地理信息系统的软、硬件配置设计

一、地理信息系统的硬件配置设计
    
    计算机各种类型的硬件是地理信息系统硬件配置的基础，其主要包括：
    
        ·计算机——工作站、微机、便携式计算机；
      
        ·数据输入设备——数字化仪、扫描仪等；
      
        ·数据输出设备——图形终端、绘图仪、打印机、硬拷贝设备等；
    
        ·存贮设备——磁带机、光盘机等。
    
        直到70年代末期，各种信息系统的计算机硬件配置系统还很简单，主要是基于集中式 (Centralized scheme)的配置，其数据存贮和处理功能都集中于主机(A host mainframe or mini—computer)上，其各种外围设备，如终端、图形工作站和绘图仪等也都连接在主机上，其所能实现的功能非常有限。
    
        80年代后期，计算机硬件和软件技术突飞猛进的发展，为计算机系统的配置提供了许多新的机会和选择。使一台计算机主机上的计算机处理功能与数据相分离的分布式系统  (Distributed system)概念，已经对有关地理数据管理系统的设计和配置产生了重要影响。
        
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        这里，将从用户应用的角度，给出地理信息系统硬件系统的配置。如图8-5，我们可以通过局域网将地理信息系统输入设备、存贮设备、输出设备、计算机以及服务器等连接起来。计算机通过局域网向服务器发出数据查询、数据分析以及控制输出设备的请求，服务  器则响应请求提供服务。
    
    二．地理信息系统的软件设计
    
    软件设计必须根据建立GIS的目的、任务和今后的研究方向进行。目前。GIS在城市规划、资源调查、环境监测、工程建设、地学研究与教学等方面得到了广泛应用。就其任务而言，可以抽象为四方面的内容；空间信息获取与管理；空间特征量测与分析；空间过程模拟与预测；时空规律的总结与应用。从这些任务出发，进行通用的GIS软件工具系统的设计、使其具有适应性强、易于掌握、便于推广和应用开发、汉化等特点。
    
    软件设计是将所要编制的程序表达为—种书面形式。这种形式既可简单明了地描绘软件系统的全貌，又可以逐步精化，以便于程序编制的高效正确。同时又是一个程序修改完善、移植交流的工具。
    
    1、信息描述
    
    GIS的数据流程通常是：数据通过输入编辑模块进入系统，经过人机交互编辑、拓扑关系生成、投影和格式转换，影像处理和信息提取等，形成完整的系统数据结构进入数据库。数据通过多种方式的查询检索，得到数据子集，用于模型分析，分析结果或查询检索结果进入输出编辑整饰后输出。
    
    为便于软件设计和建立针对应用任务的实用系统，可将系统数据结构划分为两个层次，即外部数据格式(或逻辑数据格式)和内部数据格式(或物理数据格式)。外部数据格式面向用户，描述地图之间的逻辑联系，由用户建立应用系统时定义；内部数据格式面向程序设计，描述系统数据的物理存储结构和数据之间的拓扑关系、联结方式，在程序设计时确定。进入系统的数据有遥感影像数据、专题地图数据、栅格地图数据、台站观测数据、社会经济统计数据、文字报告数据、外部系统数据等。
    
    在GIS中用数据字典来描述系统数据结构的意义、来源、管理方法与功能模块的联系、任务、用户权限等。
    
    矢量数据的来源有三个：其—是专题地图内手扶跟踪数字化仪得到的标准矢量格式数据；其二是将遥感影像、系统操作结果得到的栅格图像等经过栅格向矢量的转换得到的数据；其三是由外部系统通讯进入系统的矢量格式数据。矢量数据的系统模块主要用于图形输入、图形编辑、拓扑生成、格式转换、查询检索、指标量算、空间分析、符号编辑和矢量绘图等，其存取方法采用二进制直接存取方式，更新由矢量编辑和文件覆盖实现。
    
    栅格数据可由遥感影像或其它外部栅格图像得到，也可由矢量向栅格转换(包括离散点插值拟合)或直接输入的栅格地图得到。涉及到栅格格式的模块有格式投影转换、遥感影像处理、查询检索、数理统计、覆盖运算、逻辑分析、模型应用和点阵打印等。
    
    属性数据主要是与专题地图有关的数量、类别、等级和描述性信息。除通过统计、观测等直接产生的属性数据外，还有些是由地图图例中提取编码得到的，有些通过信息系统模型操作得到的。有些是遥感影像分类提取后产生的。属性数据是GIS的重要组成部分，在属性支持下，图形不再是仅有几何意义的像元和因素，而是具有地理意义的地理实体，逻辑运算和地理分析、地理统计等，都是通过属性与图形的结合实现的。属性数据通过相应因素(点、像元、弧段、多边形等)编号与图形建立联系。
    
    基于属性的数据库结构将系统数据库中的数据文件，按其在自然、社会和经济环境系统中的属性关系联系起来，支持一致性检索，多种查询检索和模型分析；其结构由用户在系统维护模块支持下定义。
    
    关于系统的运行方式，是采用中西文菜单或命令方式驱动，部分查询和模型提供表界面，工作时，用户首先进入系统回答口令，然后通过数字化仪、键盘或通信方式录入编辑多种数据，建立应用数据库，通过检索和模型分析，得到欲输出的情息，经整饰和符号表示后输出。
    
    对于用户的权限，一般说具有最高权限的是系统管理人员，可以进行包括数据更改和所有数据管理的工作，其它用户可根据其权限大小，查调和处理某些层次上的数据。权限大小由系统根据口令和文件密级检查断定。
    
    还要注意系统的约定，例如规定矢量文件扩展名为VEC；栅格文件名为RAS；属性文件扩展名为DBF；系统运行文件扩展名为EXE或COM。图形坐标铀以左上角为坐标原点(0，0)，横向右为x，纵向下为y增大方向，即为左手旋转坐标系。系统运行中将产生部分中间辅助文件，如扩展名为POS的矢量格式文件的索引文件和扩展名为ARC的弧段信息文件等。
    
    系统的外部要素主要包括系统用户、输入数据(影像、专题地图、文字描述等)、用户程序、操作系统和计算机硬件外设。系统内部要素主要由数据编辑、数据库管理、图像处理、模型分析和整饰输出等模块组成系统的接口方式包括矢量格式数据(V)、栅格(或游程长度编码)数据(R)、文本数据(A)、程序或命令调用(F)等。系统与用户接口以菜单、命令和程序方式实现；数据采集接口包括遥感影像接口、线划图输入接口(V)、网格图输入接口(R或V)、文本数据及属性数据接口(A)等，内部接口模块包括录入编辑一存储管理(V，R，A)；录入编辑一图像处理(R，A)；图像处理一存储管理(V，R，A)；模型分析一存储管理(V，R，A)；存储管理一整饰输出(V，R，A)；模型分析一整饰输出(V，R，A)等。  
    
    上述GIS信息描述。将成为确文软件设计目标及具体进行软件设计的重要依据。
    
    2、结构化的软件设计方法
    
    结构化的程序设计方法是软件发展早期形成的，设计工作侧重于软件结构本身，力图通过以下三种准则，清晰地描述软件系统，并用于程序编制，其过程形式是：
    
    ①分清任务的执行顺序；
    
    ②明确任务执行条件和分支，即“如果……则……否则”结构；
    
    ③重复执行某项任务直到定义的条件满足为止。
    
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    结构化程序设计中最重要也是最流行的方法是自顶向下逐步精化的顺序设计方法，也称HIPO(Hierarchy Plus Input Processing Output)法。它将系统描述分为若干层次，最高层次描述系统的总功能，其他层次则一层比一层更加精细、更加具体地描述系统的功能，直到分解为程序设计语言的语句。结构化方法如图8—6所示。
    
    HIPO图可分为三个基本层次：①直观目录：用尽可能扼要的方式，说明问题的所有功能和主要联系，是解释系统的索引；②概要图：简要地表示主要功能的输入、输出和分析处理内容，用符号和文字表示每个功能中处理活动之间的关系；③详细图：详细地用接近编制程序的结构描述每个功能；使用必要的图表和文字说明，再向下则可进入程序框图。
    
    上述图表中相互之间都可用符号体系对各主要功能进行完整的跟踪。在地理信息系统软件设计中，为充分利用系统软硬件功能和保持良好的可移植性，有时也需采用一种自下而上的结构设计，即首先将与软硬件有关的公用子程序列出，然后列出与软硬件无关的公用子程序，最后组合成软件系统，可提高软件开发的效率和可移植性。结构化软件设计的特点是软件结构描述比较清晰。便于掌握系统全貌，也可逐步细化为程序语句，是十分有效的系统设计方法。
    
    3、面向对象的软件设计方法
    
    面向对象的设计方法是近年来发展起来的一种新的程序设计技术，其基本思想是将软件系统所面对的问题，按其自然属性进行分割，按人们通常的思维方式进行描述，建立每个对象的模型和联系，设计尽可能直接、自然地表现问题求解的软件，整个软件系统只由对象组成，对象间联系通过消息进行。用类和继承描述对象，并建立求解模型，描述软件系统。对象是事物的抽象单位，具有内部状态、性质、知识和处理能力，通过消息传递与其它对象相联系，是构成系统的元素。
    
    消息是请求对象执行某一处理或回答某些信息的指令流，用以统一数据层和控制层
    
    为不同层次，这种层次结构具有继承性，子类继承其父类的全部描述。
    
    面向对象的设计方法，更接近于面向问题而不是对程序的描述，软件设计带有智能化的性质，这种形式更便于程序设计人员与应用人员的交流，软件设计更具有普遍意义，尤其是在地理信息系统的智能化和专家系统技术不断提高的形势下，面向对象的程序设计是更有效的途径。
    
    4、原型化的设计方法
    
    原型化的设计方法是地学人员更愿意采用的一种软件设计方法，它的特点是不需要一开始即清晰地描述一切，而是在明确任务后，在软件的实现过程中逐步对系统进行定义和改造，直至系统完成。这种方法尽管带有一定的盲目性，但对于非专业人员和小规模系统设计来说更为实用，而且有些探索性的系统，并不可能一开始就取得完整的认识，许多专门化的系统，也不一定需要十分复杂的设计，而这种设计方法，一开始就针对具体目标开始工作，一边工作一边完成系统的定义，并通过一定的总结和调整补偿系统设计的不足，是一种动态的设计技术。我国早期的许多系统，都属于此种设计方法。这种设计方法的基本步骤是：
    
    ①识别基本要求，做出基本设想；
    
    ②开发工作模型，提出有一定深度的宏观控制模型；
    
    ③程序编制和模型修正。通过软件编制，不断发现技术上的扩大点，并通过与用户的交流取得对系统要求和开发潜力的新的认识，调整系统方案。
    
    ④原型设计完成，根据一定标准判断用户需求是否已被体现，从而决定系统是继续改进还是终止。  
    
    软件设计的方法很多，各有特点，在具体工作中需灵活地选择或结合各种方法作出最有效、最佳方案的设计。
    
    软件设计完成后，进入程序编制阶段，经过软件设计，程序结构已明了，这阶段的主要任务是设计具体算法和编程。地理信息系统所采用的算法多来自计算机图形学、计算机图像处理、计算机辅助地图制图等。需经改造使之适合于地理信息系统的数据结构。特别是必须具有属性和拓扑的意义，增加了算法的复杂性，因为不仅要求有图形意义上的运算，还要具有属性和图形要素之间的逻辑运算。另外，由于地学要素数量众多、极其复杂，地学任务要求较高，给算法构造带来一定的难度。特别是在微型计算机上研制的系统，算法设计更为关键。微机系统向更大计算机系统上移植，效率不会受到影响。反之，如果直接把中小型机上软件移植到微机上，则由于由比较宽松的环境降到比较紧张的环境中，效率将大大降低，远远比不上专门开发的微机地理信息系统，有时甚至无法实施运行。