领域标准化，其主要任务是针对地球上位置相关的目标或现象等信息制定标准，以便确定地理信息数据管理、采集、分析、查询、表示、以及在不同用户、不同系统、不同地方之间转换的方法和服务。,第三节 地理信息标准化,二、数据的规范化与标准化,标准化的内容：统一的名词术语内涵统一的数据采集原则统一的空间定位框架统一的数据分类标准统一的数据编码系统统一的数据组织结构统一的数据记录格式统一的数据质量含义统一的元数据标准,第三节 地理信息标准化,标准化内容的含义,1、统一的名词术语内涵：在所涉及的学科中使用规范统一的术语及含义；2、统一的数据采集原则：统计数据以统计部门为准：通常只采集和存储基本的原始数据，不存储派生数据；只采集权威性、科学性、现实性的数据。数据采集规范原则：遵照已颁布的规范标准。如：我国1:5001:2000地形图航空摄影规范、1:50001:10万地形图航空摄影规范、GPS测量规范等。,第三节 地理信息标准化,3、统一的空间定位框架(1)地理坐标：经纬度坐标。(2)投影坐标：与国家基本图系列所采用的投影相一致，即 1:1万-1:50万比例尺的图幅采用采用高斯-克吕格投影；小于1:100万比例尺的图幅采用等角圆锥投影。(3)网格坐标：包括基本、加密、合并和辅助4种格网。基本格网：分为3级 加密格网：在基本格网基础上再细分为6级 合并格网：以基本格网为基础，按需要将格网整倍数合并为5级 辅助格网：对1:1万-1:5万的数据文件，采用平面直角坐标作为辅助格网；对-格网均以经纬度的细分作为格网划分依据。,第三节 地理信息标准化,4、统一的数据分类标准,信息分类体系采用全国分类系统与详细的专业系统之间相递归的分类方案，即低一级的分类系统必须能归并和综合到高一级的分类系统之中。第一层：社会环境，自然环境，资源与能源3类第二层：依据环境因素和资源类型特征与差异分为14类第三层：按照二级分类包括的主要类型，作为第三级类别第四层：按照区域地理特点和用户需求，拟定区域的分类系统和每一专业类型的具体分类系统。,第三节 地理信息标准化,5、统一的数据编码系统,制定统一的编码标准实现地理要素的计算机输入、存储以及系统间数据的交换和共享。我国现有的信息编码系统有GB-2260-80编码、GB-2659-81编码和中华人民共和国邮政分区编码。地理信息及其属性的编码系统和标准要求有：(1)凡国家已实施的编码和标准，均按国家规定的执行。(2)编码设计要便于可靠识别，结构便于数据逻辑推理和判断。(3)编码不宜过长，一般为4-7位。(4)编码标准化，包括统一的码位长度、码位格式、明确的代码含义等。,第三节 地理信息标准化,6、统一的数据组织结构 指地理实体的数据组织形式及其相互关系的抽象描述。描述地理实体的空间数据包含空间位置、拓扑关系属性三个方面的内容。其组织结构分矢量和栅格数据结构。,7、统一的数据交换标准 包括：矢量、影像和格网3种空间数据及其元数据的交换标准。,第三节 地理信息标准化,8、统一的数据质量含义,数据质量是指数据对特定的分析、操作和应用的适宜程度。其含义包括数据的空间维、时间维和专题维的内容：数据完整性：要素完整性和属性的完整性数据一致性：逻辑一致性和拓扑一致性位置精度：包括绝对精度、相对精度、像元位置精度等时间精度：数据的现实性属性精度：指连续、有序值、标准值的精度等,第三节 地理信息标准化,9、统一的元数据标准,（1）基本识别信息：数据集的基本信息，如标题名称、地理范围等。（2）空间数据组织信息：用于表示数据集中空间信息的数据结构，如用于描述空间位置的方法以及数据集中空间目标的数目。（3）空间参考信息：数据集中坐标的参考坐标和编码方法的描述，如地图投影或格网坐标系统、水平和垂直基准以及坐标分辨率的名称和参数（4）实体和属性信息：主要包括数据集内容的信息，如实体类型、属性及属性赋值的范围。（5）数据质量信息：数据集质量的评定信息，如接边质量评价信息，位置和属性的精度、完整性、一致性以及数据生产的方法。（6）数据来源信息：关于获取数据集的信息，即分发者描述信息。（7）其他参考信息：包括元数据的现势性和应负责任等描述信息。,第三节 地理信息标准化,（1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档，并保证即使其主要工作人员变动时，也不会影响对数据情况的了解；（2）提供数据生产单位数据存储、分类、内容、质量、交换网络及销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；（3）提供通过网络对数据进行查询的方法和途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息；（4）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需要作出正确的判断；（5）提供有关信息，以便用户处理和转换接受的外部数据。,地理信息元数据可以用来辅助地理空间数据，主要作用为：,第三节 地理信息标准化,国际上几种著名的空间数据标准,二、标准化的制定,第三节 地理信息标准化,ISO/TC211 国际标准化组织ISO的TC211专题组，其主要任务是制订地理信息领域的标准化，并由五个工作组分别制订出一套结构化的相关标准。,第一工作组：负责框架和参考模型，承担地理信息的参考模型、综述、概念图解语言、术语、一致性测试等项目。第二工作组：负责地理空间数据模型和算子，承担地理信息的空间算子、空间子模式、时间子模式、应用模式规则等项目。,第三节 地理信息标准化,第三工作组：负责地理空间数据管理，承担地理信息的分类、大地参考系统、间接参考系统、质量、质量评价方法、元数据等项目。第四工作组：负责地理空间数据服务，承担地理信息的空间定位服务、地理信息描述、编码、服务等项目。第五工作组:负责专用标准，目前只承担专用标准一个项目。主要任务是确定在ISOTC211制订的全部标准的基础上，针对某项具体应用，提取出专用标准子集的方法和参考手册。,第三节 地理信息标准化,开放式地理数据互操作规范,开放式地理数据互操作规范Open GIS(Open Geodata Interoperation Specification)是由美国Open GIS协会(Open GIS Consortium,OGC)提出的。目的是制定一个能提供地理数据和地理操作的交互性和开放性软件开发规范，使软件开发者可以在单一的工作流中使用分布于网上的任何地理数据和地理处理。,第三节 地理信息标准化,开放式地理空间数据模型(Open Geodata Model,OGM)以数学和概念化的方法来表示地球及地球现象的通用数字化方法。定义了一系列通用的基本地理空间信息类型，基于这些基本空间信息内容，可以使用基于对象的程序设计方法或常用的程序设计方法，为不同的领域的地理空间数据建模。,第三节 地理信息标准化,Open GIS服务模型(OGIS Services Model,OSM)是一个在不同的信息团体之间实现地理空间数据获取、管理、操纵、表达以及共享服务的通用规范模型。它定义了一系列服务，这些服务可以获取和处理开放式地理空间数据模型中定义的地理空间信息类型，为使用同一种地理特征定义的用户团体提供地理空间数据共享，以及用户之间的地理空间数据转换能力。,信息团体模型(Information Communities Model,ICM)它使用OGM和OSM，来解决技术性的非互操作能力问题，以及公共团体的非互操作能力问题的框架。,第四节 GIS评价,评价目的：检查系统目标、功能及其它指标的实现情况，系统中各种资源的利用程度，找出系统的薄弱环节，提出改进意见。评价要素 系统评价从技术和经济两大方面对所设计的地理信息系统进行评定。基本做法：将运行着的系统与预期目标进行比较，考察是否达到了系统设计时所预定的效果。,第四节 GIS评价,评价内容：主要从技术和经济两个大的方面对一个地理信息系统进行评价。具体可对以下5个方面进行考察：,（1）系统效率：GIS中各种性能指标、技术指标、经济指标均是系统效率的反映。（2）系统可靠性：可靠性即指系统在运行时的稳定性，一般很少发生故障，即便发生故障也能很快修复。（3）系统可扩展性：一个系统建成后，要使在现行系统上不做大的改动，就可在现行系统上增加新的功能模块。,第四节 GIS评价,（4）系统可移植性：即系统不仅能在一台机器上使用，而且能在其他型号设备上使用。（5）系统的效益社会效益：目前地理信息系统还处于发展阶段，对系统建设的投还比较大，可着重从社会效益上进行评价。经济效益：经济效益是在长时间内逐渐体现出来的，随着新问题的不断解决，经济效益也就不断提高。,第四节 GIS评价,（5）系统的效益社会效益 目前地理信息系统还处于发展阶段，对系统建设的投入还比较大，可着重从社会效益上进行评价。例如：信息共享的效果、数据采集和处理的自动化水平、地学综合分析的能力、系统智能化技术的发展、系统决策的定量化和科学化、系统应用的模型化、系统解决新课题的能力，以及劳动强度的减轻、工作时间的缩短。经济效益 经济效益是在长时间内逐渐体现出来的，随着新课题的不断解决，经济效益也就不断提高。,