地理信息系統工程

地理信息系統工程是套用系統原理和方法，針對特定的實際套用目的和要求，統籌設計、最佳化、建設、評價、維護實用GIS系統的全部過程和步驟的統稱。

基本介紹

• 中文名：地理信息系統工程
• 外文名：GIS

特性

GIS工程具有一定的廣泛性

它是系統原理和方法在GIS工程建設領域內的具體套用。它的基本原理是系統工程，即從系統的觀點出發，立足於整體，統籌全局，又將系統分析和系統綜合有機地結合起來，採用定量的或定性與定量相結合的方法，提供GIS工程的建設模式。同時，GIS工程在很大程度上是計算機軟體系統，它在軟體設計和實現上要遵循軟體工程的原理，研究軟體開發的方法和軟體開發工具，爭取以較少的代價獲取用戶滿意的軟體產品，支持GIS工程。

GIS工程又具有相對的針對性

GIS工程總是面向具體的套用而存在，它伴隨著用戶的背景、要求、能力、用途等諸多因素而發生變化。這一方法說明GIS具有很強的功用性，另一方面則要求從系統的高度抽象出符合一般GIS工程設計和建設的思路和模式，用以指導各種GIS工程建設。

GIS工程涵蓋範圍很廣

它貫穿工程設計、最佳化、建設、評價、維護更新等全過程，並綜合考慮人的因素、物的因素，使其整體統籌考慮的範疇，做到"物盡其用，人盡其能"，以最小的代價取得最佳的收益。
GIS工程涉及因素眾多，概括起來可以分為硬體、軟體、數據及人。硬體是構成GIS系統的物理基礎；軟體形成GIS系統的驅動模型；數據是GIS系統的血液；人則是活躍在GIS工程中的另一個十分重要的因素，人既是系統的提出者，又是系統的設計者、建設者，同時還是系統的使用者、維護者。如果人的作用發揮得好，可以增強系統的功能，增加系統的效益，為系統增值，反之會削弱系統應有的潛能。如果說硬體、軟體、數據表現出某種層次關係的話，即軟體構築於硬體之上，數據賴以軟體而存在，那么，人的作用就是嵌入在整個GIS工程領域之中。

對比區別

與其他信息系統的對比

與一般信息系統相比，GIS是以管理具有定位特徵的空間數據為其主要特徵的計算機軟硬體系統，其功能強大，種類繁多，數據種類多樣，套用性強，結構複雜，主要表現為：
(1)橫跨多學科的邊緣體系，GIS是由計算機科學、測繪遙感學、攝影測量學、地理學、地圖製圖學、人工智慧、專家系統、信息學等組成的邊緣學科。
(2)以空間數據為主，數據類型多樣：從內涵上說，GIS包含有圖形數據、屬性數據、拓撲數據。從形式上說，包含有文本數據、圖形數據、統計數據、表格數據。所有數據皆以空間位置數據為主要核心，在圖形資料庫和屬性資料庫間相聯繫。
(3)數據結構複雜。
(4)以套用為主，類型多樣：GIS以套用為主要目標，針對不同領域，具有不同GIS，如土地信息系統、資源與環境信息系統、輔助規劃系統、地籍信息系統。不同的GIS具有不同的複雜性、功能和要求。
(5)以空間分析為主。
上述情況決定了GIS工程是一項十分複雜的系統工程，投資大、周期長、風險大、涉及部分繁多。它具有一般工程所具有的共性，同時又存在著自己的特殊性。在一個具體的GIS開發建設過程中，需要領導層、技術人員、數據擁有單位、各用戶單位與開發單位的相互協作合作，涉及到項目立項、系統調查、系統分析、系統設計、系統開發、系統運行和維護多階段的逐步建設，需要進行資金調撥、人員配置、開發環境策劃、開發進度控制等多方面的組織和管理。如何形成一套科學高效的方法，發展一套可行的開發工具，進行GIS的開發和建設，是獲得理想GIS產品的關鍵和保證。

建設

根據GIS建設的時間序列，可以把建設過程分為5個階段：系統調查、系統分析、系統設計、系統實施、系統維護和評價。另外，在開發的每一階段，都會形成一定的文擋資料，以保證GIS的開發成功，並最經濟地花費人力、物力投資，便於運行和維護。這些文擋作為軟體產品的成果之一，集中體現了GIS開發建設人員的大量腦力勞動成果，是GIS不可缺少的組成部分。

現行系統調查

對現行系統調查是GIS工程開發和建設的第一步，由系統分析員承擔完成。主要任務是通過用戶調查發現系統存在的問題，完成可行性研究工作，確定建立GIS是否合理，是否可行。調查方法可採用訪問、座談、填表、抽樣、查閱資料、深入現場、與用戶一起工作等各種調查研究方法，獲得現行狀況的有用資料，解決以下幾個問題：
·確定對現行系統的調查範圍；
·發現現行系統存在的問題；
·初步確定新建GIS的主要目標；
·估計新建GIS可能帶來的效益；
·根據用戶的資金和技術力量分析建立GIS是否可行。
(1) 發現現行系統存在的問題
通過對現行系統組織機構、組織分工、工作任務、只能範圍、、業務運作流程、信息處理方式、資料使用情況、工作負荷、人員配置、設備裝置、費用開支等各方面的調查研究，指出現行工作狀況在工作效率、費用支付、人力使用等方面存在的主要問題和薄弱環節，作為待建GIS的突破口。
(2) 初步確定系統的主要目標
系統目標規定了待建GIS建成後所要求達到的運行指標，是進行可行性分析、系統分析與設計、系統實施、系統測試、系統評價與維護的重要依據，對GIS生命周期起著重要的作用。通過對現行系統功能、現行系統存在的問題，用戶多方面的意見和要求，系統建設軟硬體環境、GIS發展水平，投資規模，建設周期等因素的分析，初步確定系統的目標。系統目標決定了將來建成的GIS的位置和水平：
1)建立資料庫（圖形和屬性資料庫），實現對有關數據的輸入、存儲、檢索和查詢統計，改進信息資源的管理和利用；
2)不僅實現對有關數據的有效管理，而且提供較強的空間分析功能，建立相應的套用模型，提供輔助決策功能，例如，土地評價系統，輔助規劃系統等；
3)具有智慧型推斷的高級GIS系統。
一般來說，系統目標不可能在調查研究階段就提得十分具體和確切，隨著後續分析和設計工作的逐層深入，新建GIS系統目標也將逐步具體化和定量化。
(3) 技術力量的調查分析
GIS是一個橫跨多個學科組成的一個邊緣學科，在GIS建設的各個階段，需要各種層次、各種專業的技術人員參加，例如系統分析人員、設計人員、程式設計師、操作員、軟硬體維護人員、組織管理人員等。應對新建GIS的規模和套用領域，對從事這些工作的技術人員數量、結構和水平進行調查分析，如果不能投入足夠數量的上述人員或者投入人員的技術水平不理想，則可以認為GIS建設在技術力量上是不可行的。
(4) 資金才力的調查分析
GIS工程建設需要有足夠的資金才力做保證。根據擬建GIS的規模，要對GIS開發和運行維護過程中所需要的各種費用進行預測估算，包括軟硬體資源、技術開發、人員培訓、數據收集和錄入、系統維護、材料消耗等各項支出，衡量能否有足夠的資金保證進行GIS的工程建設。
(5) 數據資料的調查分析
數據是信息的載體，是系統運行的"血液"。GIS涉及的數據種類繁多，形式多樣，結構複雜，往往同時包括圖形數據、圖象數據、表格數據、文字數據、統計數據等。要對有關部門所擁有和能夠提供的數據在數據種類、完備性、準確性、精確性等方面進行深入的調查統計與分析，明確數據資料是否實用於GIS的有效管理，是否提供GIS的有效運行。尤其對於作為定位依據的地形圖等基礎數據，要給予認真的調查和統計。
對數據資料的調查，還包括對相關技術規範的調查分析。應該說，這一步工作是十分重要的。
(6) 系統效益調查分析
一般說來，GIS建設投資大，短期內效益不明顯。要對GIS建成後帶來直接或間接的經濟效益和社會效益進行估計，並與GIS建設各階段的投入相比較，看看能夠帶來多少好處。可從投資回收期、效益/費用、節省人力、減輕勞動強度、改進薄弱環節、提高工作效率、提高數據處理的及時性和準確性，輔助決策和提供決策依據等各個方面進行分析預測。
(7)運行可行性的調查分析
評價新建GIS運行的可行性及運行後引起的各方面的變化（如組織機構、管理方式、工作環境）對社會或人的因素產生的影響。主要包括GIS運行後對現有組織機構的影響，現有人員對系統的實用性，對現有人員培訓的可行性，人員補充計畫的可行性，對環境條件的影響等。
現行系統調查研究要求系統分析員與GIS用戶、新涉及的各部門甚至領導之間進行充分的交流和溝通，正確分析GIS建設帶來的利弊，最後由系統分析員提交可行性報告。

系統分析

(1) 分析現行運行過程，獲取現行系統流程圖
系統分析員在對用戶現行工作流程深入調查的基礎上，要對現行系統進行深入細緻的分析和研究，明確現行系統的目標、規模、界限、主要功能、組織機構、業務流程、數據流程、數據存儲、對外聯繫、日常事物處理與主要存在問題，獲取對現行系統的充分認識與理解。
按照現行系統的職能劃分和業務範圍，概括抽象出現行系統的業務框圖或業務流程圖，通過各業務職能的相互關係和可實現程度，初步界定出GIS建設可實現的業務內容和可改進的職能。例如，對於在空間資料庫基礎上提供空間分析功能的土地管理信息系統，我們可以實現對土地有關的各項指標的查詢、統計以及進行土地資源的單一或多用途評級、評價，但不可能期望通過該級別GIS的建設實現對土地利用的自動規劃。
按照現行系統對數據的使用、加工和處理過程，獲得現行系統的數據流程圖，對於以空間數據處理為其對象的部門來說，它的運作需要涉及大量的圖形、表格、文擋資料，數據流程圖是其具體業務過程和作業過程的反映，代表了數據操作的邏輯模型。
(2) 進行數據分析，獲取數據字典
對數據流程圖中出現的所有空間數據、屬性數據進行描述與定義，形成數據字典，列出有關數據流條目、檔案條目、數據項條目、加工條目的名稱、組成、組織方式、去值範圍、數據類型、存儲形式、存儲長度等。
數據流條目：組成、流量、來源、去向；　檔案條目：檔案名稱、組成、存儲方式、存取頻率；
數據項條目：數據項名、類型、長度、取值範圍；
處理條目：處理名、輸入數據、輸出數據、處理邏輯。
(3) 導出現行系統的邏輯模型
在理解現行系統"怎樣做"的基礎上，明確其本質是"做什麼"，對現行系統的具體模型進行抽象，去掉那些具體的、非本質的、在進一步深入分析中造成不必要負擔的東西，獲取反映系統本質的邏輯模型，作為待建GIS邏輯模型的依據。例如，對圖8-1(a)所示非本質的因素進行抽象，可得圖8-1(b)所示的邏輯模型。

(4)進行用戶需求分析與描述

圖8-1 邏輯模型

在對現行系統深入分析的基礎上，找出現行系統存在的問題和 弊端，對用戶提出的要求進行綜合抽象和提煉，形成對待建GIS需求的文字描述，包括有功能需求、性能需求、數據管理能力需求、可靠性需求、安全保密需求、用戶接口需求、聯網需求、軟硬體需求、運行環境需求等的文字描述。

(5) 明確待建GIS的目標

對可行性分析中的目標進行進一步深化明確，獲得待建GIS更加明確具體的目標。

(6) 導出待建GIS的邏輯模型

這是系統分析中實質性的一步。將待建系統的邏輯模型與待建

GIS的目標相比較，找出邏輯上的差別，決定出變化的範圍，明確待建GIS"做什麼"；將變化的部分看作新的處理步驟或模組，對現有數據流程圖進行調整；由外向內逐層分析，獲得待建GIS的邏輯模型。

(7) 制定設計實施的初步計畫

對工作任務進行分解，確定各子系統（或模組）開發的先後順

序，分配工作任務，落實到具體的組織和人；對GIS建設的時間進度進行安排；對GIS建設費用進行評估。

系統分析的最後階段由分析員提交用戶需求分析報告，用戶需求分析報告一般應經過用戶主管部門的批准，在經過用戶和開發者雙方認可後，具有契約的作用，是GIS建設中進行開發設計和驗收的依據。

系統設計

GIS總體設計總體設計的任務主要有：

(1) 系統的目的、目標及屬性的確定

系統的目的是系統建成後應達到的水平標誌，或稱系統預期達

到的水平。GIS系統必須提出明確的系統目的，以指導工作的展開。

系統目標是實現目的過程中的努力方向，GIS工程中提出的系統目標因具體問題而變化，比如：

·投資規模（大、中、小）

·建設周期（一年、二年，……）

·數據準備（半年，一年，……）

·數據採集（半年，一年，……）

·舊有設備的利用

·效益預計·系統被接納和使用度（或滿意度）估計

……

系統屬性是指對目標的量度。由於GIS工程建設的多樣性及不易量測的特點，衡量GIS工程的屬性通常採用：

·直接經濟和社會效益

·間接經濟和社會效益

·系統對原有工作模式改進程度

·對使用者的滿意度調查……

在處理實際問題時，常常遇到系統目標不只一個，而是多個，它們共同構成目標集合。對目標集合的處理，往往把目標分解，按子集、分層次畫成樹狀結構，稱其為目標樹，如圖8-2。

圖8-2 目標樹示意圖

構造目標樹的原則是：

1)目標子集按目標的性質進行分類，把同一類目標劃分在一個目標子集內；

2)目標分解，直至可量度為止。

把目標結構畫成樹狀結構的優點是，目標集合的構成與分類比較清晰、直觀；更為重要的是，按目標性質分為子集，便於進行目標間的價值權衡，也就是說，在確定目標的權重係數過程中，能夠明確地表明應該和那些層次、那些部門的決策者對話。

(2) 進行各子系統或模組的劃分與功能描述

按照GIS各功能的聚散程度和耦合程度、用戶職能部門的劃分、

處理過程的相似形、數據資源的共享程度將GIS劃分為若干子系統或若干功能模組，構成系統總體結構圖，並對各系統或模組的功能進行描述。(3) 模組或子系統間的接口設計

各子系統或模組作為整個GIS的一部分，相互間在功能調用、

信息共享、信息傳遞方面都存在著或多或少的聯繫，故應對其接口方式、許可權設定進行設計。例如，一個城市規劃與國土信息系統可劃分為基礎信息、規劃信息、土地管理、市政管線、房地產管理、建築設計管理等子系統。相互間都要共享有關基礎數據、規劃數據、市政管線數據、地籍數據，同時存在相互的調用，應對調用方式、數據共享許可權等作出嚴格規定與設計。

(4) 軟硬體配置設計

硬體：包括計算機、存儲設備、數位化儀、繪圖儀、印表機、

其它外部設備。說明其型號、數量、記憶體等性能指標，畫出硬體設備配置圖。

軟體：說明與硬設備協調的系統軟體、開發平台軟體等。

(5) 網路設計包括對網路的結構、功能兩方面的設計。例如，在城市規劃與

國土信息系統中，基礎信息、規劃管理、土地管理、市政管線、房地產管理、建築設計管理等子系統間存在著數據共享和功能調用關係，由於各自針對不同的部門使用，就要求設計相應的網路結構，實現相互間及其與總系統的聯網，同時，城市規劃與國土信息系統也可能與城市經濟信息系統聯網。

(6) 輸入輸出與數據存儲要求

對新建GIS輸入、輸出的種類、形式要求等，以及對資料庫的

用途、組織方式、數據共享、檔案種類作一般說明，詳細內容在詳細設計中考慮。

(7) 開發策略規定

包括經費管理、條件保證、運行管理、計畫實施、實施方案說

明、組織協調等的規定。

(8) 成本與收益分析成本是指開發和（或）運行GIS系統所支付的資金，而收益是

指由於新系統的投入而增加的收入或減少的成本。開發系統是一種投資，這意味著當前需向某一項目支付資金，希望將來某個時候能夠獲得收益。在開發周期的每一個階段都需要投資，而期望的收益來至減少成本或增加收入。如果期望的收入小於成本，那么這個系統可能不值得繼續做下去。

詳細設計

詳細設計是在總體設計的基礎上進一步深化，主要內容有：
(1) 模組設計
詳細設計是對總體設計中已劃分的子系統或各大模組的進一步深入細化設計。按照內聚度和耦合度、功能完整性、可修改性進一步劃分模組，形成進一步功能獨立、規模適當的模組，要求各模組高內聚低耦合（即塊內緊，塊間松），對各模組進行設計，畫出各模組結構組成圖，詳細描述各模組的內容和功能。
(2) 代碼設計
GIS數據量大，數據類型多樣，為減少數據冗餘度，方便對數據的分類、統計、檢索和分析處理，提高處理速度，便於管理，節約存儲，需要對有關數據元素或數據結構（如用地分類、公共建設設施性質、管道類型、管道名稱等）進行代碼設計、形成編碼檔案，必要時還應建設代碼字典，記載代碼與數據間的對應關係。GIS中所設計的代碼應具有唯一性、標準性和通用性、可擴充性和穩定性、易修改性、易識別和記憶等特點。
(3) 資料庫設計
常用的關係資料庫並不適合對GIS中大量的空間數據的有效管理。GIS中一般應包含兩個資料庫：空間資料庫和屬性資料庫。一般說來，GIS的開發平台已經提供相應的資料庫管理系統或從現有的系統中選購。資料庫設計要完成資料庫模型設計、數據結構的設計。
對於一個大型的GIS，資料庫的設計是一個十分複雜的過程，要求資料庫設計者對資料庫系統和GIS套用系統有相當深入的了解，空間資料庫的設計要對數據分層、要素屬性定義、空間索引或檢索等作明確的設計。
(4) 數據獲取方案設計
數位化作為GIS數據採集的重要方式，是GIS獲取有關圖形圖件信息的重要手段。數位化方案設計的內容包括：內容選取與分層、數位化中要素關係的處理原則與策略、相應專題內容的數位化方案、數位化作業步驟、數位化質量保證等。
(5) 界面設計
GIS作為一種可視產品，一個人機界面友好，簡單易學、靈活方便的界面是GIS建設的一個重要內容。GIS數據信息的提供顯示更多地與圖形符號化緊密相聯，要多圖面布局形式、圖面布局內容、色調搭配、選單形式、選單布局、對話作業方式說明。　(6) 輸入輸出設計
在總體設計的基礎上，對輸入輸出的內容、種類、格式、所用設備、介質、精度、承擔者作出明確的規定。
(7) 程式模組設計
對模組設計中的各模組進行逐個模組的程式描述，主要包括算法和程式流程、輸入輸出項、與外部的接口等。
(8) 安全性能設計
用來避免由於存在的各種危險而造成的事故，確保GIS系統使用安全，運行可靠。按照待建GIS的狀況和用戶對象，進行如下某些內容的設計：對用戶分級，設定相應的操作許可權；對數據分類，設定不同的訪問許可權；口令檢查，建立運行日誌檔案，跟蹤系統運行；數據加密；數據轉儲、備分與恢復；計算機病毒的防治。
(9) 實施方案設計
對工作任務分解，指明每項任務的要求和負責人，對各項工作給出進度要求，作出各項實施費用的估算及總預算。
系統設計的主要成果是系統設計說明書，包括總體設計說明書和詳細設計說明書，是GIS系統的物理模型，也是GIS實施的重要依據。

系統的開發與實施

開發與實施是GIS建設付諸實現的實踐階段，實現系統設計階段完成的GIS物理模型的建立，把系統設計方案加以具體實施。在這一過程中，需要投入大量的人力物力，占用較長的時間，因此必須根據系統設計說明書的要求組織工作，安排計畫，培訓人員，開發和實施的內容及流程見圖8-3。

(1) 程式編制與調試　

GIS開發與實施的內容及流程

程式編制與調試的主要任務是將詳細設計產生的每一模組用某種程式設計語言予以實現，並檢驗程式的正確性。為了保證程式編制與調試及後續工作的順利進行，軟硬體人員首先應進行GIS系統設備的安裝和調試工作。一般情況下，程式的編制與調試在GIS提供的環境下進行，根據具體的問題，分析、編寫詳細的程式流程圖，確定程式規範化措施，最後完成程式的編制、調試、測試。程式編制可以採用結構化程式設計方法，使每一程式都具有較強的可讀性和可修改性。當然也可以採用面向對象的程式設計方法。每一個程式都應有詳細的程式說明書，包括程式流程圖、源程式、調試記錄以及要求的數據輸入格式和產生的輸出形式。

(2) 數據採集與資料庫建立

GIS過程中需要投入大量的人力進行數據的採集、整理和錄入工作。GIS規模大，數據類型複雜多樣，數據的收集與準備是一項既繁瑣，勞動量又巨大的任務，要求資料庫模式確定後就應進行數據的輸入，對數據的輸入應按數位化作業方案的要求嚴格進行，輸入人員應進行相應程度的培訓工作。(3) 人員的技術培訓

GIS的建設需要很多人員參加工作，包括系統開發人員、用戶和領導階層，為了保證GIS的調試和用戶儘快掌握，應提前對有關開發人員、用戶、操作人員進行培訓，掌握GIS的概貌和使用方法。

對於一般人員和領導，也應給予一定的宣傳和教育，使其對新建GIS系統有所了解，關心和支持GIS的實施工作。

(4) 系統測試

系統調試與測試是指對新建GIS系統進行從上到下全面的測試和檢驗，看它是否符合系統需求分析所規定的功能要求，發現系統中的錯誤，保證GIS的可靠性。一般說來，應當由系統分析員提供測試標準，制定測試計畫，確定測試方法，然後和用戶、系統設計員、程式設計員共同對系統進行測試。測試的數據可以是模擬的，也可以是來自用戶的實際業務，經過新建GIS的處理，檢驗輸出的數據是否符合預期的結果，能否滿足用戶的實際需求，對不足之處加以改進，直到滿足用戶要求為止。

測試方法可採用如下流程實施：設計一組測試用例→用各個測試用例的輸入數據實際運行被測程式→檢測實際輸出結果與預期的輸出結果是否一致。這裡供測試用的數據具有非常重要的作用，為了測試不同的功能，測試數據應滿足多方面的要求；含有一定的錯誤數據；數據之間的關係應符合程式要求。

GIS的開發與實施階段將產生一系列的系統文擋資料，一般包括用戶手冊、使用手冊、系統測試說明書、程式設計說明書、測試報告等。

系統的維護和評價

(1) 系統的維護
GIS的維護主要包括以下四個方面的內容。
1) 糾錯
糾錯性維護在系統運行中發生異常或故障時進行的。往往是對在開發期間未能發現的遺留錯誤的糾正。任何一個大型的GIS系統在交付使用後，都可能發現潛藏的錯誤。
2) 數據更新
數據是GIS運行的血液，必須保證GIS中數據的現勢性，進行數據的及時更新，包括地形圖、各類專題圖、統計數據、文本數據等空間數據和屬性數據。由於空間數據在GIS中具有龐大的數據量，這裡研究如何利用航空和多種遙感數據實現對GIS資料庫的實時更新具有重要的意義，例如可藉助航空影象實現對地圖的更新。
3) 完善和適應性維護
軟體功能擴充、性能提高、用戶業務變化、硬體更新、操作系 統升級、數據形式變換引起的對系統的修改維護。
4) 硬體設備的維護
包括機器設備的日常管理和維護工作。例如，一旦機器發生故障，則要有專門人員進行修理。另外，隨著業務的需要和發展，還需對硬體設備進行更新。為了避免系統維護過程中帶來的副作用（對其它過程或子系統的影響），加強維護過程中的管理工作是非常重要的，要求按如下步驟嚴格執行：提出修改需求→領導批准→分配維護任務→驗收工作結果。
(2) 系統的評價
評價是指對GIS的性能進行估計、檢查、測試、分析和評審。包括用實際指標與計畫指標進行比較，以及評價系統目標實現的程度。在GIS運行一段時間後進行。系統評價的指標包括經濟指標、性能指標個管理指標各個方面，最後應對評價結果形成系統評價報告。