GIS软件工程.doc

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1、GIS工程项目设计概述及案例分析摘要：本文介绍了GIS软件工程的主要概念，设计原理，设计方法及规范，并对一个案例进行了简单的阐述。关键词：GIS；设计原理；GIS案例GIS的开发建设和应用是一项系统工程，涉及到系统的最优设计、最优控制运行、最优管理，以及人、财、物资源的合理投入、配置和组织等诸多复杂问题。需要运用系统工程、软件工程等的原理和方法，结合空间信息系统的特点进行实施建设。 1 GIS软件工程建设过程GIS软件工程建设的主要过程包括：GIS软件工程的系统分析；GIS软件工程的需求分析；GIS软件工程的系统设计；GIS软件工程的编码设计；GIS软件工程建设过程中的文档五个步骤。只有通过以

2、上各个步骤的严格操作才真正避免一些不必要的麻烦。1.1 GIS软件工程的系统分析成功的GIS工程项目应达到以下几个主要目标：较低的开发成本，符合要求的功能，较好的性能和可靠性，有较好的移植性和较低的维护费用，最后需要软件能按时完成和及时交付使用。无疑，上述目标之间存在一定的互补和互斥关系。实施GIS开发项目就是力图在以上目标的冲突中取得一定程度的平衡。进行GIS软件工程系统分析主要有以下步骤：识别GIS用户需求。评价GIS的可行性。进行GIS开发经济分析和技术分析。把功能分配给GIS软硬件、人、GIS数据库和其他系统元素。建立GIS开发成本和进度限制。生成GIS规格说明，形成所有后续GIS工程

3、的基础。1.2 GIS软件工程的需求分析GIS软件工程需求分析是GIS产品在其生存期中的重要一步，也是决定性的一步。只有通过GIS软件工程需求分析，才能把GIS的功能和性能的总体概念描述为具体的GIS产品需求规格说明，从而奠定GIS开发的基础。同时，GIS软件工程需求分析是一个不断认识和逐步细化的过程。GIS软件工程需求分析的原则：（1）必须能够表达和理解问题的数据域和功能域；（2）必须按自顶向下、逐层分解的方式对问题进行分解和不断细化。GIS软件工程需求分析阶段的工作包括以下四方面内容：对问题的识别、分析与综合、制定规格说明和评审。其中，问题的识别首先要确定对GIS的综合需求，并提出这些要求

4、的实现条件，应达到的标准。这些需求主要包括：功能需求、性能需求、环境需求、可靠性需求、安全保密需求和用户界面需求六个方面。问题分析和方案综合室需求分析的第二步工作。分析员从数据流和数据结构出发，逐步细化所有的软件功能，找出GIS内部各元素之间的联系，接口特性和设计上的限制，分析它们是否满足功能要求，是否合理。最终合成GIS产品的解决方案，给出目标系统的详细逻辑模型。在这个步骤中，分析与综合工作反复进行。编制需求分析规格说明书是为了确切表达用户对软件的输入输出的要求，还需要制定数据要求说明书和初步的用户手册。1.3 GIS软件工程的系统设计确定了GIS需求之后，就进入开发阶段。开发阶段由三个互相

5、关联的步骤组成：设计、实现（编码）和测试。每个步骤都按某种方式进行信息变换，最后得到有效的GIS软件。GIS软件工程系统设计的主要内容包括数据设计、系统结构设计、过程设计和界面设计。数据设计侧重于空间数据结构和属性数据库结构的定义；系统结构设计定义GIS各主要成分之间的关系；过程设计则是把结构成分转换成GIS的过程性描述。在编码步骤，根据这种过程性描述，生成源程序代码，然后通过测试最终得到完整的GIS产品。结构化设计方法是基于模块化、自顶向下逐层细化、结构化程序设计等程序设计技术基础上发展起来的，该方法实施的要点是：首先研究、分析数据流图，从GIS的需求规格说明中弄清数据流加工的过程。根据数据

6、流图决定问题的类型。然后针对不同的类型分别进行分析处理。由数据流图推导出GIS的初始结构图。利用一些调控性原则来改进GIS的初始结构图，直到得到符合要求的结构图为止。修改和补充数据词典。制定测试计划。结构化设计可以很方便地将用数据流图表示的信息转换成程序结构设计描述。1.4 GIS软件工程的编码设计程序设计语言的特性和程序设计风格会深刻地影响GIS软件的质量和可维护性。为了保证程序编码的质量，程序员必须深刻理解掌握程序设计语言的特性，只有语法上没有错误的程序才能通过编译系统的语法检查。结构化程序设计的主要原则：使用程序设计语言中的顺序、选择、重复等有限的，基本控制结构表示程序和逻辑结构。选用的

7、控制结构只允许有一个入口和出口。程序应由容易识别的块组成，每个块只有一个入口和一个出口。复杂结构应该用基本控制结构进行组合窃套来实现。严格控制使用GOTO语句。在总体设计阶段，我们经常使用自顶向下，逐步细化的方法，把一个复杂问题的解决分解为一个由许多功能模块组成的层次结构软件系统，在详细设计和编码阶段，应当采取自顶向下逐步求精的方法，把一个模块的功能逐步分解，细化为一系列具体步骤。1.5 GIS软件工程建设中的文档为了对GIS建设进行科学管理，规范建设文档，GIS建设过程中必须完成以下各项文件：立项报告。可行性研究报告。系统设计任务书。用户需求分析报告。系统总体设计方案和各子系统设计方案。系统

8、实施总结报告。系统测试报告。用户使用报告。系统验收报告。系统建设总结报告。这些文档的内容和详尽程度视系统规模大小、开发阶段等因素而定。2 GIS工程设计的基本原则2.1GIS工程设计的基本原则计划管理原则用分阶段的生命周期计划严格管理Boehm认为，在工程的整个生命周期应该制定并严格执行六类计划，它们是项目概要计划，里程碑计划，项目控制计划，产品控制计划，验证计划，运行维护计划。坚持进行阶段评审原则第一，大部分错误是在编码之前造成的，Boehm等人的统计，设计错误占软件错误的63%，编码错误仅占37%；第二，错误发现与改正行越晚，所需付出的代价也越高。 严格的产品控制原则为了保持系统各个配置成

9、分的一致性，必须实行严格的产品控制，其中主要是实行基准配置管理。所谓基准配置又称为基线配置，它们是经过阶段评审后的系统配置成分（各个阶段产生的文档或程序代码）。基准配置管理也称为变动控制：一切有关修改系统的建议，特别是涉及到对基准配置的个性建议，都必须按照严格的规程进行评审，获得批准以后才能实施修改。下面简要介绍软件工程的七条原理： 1 用分阶段的生命周期计划严格管理 这一条是吸取前人的教训而提出来的。统计表明，50%以上的失败项目是由于计划不周而造成的。在软件开发与维护的漫长生命周期中，需要完成许多性质各异的工作。这条原理意味着，应该把软件生命周期分成若干阶段，并相应制定出切实可行的计划，然

10、后严格按照计划对软件的开发和维护进行管理。 Boehm 认为，在整个软件生命周期中应指定并严格执行6类计划：项目概要计划、里程碑计划、项目控制计划、产品控制计划、验证计划、运行维护计划。 2 坚持进行阶段评审 统计结果显示： 大部分错误是在编码之前造成的，大约占63%；错误发现的越晚，改正它要付出的代价就越大，要差2到3个数量级。 因此，软件的质量保证工作不能等到编码结束之后再进行，应坚持进行严格的阶段评审，以便尽早发现错误。 3 实行严格的产品控制 开发人员最痛恨的事情之一就是改动需求。但是实践告诉我们，需求的改动往往是不可避免的。这就要求我们要采用科学的产品控制技术来顺应这种要求。也就是要

11、采用变动控制，又叫基准配置管理。当需求变动时，其它各个阶段的文档或代码随之相应变动，以保证软件的一致性。 4 采纳现代程序设计技术 从六、七时年代的结构化软件开发技术，到最近的面向对象技术，从第一、第二代语言，到第四代语言，人们已经充分认识到：方法大似气力。采用先进的技术即可以提高软件开发的效率，又可以减少软件维护的成本。 5 结果应能清楚地审查 软件是一种看不见、摸不着的逻辑产品。软件开发小组的工作进展情况可见性差，难于评价和管理。为更好地进行管理，应根据软件开发的总目标及完成期限，尽量明确地规定开发小组的责任和产品标准，从而使所得到的标准能清楚地审查。 6 开发小组的人员应少而精 开发人员

12、的素质和数量是影响软件质量和开发效率的重要因素，应该少而精。这一条基于两点原因：高素质开发人员的效率比低素质开发人员的效率要高几倍到几十倍，开发工作中犯的错误也要少的多； 当开发小组为N人时，可能的通讯信道为N(N-1)/2，可见随着人数N的增大，通讯开销将急剧增大。 7 承认不断改进软件工程实践的必要性 遵从上述六条基本原理，就能够较好地实现软件的工程化生产。但是，它们只是对现有的经验的总结和归纳，并不能保证赶上技术不断前进发展的步伐。因此，Boehm提出应把承认不断改进软件工程实践的必要性作为软件工程的第七条原理。根据这条原理，不仅要积极采纳新的软件开发技术，还要注意不断总结经验，收集进度

13、和消耗等数据，进行出错类型和问题报告统计。这些数据既可以用来评估新的软件技术的效果，也可以用来指明必须着重注意的问题和应该优先进行研究的工具和技术。2.2 GIS工程设计的规范：在进入软件开发阶段之初，首先应为软件开发组制定在设计时应该共同遵守的标准，以便协调组内各成员的工作。它包括以下几点。(1)阅读和理解软件需求说明书，在给定预算范围内和技术现状下，确认用户的要求能否实现。若能实现则需明确实现的条件，从而确定设计的目标，以及它们的优先顺序。(2)根据目标确定最合适的设计方法。(3)确定设计文档的编制标准，包括文档体系、用纸及样式、记述详细的程度、图形的画法等。(4)通过代码设计确定代码体系

14、，与硬件、操作系统的接口规约，命名规则等。2.3 GIS工程设计的方法GIS的设计方法采用结构化分析和设计原理，其中最有用的理论就是模块理论及其有关的特征，例如内聚性和耦合性。一般而言，系统设计首先应根据系统研制的目标，确定系统必须具备的空间操作功能，称为功能设计；其次是数据分类和编码，完成数据的存储和管理，最后是系统的建模和产品的输出，称为应用设计。2.4 GIS工程项目的管理包括工程的需求控制、质量控制、进度控制、风险控制等管理技术。保证一个GIS工程的成功还涉及人员组织技术与成本控制技术，在一定的资金条件下最大限度地满足用户的需要，实现社会效益的同时，还能实现经济效益，也是GIS工程管理

15、的重要任务。3 GIS软件的开发模式软件工程历经几十年发展，形成了以下几种较为成熟的开发模式。(1) 传统生命周期模型(亦称瀑布模型)。这是一种十分严谨的线性开发方法，它把开发过程分为计划、分析、设计、编码、测试、建置和维护7个阶段。其特点是每步的更新、变动都会引起前面各步文档的更新和变动。(2) 快速原型化模型。其基本思想是经过简单分析和设计，快速实现软件系统的一个原型，即软件的一个早期的可运行版本，用户同开发者对原型反复试用、评价和修改，不断完善，得到双方满意的最终产品。原型又分为抛弃式和渐进式。抛弃式原型是指原型只用在分析阶段，用来帮助澄清用户需求，系统的开发则以原型为参照重新设计开发。

16、渐进式原型是指最终提交的系统是在原型的基础上，经过不断地完善、修改和扩充发展而成的。GIS软件开发宜采用生命周期方法与抛弃式原型方法相结合的方式。之所以选择这种开发模式，主要基于如下考虑：(1)GIS是一项大型工程，需要一个集各种专家及专门人才的开发团体或开发小组来作业。只有采用软件工程管理的方法来协调、组织和管理，才能保证开发团体作业的顺利进行。(2)GIS项目涉及到地理科学、测绘科学、环境科学和计算机科学等多门学科，一个项目小组常常需要集结多学科的专家。政府、企业或职能部门目前尚难以组织这样一支力量，因此，GIS项目常采取联合开发或委托开发的形式。开发小组与系统用户之间的协调、沟通十分重要

17、，只有采用软件工程的管理方法，才能最大限度地保证开发小组与用户之间的沟通、协调以及密切配合，开发出最终让用户满意的系统。(3)由于GIS系统庞大，成本、进度、数据量的需求等方面的精确估计显得更为重要，而这种精确估计较为困难而复杂。这时，在采用严谨的生命周期模型的同时辅以抛弃式原型方法，即选定一个实验小区，对该实验小区建立一个可运行的“原型”，以达到以小见大的效果。在GIS中，这种“原型”系统通常称为样本实验系统，这个样本实验系统可以作为生命周期方法的补充，其作用是：澄清用户需求；评估开发进度；检验信息编码方案；评估空间信息数据量；加深对软硬件性能的了解；作为演示工具增加领导者的信心。(4)作为

18、GIS项目开发人员，开发GIS系统，也包括帮助用户完成GIS系统的建置，使GIS系统能真正用起来，其中，需要协助用户完成数据录入和建库工作。为确保数据录入的质量，要建立一套完善的质量控制规范和作业规程。数据录入及建库本应属于建置阶段的工作，但在GIS项目中因其工作量很大，需与系统软件开发同时进行。(5)在系统的总体设计阶段，除了提交一般的功能设计规格、数据设计规格、U I设计规格等文档之外，还应提交一份关于地理信息分类与编码的方案。这也是GIS项目开发中一项比较特殊的要求。4 GIS系统特点GIS系统的开发有以下显著特点：(1)软硬件平台昂贵：G IS功能十分庞杂，一般需选购通用GIS平台，而

19、GIS平台对硬件要求较高，常需选用高档微机或工作站。此外，GIS平台本身价格昂贵，有时甚至超过硬件设备的价格。因此，选择合适的软硬件平台就成为系统开发中一项慎重而又十分重要的工作。(2)要进行二次开发：一般通用G IS平台无法满足最终用户的要求，需要进行二次开发。通常二次开发的工作量十分庞大，其开发成本逐渐取代硬件占据成本的绝大部分。(3)对数据的依赖性强：G IS系统要能真正发挥作用，很大程度上依赖于基础数据的质量，因而，数据录入直至建库，建立相应的数据质量控制规范以保证数据的质量，成为GIS建立中一项十分艰巨而重要的任务。(4)信息分类与编码等标准的建立：G IS系统中涉及地形图、专题图等

20、大量的图件信息，信息量巨大，为了有效地存贮，需要对各种地理要素进行分类与编码。但是，迄今为止，尚无灵活实用的国标或部标的信息编码标准和规范，建立科学、通用、实用、灵活的编码方案也成为GIS开发中另一项重要的工作。5案例分析以一个物流地理信息系统为例5.1系统的可行性 将GIS引入到电子商务中的物流管理中，符合物流业的发展。 (1)GIS能成为电子商务的基础平台 GIS集地理学、计算机科学和管理科学等为一体，是多学科集成。这使GIS具有很好的适应性，能对各种信息进行处理、融合和应用，为用户提供信息服务和管理决策依据。 (2)GIS能提供准确的信息支持 GIS具有强大的数据管理功能，所存储的信息不

21、仅包括属性和时序特征，还具有统一的地理定位基础在电子商务的物流管理中，涉及到物质实体的空间位置的转移，运输路线的合理选择等，都属于空间信息的管理，这正是GIS的强项。 (3)GIS能完善物流分析技术 空间分析是GIS的重要标志。在物流管理中，GIS可将空间数据和企业的业务数据与业务流程相结合，提供如市场分析、选址分析等空间分析，提高决策分析的能力和准确度。 5.2系统设计 1.系统结构设计 系统分为四个模块：交通路线模块、网络物流模块、设施定位模块和辅助决策模块。2.系统的功能设计 (1)交通路线模块 物流网络中，会涉及到交通路线的选择问题，即物流网络中最优路径的选择。它是指从起始点出发寻找到

22、达终点的最优等效长度。对于它的选择首先要确定影响最优路径的因素，如几何距离、道路质量等，采用层次分析法，确定每条道路的权值，之后才能确定最优路径。 (2)网络物流模块 仓库和运输线共同组成了物流网络，仓库处于网络的节点上，节点决定着线路。如何根据供求的实际需要并结合经济效益等原则，在既定区域内设立多少个仓库，每个仓库的位置，以最小的代价将货物从N个仓库运到 M个客户，可利用GIS的网络分析来解决。 (3)设施定位模块 商家的服务和销售市场范围具有一定的空间分布形式，因此机构设施的布局是物流管理所面临的问题，其合理程度直接影响利润的获取。设施位置的选择包括位置的评价和优化。评价是对于现有设施的位

23、置分布模式的评价，而优化是对于最佳位置的搜寻。地理位置的合理布局实质上就是在距离最小化和利润最大化两者之间寻求平衡点。 (4)辅助决策模块 物流系统与企业有着最直接的联系，对市场的分析，可以帮助企业制定正确的生产和销售计划。GIS提供空间和属性信息，通过这些可以获得客户资料以及与企业相关的综合数据，如用户的地理分布、所在区域的交通状况等。在空间数据上集成各种信息，并以此为基础，进行如消费趋势分析、目标市场分析等，为管理者提供决策支持。 5.3结论 电子商务中基于GIS的物流系统的应用，符合物流的特点，能更好地满足电子商务下物流的发展，同时可大规模地降低企业成本，为企业提供辅助决策，因而具有良好

24、的经济和社会效益。参考文献1郭庆胜，王晓延.地理信息系统工程设计与管理M，武汉大学出版社，2003.2毕硕本、王桥.地理信息系统软件工程的原理与方法M，科学出版社，2003.3林荣.GIS软件工程总体设计研究 J.科技资讯,2009(2):46-474李炳生, 付仲良. GIS 软件工程开发中的问题与对策 J. 地理空间信息,2005(8):51-525李海峰. GIS 软件工程初探 J. GIS 软件工程,2009(7):51-526高昭良. 应用软件开发项目的产值定额管理方法探讨 J.福建电脑,2004(6).7樊红等.一种适合GIS的软件工程开发模式J.武汉测绘科技大学学报,1997,2

25、2(3)191-1948龚健雅.地理信息系统基础M,北京:科学出版社,2001.9 0社出京,础系理地龚 - (, 报大绘武模开件的适种樊)(0 建 方理定目件软 高 - 0程 初软 .海 )(0信空. 问发工软 . 生 : 讯.究设程 0 学，法与程软息信.本 0，出大 管与程信.晓胜文益会济经具因助供为成业地可，发下子满更点流物应统的 中商论结 。决理管析市析势如，为并，成集间在通域在分的用数的业及资客以过息信和 计和生定助可析场对的着业系 块模助)。衡寻者化利和距在上布置地搜置佳是而的式位设于价化优置括的施取润响度理其临所流布设机式分的一范售务的块模施( 。析网 可户 到 从价小置库每，

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