第五章 GIS系统设计2.ppt

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1、第五章GIS系统设计地理信息系统设计教程在系统定义阶段确定系统建设的目标和任务之后，需要进行系统的总体设计。GIS总体设计阶段的主要任务是将系统需求转换为数据结构和软件体系结构，即数据设计和体系结构设计。数据设计就是把分析阶段所建立的信息域模型变换成软件实现中所需的数据结构。体系结构设计则是把系统的功能需求分配给软件结构，形成软件的模块结构图，并设计模块之间的接口关系。在总体设计阶段，各模块还处于黑盒子状态，模块通过外部特征标识符（如名字）进行输入和输出。使用黑盒子的概念，设计人员可以站在较高的层次上进行思考，从而避免过早地陷入具体的条件逻辑、算法和过程步骤等实现细节，以便更好地确定模块和模块

2、间的结构。教学提纲三、GIS应用分析模型设计四、GIS接口设计退出退出三、GIS应用分析模型设计（一）GIS空间处理与分析设计（二）GIS地理建模返回返回GIS空间处理与分析设计主要内容GISGISGISGIS空空空空间间间间数据数据数据数据处处处处理理理理编辑处编辑处理：理：图图形数据和属性数据的形数据和属性数据的编辑编辑，图图形数据的拼接和分割等；形数据的拼接和分割等；变换处变换处理：投影理：投影变换变换、坐、坐标变换标变换、比例尺、比例尺变换变换、几何校正等；、几何校正等；编码编码和和压缩处压缩处理：数据理：数据编码编码、多余、多余节节点去除以及点去除以及栅栅格数据格数据压缩压缩等；等；

3、数据的插数据的插值值：点的内插、区域的内插等；：点的内插、区域的内插等；数据数据类类型型转换转换：矢量与：矢量与栅栅格数据格数据转换转换、系、系统间统间数据格式的数据格式的转换转换等等GISGISGISGIS空空空空间间间间分析分析分析分析设计设计设计设计查询查询分析：如拓扑分析：如拓扑查询查询、条件、条件查询查询等；等；几何分析：如面几何分析：如面积积周周长长距离量算、开窗分析、多距离量算、开窗分析、多边边形合并等；形合并等；地形分析：如空地形分析：如空间间内插分析、等内插分析、等值线值线分析、坡度和坡向分析、分水岭分析、淹没分析、坡度和坡向分析、分水岭分析、淹没分析分析 流域分析：如地形剖

4、面分析、三流域分析：如地形剖面分析、三维维地形地形显显示与分析等；示与分析等；叠置分析：如多叠置分析：如多边边形叠置分析、形叠置分析、视觉视觉信息复合分析、条件与非条件叠置分析等。信息复合分析、条件与非条件叠置分析等。邻邻域分析：如域分析：如缓缓冲冲带带分析、走廊分析、泰森多分析、走廊分析、泰森多边边形分析、形分析、拟拟合分析等；合分析等；网网络络分析：如最佳路径分析、分析：如最佳路径分析、时时空空规规划分析、网划分析、网络络流量模流量模拟拟分析等；分析等；图图像分析：如像分析：如图图像增像增强强、图图像分割、像分割、图图像像细细化、空化、空间滤间滤波、高程影像叠置分析等；波、高程影像叠置分析

5、等；多元分析：如聚多元分析：如聚类类分析、主成分分析、判分析、主成分分析、判别别因子分析、因子分析、趋势趋势面分析、回面分析、回归归分析等；分析等；应应用模型分析：与本用模型分析：与本GISGIS应应用密切相关的各种用密切相关的各种应应用模型分析用模型分析返回返回GIS地理建模（一）地理模型是对地理实体的特性及其变化规律的一种表示或者抽象，同时也是对地理实体的那些所要研究的特定特征进行定量的抽象。可以说，地理模型是地理实体通过适当的过滤，用适当的表示规则简洁描述的模仿品。通过这个模仿品，我们可以了解到所研究地理实体的本质，从而便于对地理实体进行分析和处理。地理建模主要是运用数学语言、地理知识和

6、程序设计工具，对地理信息（如地理现象、地理数据等）加以翻译和归纳。地理模型经过演绎、求解及推断过程，给出数学上和地理上的分析、预报、决策或控制，再经过翻译和解释回到现实世界中，完成实践-理论-实践的循环。如果检验结果是正确或可行的，即可用于GIS分析和操作，否则，就要重新考虑翻译、归纳过程，重新修改地理模型。GIS地理建模（二）1、地理建模过程2、GIS应用模型库的设计3、GIS模型库管理GIS地理建模返回返回地理建模过程地理建模是一项复杂而具有创造性的活动（改造已有模型或创造新模型），建立地理模型没有固定的模式，下图大致归纳了地理建模的一般过程。建模准备模型假设建立模型模型求解模型分析模型检

7、验建模准备模型应用模型分析与检验建模假设建立模型模型求解地理建模流程图建模准备建模准备包括了解地理问题的实际背景、明确地理建模的目的、掌握地理对象的各种信息（如数据资料等）以及搞清对象的特征。为了做好准备，有时建模者需进行深入细致的调查研究，碰到问题要虚心向有关方面的专家请教，按模型的需要有目的地收集所需资料。本阶段的重点是进行模型的因子分析。模型假设模型假设是根据地理对象的特性和建模的目的，对问题进行必要的简化，并且用精确的语言作出假设。这是地理建模的第二步，也是关键的一步。有时，假设过于详细，试图把复杂的实际现象的各个因素都考虑进去，可能使得建模者很难继续下一步的工作。因此要善于辨别问题的

8、主要和次要方面，尽量将问题均匀化、线性化。建立模型建立模型是指根据所做的假设，利用适当的数学工具，确定各因子之间的联系，通过表格、图形或是其它数学结构建立地理模型。这是地理建模的第三步。为了完成这项地理建模的主体工作，建模者需要掌握较为广泛的数学知识，有时还要用到规划论、排队论、图论、对策论等知识，但并不要求建模者对数学的每个分支都精通。事实上，建模的一个原则就是尽量采用简单明了的数学工具，供更多的人了解和使用。模型求解 对以上建立的模型进行数学上的求解，包括解方程、画图形、逻辑推理、稳定性讨论等。模型求解不仅要求建模者掌握相应的数学知识，还要掌握一些常用数据分析软件，如集计算和可视化于一体的

9、Matlab软件及用于统计分析的SPSS软件等。模型分析对模型求解的结果进行数学和地理上的分析。这一阶段有时需根据地理问题的性质，分析各变量之间的依赖关系；有时要求对结果进行预测、最优决策或控制等。模型检验 将模型分析的结果“翻译”到地理对象中，用实际现象或数据检验模型的合理性和适用性，即检验模型的正确性。若检验结果正确，模型即可用；若检验结果有误，则需修改或重新建模。经验表明，模型假设是最易导致结果有误的环节。返回返回GIS应用模型库的设计GIS有着强大的空间分析功能，如缓冲区分析、邻近分析、叠加分析等。只有建立与之相应的GIS应用模型，GIS才真正有用武之地。下表反映了GIS应用模型的分类

10、情况。空空空空间间间间模型模型模型模型非空非空非空非空间间间间模型模型模型模型适宜性分析模型适宜性分析模型预测预测模型模型模模拟拟模型模型最最优优化模型化模型影响模型影响模型计计量量经济经济模型模型经济经济控制控制论论模型模型投入投入产产出模型出模型系系统动统动力学模型力学模型GIS应用模型分类 其中，适宜性分析模型（Suitability）主要通过因子分析、专家打分和判别标准来建模，例如土地适宜性模型，地址选择模型；预测模型（Predictive）主要是根据以往的数据分析事件发生的可能性，建立模型，如洪水预测模型，人口扩散模型；模拟模型（Simulation）主要是根据不同自然条件和人为条件

11、下产生的可能结果进行模拟，如森林的增长模型，地下水沉降模型；最优化模型（Optimization）是从多种可能性中选择一个最佳解决方案，如道路的最佳选线、资源的最优化配置等；影响模型（Influence）是由一个事件而引起的对周围地区的影响模型，如建一个有污染的工厂对周围环境的影响程度，海上油轮泄露对周围渔业的影响等。GIS应用模型的设计是GIS设计的核心内容之一，其优劣直接影响到系统功能运行效率。好的GIS应用模型，要求设计者具有较为丰富的地理知识（包括GIS知识）、数学知识和专业知识。设计GIS应用模型时，主要考虑要用它来解决什么问题，有哪些数据可用，采用何种建模方法为切入点或有哪些现成模

12、型可供借鉴。由于这些模型大部分都要通过GIS的缓冲区分析、叠置分析等功能体现出来，即模型结果要高度可视化，数字、图形、表格是可视化最基本的表达方式。另外，要考虑GIS与应用模型的结合方式，可以是直接结合，也可以是间接结合。直接结合是指用GIS软件提供的二次开发语言来建立应用模型，这种结合方式较为紧密，但应用模型的通用性较差。间接结合采用GIS与应用模型相对分离的方法，通过动态链接技术（如OLE、ActiveX等）实现两者的结合。这种方式较为松散，应用模型的通用性较强。在利用GIS解决实际问题时，常常需要结合多个模型，构成模型库来解决特定问题。其中每个模型以某方面为重点，主要解决某一具体问题，模

13、型之间通过一定的环节连接起来实现相互之间的反馈和协调。下面以耕地保护预警系统（以江苏省江阴市为背景）的模型库为例，介绍GIS应用模型库的设计。耕地保护预警系统是在确保区域发展及安定的基础上，在合理配置、利用区域各类资源的同时，为了保证在社会发展的一定阶段下的人民生活标准的稳定，而对该阶段区域人口发展所确定的最低耕地量的临界警戒线。其目的是为区域的宏观决策提供支持，为区域耕地资源的开发、利用提供度量标准，以实现区域各方面、尤其是区域耕地与社会的协调统一发展。因此，根据区域耕地资源开发利用的先后顺序，可以设计出以下具有特定顺序关系的模型，它们构成了本系统的模型库。耕地保护预警系统的模型库 区域耕地

14、资源综合评价模型区域耕地资源综合评价模型从区域耕地资源系统整体出发，对其数量、质量以及组合进行分析和评价。具体包括耕地资源评价模型、耕地资源潜力估算模型以及耕地资源经济利用评价模型等。区域耕地资源动态分析和供需预测模型分析区域耕地资源动态变化过程是其资源供需预测的基础。前者表现为在时间维上多因素的综合作用；后者则需要从时空变化两个方面来考察。因此，区域资源区位模型和预测推断模型占重要地位。区域耕地资源开发规划和分配模型模型为区域耕地资源开发和利用提供优化方案或对其原有方案进行优化。在各种资源优化分配中，土地利用优化是区域资源开发规划的核心。目前，区域土地利用除了农业利用之外，部分还涉及到市内工

15、业、交通以及居民点用地，并且农业土地利用结构的设计还涉及到许多其它因素（固定的、变化的、随机的等）。这使区域农业土地利用结构模型的结构设计大为复杂。区域耕地资源承载力分析模型与补充潜力分析立足资源开发、考虑经济发展和社会进步是区域耕地资源开发的主要指导，而资源的人口承载力研究则是区域资源开发合理程度的度量标准。区域的耕地增加数量总有上限，对区域耕地利用的补充分析是耕地保护利用度的最佳体现。耕地保护临界预警模型在上述4个模型的基础上，选择人均粮食量为模型临界阈值，以区域耕地资源的数量、质量、单产、人口预测值为主要因子构建预警临界模型，并确定预警警示的触发分量。这是对区域耕地资源主要评价因子的综合

16、评定，也是对区域耕地保护的总体成效的鉴定。下面重点谈耕地保护临界预警模型的建立过程。图下所示为耕地保护临界预警模型建立的流程图模型因子分析区域耕地数量总量、区域耕地质量总水平、区域某时间人口总量、某时段内区域耕地平均亩产量选择预警临界域值（达到区域粮食生产的供需平衡）建立预警模型 模型因子选择应着重考虑图5.6中给出的4个基本因子，其它因子（如气候资源、水资源、生物资源、人口劳动力资源、基础设施条件、经济条件等）虽然对区域的耕地保护工作有一定影响，但影响的深度和广度不仅难以评述和量化，而且部分因子与模型因子间存在相关关系或已包容在模型因子中，故将其设为定值，对模型的应用不产生作用，而在今后的研

17、究中，可根据实际需要进行模型微调。选择预警临界阈值预警临界阈值应能与区域社会、经济、生态的发展需要相适，以达到区域粮食生产的供需平衡。在此，系统阈值采用江苏省农科院确定的人均原粮警戒线420公斤。预警模型的建立。在以上分析的基础上，设置系统变量如下：Q：某一时间区域耕地的数量总量，由系统数据库及图库面积查询得到；S：某一时间区域耕地的“等”指数，由土地质量指数、土地利用系数、土地经济系数三者的计算得到；M：某一时间区域单位面积耕地的生产能力，由FAO推荐的“农业生态区域法”（AEZ法）结合灰色GM（1，1）趋势分析模型相互校正后得到；R：某一时间区域的人口规模，由区域现有人口数量和区域人口的增

18、长率共同计算得到；G：区域粮食生产相对于理论需要量的理想满足程度；Z：某一时间区域的人均原粮量。确定系统Z值对系统预警的触发分量如表所示。Z Z 值值缺乏程度缺乏程度D D类类 型型ZZ5005000 0非非450450ZZ5005001 1轻轻警警420420ZZ4504502 2中警中警ZZ4204203 3重警重警Z值对系统预警的触发分量返回返回GIS模型库管理 当GIS中应用模型很多时，有必要对它们实施管理，包括模型运行结果的管理，如不同时段的同一地理对象的数据经同一应用模型运行后得到的结果，这些结果对于地理对象的空间和时间序列分析是很重要的。对GIS模型库的管理有助于系统设计人员和用

19、户对模型的功能、数据、存储位置等具有清晰的认识，便于对模型库中的模型进行增加、修改、删除、查询等操作，使模型库趋于完善。文本形式的管理方式该方式用文字来描述模型的各种参数，如模型名称、模型功能、存储位置等，并用文本文件存储起来；模型库中各个模型的建模过程的说明也可用文本形式的方式来管理。但这种方式只能起浏览的作用。数据库形式的管理方式该方式采用关系型数据库的关系表来存储应用模型的内容，也用关系表来存储不同时段的同一地理对象的数据经同一应用模型运行后得到的结果。这种管理方式在实际中用得较多，且可做成统一的界面进行模型的管理与维护，它相当于一个小的关系型数据库管理信息系统。采用这种管理方式，需要设

20、计两种表：模型字典表和模型结果表。GIS模型库管理方式模型字典表的一般结构模型模型编编号号模型模型名称名称功能功能描述描述存放存放位置位置所需数据所需数据格式格式运行运行环环境境与之相关与之相关联联的模型的模型开开发发者者开开发发时间时间 模型结果表的一般结构所用数所用数据的据的时时间间所用数所用数据的名据的名称称所用数据所用数据的存放位置的存放位置所用的所用的模型名模型名称称结结果名称果名称结结果存果存放位置放位置返回返回四、GIS接口设计（一）系统与标准数据的接口（二）互操作接口（三）空间数据与属性数据的接口（四）GIS与系统开发环境的接口 返回返回系统与标准数据的接口 当我们设计一个GI

21、S软件时，需要设计系统与标准数据的接口。所谓“标准数据”是指常用的商业GIS软件的数据格式，如Arc/Info的Coverage、ArcView的Shp、MapInfo的 Mif、Intergraph的 MGE工 程、DGN文 件 和FRAME文件等格式。一种是直接存取，所开发的软件提供对该数据格式的支持。这种方法使用较为方便，也不存在数据损失，但是实现起来较为繁琐。而且，目前，常用的GIS数据格式种类很多，很难实现对所有格式的支持。另一种是通过导入/导出机制进行数据转换，提供一种标准数据格式，用来与其它标准数据格式进行转换。如MapInfo软件的交换数据格式Mif格式，可以导出成为Dxf格式

22、；同时，用Dxf格式存储的数据也可以用导入的方式转换成为Mif格式，从而实现MapInfo支持的数据格式与其它标准数据格式的交流。使用该方法与标准数据的交换，在数据格式变换过程中可能存在一定的数据损失。接口的形式返回返回互操作接口 互操作接口设计是指设计GIS之间、GIS内各子系统之间和子系统内各个模块之间的接口，使它们能够较好地进行通讯和实现功能共享。异质环境下的GIS互操作设计GIS子系统之间以及子系统各模块之间的接口设计 对于异质环境下的GIS互操作，要考虑到因网络、操作系统、GIS软件平台等的不同而带来的接口设计问题。通常，异质环境下的GIS接口设计，主要采用中间件来实现，如Micro

23、soft的COM/DCOM或OMG的CORBA等。中间件处于应用软件和系统软件之间，是客户与服务器之间的连接件，它能屏蔽硬件、网络环境、操作系统和异构数据库等的差别。中间件的种类有终端仿真/屏幕转换、数据访问中间件、远程过程调用中间件、消息中间件、交易中间件和对象中间件等。异质环境下的GIS互操作设计GIS子系统之间以及子系统各模块之间的接口设计 GIS内部接口设计需确定接口约定，主要包括以下内容：命名约定 命名约定用来解决不同语言在命名方面的差别所带来的问题。各种语言对用来标识程序对象的标识符（或称名字）都有自己的规定，因而在混合编程时必须有一套转换规则。程序员只有遵守它，相应的语言编译程序

24、才能实现它。调用约定 调用约定主要解决子程序的参数传递顺序问题。子程序的调用者和被调用者之间并非直接传递参数，一般是通过堆栈进行的。调用约定规定子程序调用者以什么顺序将子程序的实参推入堆栈，被调用者以什么顺序从堆栈中取走实参。参数传递约定参数传递约定确定参数是按值传递还是按引用传递。GIS内部接口设计的形式有多种，主要包括消息传递、直接引用、用过程语句调用等。其中，消息传递在面向对象程序设计中用得很多；直接引用是指一个模块直接存取另一个模块的某些信息，例如全程变量、共享的通信区等；而用过程语句调用是指通过模块的名字调用整个模块，一个模块只有一个入口，所有数据来往都以参数形式出现。采用何种内部接

25、口形式需要根据实际需要进行选择。返回返回空间数据与属性数据的接口 在GIS中，空间数据与属性数据的结合有两种形式：绑定式和分离式，下表给出两种结合方式的比较。绑绑定式定式分离式分离式思路思路空空间间数据与属性数据都由数据与属性数据都由GISGIS软软件来管理件来管理空空间间数据由数据由GISGIS软软件来管理，件来管理，属性数据由通用的关系型属性数据由通用的关系型数据数据库库来管理来管理 优优点点不需要考不需要考虑虑接口接口问题问题对对数据的利用更数据的利用更为为灵活，灵活，能能为为其它其它MISMIS系系统统提供属提供属性数据共享服性数据共享服务务缺点缺点空空间间数据与属性数据数据与属性数据

26、绑绑定，属性定，属性数据不灵活数据不灵活要考要考虑虑接口接口问题问题软软件件 举举例例MapInfoMapInfoArc/InfoArc/Info分离式的空间数据与属性数据的接口设计可以通过唯一的ID码联系在一起，然后通过GIS软件提供的专用接口与标准商用数据库连接或使用ODBC等技术来实现两者的互访。随着网络和分布式技术的发展，属性数据可能分布在不同的站点上，可采用远程ODBC来访问远程数据。在GIS设计中，通过ODBC与关系型数据库连接也有两种形式，一是GIS软件本身内置了ODBC应用程序，如MapInfo通过它自己的远程ODBC访问远程数据；另一种形式是通过程序设计语言（如VC、VB、D

27、elphi等），用标准的ODBC与关系型数据库互连。例如，在VB中，先通过ODBC连接数据库源(Oracle、Sybase、Informix、DB2等)，再通过RDO(Remote Data Object)和SQL来访问数据；Delphi则通过BDE(Borland DataBase Engine)和SQL来访问数据。数据库接口技术也在不断发展，常用数据库接口技术有：开放式数据库连接ODBC、OLE DB、ADO(ActiveX Data Object)等，这些接口都用SQL作为查询语言对数据库进行操作。返回返回GIS与系统开发环境的接口 CAD、OA、RDBMS是政府部门GIS工程方案中系统

28、开发环境的组成部分。CAD是指某些部门（如规划局）用计算机辅助设计软件（如AutoCAD）建立起来的数据，OA是指办公自动化，主要是通过网络分发数据、文档、图形（含地图）和通知等，RDBMS是指用关系型数据库管理的数据。将这三者和GIS集成起来，设计良好的接口，组建高效的图文信息系统，是GIS工程方案的核心内容之一。GIS软件可通过直接读取的方式实现与CAD（Dxf格式）数据的交互，或通过导入/导出机制来解决数据格式差异带来的不兼容问题。GIS与OA的接口则一般采用OLE或DDE技术来实现，如用Delphi程序设计语言通过创建OLE对象将MapInfo功能和Word功能集成在一块。设计良好的G

29、IS与系统开发环境的接口，实现GIS与系统开发环境的高效集成，这也是开放式GIS和组件式GIS的发展趋势，下图表示了这种模式在电力局电力系统中的应用。Arc/Info组件实时监控营业系统RDBMSArcSDECoverage/Library应 用 界 面工程数据CAD系统除了采用Arc/Info组件来分析显示地理及地理相关信息外，还可以通过实时监测系统实现对电力系统运行的监视。电力网状态可以以图形形式显示出来，同时，在对某一开关操作之前，可以用Arc/Info的网络分析功能进行分析，预测断电区域、负荷变化等。在意外断电时可分析断电原因、辅助故障定位并制定恢复供电方案。要注意的是这些工作能在一个界面上完成，而不需要切换应用界面，任何操作都可以在界面上立即反映出来。这种应用所占用的系统资源要比两个单独的通过其它方法通信的应用所占用的资源少得多。另外，Arc/Info的功能可以嵌入到营业和设备管理系统中，它们可以共用一个数据库，设备管理和营业数据可以以图形方式来管理，更直观形象，可以为电力用户提供更好的服务，也为野外设备维修提供更详细的地理位置及车辆行驶调度方案等。返回返回