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2.1GIS的定义
GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术.要给出GIS的准确定义是困难的,因为GIS涉及的面太广,站在不同的角度,给出的定义就不同.通常可以从4种不同的途径来定义GIS:
(1)面向功能的定义.GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。
(2)面向应用的定义.这种方式根据GIS应用领域的不同,将GIS分为各类应用系统,例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。
(3)工具箱定义方式.GIS是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合.这种定义强调GIS提供的用于处理地理数据的工具。
(4)基于数据库的定义.GIS是这样一类数据库系统,它的数据有空间次序,并且提供一个对数据进行操作的操作集合,用来回答对数据库中空间实体的查询。
[7][8]
2.2地理信息系统的基本特征
地理信息系统与一般信息系统最大的区别在于,它不仅能够存储、分析和表达现实世界的各个对象的属性信息,而且能够处理其空间定位特征,能够将空间信息和属性信息有机地结合起来,从空间和属性两个方面对现实世界的各个对象进行查询、检索和分析,并将结果以各种直观的形式形象而精确地表达出来,其主要特征如下:
(1)它以地理坐标为基础组织数据,即按照特定行政区域(或流域)的经纬网、UTM坐标网或高斯一克吕格坐标网等为基础来建立地理信息系统。
地图中的各种属性数据都是与一定的地理坐标位置相关联。
(2)具有多维结构的特征。
地理信息系统以地理坐标位置构成空间实体的第一、二维信息,而以各种专题内容组成的属性构成第三维信息。
专题信息与空间位置之间的联系通过属性码进行。
这就为空间实体内部信息的综合研究提供了可能性,也为实现信息的多层次分析和筛选提供了方便。
(3)参与处理的数据经过了规范化和数字化。
为了适应计算机的输入输出的需要,便于进行多要素之间的对比、运算和相关分析,不论是统计数据、地图或影像,还是一些描述性的信息,在参与处理之前,都按照统一的格式或规范要求进行规范化和数字化,变成计算机可以接受的数字形式。
(4)地理信息系统的空间具有明显的时序特征。
空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集到或计算产生的.[8]
2.3地理信息系统的发展历史与发趋势
2.3.1发展历史
地理信息、系统的创立和发展,与地理空间信息的表示、处理、分析和应用手段的不断发展紧密相连。
地理信息系统脱胎于地图,它们都是地理信息的载体,具有获得、存储、编辑、处理、分析与显示地理数据的功能。
经过30多年的发展,GIS技术及应用取得了巨大的进步,从技术层面着眼,其发展大致可以分成3个阶段:
(1)第一代
从60年代中期到80年代中后期,是GIS软件从无到有,从原型到产品的阶段。
这一代地理信息系统软件随着计算机处理能力的提高而诞生,初步形成了地理信息系统的处理理论和方法体系,形成的一系列概念和方法对GIS的发展产生了积极和深远的影响。
但是,由于各方面条件的限制,这个时期的系统是初级的,规模不大,使用不方便。
(2)第二代
从80年代末到90年代中期,是GIS软件应用快速发展和成熟的时期。
这一阶段,GIS的理论和技术已基本成熟,在应用中受到青睐,应用领域迅速扩展。
这个时期,网络技术已经成熟并广泛应用,巨大的应用前景也对GIS提出了各种各样的要求,GIS软件实现技术得到了迅速发展,但是GIS的基本技术体系仍然没有发生根本的变化。
第二代地理信息系统软件的出现标志着GIS开始跟上信息技术发展的步伐,进入成熟的阶段。
(3)第三代
第三代地理信息系统软件出现于90年代的中后期,其生命周期将在10年左右。
进入90年代,信息技术的发展十分迅速,新的技术进步为GIS注入了新的活力,从而使GIS逐渐渗透到人类生活的各个方面,迎来了GIS应用高速扩展的时期。
大量的应用要求驱使GIS软件技术快速发展,开始具备作为应用集成平台的能力。
总结起来,传统的地理信息系统软件的特点可以简要地归纳为L:
以系统为中心;
以地图为基础;
二维处理;
静态管理;
尺度割裂;
数据集中。
迄今为止,尽管在体系结构和技术实现上不断进步,这三代地理信息系统都是以地图为基础的,也可以说,都是属于传统的“Tomlinson”型的,基本上也只适用于地图处理。
由于许多关键技术尚未突破,目前IT领域中许多行之有效的处理机制与实现技术还没有在GIS中得到充分体现。
随着GIS应用领域的不断拓展,现有的设计思想、体系结构和数据组织己经不适应当前应用发展的要求。
日益扩大的应用需求呼唤着新一代地理信息系统软件的出现。
[7]
2.3.2发展趋势
地理信息系统领域已经取得了巨大的成就,正在朝着以数据为中心,多维处理和分析决策这个理想目标一步一步地前进。
但是,完全实现这个目标还需要相当的时日。
下一代地理信息、系统软件应该在相当程度上具有以下特点:
(1)面向空间实体及其时空关系的数据组织与融合
改变以图层为基础的数据组织方式,不再将各类空间计算局限在图层范围内进行,而是直接面向客观世界中的空间实体及其相互关系,在人们感兴趣的范围内进行计算,从而实现直接面向空间实体的数据组织;
实现不同尺度空间数据的互动;
实现矢量、影象数据的互动;
实现多维属性与嵌套表;
实现多源空间数据的装载与融合,支持数据仓库机制;
强大的索引机制。
(2)空间数据共享和功能共享
传统的地理信息系统软件种类繁多,不同系统有自己的空间数据模型,不同系统之间数据不能通用,功能组织也各不相同,共享十分困难。
第四代GIS应该支持相同的抽象数据模型集合,不同系统之间的数据可以无缝地集成,实现互操作,真正做到数据共享和功能共享。
(3)有效的分布式空间数据管理和计算
分布式计算是GIS系统软件的弱点。
由于空间数据的复杂性和特殊性,与数据计算技术相比,空间分布式计算落后了很大的一段距离。
第四代地理信息系统应该实现空间数据的RPC,解决多用户空间数据操作同步条件下的数据完整性问题,实现分布条件下空间事务组织与管理,真正实现空间数据的分布式计算环境。
(4)一定的三维和时序处理能力
包括空间数据的增量存储与快速复原能力;
时空数据处理与分析机制;
(5)强大的应用集成能力
包括有效的遥感、地下信息系统、全球定位系统集成;
强大的应用模型支持能力:
GIS与MIS,特别是ERP的有机集成;
GIS与OA的有机集成;
GIS与CAD的有机集成;
有一定的实时能力、微型化、嵌入式GIS与各类设备的集成。
(6)灵活的操纵能力和一定的虚拟现实表达
包括多通道用户界面;
数据空间化与可视化支持;
一定的虚拟现实表达:
模型定义语言及其支持机制。
2.4地理数据库简述
地理数据库,即地理信息系统的数据库,是某区域关于一定地理要素特征的数据集合,是一种专门化的数据库,作为GIS的核心,地理数据库是GIS发展的技术支柱。
与一般的数据库相比,它主要涉及空间数据、属性数据及可能的拓扑关系的组织和管理,具有以下特点:
一是数据量大;
二是含两种性质的数据,即描述地理实体属性的属性数据和描述实体空间分布位置及可能拓扑关系的空间数据:
三是数据应用面广,可用于地理研究、生态环境保护、土地利用与规划、资源开发、市政管理、道路建设等。
这些特点决定了地理数据库的复杂性;
四是数据模型复杂。
地理数据库的主要问题是数据标准,指的是每个数据项的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、字段宽度、单位等的标准形式。
我国在探索地理信息系统的过程中,吸取了国际上的经验教训,一开始就注意到地理数据的标准与规范问题,至今己取得一定的成果。
2.5基于C/S、B/S的GIS集成总体结构
近年来,客户/服务器(Client/Sever,C/S)体系结构在分布式系统中得到了广泛的应用。
尽管这种模式至今还没有一个完整的权威性定义,但人们对这个概念的基本看法是一致的。
在C/S结构下,一个或更多个客户机和一个或更多个服务器,以及下层的硬件网络、操作系统和支撑平台进程间通信系统,共同组成一个支持分布式计算、分析和表示的系统,在该模式下,应用分为前端的客户部分和后端的服务器部分。
客户方发出请求,网络通信服务系统将请求的内容传到服务器,服务器根据请求完成预定的操作,然后把结果送回客户。
地理信息系统集成平台引入客户/服务器机制后,可以将地理信息系统集成定义为两层C/S结构(图1)。
前端用户和数据库集成平台、模型库集成平台、应用模型构成第1层C/S结构,集成平台和应用模型与商业软件构成第2层C/S结构。
客户端负责引导用户输入数据源、功能要求和模型选择,以及有关输入输出选择项,将这些信息提交模型集成平台服务器和数据集成平台服务器。
模型集成平台服务器负责在模型库中检索符合用户功能要求的模型,并支持模型的组合和建立新的模型,然后将这些模型(包括模型库中已有的和通过宏语言或API新建的)对数据的要求提交数据集成平台服务器,其功能请求转化为RS服务器、GIS服务器、RDBMS服务器可以实现的基本操作并提交给这些服务器。
数据集成平台服务器、RS、GIS、RDBMS服务器操作结果将返回给模型集成平台服务器,进而返回给客户端。
当客户端有特殊的显示、制图要求时,模型集成平台服务器将负责根据用户的要求调用其它服务器来实现;
如果客户端要求将模型运行的结果进入数据库时,模型集成平台将向数据集成平台服务器发出请求,完成在数据库中的注册。
数据集成平台服务器除了接收模型集成平台发出的请求外,还可以直接响应按照时间、空间和属性信息数据查询的要求,在空间框架的基础上实现多元数据的融合,数据集成平台的功能也是调用RS、GIS、RDBMS服务器的功能来实现的。
模型与数据库之间、模型与模型之间即可以采用IMPORT/EXPORT的文件交换形式(如ARC/INFO的E00格式等),也为将来全部过渡到API的内存交换形式(如DLL,OLE,ActiveX,COBRA等)提供可能。
这种设计使得系统只考虑软件的功能而不会过分依赖于具体的软件平台,因此系统具有良好的可扩充性,无论采用商业软件还是采用国产软件,只要具有该项功能可以作为服务器,服务器软件类型的变化都不会影响系统结构,便于将来采用国产软件和系统的升级换代。
B/S(Browser/Server,浏览器/服务器)模式又称B/S结构。
它是随着Internet技术的兴起,对C/S模式应用的扩展。
在这种结构下,用户工作界面是通过IE浏览器来实现的。
B/S模式最大的好处是运行维护比较简便,能实现不同的人员,从不同的地点,以不同的接入方式(比如LAN,WAN,Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据;
最大的缺点是对企业外网环境依赖性太强,由于各种原因引起企业外网中断都会造成系统瘫痪。
典型的B/S模式应用系统网络结构如下图:
3徐汇区地理信息系统设计
3.1定义
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。
其实,在GIS中最有价值的是“信息”,而不是计算机等硬件。
国际上的统计数据表明,一个信息系统如果硬件投资为1,则软件开发为5,而信息的采集、整理和加工为10。
因此,在建立GIS过程中确定应用目标是什么,选用哪些数据源、什么数据入库,以及数据的质量、精度如何等一系列重大问题是至关重要的,直接关系到系统的有效性和实用性,也即GIS工程的成败及效益,取决于GIS工程的总体规划和设计、技术力量的组织、工程的建设实施和数据源的组织等问题。
地理信息系统的开发研究分为四个阶段:
系统分析、系统设计、系统实施、系统评价及维护。
系统分析阶段的需求功能分析、数据结构分析和数据流分析是系统设计的依据。
系统分析阶段的工作是要解决“做什么”的问题,它的核心是对地理信息系统进行逻辑分析,解决需求功能的逻辑关系及数据支持系统的结构,以及数据与需求功能之间的关系;
系统设计阶段的核心工作是要解决“怎么做”的问题,研究系统由逻辑设计向物理设计的过渡,为系统实施奠定基础。
地理信息系统设计要满足三个基本要求,即加强系统实用性、降低系统开发和应用的成本、提高系统的生命周期。
在系统实施和测试过程中,发现软件开发领域内的错误大部分是由于系统设计不周而引起的。
3.2设计方案分类
系统设计可分为:
地理信息系统设计方法、管理信息系统的设计方法和软件工程的设计方法。
所有这些设计都要根据设计原理并采用结构化分析方法。
其中最有用的理论是模块理论及其有关的特性、例如内聚性和连通性。
所谓结构化就是有组织、有计划和有规律的一种安排。
结构化系统分析方法就是利用—般系统工程分析法和有关结构概念,把它们应用于地理信息系统的设计,采用自上而下划分模块,逐步求精的系统分析方法。
这种结构化分析和设计的基本思想包括如下要点:
1、在研制地理信息系统的各个阶段都要贯穿系统的观点。
首先从总体出发,考虑全局的问题,在保证总体方案正确,接口问题解决的条件下,然后按照自上而下,一层一层地完成系统的研制。
这是结构化思想的核心。
2、地理信息系统设计的基本原则是首先进行调查研究,掌握必要的数据,否则就不可能进行系统分析。
只有设计出合理的逻辑模型,才有可能很好地进行物理设计。
事实上地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复、不断提高的过程,每一个循环就是—个生命周期,要严格划分工作阶段,保证每个阶段任务很好地完成。
3、用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型。
在系统的逻辑设计中包括分析信息流程,绘制数据流程图;
根据数据的规范,编制数据字典;
根据概念结构的设计,确定数据文件的逻辑结构;
选样系统执行的结构化语言,以及采用控制结构作为地理信息系统的设计工具等。
4、结构化分析和设计还包括系统结构上的变化和功能上的改变,以及面向用户的观点等。
3.3设计路线分类
徐汇区科技地理信息系统的设计路线可以分为三类:
地理信息系统的设计方法、管理信息系统的设计方法和和软件工程的设计方法。
所有这些设计方法都已经采用了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(cohesiveness)和连通性(connectivity)。
结构化系统分析方法,就是利用一般系统工程分析法和有关结构概念,把它们应用于地理信息系统的设计,采用自上而下,划分模块,逐步求精的一种系统分析方法。
这种结构化分析和设计的基本思想包括如下的要点:
首先从总体出发,考虑全局的问题,在保证总体方案正确,接口问题解决的条件下,然后按照自上向下,一层层地完成系统的研制,这是结构化思想的核心。
2、地理信息系统的开发是一个连续有序、循环往复不断提高的过程,每一个循环就是一个生命周期,要严格划分工作阶段,保证阶段任务的完成。
例如,没有调查研究和掌握必要的数据,就不可能很好地进行系统分析。
没有设计出合理的逻辑模型,就不可能有很好的物理设计等等。
这是系统设计的基本原则。
3、用结构化的方法构筑地理信息系统的逻辑模型和物理模型,包括在系统的逻辑设计中,分析信息流程,绘制数据流程图;
选择系统执行的结构化语言,以及采用控制结构(图7—2)作为地理信息系统设计工具。
这种用结构化方法构筑的地理信息系统,其组成清晰,层次分明,便于分工协作,而且容易调试和修改,是系统研制较为理想的工具。
4、结构化分析和设计的其它一些思想还包括:
系统结构上的变化和功能的改变,以及面向用户的观点等,是衡量系统优劣的重要标准之一。
由系统设计人员来设计地理信息系统,就是根据若干规定或需求,设计出功能符合需要的系统。
一个地理信息系统最基本的模型框架一船由四部分组成(图7-3)。
但随具体开发目标的不同,在系统环境、控制结构和内容设计等方面都有很大的差异。
因此,设计人员开发地理信息系统时须遵循正确的步骤:
第一步:
根据用户需要,确定系统要做哪些工作,形成系统的逻辑模型;
第二步:
将系统分解为一组模块,各个模块分别满足所提出的需求;
第三步:
将分解出来的模块,按照是否能满足正常的需求进行分类。
对不能满足正常需求的模块需要进一步调查研究,以确定是否能有效地进行开发;
第四步:
制定工作计划,开发有关的模决,并对各个模块进行一致性的测试,以及系统的最后执行。
4地理信息系统设计模式
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(图8—1):
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等;
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。
该模式的主要特点是强调对用户的调查和对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。
自从这个最早的地理信息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。
原来的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)都需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。
现在的情况不同了,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,因此需要对原来的地理信息系统设计模式进行修改,修改后的地理信息系统设计模式如图8—2所示。
其主要的设计思想,是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,保证所设计系统的实用可靠,及有效地处理数据和使用周期长等要求。
该模式采用了管理信息系统和软件工程的一些设计理论,包括:
1、目的与任务每
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- 徐汇区 地理信息系统 GIS 页面 设计
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