13.2. 地理信息系统工程建设过程¶
13.2.1. 应用型地理信息系统设计步骤和方法¶
应用型GIS的设计主要侧重于：
1.需求分析；
2.总体结构描述；
3.软硬件配置，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。
一般地，为了节省资金和减轻劳动强度，应用型GIS都是建立在一定的工具型GIS基础之上。但也有从底层软件设计开始的专门化的应用型GIS，此类从底层软件设计的应用型GIS的设计和实现难度相对较大，对系统设计和编程人员的知识结构和技术水平的要求比较高，其相应的投资强度也较大。一般都是由比较大的区域性机构或国家性机构组织各行业的专家和技术人员完成和实现的。例如加拿大地理信息系统(CGIS)，主要是一个由加拿大政府出面组织实施的全国性土地资源规划与评价信息管理系统。
尽管GIS的种类繁多，应用领域广泛，技术要求相差大，没有一成不变的模式可供使用。然而无论何种GIS，其开发建设仍可基本遵循如下方法步骤进行。
GIS工程建设按开发时间序列化分为4个阶段：需求分析、系统设计、系统实施、系统维护与评价。相应每一阶段，都会形成一定的文档资料，以保证GIS开发的成功，并最经济地花费人力物力投资，便于运行和维护。这些文档作为软件产品的成果之一，集中体现了GIS开发建设人员的大量脑力劳动成果，是GIS不可缺少的组成部分。地理信息系统建设过程如图13-1所示。
图13-1 地理信息系统的建设流程
13.2.2. 需求分析¶
需求分析是在对现行系统调查基础上进行的，是GIS工程开发和建设的第一步，由系统分析员承担完成。主要任务是通过用户调查发现系统存在的问题，完成可行性研究工作，确定建立GIS是否合理，是否可行。
调查方法可采用访问、座谈、参观、填表、抽样、查阅资料、深入现场、与用户一起工作等各种调查研究方法，获得现行的状况和有用资料。在调查之前，可向用户做GIS专题报告。通过报告，可让用户了解GIS的基本知识、各种功能及其优点，使他们对GIS有一个清楚的了解。这一阶段应完成的工作：
·用户情况调查；
·明确系统的目的和任务；
·系统可行性研究；
·提交需求分析报告。
1.用户情况调查
通过对现行系统组织机构、工作任务、职能范围、日常工作流程、信息来源及处理方式、资料使用状况、人员配置、设备装置、费用开支等各方面的调查研究，指出现行工作状况在工作效率、费用支付、人力使用等方面存在的主要问题和薄弱环节，作为待建GIS的突破口。
2.明确系统的目标和任务
在深入的用户调查和需求分析的基础上，根据用户的要求和特点而确定系统的服务对象、内容和任务。要确定系统目标，需做如下调查：
(1)确定系统的服务对象和系统的目的
如果用户对象是政府领导层或管理决策人员，则系统的目的应当是评价、分析和决策支持系统的；而用户是市政管理部门，系统应是市政信息管理与规划系统，比如地下管网系统、土地管理系统等；如果系统的用户是地质地矿部门的科技人员和地学科学管理人员，系统应是矿产预测与评价系统。当然有时系统用户是多方面的，这就需要设计通用型应用GIS，以满足多用途的需求。
(2)用户研究领域状况调查
此项调查重点是了解用户的研究领域状况，用户研究的方向和深度，用户希望GIS解决哪些实际应用问题，以确定系统设计的目的、应用范围和应用深度，为以后总体设计中系统的功能设计和应用模型设计提供科学、合理的依据。例如，一个地学信息系统的用户既有地理科学专家，又有地学管理人员，那么，在系统功能设计和应用模型设计时，就应当既考虑地学新方法、新技术的引入，又要顾及常规地学分析方法和评价决策方法的设计。 一般说来，系统目标不可能在调查研究阶段就提得非常具体和确切，随着后续分析和设计工作的逐层深入，新建GIS系统目标也将逐步具体化和定量化。
3.系统可行性研究
在需求分析和明确目的任务的基础上，进行可行性研究。研究的内容有：
(1)理论上的可行性
实现应用型GIS的设计，其理论上的可行性涉及两方面的内容：一是GIS系统提供的数据结构、数据模型与应用所涉及到的专业数据的特征和结构是否适宜；二是分析方法及应用模型与GIS技术的结合是否可行。
(2)技术上的可行性
在技术上需考虑的内容有：在选择计算机系统时，要预见计算机硬件的发展速度和GIS软件的使用周期是否相适宜；选择先进的、可行的开发技术和方法；技术力量的可行性分析，包括各种层次、各种专业的技术人员，从事这些工作的技术人员的数量、结构和水平等。
(3)经济和社会效益分析
包括开发GIS应用工程时经济承受能力的分析，预算GIS的设计与实现过程中所需的费用；估计系统建成后，与建GIS各阶段的投入比，会有多大效益；系统投入使用后，所带来的社会效益，即对社会所产生的影响。
4.提交需求分析报告
在需求分析、明确系统目的以及可行性分析的基础上，提交需求分析报告。报告中主要内容有：系统的目的和任务；机构运作的逻辑数据流程图，包括数据的输入和输出、各功能的接口界面和数据转换；GIS系统的产品，包括地图、报表、文件、屏幕查询以及更新的数据库；硬件资源表和软件资源表；所需的专业人员清单；数据来源清单及数据与功能对照表；建设系统的经济和社会效益分析。
13.2.3. 系统设计¶
GIS建设中的系统设计是在需求分析规定的“干什么”基础上，解决系统如何干的问题。即按照对建设GIS的逻辑功能要求，考虑具体的应用领域和实际条件，进行各种具体设计，确定GIS建设的实施方案。按照GIS规模的大小，可将设计任务化分为三个部分完成。第一是总体设计，用来确定GIS的总体结构；第二是数据库概念设计，从抽象的角度来设计数据库；第三是详细设计，在总体设计的基础上，将各组成部分进一步细化，给出各子系统或模块的足够详细的过程性描述。
1.GIS总体设计
总体设计的目的是解决“系统如何实现”的问题，其主要任务是划分各系统的功能模块、确定模块之间的联系及其描述；根据系统的目标，配置适当规模的硬软件及计算机的运行环境；系统开发各阶段的文档，即技术手册、用户手册、培训材料应包括的基本要点的制定；系统的质量、性能、安全性估计或规定。
2.数据库概念设计
数据库概念设计的内容包括：决定数据库的数据内容、选择适当的数据模型、各数据内容如何在库中组织以及考虑整个数据库的冗余度、一致性和完整性。
(1)数据库的宏观地理定义
参考基准与坐标系统：空间坐标系统是应用型GIS的基础。一个精确合理的坐标系统是多源地学数据所依赖和参考的依据。在我国，有两种高程基准，一是1956年黄海平均高程基准面；另一是1980年大地坐标系高程基准面。我国的平面坐标系统有三种，一是1954年北京坐标系；二是1980年国家大地坐标系；三是地心坐标系。
地图投影：如第三章所述，地图投影是采用一定的数学法将不可展开的地球椭球面转换为一个可展开的二维平面。在转换过程中，根据不同的投影条件而采用不同的数学方法，所得结果也不同，即产生不同的变形性质。因此，在数据库设计时，应考虑到投影的选择和不同投影的变换。
数据库比例尺：数据库的比例尺通常取决于用户对数据的精度要求。虽然一旦地理数据被输入到数据库中，用户可用任意比例尺进行显示，但数据库的精度是和原始图件是一致的。所以说，原始图件的比例尺决定了数据库的比例尺。
(2)数据库数据模型的确定
数据库数据模型的选择是与GIS基础软件分不开的，在确定数据库数据模型（层次模型、网状模型、关系模型或面向对象模型）以后，接着需要考虑对数据进行分层、各层数据的表示形式、各层数据的属性内容以及属性表之间的关系等。
3. GIS详细设计
详细设计在总体设计的基础上进一步深化，主要内容有：
(1)模块设计
详细设计是对总体设计中已划分的子系统或各大模块的进一步深入细化设计。从系统结构上讲，地理信息系统应具备五大基本功能：数据采集、数据编辑与处理、空间数据库管理、空间查询和空间分析以及结果输出功能；从应用目的上讲，应具有三个基本功能：其一，作为一种空间信息数据库，管理和储存空间对象的信息数据；其二，作为一种空间分析工具在各对象层间进行逻辑运算和数学运算(建立模型)，从而产生新的派生信息和内涵;其三，根据以上两个基本功能所完成的操作，对空间现象的分布、发生、发展和演化作出判断和决策，即空间决策支持系统功能。
在进行模块设计时，除了考虑功能模块的合理性、功能结构的完备性外，还要考虑模块各功能的独立性，即功能相对独立，重复度最小；还要考虑功能模块的可靠性、可修改性和操作的简便性。对各模块进行设计时，画出各模块结构组成图，详细描述各模块内容和功能。
(2)数据库详细设计
数据库详细设计是将数据库的概念设计转换成具体的数据库设计。它主要包括：数据源的选择、对各种数据集的评价、对空间数据层的设计、数据字典的产生以及数据库存储和管理结构的设计。
数据源的选择：一个实用GIS系统的开发，通常其数据库开发的造价占整个系统造价的70%～80%，所以数据库内数据源的选择对于整个系统来说显得格外重要。数据库中各类数据的来源很多，主要有：地图、航空像片、卫星遥感像片、GPS接收的数据以及现有的各种文件数据等。
对各种数据集的评价：数据的来源是多种多样的，其质量也不尽相同。所以哪些数据能为自己所用，须进行一个评价。对数据的评价直接关系到数据的使用目的和数据库的设计。数据的评价主要从三个方面进行：一是数据的一般评价，其中包括数据是否为电子版、是否为标准形式、是否可直接被GIS使用、是否为原始数据、是否有可替代数据、是否与其它数据一致（指覆盖地区、比例尺、投影方式、坐标系等）。二是数据的空间特性，其中包括空间特征的表示形式是否一致，如城市是用点还是多边形，河流是用单线还是用双线等；空间数据地理控制信息的比较，如用GPS点、大地控制测量点、人为划分的地理位置点等；空间地理数据的系列性，如不同地区信息的衔接、边界匹配问题等。三是属性数据特征的评价，其中包括属性数据的存在性、属性数据与空间位置的匹配性、属性数据的编码系统以及属性数据的现势性等。
空间数据层的设计：在收集和评价数据集后， 就须考虑数据库数据的组织形式——数据分层和编码标准的设计。在对数据分层时须从如下几方面着手：通常数据按专业内容进行分层；不同属性的数据共用或重叠的问题，如道路与边界重合，设计时这种关系应体现出来；数据与其功能之间的关系，即不同类型的数据由于其应用功能相同可作为一层；由于安全性和保密性的考虑或短期内更新的数据可单独考虑分在一层。编码标准设计时，应尽可能寻找现有的被广泛使用的标准编码。
数据字典设计：数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说是一个数据的标准规范，它可使数据库的开发者依此来实施数据库的建设、维护和更新。数据字典的内容包括：数据库的总体组织结构、数据库总体设计的框架、各数据层的详细内容定义及结构、数据命名的定义、元数据（有关数据的数据，是对一个数据集的内容、质量条件及操作过程等的描述）内容等。
存储和管理结构的设计：一是数据使用权限的设置，即不同用户可有不同的使用权限；二是数据库更新过程中的质量控制和安全性考虑，包括更新数据时须遵循整个数据库的原则、需要同时考虑空间和属性数据间的关系、更新时应有锁住该数据层的功能，以避免其它用户同时做类似操作。
(3)方法库和模型库的设计
GIS的主要应用特点是提供了一套完整的空间数据分析方法，对研究领域内的特定问题进行统计分析和空间分析，以达到空间决策之目的。随着GIS的应用领域越来越广泛，希望能提供不同应用要求的统计和空间分析功能即地理分析模型也越来越迫切。因此，模型建立在整个GIS研制所投入精力中占的比重过大，模型相互重复、使用率不高的现象比较严重。在很多情况下，模型都是被作为应用程序的组成部分，嵌入应用程序，在这种管理下的模型，其共享性和灵活性都很差。为解决这些问题，近年来提出了模型库系统的概念，要求更为有效地生成、管理和使用模型。这个概念一经提出，很快引起了GIS领域内学者的重视，并形成了一个比较活跃的研究方向。虽然目前的研究尚处于探索阶段，特别是模型的自动生成、半自动生成方面离真正实用化尚有一段距离，但已有的研究已能够说明，模型库系统的发展将是解决GIS应用模型高效利用的必由之路。此外，GIS中的方法库向用户提供了空间数据的各类分析方法，供用户根据应用目的进行选择。
①方法库设计
方法库是地理信息系统的核心，当GIS支持决策研究时，它提供设计决策方案的依据，支持模型构建的工具和作为源分析数据的器件。方法库一般分为两个部分，一是方法库管理系统，二是方法库实体。方法库管理系统提供了各种方法的管理功能，包括方法的选择、数据分析、结构的处理、记录、存贮和成果的建立等等。方法库实体是各种方法的集合，它不是简单地将各种方法堆积在一起，而是按一定原则，分门别类的有规律的组合。
②模型库设计
地学模型库提供解决空间决策和地学过程模拟的数学模型，以及模型管理功能。地学模型库一般具备以下特征：
●提供简便的构造新模型的能力；
●能访问和集成模型块；
●对于广泛范围内的模型进行编目和维护，支持多级用户；
●利用类似于DBMS的管理功能管理模型库；
●可以被设计成程序库的形式。
地学模型库(Geo-model Base，简称GMB)由模型构件模块、应用模型模块、模型库管理系统及综合环境四部分组成（图13-2）。其中，模型构件模块存贮通用的、规范的、可多次使用的标准化的“原模型”；应用模型模块是用户自己开发、针对某些具体问题的应用模型集；模型库管理系统是管理、维护和操纵模型构件模块和应用模型模块的软件集。它们集成于综合环境之内，以提供友好的用户界面；综合环境是地学模型库的运行环境，由模型库管理系统和构模工具等组成，是地学模型库的用户界面。
(4)数据获取方案及质量控制
图13-2 地学模型库组成
在确定数据内容的选取与分层之后，就可设计空间数据和属性数据的数字化方案、数字化作业步骤、数字化质量保证等。空间数据质量控制包括：空间位置的几何精度；空间地理特征的完整性，即是否所有内容均数字化；空间特征表达的完整性，如面状的特征是否以多边形表达；空间数据的拓扑关 系；空间数据的地理参考系统是否正确；大地控制点是否正确；边界是否匹配等；属性数据质量控制包括：属性表的定义是否正确；主关键项的定义和唯一性怎样；各项的值是否在有效范围之内；各属性表的外部关键项是否正确；关系表之间的关系表达是否正确；各数据项的完整性。
(5)输出设计
在总体设计要求的基础上，对输出的内容、种类、格式、所用设备、介质、精度等作出明确规定。
(6)文档设计
在GIS系统工程建设的整个过程中，在各个阶段都伴随着相应文档的产生。这些文档既表达该阶段的设计思想，又是下一阶段的设计基础。另一方面，有些文档又是系统工程最终结果的另一种形式，比如技术手册、使用手册、培训资料等。这些文档对用户使用GIS系统起到指导性作用，成为设计者和使用者沟通的桥梁。所以在此阶段，还须考虑这些文档的内容、形式等的编写事宜。
13.2.4. 系统开发与实施¶
一个应用GIS系统能否真正满足用户的需要，并在解决用户所面临问题的过程中发挥作用，虽然和许多具体技术问题的解决有关，但更重要的取决于从系统的构思开始，直到投入运行的全过程中，能否采用一套完整、有效的办法对其实用性加以保证。因此，开发GIS应用系统的方法论是一个首先要解决的问题。
1.应用系统的开发技术
在众多的系统开发方法论中，一般地认为，比较适合于GIS应用系统的方法有两种，即原型化开发技术和结构化系统分析和设计方法。
(1)原型化开发技术
原型化开发技术是信息系统开发的一种方法，其最大特点是对系统的定义在逐步开发的过程中进行，而不是从一开始就预见一切。它是在获得一组基本的需求后快速地加以实现，随着用户和开发人员对系统理解的加深，再不断对这些需求进行补充和细化，快速迭代并建立最终的系统。因为这种方法对需求的定义采用启发方式，并由用户作出响应，是一种动态定义技术，对开发人员的经验、能力以及开发工具与环境，都提出了较高的要求。 原型化方法的主要步骤如下：
①识别基本需求。这是设计初始原型的依据。它不要求完整和完善，只要有一种好的设想即可，同时还要大量收集和充分积累信息。
②开发工作模型。在此阶段要提出一个有一定深度和广度的工作模型，建立原型的初始方案，并从它开始迭代。建立初始模型所需时间，随其规模大小、复杂性、完整的程度而异。
③模型验证。在此要验证系统模型的正确程度，进而开发新的需求，并修改原有的需求。模型要通过有关专业人员的检查、评价和测试。
④修正改进。修正原型不合适的部分并作为新模型开发的基础。
⑤判定原型完成。成功的改进都会促进模型的进一步完善。根据用户关键性的需求是否得以完全体现和满足，来决定上述迭代过程能否终止。若模型基本上满足了用户关键性需求，则开发的模型就可靠一段落。随着用户对所研究的对象的不断深入和对系统了解的不断深化，可能提出新的需求和应用，那么，在已开发的模型的基础上，可以重复上述步骤继续开发。由此说，该方法非常适合于研究不太深入的地区和对象的模型开发。
(2)结构化系统分析和设计方法
这是一种信息系统分析和设计方法相结合的系统开发技术，这种结构化开发方法最广泛，亦比较成熟。此方法的要点是将系统开发的全过程划分为若干阶段，而后分别确定它们的任务，同时把系统的逻辑和物理模型，即系统“做什么”和“怎么做”分开，以保证各阶段明确、实施有效。为了使系统的开发顺利进行，所采用的基本原则是：
①从调查入手，充分理解用户的信息需求和业务活动，以此作为系统设计的主要依据。
②在对需求和约束进行充分调查、分析和理解的基础上，对系统开发的可行性进行论证，以避免和减少系统开发盲目性。
③强调运用系统工程观点，即全局的观点对客观世界进行分析，自上而下，从粗到精，将系统逐级分解，最后进行综合，构成相应的概念模型。
④强调时间顺序和工作内容，划分系统开发任务的工作阶段，如分析阶段、设计阶段，实施阶段以及运行维护阶段等等。如果需要还可以进一步细分。
⑤加强各阶段的文档资料的规范化和完整化，以便下一阶段的工作有所遵循，并有利于系统的维护，包括变动、扩充和改正错误等。
⑥充分估计事物发展变化因素，运用模型结构方式来组织系统，使系统有足够的灵活性和可变性。
⑦强调部门，特别是地区或专业机构的高层管理人员参加信息系统的建设和领导。
结构化系统分析和设计方法是一种考虑比较周全的开发技术，特别适合于大的区域性GIS应用系统的开发，例如全国性的应用系统或省、区级信息系统等等。
2.GIS开发与实施的内容及流程
开发与实施是GIS建设付诸实现的实践阶段，即对系统设计阶段完成的GIS物理模型进行建立，把系统设计方案加以具体实施。在这一过程中，需要投入大量的人力物力，占用较长的时间，因此必须根据系统设计说明书的要求组织工作，安排计划，培训人员。开发与实施的内容主要包括：
(1)程序编制与调试
程序编制与调试的主要任务是将详细设计产生的每一模块用某种程序语言予以实现，并检验程序的正确性。为了保证程序编制与调试及后续工作的顺利进行，硬软件人员首先应进行GIS系统设备的安装和调试工作。程序编制与调试在GIS开发软件提供的环境下进行（例如，利用ARC/INFO提供的AML宏命令语言，或用MAPGIS提供的二次开发函数库），按照问题分析、编写详细的程序流程图、确定程序规范化措施、编程、测试等步骤实现。程序编制可采用结构化程序设计方法，使每一程序都具有较强的可读性和可修改性。每一个程序都应有详细的程序说明书，包括程序流程图、源程序、调试记录以及要求的数据输入格式和产生的输出格式。
(2)数据采集与数据库建立
GIS建设过程中需要投入大量的人力进行数据的收集、整理和录入工作。GIS规模大，数据类型复杂多样，数据的收集和准备是一项既繁琐、劳动量又巨大的任务，要求数据库模式确定后就应进行数据的输入，对数据的输入应按数字化作业方案的要求严格进行，输入人员应进行相应程度的培训工作。
(3)人员的技术培训
GIS的建设需要很多人员参加工作，包括系统开发人员、用户和领导阶层，为了保证GIS的调试和用户尽快掌握，应提前对有关开发人员、用户、操作人员进行培训，掌握GIS的概貌和使用方法。
(4)系统测试
系统调试与测试是指对新建GIS系统进行从上到下全面的测试和检验，看它是否符合系统需求分析所规定的功能要求，发现系统中的错误，保证GIS的可靠性。一般说来，应当由系统分析员提供测试标准，制定测试计划，确定测试方法，然后和用户、系统设计员、程序设计员共同对系统进行测试。测试的数据可以是模拟的也可以是来自用户的实际业务，经过新建GIS的处理，检验输出的数据是否符合预期的结果，能否满足用户的实际要求，对不足之处加以改进，直到满足用户要求为止。
测试工作一般按如下流程实施：设计一组测试用例；用各个测试用例的输入数据实际运行被测程序；检测实际输出结果与预期的输出结果是否一致。这里供测试用的数据具有非常重要的作用，为了测试不同的功能，测试数据应满足多方面的要求；含有一定的错误数据；数据之间的关系应符合程序要求。
GIS开发与实施阶段将产生一系列文档资料，一般包括用户手册、使用手册、系统测试说明书、程序设计说明书、测试报告等。文档资料的设计与GIS工程开发相辅相成，互为补充，共同构成GIS工程主体。首先，GIS工程开发需要工程化思想的指导和支持，而文档则是这种系统思想的具体体现；另一方面，文档又是GIS工程开发的成果表达形式之一，它为项目间沟通、控制、验收、维护等提供了有力的保证。另外，GIS文档设计又明显有别于GIS工程开发，前者注重的是开发思想的整理、表达以及规范化，而后者则注重于工程的具体实施。GIS文档在GIS工程开发各个阶段所表现出的作用是有差异的，在某些阶段，文档可能发挥出较大的指导作用，而在另外某些阶段，文档则可能发挥控制和沟通的作用，甚至文档也可以仅仅是一种阶段的记录，等等。
13.2.5. 系统的评价和维护¶
GIS测试完毕，即可进入正式运行阶段，提供用户使用。在这一阶段，系统工作人员要对投入运行后的GIS进行必要的调整和修改。系统维护是指在GIS整个运行过程中，为适应环境和其它因素的各种变化，保证系统正常工作而采取的一切活动，包括系统功能的改进和解决在系统运行期间发生的一切问题和错误。GIS规模大，功能复杂，对GIS进行维护是GIS工程建立中一个非常重要的内容，也是一项耗时，花费成本高的工作，要在技术上、人力安排上和投资上给予足够的重视。
1．GIS的维护
GIS维护的内容主要包括如下4个方面：
(1) 纠错
纠错性维护是在系统运行中发生异常或故障时进行的。往往是对在开发期间未能发现的遗留错误的纠正。任何一个大型的GIS系统在交付使用后，都可能发现潜藏的错误。
(2) 数据更新
数据是GIS运行的“血液”，必须保证GIS中数据的现势性，进行数据的实时更新，包括地形图、各类专题图、统计数据、文本数据等空间数据和属性数据。由于空间数据在GIS中具有宠大的数据量，这里研究如何利用航空和多种遥感数据实现对GIS数据库的实时更新具有重要的意义，例如可借助航空影像实现对地图的自动更新。
(3) 完善与适应性维护
软件功能扩充、性能提高、用户业务变化、硬件更换、操作系统升级、数据形式变换引起的对系统的修改维护。
(4) 硬件设备的维护
包括机器设备的日常管理和维护工作。例如一旦机器发生故障，则要有专门人员进行修理。另外，随着业务的需要和发展还需对硬件设备进行更新。
2．系统评价
评价是指对GIS的性能进行估计、检查、测试、分析和评审。包括用实际指标与计划指标进行比较，以及评价系统目标实现的程度。在GIS运行一段时间后进行。系统评价的指标应包括经济指标、性能指标和管理指标等各方面，最后应就评价结果形成系统评价报告。