信息是数据载体所包含的实际意义，地理信息系统的设计与建立首先是收集与处理数据，地理信息既包括空间属性与时间特征显然数据量较大，目前人们大致从以下几个角度认识地理信息系统。
GIS基础讲稿第1章
第一章地理信息系统导论
第一章地理信息系统导论
地理信息系统（Geographic Information System）简称“GIS”，涉及地理学、测绘学、遥感科学、信息科学、系统科学、空间科学、环境科学、城市科学、决策科学、计算机科学与技术等学科，是管理和分析空间数据的综合性技术。它的基础是地理、测绘、系统工程与人工智能，它的支撑是计算机技术，它的应用领域最初是地理、规划、地图与管理等行业，现在已涉及到所有领域与部门。地理信息系统、遥感系统（RS）、全球定位系统(GPS)与通信技术的结合，丰富与完善了地理信息系统的科学体系。
地理信息系统的出现与应用揭开了地理学科的新篇章，其影响之深刻是难以估量的。如果说，用地图记载地理现象，以坐标确定空间位置是地理学的巨大进步，信息论、控制论、系统论与耗散结构、突变论、协同论的引用给地理学注入了新鲜血液，计算机技术、遥感技术的应用使地理学充满了勃勃生机，则地理信息系统的出现是地理学发展史上的革命性变革，代表了地理学发展的一个重要方向。
1.1基 本 概 念
1.1.1数据、信息与信息系统
今天，人们都深刻地认识到，信息如同矿物资源、水资源、能源一样，是重要的与社会经济发展不可分割的特殊资源，是人与客观世界之间的媒介，对管理和决策起着直接的决定性的影响。人们从认识客观世界中的事物到表示信息的数据，一般经历了客观世界、数据世界与信息世界三个过程。客观世界的研究对象是实体及其有关内容，用数据世界来表达，用信息世界来反映。数据是客观实体的表达形式，是信息的载体。信息是数据载体所包含的实际意义。建立信息系统的过程是将客观世界与数据世界用计算机进行密切结合的过程。信息从客观世界经过人为的选择、加工、组织进入数据世界，最后又回到客观世界之中。
我们面临的世界是一个人文、经济、自然、社会组成的复杂巨系统，是物质、能量和信息的统一体。地理信息系统主要的研究对象就是系统中运动的实体及其性质，对这些描述客观世界的概念是本章首先要搞清楚的概念。 实体是客观存在并可互相区别的物体，由可触及的对象、抽象事件与事物间的联系构成。属性同一的实体成为实体集。任何实体都有自己的属性，它表示了实体的固有特征。由于大千世界的错综复杂，没有任何实体在所有属性上都是相同的，因此可用不同的标识符表示实体。实体与属性都有型与值之分，型是一般的抽象的表达实体与属性的量，值是具体的确切的表达实体与属性的量。如颜色是实体属性的型，而红、兰等具体的颜色是实体属性的值。抽象的数据是实体的型，而某个具体的数据是实体的值。型与值的关系如同变量与变量值之间的关系。理解好型与值之间的关系对建立数据库、管理数据库有一定帮助。
地理信息系统基础
1）数据 数据是对客观事物及其属性的抽象描述，是用以表示信息的物理符号，具有数字、文字、符号、图形、影像与声音等多种载体形式（称为多媒体），但数据自身没有任何意义。在计算机系统中，数据不同于人们习惯的用文字、符号、表格、图形、图像、声音与动画等表示的形式，任何数据都是用二进制数表示的，各种基本符号都与二进制数建立起对应关系，如ASCII就是用二进制数定义的字符，每个字符也就唯一地对应着某一数据。计算机软件系统的重要任务就是缩小机器与人之间传递信息的差别。
数据具有周期性、不确定性、拓扑联系。周期性指数据的有效时间，不同数据周期性不同，如地形等数据生命周期长，而土地利用数据周期短，周期短的数据需及时不断地更新。不确定性指录入到数据库里的数据一般都不精确，如从地图上采集数据，由于地图本身存在固有误差，操作时还有输入误差、存储误差、编辑误差，因此数据不可能绝对精确。但目前的全球定位系统，直接在现场定位，将数据以数字格式存储，使数据误差变校拓扑联系指图形数据之间的关联性、连通性、邻近性与重叠性等，这是分析空间框架与变化过程的基矗
地理信息系统的设计与建立，首先是收集与处理数据。数据处理是指对数据进行收集、筛癣排序、归并、转换、存储、检索、计算、分析、模拟与预测等操作。数据处理是为了解释，使之成为便于观察、分析、传输的形式，利于管理与决策，被持续使用。
2）信息 信息是实体及其特性（能量与物质形态）在人们头脑中的反映，其定义有狭义与广义之分：狭义的信息指对事物获得的新知识、新消息；广义的信息指为某一目的服务的一切有用知识的集合，是对实体特性、状态与联系的描述。人们总是用文字、数字、声响、图形图像和其它各种符号把信息记载下来，一看到这些载体，就联想起它们所代表的实际内容，而非是载体本身。因此，信息不随载体的物理设备形式的改变而改变，具有客观性、可传递性、可替代性、可扩充压缩性、可转换性与共享性，此外信息还具有结构化程度、准确程度、时效性、可预测性、使用频率与方式、信息的重要程度等属性。了解信息的特性是有效地对信息进行分析处理的基矗 信息与数据总是相互关联、不可分割的。没有数据则不能表达信息，数据是信息的载体，但不是信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能得到数据中包含的信息。因而信息是经对数据解译或处理后，对人们的行为能产生影响并赋予一定意义的数据，即信息是数据的涵义或说内容。数据作为记录下来的可识别的符号，具体形式多种多样，数据的表达形式可以转换，但其中包含的信息内容不会改变。
3）信息系统 系统指相互作用、相互依赖具有特定功能的诸多因素构成的有机整体。系统一般包括输入、管理、分析、输出、功能与环境等主要系统组成部分，具有系统的容量、质量、目的性、关联性、兼容性、层次性、实时性、整体性与灵活性等系统性能。系统的概念不仅是一个组织结构与概念结构，还反映着系统整体各部分之间的活动、行为和为实现某种特定目标而相互作用和相互制约的机理。
从以上所述的客观世界与信息世界的关系讲，信息系统是以信息世界模拟客观世界，以信息间的联系反映实体间的关系，仿真各种自然现象的思维过程，完成对空间和时间过程的研究。
从系统论角度讲，信息系统是由若干相互独立又相互联系，为某一共同目标服务，以信息为纽带的要素组成的具有处理、控制管理、分析、预测数据能力的有机整体。由于计算机与通讯技术的
第一章地理信息系统导论
发展，现在的信息系统多指以计算机技术、通信技术、网络技术等现代化工具为手段，集管理理论与方法于一体的服务于某领域的信息处理系统。
信息系统内的信息决不是孤立存在的，它不断地从系统本身或环境中得到信息，又不断地向有关子系统提供着不同的信息。因此，信息系统应具有对信息进行采集、存储、编辑、更新、评价、检索、传输、显示、分析、模拟与预测等功能。信息系统应由信息源（指被采集和录入的数据的来源，分为未加工的原始数据与加工后进行存储或传输的数据）、信息处理器（指获取数据并能转化为信息的装置，由数据采集、录入、变换、传输、存储和检索等一系列实际装置构成）、信息接受器（指信息系统输出信息的接受者，如用户与存储介质）与信息管理者（指信息系统的分析、设计、实施、维护等管理人员）构成。建立信息系统的目的是产生使用者所需的信息。
1.1.2地理信息与地理信息系统
1）地理信息
⑴地理信息概念
地理信息指的是空间信息，它是反映现实世界中地理实体数量、质量、特征、分布特征、运动状态、关联与规律的数字、文字、声音、图形图像的数据涵义。
地理信息包含4种形态： ①属性信息：表示实体的特征、性质的定量与定性指标等。 ②几何信息：以数字形式描述的存在于地理空间实体的位置、形状、大小的坐标与多维结构特征，按几何特征可分为点、线、面、体4种类型。 ③空间关系：指各实体间在空间上相互联系、相互制约的关系，包括位置关系、拓扑关系与逻辑关系等。 ④时间信息：用来描述上述属性信息和图形信息有效的时间区间及随时间变化的动态特征，这也决定了地理信息要及时采集与不断更新。
⑵地理信息的特征
地理信息除了具有信息的一般的特性（如共享性、客观性等）外，还具有以下特征：
① 区域分布性。具有空间定位的特性，一般总是先定位后定型，在区域上表现出分布式特点，不可重叠，多层次。
② 数据量大。地理信息既包括空间、属性与时间特征，显然数据量较大。如1:400万土地利用数据，在Arcinfo的Coverage格式数据为8.2兆。
③信息载体的多样性。有文字、数字、地图、影像等符号信息载体，还有纸质、磁带、光盘等物理介质载体。
2）地理信息系统
讫今为止，地理信息系统没有严格的定义，也就是说，它的精确内涵仍然比较模糊。但有一点很明确，地理信息系统是利用计算机处理空间数据，并在应用的推动下日趋完善发展的。世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统是先有了系统，而后才有名称。目前，人们大致从以下几个角度认识地理信息系统：
⑴ 面向过程：地理信息系统是由一系列子系统组成，它们分别完成输入、存储、查询、分析与输出地理信息的任务。面向过程的定义对于组织的透视，以及建立一种动态系统的概念等都是有价值的。但从该定义中，人们很难区分地理信息系统与计算机制图学、地理信息系统与统计分析软件
地理信息系统基础
的区别。
⑵ 应用：在面向过程定义的基础上，明确指出处理信息的种类，根据系统所处理的信息类型来认识地理信息系统，如自然资源系统、土地信息系统等。这种定义方法比前一种更明确了处理对象，但仍无法区分地理信息系统与其它处理数据的系统。
⑶ 工具箱：地理信息系统是一个用来处理空间数据的一组复杂的计算机过程和算法的集合，尤其强调地理信息系统各软件功能的有机整体。工具箱定义意味着一个地理信息系统必须提供所有的功能，并且这些功能能够组织在一起，进行高效工作。这种定义使人们很容易区分地理信息系统与数字化系统、图像处理系统，因为后者没有把地理信息系统定义里的所有功能综合在一起的能力。
⑷ 数据库：地理信息系统是覆盖在标准的关系数据库管理系统之上的许多特殊的空间程序的集合。即选择合适的数据模型来描述研究对象，设计最优的数据库管理系统来存储地理坐标信息和属性信息，并满足有关空间分析的操作要求。地理信息系统不仅要使数据库具有存储、检索、编辑、放大、缩孝开窗、显示和输出信息的功能，还要有量测、统计、分析、预测、区别、与规划等功能，能够根据用户的需要产生新的信息。目前，大多数软件设计者倾向于从数据库角度定义地理信息系统。
⑸ 管理工具：地理信息系统主要是辅助人类在制定政策和对自然与资源的管理过程中进行处理的系统，强调人在地理信息系统中的作用。
⑹ 决策支持系统：认为地理信息系统不仅具有管理作用，还是一个把空间定位数据综合到一个问题的求解环境中去，用来支持资源的管理和决策过程的系统。
美国联邦数字地图协调委员会定义为：“地理信息系统是由计算机硬软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题”。
综上所述，地理信息系统可定义为：
在计算机软硬件、网络与通讯技术的支持下，运用系统过程与信息科学的理论，以空间数据为操作对象，以数据库为核心，采用空间分析方法和建模方法，对有关空间数据进行预处理、输入、存储、编辑、修改、查询、检索、管理、处理、分析、建模、虚拟、仿真、更新、应用、输出与可视化表达，实时提供多种空间动态信息，为规划、管理与决策等特定目标服务的技术系统。
总结：简单说：对空间数据进行输入、存储、管理、查询、分析、辅助决策、输出的计算机系统。由数据库管理系统、图形处理与表达、空间分析工具三部分组成。
1.2地理信息系统的构成
一个完整的地理信息系统由5部分组成：地理信息系统硬件、地理信息系统软件、空间数据、应用系统与操作人员。系统的硬件与软件是地理信息系统的物质基础，是需要慎重考虑选择和开发的重要部分。
1.2.1地理信息系统硬件
地理信息系统硬件由计算机、输入输出设备与网络设备等部件组成，可把其分成两大类，一类是所有计算机共有的设备，如主机、显示器、键盘、鼠标等；另一类为地理信息系统采集数据、输出图形的特有设备。
共有设备中的主机可分为大型、中型、小型、超小型、服务器、工作站及各种类型的微机；显
第一章地理信息系统导论
示器分辨率要高，以利于对图形的精确显示。
特有设备中的输入设备主要有各种幅面、各种精度、各种功能的数字化仪、扫描仪。数字化信息还可从解析测图设备、遥感图像处理设备、野外测绘设备和全球定位系统等来源获取，这些设备也是地理信息系统的数字化设备之一。输出设备有各种不同幅面与不同分辨率的显示器（大屏幕，一般在17英寸以上）及绘图仪、图形打印机（激光、喷墨、热升华、热腊等）与图形终端等。
此外磁盘、光盘、网络设备等都属地理信息系统的硬件设备。其中进行交互式图形编辑与处理的图形工作站、高档微机、图形、图像板等是一般地理信息系统常用硬件。
1.2.2地理信息系统软件
软件是GIS的核心，以执行GIS功能的各种操作。软件分类1：地理信息系统软件一般分为系统软件与应用软件。系统软件主要包括计算机操作系统、编译系统、编程语言、网络软件（网络协议、网络管理软件等）系统、数据库管理系统、应用程序接口等；应用软件包括地理信息系统基础软件、二次开发软件和应用分析模型等。软件分类2：GIS软件按其功能分专业软件、数据库软件、系统管理软件等，专业软件一般指通用GIS软件，包含了地理信息系统的各种功能，作为其他应用系统建设的平台，如Arcinfo、Mapinfo、MapGIS、Supermap、Geostar、Citystar等；软件分类3：从用户角度看，分为应用型地理信息系统与工具型地理信息系统。
1）基础（专业、支撑）软件
⑴基础软件的核心模块
基础软件包含了地理信息系统的各种功能，常见的软件有：Arcinfo、Mapinfo、MapGIS、supermap、Geostar、Citystar等。基础软件由以下五大核心模块组成：
①数据输入和编辑：把图形、图像、文字、卫星遥感影像、航空照片及属性数据通过量化工具（数字化仪、扫描仪等）转化成地理信息系统可读的数据形式，进行编辑检查、输入系统。
②数据存储与数据库管理：这是核心软件，保证空间要素的几何数据、拓扑数据和属性数据的有机联系和合理组织，涉及系统的数据结构和处理方式、数据库的存娶查询、维护、更新、共享及数据库的完整性、一致性检验等。
③数据处理和分析：包括两类操作，一类是数据的预处理，如消除错误，修改，地图投影变换等；第二类操作是数据分析，空间模型的建立等。
④数据输出与可视化：用来处理信息的显示方式，包括表格数据、统计分析、图形终端显示、打印机与绘图仪制图等的软拷贝方式（屏幕显示）和硬拷贝方式（打印机输出）。可视是将不可见的东西转变成人的视觉可见的东西。包括科学计算可视化，指计算结果、计算过程可视化。（科学计算中产生的大量非直观的抽象的或者不可见的数据，以图形、图像信息的形式，直观、形象地表达出来，并进行交互处理的方法”。）
⑤二次开发能力：利用开发语言，开发应用系统。
⑵ GIS分类与开发方式
地理信息系统按内容分为两类：应用型GIS与工具型GIS，应用型GIS以某一专业、领域或工作为主要内容。工具型GIS是支撑软件，包括空间数据输入、存储、管理、分析与输出等基本功能，如Arcinfo。目前开发应用型GIS是开发者最关心的问题。二次开发的三种实现方式：
①独立开发：独立开发之不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，在一定的操作系
地理信息系统基础
统平台上编程实现。优点：不依赖任何商业GIS工具软件，可减少开发成本。不足：对大多数开发者来讲，开发出来的产品很难在功能上与商业GIS工具软件相比，且在GIS工具软件上省下的钱，可能抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。
②单纯二次开发。单纯二次开发之完全借助于GIS工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如Arcview提供了Avenue语言，Mapinfo公司研制的Mapinfo Professional提供了Mapbasic语言等。用户可以利用这些宏语言，以原GIS工具软件为开发平台，开发出针对不同应用对象的应用程序。这种方式虽省时省心，但进行二次开发的宏语言作为编程语言是能算是二流语言，功能极弱，用他们来开发应用程序仍然不尽如人意。
③集成二次开发。集成二次开发指利用专业的GIS工具软件，如Arcview、Mapinfo等，实现GISDelphi、VisutalC++、Visutsl BasicPpwer 、Builder
现在多用GIS组件方式开发，即：利用GIS工具软件中建立在OCX技术基础上的GIS功能组件（如Arcinfo的MapObjects,Mapinfo的MapX），在Delphi等编程工具编制的应用程序中，直接将GIS功能嵌入其中 ，实现地理信息系统的各种功能。
2) GIS常用软件介绍
⑴ ArcGIS
是美国环境系统研究所（ESRI）开发的地理信息系统基础软件，在世界上得到广泛应用的主流软件。1978年第一个ARC/INFO诞生，随后有多个升级版本出现，1999年推出的Arcinfo8与2000年推出ArcGIS8是在继承已有成熟技术基础的基础上，整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术以及其他多方面的计算机主流技术，开发出的新一代GIS平台。
所有的桌面软件都由一组相同的应用环境：ArcMap、ArcCatalog、ArcToolBox。通过这3个应用的协调工作，可完成任何从简单到复杂的GIS工作，包括制图、数据管理、地理分析、和空间处理，还包括与Internet地图和服务的整合、地理编码、高级数据编辑、高质量的制图、动态投影、原数据管理、基于向导的界面和对近40个数据格式的直接支持。
ArcGIS的桌面软件包含三部分内容：
①ArcView：提供了核心的制图和功能。提供了与传统的数据分析工具的链接，如电子数据表，与地图构成了一个整体的、完整的分析系统。还可以通过Arccatalog浏览和管理数据，完成动态的投影转换，内嵌的VBA开发工具，支持静态注记，直接访问Internet数据等。但其编辑功能有限，只允许创建和编辑Shapefile与个人空间数据库的简单要素。
②ArcEditor：是基于Windows桌面的GIS数据可视化、查询、制图、数据管理和编辑的解决方案。包含了的所有功能，还增加了对空间数据库和Coverage数据的编辑能力。增加的功能包括，支持多用户编辑、版本管理、定制数据类型，与要素连接的注记和丈量数据类。提供对ESRI 支持的所有矢量数据格式的建立和编辑能力.
③Arcinfo：包括的所有功能，还增加了高级的空间处理能力，是一个完全GIS的数据建立、更新、编辑、查询、管理、分析和制图等的集成系统。
桌面软件还有若干可选的扩展模块(Extension Products)：Spatial Analyst、3D Analyst、Geostatistical Analyst、Arcpress、 Publisher、StreetMap USA、StreeMap Europe、Encoder等。
⑵ Geostar
其他见网络课件。
第一章地理信息系统导论
3）数据库软件
在地理信息系统中，空间数据是以结构化的形式存储在计算机中的，称之为数据库。用以支持空间数据的管理软件，并服务于非空间数据的数据库系统是数据库软件，这是地理信息系统中好的组成部分。如：Oracle等。
1.2.3空间数据
空间数据是地理信息系统的研究对象，具体描述地理实体的空间、属性与时间特征。地理数据类型有三种：
⑴ 几何数据：反映地理实体在某个已知坐标系中的位置，即标识地理实体的空间位置的数据。 ⑵拓扑数据：表示点、线、面等实体间空间联系的数据，如连通性等。
⑶属性数据：反映地理实体特性的数据。
值得注意的是，地理数据都有自己的生命周期与精度。有的数据周期长，有的数据却变化很快，需要及时更新，如地形数据周期长，土地利用数据周期短；从精度而言，严格地说数据都不精确，因为不可避免地存在着许多误差源与人为的疏忽错误，因此要根据精度的需要，及时更新与纠正数据库中不精确的数据。
1.2.4地理信息系统的应用系统
地理信息系统中必须有具体的应用问题，以及解决问题的模型方法。否则，无论功能多么强大的地理信息系统，也没有什么实际意义。因此，地理信息系统必须与用户的专业知识相结合，根据其功能要求，开发和建立面向问题的分析模型。
1.2.5地理信息系统的人员构成
地理信息系统人员分系统开发人员，管理人员与使用人员。没有人构不成完整的地理信息系统，进行系统组织、管理、维护和数据更新需要人，系统扩充完善、应用程序开发等也需要人。当然，操作员也是重要的必不可少的人员之一。
1.3GIS的功能
不同用途的地理信息系统其功能并不完全一致，如偏重管理与规划的地理信息系统，从应用的角度，应具有管理功能、评价分析功能和规划与预测功能等。一个大型的功能丰富的GIS应具备：①数据采集编辑；②数据存储与管理；③数据处理与变换；④空间分析和统计；⑤产品制作与显示；⑥二次开发与编程。
1.3.1数据采集与编辑
1）数据输入
数据采集指在系统外部的原始数据传输该系统内部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。由于地理数据存在形式的多样性，如数字、字符、图形、影像、动画、声
地理信息系统基础
音等，致使数据输入工作有多种形式，如人工输入、半自动输入与自动输入等。空间数据的获取技术主要方式为：野外全站议测量、GPS测量、数字化仪输入、地图扫描数字化、数字摄影测量、遥感影像等。空间信息获取技术已基本成熟。用数字摄影测量方法自动获取DEM、数字正射影像，人工交互获取矢量线划数据的技术已得到广泛应用。
数据采集是地理信息系统的首要问题与基本功能，是地理信息系统的基矗为了清除数据采集的错误，需要对图形及文本数据进行编辑与修改。
2）数据编辑
任何地理信息系统都具备通过键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪等设备输入或由其它数据格式转换等多种方式获取数据并形成数据文件（创建新文件）、打开老文件、添加数据文件、存储文件、更改文件名与多种方式的数据格式转换等基本编辑功能。此外，地理信息系统具有以下编辑与预处理功能：
⑴ 属性数据的编辑功能
地理信息系统具有处理属性数据的功能，这是其区别于一般计算机 图形软件的特征之一。对属性数据的编辑，一般是在属性数据处理模块中进行，但为了建立属性描述数据与几何图形的联系，通常需要在图形编辑系统中，设计属性数据的编辑功能，主要是将一个实体的属性数据连接到相应的几何目标上，也可在数字化及建立图形拓扑关系的同时或之后，对照一个几何目标直接输入属性数据。一个功能强的图形编辑系统应能提供删除、修改、拷贝等功能。
属性数据是用来描述对象特征性质的，由于属性数据比较规范，适用于表格表示，所以许多地理信息系统都采用关系数据库系统管理，能提供用户自定义数据结构，修改、拷贝、删除、合并结构等功能。在设计完结构以后，用户可在图形编辑系统或属性数据库管理系统中输入属性数据，还可利用数据库管理系统提供的统计、报表及分析功能进行统计分析，计算平均值、查找最大值与最小值等。另外还能够按一定要求建立报表或绘制示意图提供给用户进行分析。
⑵ 图形数据的编辑功能
① 图形基本编辑功能：地理信息系统中的空间几何数据，可分为点、线、面等三种类型。而对面状要素几何数据的处理，又都是以弧（或链）为基础进行。进而图形编辑的基本对象是点和唬
点的编辑处理比较简单，仅仅是增加、删除和检索等基本操作，而弧段数据修改是复杂的编辑功能，主要涉及到拓扑信息的调整。一般的图形编辑功能应具有修改一段虎删除弧段上一部分、删除一条虎弧段的连接与断开、移动一个地物、删除一个目标、旋转一个实体、图形对象拷贝与镜面反射等。此外还应有开窗、缩放、粘贴、拷贝、图形分层显示、产生平行线、曲线光滑等功能。
② 参数控制功能
③ 图形编辑窗口显示功能：具有对屏幕上图形进行缩放、漫游、分层显示等功能。
④ 建立拓扑关系功能：
⑤图形修饰与计算功能：地图需要根据不同的地物类型，设置不同的线型、颜色、符号与注记，包括设置字体大孝方向和注记位置等。
图形修饰涉及到计算功能，如多边形的面积、周长、线段间的长度、结点间距离等，都可在几何坐标的基础上进行。
⑥ 图形计算拼接功能：
消除相邻图幅的地图数据库结合处可能出现的逻辑裂痕与几何裂痕，是图形编辑功能通过几何坐标能计算多边形面积、周长、结点间的距离、线段的长度、支距、极坐标等实现的。
第一章地理信息系统导论
1.3.2 数据存储与管理
数据存储是将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。各式的不同主要世纪建立记录的逻辑顺序不同，即如何确定存储的地址。存储介质现在不断的升级换代（现代常用U盘、光盘、活动硬盘等）。数据管理一般直接利用关系数据库软件，如ORACLE、SQL、Server、Foxpro等。空间数据的管理是数据管理的核心，各种图形图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据中。
1.3.3 空间查询与分析
数据查询与分析是GIS的核心，是其最重要的功能，也是GIS有别于其他信息系统的本质特征。其主要内容包括数据操作运算、数据查询检索与数据综合分析。数据查询检索是从数据文件、数据库、或存储装置中，查找和选出所需的数据，可实现多媒体查询。查询本质上是为了满足各种查询条件而进行的系统内部的数据操作，如数据格式的转换、矢量数据叠合、栅格数据叠加等操作，以及按照一定的模式进行的各种数据运算，包括算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等。综合分析主要包括属性分析、缓冲区分析、统计分析、地形分析、二位模型分析、三维模型分析等。
1.3.4数据显示与输出
数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，通常以人机交互的方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据可根据信息量和密集程度，选择放大或缩小显示。输出是在屏幕外的其他介质上显示，一般是打印输出，可以打印普通地图、各种专题地图、各类统计图、表与数据等。
1.3.5二次开发与编程
将GIS技术广泛应用于各个领域，必须具有二次开发功能。关于二次开发前面已有论述，对于领域而言常用的有：
⑴资源管理。包括森林矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源潜力评价、土地利用规划水资源时空分布特征研究等），为资源的合理开发利用和规划决策提供管理；
⑵城乡规划：
⑶国土监测：
⑷灾害监测：
⑸环境管理：
⑹城市管网：
⑺军事作战：
⑻宏观决策：
1.4地理信息系统发展概况
本世纪中叶，计算机的发明与应用标志着第一次信息革命的开始，人类社会随之进入信息时代。信息的巨大物化力量使其成为重要的社会资源与动力源，从而引起社会职能、模式、结构、价值即人们工作、生活方式的变革，使人们工作的重点从单独的物质生产转移到对信息的采集、处理、分
地理信息系统基础
析和利用上来。此外，人们也开始感悟到对赖以生存的地球资源的利用，不能是简单地掠夺，而应将开发和保护结合起来进行科学管理和充分利用。于是兴起国土规划、资源清查、环境监测等大型工程。然而所获取的海量数据，用传统的调查报表、统计图表与手工制图的方式已不能满足需求，如何利用计算机高效地处理相关数据已成当务之急，这是地理信息系统产生与发展的原动力。
1.4.1GIS国际发展状况
地理信息系统是随着计算机辅助制图的产生而发展的，与计算机硬、软件技术的发展、相关学科领域的理论与方法的创新紧密相连。地理信息系统是从制图自动化脱胎出来的，但现在的发展已远远超出自动化制图的范围，而扩大到国民经济与自然资源等各个领域。综观地理信息系统发展史，可分成如下几个阶段：
1）50年代准备期
在50年代前后，随着计算机、地图、摄影测量技术的发展，逐渐产生用计算机汇总、分析、处理各种来源的数据，最后通过输出设备输出系统成果，作为决策过程的信息，这实际上是最初的地理信息系统的基本框架。
那时计算机制图目的是用计算机辅助生产传统的地图，那时没有空间数据库的概念。后来人们从自动制图到地图修饰、更新，提出了由数字化建立空间数据库的设想，用这种数据库存储地图数据，目的在于自动制图。
2）60年代开拓（萌芽）期
在60年代，计算机获得广泛应用后，很快被应用于空间数据的存储和处理并进行分析处理地图并提取信息，首先用于自然资源的管理和土地规划，在此基础上，产生了第一个地理信息系统：加拿大地理信息系统。这个阶段也可称为萌芽阶段，但当时受计算机发展水平的限制，系统的存储能力小，存取速度慢，分析功能简单，但制图功能较强，实现了手扶跟踪的数字化，可以完成地图数据的拓扑编辑，分幅数据的自动拼接，开创了网格单元的操作方法。这些处理空间数据的主要技术，奠定了地理信息系统发展的基矗此阶段，由于计算机硬件功能弱，从而限制了软件技术的发展，决定了地理信息系统的初期特征。
3）70年代发展期
70年代，计算机发展到第三代，运算速度，内存容量上了一个数量级，磁盘存储器从无到有，图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示，输入输出设备比较齐全，这样为地理数据的录入、存储、编辑、检索、输出提供了有力的手段，尤其是可通过屏幕直接监视数字化与制图分析的结果并可进行实时编辑，使计算机的应用达到了一个新的阶段。
随着计算机技术不断发展与完善及社会对利用地理信息系统进行管理和综合分析的需求增多，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷出现，地理信息系统理论也得到了发展。国外许多大学创建了地理信息系统实验室，商业化软件问世，地理信息系统成为引人注目的领域。这个阶段，软件最重要的进展是人机图形交互技术的发展。
4）80年代成熟期
80年代是地理信息系统普遍发展和应用的阶段。在硬件方面，随着大规模和超大规模集成电路出现，第四代计算机产生，尤其是新一代微型计算机和远程通讯传输设备的问世，加上计算机网络
第一章地理信息系统导论
的建立，使地理信息的传输效得到极大提高。
在软件方面，用完全面向数据的数据库管理系统来管理数据，数据处理开始和数学模型、模拟等决策工具结合。在数据采集方面，地理信息系统与遥感的结合技术日趋成熟，遥感开始作为地理信息系统的重要数据源。随着计算机功能的日益强大和价格的大幅下降，使得大量微机地理信息系统软件问世，把地理信息系统在多种学科领域里全面推向应用。从此，地理信息系统由比较简单的、单一功能的、分散的系统发展到多功能的、共享的、综合性信息系统，并向智能化发展，使地理信息系统将计算机技术、自动控制技术、数据库技术、计算机辅助制造技术、现代化地图生产技术与遥感技术融为一体，成为多学科、多功能、综合化、智能化，并运用专家系统知识进行分析、预测与决策的高新技术系统。
5） 90年代用户期
90年代以来，社会对地理信息系统的人士普遍提高，需求大幅度增加，地理信息系统已被列入信息高速公路计划，也是数字地球战略的重要组成部分。此阶段，地理信息系统开发与研究主要集中在下列一些方向：空间信息分析的新模式和新方法；空间信息应用模型；地理信息系统的效益分析；三维空间数据结构和数据模型；人工智能和专家系统的引入；网络地理信息系统；虚拟现实技术与地理信息系统地结合等。
发展总结：地理信息系统（GIS）20世纪60年代开始发展到现在，在各个领域得到广泛应用，现在具有GIS基本知识与技能已成为21世纪社会人才需求的一个重要方面。20世纪60年代初加拿大测量学家R.F Tomlinson首先提出GIS概念，并建成世界上第一个GIS：加拿大地理信息系统，用于自然资源的管理和规划。不久，美国哈佛大学开发出完整的GIS系统软件SYMAP。标志着GIS正式起步。此后，GIS随着计算机软硬件的发展而发展。其发展阶段可概括为：
60年代开拓期，注重空间数据的处理，确立了GIS基本概念和方法，解决了技术上的一些问题；70年代发展期，注重地理信息的管理，出现了商品化的GIS，改善了GIS的应用性能；80年代成熟期，注重空间决策支持分析，GIS应用领域扩大，从资源管理、环境规划管理、应急反应、景观生态规划、工程、计算机科学等，技术显著进步；90年代用户期，注重实用化、集成化、工程化，GIS成为诸多机构和个人必备的工作系统，GIS深入到各行各业。
1.4.2GIS国内发展状况
我国地理信息系统起步较晚，但发展较快，经历了从研究到实用，形成领域，走向产业化道路的过程。
1）70年代准备期
此阶段开始组建队伍，组织实验研究。那时，我国主要开展了计算机在地图和遥感领域的应用研究与实验。1972年开始研究制图自动化，1974年开展卫星图像的处理和分析工作，1976年后开展红外线遥感、航空遥感、环境遥感等研究与全国范围内的航空摄影测量与地形制图，对环境卫星系列数据和图像进行接收、处理和应用。1977年利用计算机处理技术，进行了对数字地形模型基本数据的特征参数与提取技术的实验，诞生了第一张由计算机输出的全要素地图。这个过程为地理信息系统的研制和开发作了技术上的准备，开始了启蒙的研究。
2）80年代实验期
此阶段主要是进行理论探讨和区域性实验研究，并进行数据采集和数据库模型设计。经历了典
地理信息系统基础
型实验、专题实验、通用软件的实验等过程。在典型实验中，主要研究空间数据库的建设、数据处理、算法分析、系统分析软件的开发、建立数据规范与标准等。在专题实验中，主要研究地理信息系统的设计与应用，如资源、环境等专题。在通用软件设计中，研究地理信息系统必须具有的支撑软件，支撑软件可和不同的领域与专业相结合，构成不同的专题信息系统，
3）90年代前后发展期
此阶段地理信息系统列入国家攻关课题，逐步和国民经济建设相结合。主要成果是：国家与地方级的地理信息系统相继投入运行与应用，专业遥感基地已进入产业化运行，适用于数据采集、处理、输出的设备已研制成功，数字化测绘基地已建成，数字化地图数据已经采集入库，设计数字化地理信息技术的标准和规范指南已产生，开发了一系列信息处理和制图软件，有关高校与研究机构设立地理信息系统学科与相关专业，培养并已形成地理信息系统的教学与科研队伍。这一切标志着我国地理信息系统进入了新的发展阶段。
4）96年至今产业化阶段
我国地理信息系统在实用化、工程化、集成化、辅助分析与决策方面取得突破，成为国民经济建设普遍使用的工具，全面走向产业化道路。虽取得了很大成绩，但在总体水平及应用与普及上仍明显落后于发达国家，赶上和超过发达国家还要靠今后的努力。
1.4.3地理信息系统的发展趋势
现在GIS向着数据标准化、平台网络化、数据多维化、系统集成化、系统智能化、应用社会化与大众化的方向化发展。
1）面向对象技术与GIS结合
现在GIS采用图形与属性分开管理的数据模型管理数据，即实体的图形数据用拓扑文件储存管理，属性数据用关系型数据管理，二者通过唯一的标识符连接。这种模型的不足之处是：不利于空间数据的整体管理，以保证数据的一致性；GIS开放性与互操作性受限制；数据共享和并行处理无保障。
寻求统一管理图形数据与数据的数据模型是研究方向之一。 面向对象技术将现实世界的实体都抽象为对象，利用四种数据抽象技术（分类、概括、联合、聚集）可构建复杂的地理实体，利用继承和传播这两种数据抽象工具将所有实体对象构建成一个分层结构。面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条适合于人类思维模式的直观、结构清晰、组织有序的方法，面向对象的数据模型成为理想的统一管理GIS空间数据的有效模型。面向对象的GIS，已成为GIS的发展方向。 面向对象技术的出发点是使计算机系统能尽可能地对现实世界进行直接的模拟，尽可能将现实世界中的事物直接映射到软件系统中，其主要特点是：将数据的定义和操作装封在一起。
2）真三维GIS
GIS处理的空间数据，从本质上说是三维连续分布的。但是，目前GIS的主要应用还停留在处理地球表面的数据上，大多数 GIS平台都支持点、线、面三类空间物体，不能很好地支持曲面(体)，这主要是因为三维GIS 在数据的采集、管理、分析、表示和系统设 计等方面要比二维GIS复杂得
第一章地理信息系统导论
多。尽管有些GIs软件还采用建立数字高程模型的方法来处理和表达地形的起伏，但涉及到地下和地上的真三维的自然和人工景观就显得无能为力，只能把它们先投影到地表，再进行处理，这种方式实际上还是以二维的形式来处理数据的。这种试图用二维系统来描述三维空间的方法，必然存在不能精确地反映、分析和显示三维信息的问题。
地理信息系统数据是三维空间上连续分布的空间数据。但目前大多数GIS的采用二维或2.5维来表示现实三维现象，通常将三维分量Z值作为一个属性值，如DEM数据，这对许多地学分析是有问题的，如对曲面的研究，地质构造的研究，不能用二维或2.5维来表示。而真三维的数据结构能表示特殊的地质结构。真三维GIS研究内容包括：
三维数据结构的研究，包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据可视化；三维数据生成的生成和管理；地理数据的三维显示，包括三维数据的空间操作和分析，表面处理，栅格图像显示、层次处理等。
3）WebGIS
飞速发展的Internet为GIS的发展提供了机遇，以网络为平台进行地理信息的获娶传输、发布、共享、应用与可视化的过程与方式。已经成为GIS新的系统平台。利用Internst技术在 web上发布空间数据供用户浏览和使用是GIS发展的必然趋势。从www的任一节点， Internet用户可以浏览 WebG!S站点中的空 间数据、制作专题图，进行各种空间检索和 空间分析，这就是基于www的地理信息系统 (WebGIS)。
WebGIS系统可以分为四个部分：webGIS 浏览器，用以显示空间数据信息并支持在线处理，如查询和分析等； WebGIS信息代理，用以均衡网络负载，实现空间信息网络化；WebGIS服务器，用队病足 浏览器的数据请求，完成后台空间数据库的 管理；W功GJS编辑器，提供导入空间数据库 数据的功能，形成完整的GIS对象、GIS模型和GIS数据结构的编辑和表现环境。
目前， WebGIS的实现方法有 Java编程法、 ActiveX法、公共网关接口法(CGl)、服务器应用程序接口法(ServerAPl)和插件法 (PlUgins)等。 国外ESRI、 Maplnfo、 Intergraph、 AutoDesk等公司已经提供了他们各自的WebGIS解决方案，国内的武汉测绘科技大学实现了 Internet GeoStar；
4） Com组件式GIS
组件式GIS，即将已有的巨型内容分解为若干可互操作的自我管理、相互独立的组件，包括数据管理组件、空间查询组件、数据获取组件、专题制图组件和显示组件等。它们建立在分布式的对象结构基础上，组件具有与平台和操作系统无关性，GIS 应用的开发者可以利用这些组件快速地组装GIS应用软件。组件式GIS有效地减少了网络传输的负担，实现了获取和管理多数据源数据，提供了分析地图特征和查询、空间分析、专题制图等功能，并方便用户二次开发。
构件式软件技术成为了当今软件技术的潮流之一，它的出现改变了以往封闭、复杂、难以维护的软件开发模式。 ComGIS便是顺应这一潮流的新一代地理信息系统，是面向对象技术和构件式软件技术在 GIs软件开发中的应用。
ConGIS的基本思想是把GIS的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能。 各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非 GIs控件之间，可以方使地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。 控件如同一推各式各样的积木，割门分别实 现不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来， 就构成地理信息系统基础平台和应用系统。
地理信息系统基础
5）OpenGIS
以及在异构数据库中实现信息共享的途径而设计。 目前的地理信息系统大多是基于具体的、相互独立和封闭的平台开发的，它们采用不同的数据格式，对地理数据的组织也有很大的差异。这使得在不同软件上开发的系统这间的数据交换存在困难，采用数据转换标准也只能部分地解决问题。另外，不同的应用部门对地理现象有不同的理解。对地理信息有不同的数据定义，这就阻碍了应用系统之间的数据共享，带来了领域间共同协作时信息共享和交流的障碍 ，
6）专家GIS(GIS与专家系统、神经网络的结合) 专家系统研究的是利用计算机模拟人类专家的推理思维过程，系统根据知识库中的知识，对输入的原始事实进行复杂推理、并作出判断和决策，从而起到专家的作用。至今的应用还主要停留在空间数据库的建立与管理、空间实体的查询、空间叠置分析、缓冲区分析以及成果输出上，由于缺乏知识处理与推理的能力，其决策支持功能仍很弱，无法解决多层次、多因素、非线性变化的复杂地学 问题。而这类问题需要创造性的过程，需要人的经验与专家知识。因此专家GIS或智能GIS是解决复杂地学问题的重要途径。如将专家GIS其应用土地资源管理；将智能GIS用于铁路与高速公路交叉口的安全管理与分析；将GIS决策支持系统用于环境管理决策等。
7）GIS与虚拟现实技术的结合 虚拟现实是模拟自然过程与人在自然环境中行为的高级人机交互技术。是现代信息技术高速发展与集成的产物。 从本质上说，虚拟现实是通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图象、声音和触模感受，利用多种传感设备使用户投入到该环境中，用户可以如同在真实世界中那样处理计算机系统所产生的虚拟物体。将虚拟现实技术引入GIS将使GIS更具吸引力，采用虚拟现实中的可视化技术，在三维空间中模拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，可更有效地管理、分析空间实体数据。除此外，3S的进一步集成，GIS与CAD的结合等都是研究热点。
8）3S结合
3S指GIS地理信息系统、GPS空间定位系统、RS遥感系统，其核心是GIS。3S与通信技术的集成是高新技术。GIS是空间数据库和决策系统，向用户提供多种形式的空间分析、空间查询、辅助决策功能；GPS是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统，可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供空间定位数据；RS是从地面到高空的观测系统，在资源调查、环境检测等方面提供大范围的动态数据和图像。 3S各自独立，不仅是目前对地观测系统中空间信息获娶存储管理、更新、分析和应用的三大支撑技术。也是资源合理规划、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段，还是地理学定量化研究的方法之一。
3S各自代表了空间分析地图制图、摄影测量与遥感、大地测量等的前沿技术，由于其各自具有的强大的不可替代的功能，而单独运用其中一项技术往往不能满足应用的需要，因此3S向集成化方向发展是近年来最引人注目的趋势。集成是指在线的连接、实时的处理和系统的整体性上的有机结合。在3S 的集成中，GIS起着对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识；GPS主要被用于实时、快速地提供目
第一章地理信息系统导论
标，包括各类传感器和卫星、飞机、车、船等运载平台的空间位置；RS用于实时地或准实时地提供目标和环境的信息，发现地球表面的各种变化，及时地对地理信息系统进行数据更新。另外3S的集成离不开现代通讯技术和专家系统技术的配合。
3S的集成可改变人类观测地球、测绘地球的传统模式（由点到线、由线到面，由外业到内业，由实测到编绘，由大比例尺到小比例尺）。3S集成一体化将在观测、测绘地球方面达到从宏观到微观、从全球到局部的人类认知过程。
1.5地理信息系统与相关技术的关系
地理信息系统在发展过程中，以自己的理论与方法为基础，不断地吸取相临领域的先进技术与方法，作到兼容并蓄，使之功能越来越强大，影响越来越深刻，范围越来越广阔，发展越来越迅速。这些领域包括数据库与信息系统技术、系统工程方法、决策科学、专家系统技术、地图学、图像处理技术、计算机图形学、测绘遥感学、管理科学等。与地理信息系统有相似功能的或部分有相似功能的系统主要有：数据库管理系统（DBMS）、计算机辅助设计(CAD)、管理信息系统(MIS)、遥感图像处理系统(RS)与计算机系统等。下面作一简要分析。
1.5.1地理信息系统与数据库管理系统的关系
从一定意义上讲，地理信息系统是为处理具有地理参考系的空间数据和属性数据而设计的空间数据库管理系统。因此，地理信息系统自然要包含一个具有数据库管理系统功能的模块，以实现对属性数据的存储、检索、分析、综合和数据保护等功能。另外，地理信息系统的数据库管理系统必须包含检测数据一致性、完整性的过程，这是地理信息系统必不可少的功能（即共性为都是一个计算机系统、都要采集处理数据、都要构建管理数据库）。但传统的数据库管理系统主要是存储、查询和管理非空间的属性数据，并具备一些基本的统计分析功能，对于空间地理数据的管理则有很大局限性，表现在如下方面：
⑴ 数据库管理系统缺乏描述空间关系的数据模型，由于空间关系复杂，目前流行的层次、网络、关系模型都难以对空间数据进行全面、灵活、高效的描述；而地理信息系统的发展能解决这些问题。
⑵ 数据库管理系统缺乏空间关系查询能力，数据库管理系统只能对实体的非几何属性进行查询，而不能对实体的空间关系进行查询；地理信息系统可将对空间数据与属性数据的查询有机地结合起来。
⑶ 数据库管理系统缺乏空间定义能力，它不能描述点、线、多边形等空间实体的几何数据类型；地理信息系统同时具有处理空间与属性数据的功能，它可将对空间实体的几何描述与属性数据的描述一样处理。
⑷ 数据库管理系统缺乏空间分析功能，而强大的空间分析关系正是地理信息系统最本质的特征，是其生命力之所在。
1.5.2地理信息系统与计算机辅助设计的关系
计算机辅助设计是使用计算机系统的辅助设计功能进行设计，以提高设计自动化程度，节省人力、物力，主要用于图形系统的人机处理技术。CAD( Computer Aided Desinn)技术，即计算机辅助设计技术，自1985年左右在我国工程设计领域重点普及以来，以其操作简的一、易于编辑、出图美观、可二次开发等优点广泛应用于建设行业应用中，CAD技术也取得了长足的进展。
地理信息系统基础
地理信息系统能处理二维、三维图形，这与计算机辅助设计很相似，GIS与CAD技术主要解决现实地理空间的数字模型问题，利用其技术可以构造与现实地理空间对应的虚拟地理信息空间，并可以用数字模型对现实地理空间的现象和过程进行模拟和仿真，进行预测，均提供了制作设计成果及有关专题地图的功能，都有空间坐标系统; (2)都能将目标和参考系联系起来; (3)都能描述图形数据的拓扑关系;但两者由于功能与设计目的不同仍有明显区别：
⑴ 计算机辅助设计不具备处理地图的基本功能，因为它既不能建立地理坐标系，也不能完成地理坐标变换。
⑵ 计算机辅助设计可称为照相系统（把用户输入的数据有选择地组织起来，显示到屏幕上），强调数据载体、符号化与显示。但计算机辅助设计处理的图形是地理空间数据的几何抽象，是纯几何图形，不能完成数据的地理模型分析。
⑶ 计算机辅助设计或不能处理属性数据或属性数据很少。计算机辅助设计系统与数据库之间只有初步连接，难以完成数据库中属性与其相应的地理实体的连接；而地理信息系统对空间数据与属性数据几乎是同时处理的，如用户修改空间数据，地理信息系统则自动修改其相应的属性数据。
⑷ 计算机辅助设计系统处理图形较规则，只使用了简单拓扑关系，而地理信息系统处理的地图数据几何形状复杂，要素多，相互间联系程度高，需用完整的拓扑关系才能描述清楚。
⑸ 计算机辅助设计系统无法实现空间关系的查询和多幅图的空间运算，而这些正是地理信息系统只最基本最重要的功能。
1.5.3地理信息系统与管理信息系统的关系
传统的管理信息系统是以管理为目的，在计算机硬软件支持下，管理信息系统是搜集、存储、处理、管理、分析能力的信息系统，与地理信息系统主要区别（无空间特征）表现在：
⑴ 管理信息系统数据形态主要是数字型与文字型；而地理信息系统除此以外，还包括描述空间位置与形状的坐标信息，描述空间关系的拓扑信息与描述信息有效性的时间信息等。
⑵ 管理信息系统的外围设备只要有打印机、键盘即可满足需要；地理信息系统还需图形输入设备（数字化仪、扫描仪等）、图形输出设备（图形打印机、绘图仪等）以及图形显示设备（各种高分辨率彩色图形显示卡等），此外，必要时还有附加的浮点处理器、图形处理卡、图形处理加速卡等。
⑶ 管理信息系统进行软件开发时，只需普通的数据结构与算法就可适应系统的要求；而地理信息系统需要有关图形和图像的数据结构与算法，图形学的算法主要用来处理矢量数据，图像处理的算法主要用来处理网络数据。
⑷ 管理信息系统以批处理方式为主，人机交互方式为辅；而地理信息系统则相反，以人机交互方式为主，批处理方式为辅。
以具有空间分析功能的GIS为支持，以管理为目标的信息系统。它利用地理信息系统的各种功能实现具有空间特征的要素进行处理分析已达到管理的目的。如交通、供水、农业管理信息系统。
1.5.4地理信息系统与图像处理系统
图像处理系统用来搜集、存储、处理和显示网格数据，能及时地提供准确、综合和大范围内动态监测的各种资源与环境数据。它与地理信息系统有以下不同：
⑴ 图像处理系统用的是网络数据格式，所有信息都以象元集合的形式存储，每个象元代表某一空间坐标上的信息，象元间的位置关系则隐含在行列数中；而地理信息系统一般采用矢量数据格式，以点、线、多边形的集合来表示数据。
第一章地理信息系统导论
⑵ 图像处理系统的功能主要是进行图像分析，具有复杂的图像分类、图像增强、模式识别、几何纠正等功能，而空间分析功能小；而地理信息系统功能主要是空间查询与空间分析。
⑶ 图像处理系统不具备数据库管理功能，不能对属性数据进行处理，这也导致了地理信息系统与图像处理系统之间进行数据传输时，图形信息传输较顺利，属性信息传输异常困难，甚至不可能。
⑷ 图像处理系统的应用目标是用来提供明确的地图、数字等成品；地理信息系统虽是在计算机制图基础上发展起来的，但制图功能与地图数据库功能已成为次要的功能，空间分析管理和决策是其最重要的目标。
1.5.5地理信息系统与计算机系统的关系
在一定意义上，地理信息系统也可称为计算机系统，但它是具有能综合分析、处理、管理各种空间数据，并以多种形式输出数据和图形的技术系统，远非一般意义的计算机系统。地理信息系统的内涵是各种地学信息组成的现实空间信息模型与程序，通过这些模型可从感官、计量和逻辑上对显示空间进行模拟，对各类信息变化进行仿真，提取现实空间模型的空间与时间特征，模拟自然过程的演变或思维过程的结果等，而这些是一般计算机系统所不能实现的。
综上所述，地理信息系统具有的理论、功能、特征是其它相关技术所不具备的，而地理信息系统却具有相关技术的特征，也可以说，其它系统都可成为地理信息系统的一部分。把相关技术综合到一个大的系统内，是地理信息系统的任务之一。
GIS基础讲稿第8章
第八章地理信息系统的设计与应用
第八章地理信息系统的设计与评价
地理信息系统的设计是采用工程的概念、原理、技术和方法，针对特定的实际应用目的和要求来开发与维护地理信息系统的基础软件与应用系统的步骤和过程。地理信息系统设计的主要内容是确定系统目标、进行系统分析、系统设计和维护、评价等工作。
建立地理信息系统的工作流程分以下4个阶段：
前期准备：确定系统目标、可行性分析、用户需求分析；
系统设计：总体设计、系统详细设计、数据库设计；
系统实现：软件编码、模块组装测试、诊断；
系统维护：系统交付使用和更新，进行正确性、适应性、完善性、预防性维护。
8.1系统设计的前期准备
地理信息系统设计的前期准备指确定系统目标、可行性研究与需求分析。
8.1.1确定系统目标
确定系统目标指的是：提出要建立一个什么样的GIS，要干什么？要解决什么问题？投资多少？买什么样的硬件与软件，多长时间完成。
确定系统目标的关键问题是“要解决什么问题”？这是由用户提出，设计人员实施的问题。但这常常是被轻视或忽略的问题。在这个过程中，系统分析员要提出关于问题的性质、工程目标和投资规模（包括硬件、软件、数据和人力资源的投资）及用户已有的硬、软件环境的书面报告。通过对系统使用部门的负责人员与管理使用人员（用户）进行访问调查，扼要地写出对问题的理解，并与用户认真讨论写好的书面报告，改正理解不正确的地方，最后确定出系统目标。确定系统目标时通常遵循以下原则：
针对性：指对具体的专业要有具体的设计目标及对数据获取的目标，如是否利用航空遥感数据和全球定位系统等。
阶段性：指对规划和设计要有分期实施的交付成果的计划。
实用性：指系统能充分发挥经济效益和社会效益。
预见性：指能适应信息技术的快速发展，在系统功能设计时要留有发展余地和良好的接口，系统可扩展。
先进性：指要考虑到硬件（服务器与外设）、操作系统升级、更新与先进技术出现时系统的适应性。
8.1.2可行性研究
可行性研究是“根据系统目标确定出切实可行的方案”。是在较抽象的高层次上进行分析和设计的过程。具体指：进行应用目标的可行性分析，经济、效益、技术、时间上的可行性分析，风险性
地理信息系统基础
分析，最后拿出一个开发计划，指出系统功能、系统配置、信息处理方式，采用什么样的软件开发，成本进度，解决可能出现的问题的方法。
可行性研究阶段，往往要提供多个方案，让用户进行比较。系统分析员要说明可供选择的各个方案，并评价其优缺点及其约束条件，准确地对系统的成本和效益进行估计与分析，即分析经济上的可行性和时间上的可行性。最后写出可行性报告。可行性研究被认可后，便对地理信息系统工作环境与基本功能特性加以研究，估算出所需要的资源、工作量、费用和进度，以此为内容写出软件文档。
可行性研究的任务是确定的系统目标是否值得去实现，有没有可行的解决方法及时间、财力与技术的允许程度。并不是具体地解决问题。
8.1.3需求分析
在可行性研究阶段虽已粗略地知道了用户的需求，提出了一些可行的方案，但因可行性研究是用较小的成本确定是否存在可行的方法，故许多细节被忽略。而地理信息系统是不能遗漏任何一个微小的细节的，因此，它实际上没有准确地解决系统必须具备哪些功能的问题。 需求分析是对系统目标进行进一步的确认，是对可行性研究的进一步细化与审定，即确定系统必须完成哪些工作，对系统目标提出完整、准确、清晰、具体的要求。用户往往不知道如何利用计算机解决他们的问题，因而难以把他们要求系统必须做的事情完整准确地表达出来；开发人员知道如何用计算机实现用户的要求，但对特定的具体要求并不完全清楚。因此，在需求分析阶段开发人员与用户要充分交流、密切合作，对系统要求的运行环境和用户要求进行深入调查研究，明确外部环境（硬件）对系统的支持和制约程度，回答地理信息系统能做什么，能做到什么程度，以及对数据内容与应用范围的具体要求，使用户能直接且直观地了解开发出来的系统是否真正满足需要。最后得出用数据流图、数据字典和简洁的算法描述的用户确认的系统逻辑模型（功能）。
前期阶段各组成部分的关系是：系统目标是设计的基础；可行性研究是需求分析的前提，需求分析具体地体现系统目标与可行性分析的内容。可行性研究是在抽象的层次上进行的大大压缩和简化了的分析、设计过程，已得出了高层次的数据流图，需求分析是得出详细的系统逻辑模型，即确定系统的功能、性能、运行环境等。系统逻辑模型是设计和实现系统目标的基础，是系统设计与开发取得成功的关键。
8.2系 统 设 计
8.2.1总体设计
需求分析提出“做什么”的问题，总体设计要解决的问题是“如何做”，也即系统怎么实现。总体设计首先提出实现系统目标的几种不同的解决方案（数据流程图是设想各种可能方案的基础），每个方案用流程图表示，系统分析员比较这些方案，选出最佳方案向用户推荐。
一般几种不同的解决方案至少包括低、中、高成本方案。低成本方案只完成最必要的工作；中成本方案能很好地完成预定的任务，使用方便；高成本方案具有用户希望的所有功能，甚至可能具有用户没有具体指定的某些功能与特点。
总体设计的内容一般包括系统要求、环境设计、外部设计与说明、软件结构设计和文件结构等组成。确定功能模块及其之间的关系，定义各功能模块间的数据接口与控制接口，设计数据结构，
第八章地理信息系统的设计与应用
规定约束和限制等是其中较重要的部分。总体设计是系统可靠性、正确性与适应性的关键。
8.2.2详细设计 总体设计是以比较抽象概括的方式提出解决问题的方法，详细设计是对解法具体精确的描述，是要解决“怎样具体地实现系统”，也即是总体设计的细化，详细描述功能模块的内部过程。
详细设计还不是编写程序，而是设计出程序的详细说明，可类比于工程领域中的蓝图，程序员可根据它们写出实际的程序编码。因此详细设计基本上决定了最终的系统质量。详细设计的目标不仅是在逻辑上正确地实现每个模块的功能，更重要的是设计出的处理过程应尽可能的简明、清晰、易读、易测试与维护。结构化程序设计是实现上述目标的关键技术，是详细设计的逻辑基矗下面对结构程序化设计进行介绍。
1）结构化程序设计方法
结构化程序设计由荷兰学者提出。以往的程序称为BS型程序，（BS是a bowl of Spaghetti，意为一碗面条似的程序）,这种程序无任何规律可言，因其允许用流程线任意转移去向，会使流程无规律地转来转去，如同一团乱麻一样，分不清来龙去脉，令人难以琢磨设计者的思路。为提高程序的易读性，保证程序质量，现提倡使用结构化设计方法，结构化程序设计方法的要点是：
程序的质量标准是“清晰第一，效率第二”。以前是效率第一，为了节约一点运行时间与内存，用小技巧，使程序变得涩晦难读。现在是清晰第一，因为程序是给别人看的，使用中经常要加以修改，不能让人花大量时间才能看懂。
按一定规范书写程序，不能随心所欲的设计程序。过去的BS程序，如同手工业方式，程序如同艺术品，风格因人而异。现在主张工程化生产方式，即每人都必须按照同一规则，同一方法进行工作，这样，使软件有统一的标准、风格，成为标准产品，便于生产与维护。
一个大程序开发采取自顶向下，逐步细化和模块化的方法，即将一个大任务分成若干个子任务，每个子任务就是一个模块。若子任务仍太复杂，可再分为若干个子任务，如此逐层分解，每一模块也采劝自顶向下，逐步细化”的方法，直到将它分解为基本结构为止。基本结构是构成程序的基本单元。
结构化程序设计的三种基本结构是：
顺序结构：各模块按出现的先后顺序执行。
选择结构：根据给定条件是否满足而决定执行某模块，如满足执行A块，不满足自行B块。循环结构：分当型循环与直到型循环。
①当型循环是先判断条件，满足时反复执行某块循环体，直到不满足条件为止。
②直到型条件是先执行循环体，在判断条件是否满足，不满足则执行循环体，直到规定条件满足为止。
以上三种基本结构都具备一个出口，一个入口，不存在死语句和死循环，称良性结构，结构化程序是由一些良性结构单元构成的。
2）地理信息系统的结构化设计模式
地理信息系统结构化设计分为描述地理信息系统的目标和基于用户需求的关系规格，定义系统开发的资源与限制，对形成的多种方案的说明及评价，对方案最终的评价与选择等四个阶段，共28个过程。
描述系统的目标与需求
地理信息系统基础
①描述系统目标与需求。
②描述评价属性数据需求。
③描述空间数据需求。
④调查现有的属性数据源。
⑤登记现有空间数据系统。
⑥描述属性数据集规格。
⑦描述空间数据集规格。
⑧描述信息需求。
⑨评价系统规格和目标。
以上过程的前三步是勾画出地理信息系统的轮廓，详细的定义决策系统，包括系统任务及完成这些任务所需的数据，系统对这些数据需求范围要精确定义（包括属性数据与空间数据），要包括目前与未来的应用与需求。
第4～5步是现有的数据源，包括人工或自动化输入，如数字化仪输入、扫描输入、地面调查键盘输入与航空航天遥感等数据。由于行政管理、保密性、采集频率、时间连续性与费用等问题，使数据获取成为完成系统的主要限制性因素。
第6～8步是对有关属性与空间数据、分析能力、输出格式等系统规格（指使用频率、响应时间、精度等）进行明确表达。这里涉及到输入、存储与输出等信息系统技术的三个主要概念。这几步要提供下列结果：系统中的属性、空间数据、数据查询、分析需求、系统输入、输出格式（包括各种参数、精度、可靠性、输入过程、划分数据集的方法、编码方法、编辑方法、数据压缩方法、更新方法、数据结构、文件结构、数据库管理系统等数据集规格）。
第9步对已形成的系统的有效性（系统满足目标和需求的程度）、一致性（空间定位能力、数据集规格、数据分析功能和系统传递方式等与需求间的一致性）与可行性（系统广泛的、主观的评价与费用）。
以上过程往往要反复多次，直至满足用户要求为止。
定义系统开发的资源与限制
这是对数据处理的物理逻辑结构进行全面的描述，用来决定系统开发的资源和约束条件。 ①现有硬件：主要考虑有什么硬件？其性能是什么？有效利用率如何？主要用途是什么？它在拟订的系统中有什么作用？
②现有软件：主要考虑有什么软件？其性能是什么？有效利用率如何？主要用途是什么？它在拟订的系统中有什么作用？若有地理信息系统软件，要调查一下它的用途与来历，自行开发的还是购买的？
③现有数据处理方法：描述目前用户使用的软件的数据处理过程是怎样的，包括使用者的数据处理技术如何。
④行政体制：系统设计与运行过程中需要组织内部与组织之间的合作。
⑤法律制度：是执行开发资源与限制的条件，因为它对数据的采集方式及保密性有重要影响。 ⑥用户背景信息：用户态度，其愿意接受新系统的程度。
⑦评价现有资源与限制：对以上各步进行综合评价。
对形成多种方案的说明与评价
①描述可选择的系统结构：各种侯选的地理信息系统开发方案形成，对各系统决策指标的规格进行综合评价。
第八章地理信息系统的设计与应用
②描述硬件需求：详细描述系统硬件配置。
③描述软件需求：指软件技术问题，可移植性与开发规格，使其满足第一阶段定义的系统规格。 ④描述数据处理方法：软件的数据处理过程，指完成一个任务的处理方法。
⑤描述行政体制：系统的管理与责任，包括系统的操作有权限，数据搜集、提供、输出等制度。 ⑥描述法律制度：系统的外步环境，包括数据的安全性与保密性等。
⑦描述系统实现方法：指系统集中的程度，系统规定的结构及系统的操作环境。
⑧描述用户培训需求：根据用户的需求，指定培训计划。
⑨评价可行性与价格：对每一个设计方案进行可行性和费用分析，希望费用最低又能提供满意功能的配置。数据处理的过程评价主要是效率与精度指标。
⑩评价行政与法律制度：评价行政体制与法律制度对地理信息系统的开发的影响。
最后为评价实现计划：对开发设计的地理信息系统计划进行评价。
以上第三阶段的主要技术工作是对每一个设计方案进行可行性和费用分析，以满足功能要求、费用少、效率高、精度高为原则。
方案的最终评价与选择
该阶段指对各个侯选方案的效益、费用、效果等进行比较，选择最佳方案，或选中某一个，或通过修改各个侯选方案而产生一个新的方案。
在地理信息系统设计中，地图数据的获取手段与获取方法，数据结构、算法数据管理等技术问题是必须考虑的。先进的获取技术如遥感数据输入、自动扫描输入等在系统设计时不能忽视。数据结构与算法是地理信息系统技术中的最紧迫问题。
8.2.3数据库设计 数据库设计指：对于一给定的应用环境，提供一个确定最优数据模型与处理模式的逻辑设计，以及一个确定数据库存储结构与存取方法的物理设计，建立能反映现实世界信息及其联系，能实现系统目标的数据库。
数据库设计的目标包括满足用户要求、良好的数据库性能、对现实世界模拟的精确程度，能被某个数据库管理系统所接受等方面。
数据库的逻辑设计要能实现以下基本内容：
扩充能力：数据库要具有不断扩充和更新的能力，便于用户对数据进行独立地写入、修改、补充和删除。
数据资源共享：数据能同时为不同的用户使用。
减少冗余：数据不出现或尽可能地减少冗余，保持数据格式的一致性。
在插入、修改、删除、追加数据元素时，数据元素的结构、相互关系和从属属性应保持不变。数据独立：不同的应用程序可按其所需的数据结构去访问数据库中数据；数据库中的数据组织发生变更时，不需要重新编写或修改已有的应用程序。即数据库的数据组织方法和存放位置与应用程序无关。
数据控制：系统可对数据库中的数据进行控制，以免无关用户的非法存取或有意破坏，以保证数据的安全性。
系统要保证数据在逻辑意义上的正确性、有效性、兼容性。
辅助程序：数据库中要有一些辅助程序，用于数据库的维护和经常性的组织和必要时的数据库恢复工作。
地理信息系统基础
数据库是地理信息系统重要的核心部分，数据库设计的所需的经费和时间一般占系统设计的60%以上。数据库设计质量的高低，影响到系统建设的速度、成本、应用、维护管理和数据更新。
8.3系 统 实 现
地理信息系统的实现以模块为单位来进行。包括编码与模块测试等部分。
8.3.1编码
编码是用（用计算机可识别的符号）程序设计语言或数据库语言书写源程序。这是实现人与计算机通信，指挥计算机按人的意志正确工作的必然途径。程序设计语言是编码的基础，因而它的特性、编码途径与编码风格对程序的可靠性、可读性、可测试性和可维护性产生深刻地影响。此外，编码是一项容易引入各种错误的工作，因此，进行代码复查并对每个编码模块进行严格测试是防止和发现编码错误的重要途径。
1）程序设计语言的分类
自1960年以来，人们已经研制出数以千计的程序设计语言，但只有少数的语言得到了广泛的应用。目前的计算机上一般都装有几种或几十种语言。程序设计语言虽品种繁多，但可概要地划分为低级语言与高级语言两大类。
低级语言
低级语言是面向机器的语言，因不同的计算机的该语言不通用，所以称其为低级语言。它分为机器语言与汇编语言：
① 机器语言：每种计算机因在设计上的差异性，各自都有自己的不同格式、不同结构、不同语法与不同编码的机器语言，机器语言的语句和计算机硬件操作有着一一对应关系，一种类型的计算机不能理解用另一种计算机的机器语言编写的程序。机器语言的程序是用二进制代码编写的，语言不形象，难学、难修改，但执行速度快。
② 汇编语言：鉴于机器语言不易编程的特点，人们使用助记符的方式对其进行编写便是汇编语言。该语言中指令的操作码用英文单词和符号表示，地址码用寄存器名、十进制表示。这样程序变得易读、易修改，但仍依赖于具体的机器，不具备通用性。
高级语言
高级语言是一种与具体的计算机指令系统无关的、独立于计算机机型，使用的概念与符号与人们通常使用的概念与符号相接近的面向问题的程序设计语言，因其具有通用性故称为高级语言。高级语言分基础语言、结构化语言和专门语言三类。
2）程序语言的选择
编码之前的重要工作是选择适当的程序设计语言。适宜的语言能使编码时困难最少，程序测试量减少，易于测试与维护。语言选择的实用标准主要有如下几条：
满足用户的要求：当开发的系统需要由用户维护时，应满足用户的要求用其熟悉的语言书写程序。
软件可移植性要求：选择标准化程度高，程序可移植性好的语言。
软件的应用领域：语言并非对所有的应用领域同样适用，如FORTRAN语言适合科学计算，
第八章地理信息系统的设计与应用
COBOL语言适合商业领域，C语言适合系统和实时应用领域，PROLOG语言适合于表达知识和推理等。因此选择语言要考虑应用范围。目前系统多用Visual BASIC、Visual C语言编写。
8.3.2模块测试
1）模块测试的概念与步骤
最基本的测试是集成测试和验收测试。集成测试是根据设计的软件结构，把经过单元测试检验的模块按某种选定的策略在计算机系统中安装，在装配过程中进行必要的测试，看其性能是否符合规定的标准。验收测试是确定测试，证明所开发的地理信息系统软件符合软件需求说明中定义的全部功能要求。
测试是为了发现程序中的错误而执行程序的过程，并不是为了表明程序是正确的，因此测试时要设计出最能暴露错误的测试方案。即使经过了最严格的测试之后，仍然可能有未被发现的错误潜藏在程序中。测试一般由下述步骤组成：
模块测试：一般来说，模块之间不存在相互依赖关系，因此把每个模块作为一个单独的实体来测试，以保证各模块能单独进行。
子系统测试：把经过测试的模块放在一起形成一个子系统来测试，这个步骤主要是测试模块的接口。
系统测试：把经过测试的子系统装配成一个完整的系统来测试，这个步骤可发现设计和编码的错误。
验收测试：把系统作为一个单一的实体来测试，一般使用实际数据进行测试，以验证系统确实能够满足拥护的需求。
2）模块调试
测试的目的是暴露程序中的错误，发现错误是为了改正错误。测试后还须进一步诊断和改正错误，这就是模块调试的任务。
调试由两个步骤组成，首先是确定错误的准确位置，找出是哪个模块或哪个接口引起的错误；然后确定问题的原因，并设法改正错误。
现有的推断错误原因的基本策略主要有：
试探法：通过分析错误征兆，猜想故障的大致位置，使用调试技术获取程序中被怀疑的地方的信息，进而发现错误。该法缓慢而低效。
回溯法：确定最先发现错误征兆的地方，沿程序的控制流往回追踪源程序代码，寻找错误根源或确定故障范围。对小程序该法是较好的策略。
对分查找法：用输入语句在程序中间附近输入变量的正确值，然后检查程序的输出。输出结果正确，则说明故障在程序的前半部分。对程序中有故障的那部分程序，反复运用此法，直到把范围缩小到容易诊断的程度为止。该法较常使用。
归纳法：该法是从个别推断一般的方法，通过从错误征兆出发，分析错误征兆之间的关系，找出它们之间的规律，从而找出故障。该法常用但需要一定水平。
演绎法：该放从一般原理出发，经过删除和精化的过程推导出结论。演绎法经过设想可能的错误原因、用已有的数据排除不正确的错误设想、精化余下的错误设想、证明余下的错误设想是错误或错误的一部分等四个步骤。
地理信息系统基础
8.4系 统 维 护
系统维护是地理信息系统交付使用后，为了改正错误或满足新的要求修改软件的过程。系统维护有其必然性。它虽不属于系统开发过程，但确是地理信息系统生存周期中的极其重要的阶段。系统运行要解决用户提出的各种问题，达到系统的设计目标，决离不开对地理信息系统的维护。系统的维护包括以下几个方面：
8.4.1系统维护的类型
正确性维护：正确性维护是修改在开发阶段产生而测试时又没有发生的错误。系统虽经测试，但由于测试软件的制约，并不能发现在开发阶段产生的潜藏在系统内的全部错误，实践证明任何地理信息系统在使用期间，在使用期间用户必然会发现错误。这种诊断和改正错误的过程又叫改正性维护。
适应性维护：为适应软件外界环境的变化（新的操作系统，不同的硬件等）引起的软件修改。由于硬、软件的不断快速发展，增加或更替外部设备和其它系统部件及操作系统的变化，导致软件不适应新的环境，因此必须对软件修改以适应新的运行环境。这是要经常进行的维护活动。
完善性维护：为扩充软件功能或改善性能而进行的修改。在使用过程中，用户常常需要赋予系统新的功能与修改已有的功能，或对系统设计提出改进意见，因此需要做这方面的完善性的维护工作。完善性维护是最多的维护活动。
预防性维护：为了系统将来的可靠性与可维护性，或为了给将来的改进奠定更好的基础对系统进行的修改。这项维护目前较稀少。
8.4.2系统维护的问题
软件维护这个最重要阶段往往最不被重视，问题较大，原因有：
心理因素：认为维护是二流工作，不如开发工作；
管理因素：不象开发工作那样立项，组织强有力的班子，而往往安排新手承担；
技术因素：要求对软件熟悉，还需有完整可靠的资料，但这点很难实现；
时间因素：一出问题，技术人员须放下手中其它工作立即去解决，事前无准备，临时应付；开发因素：开发的软件因种种原因，未经严格评审、测试，资料不全，把一切问题都推至维护阶段；
维护上的问题：维护工作缺乏严格管理，往往只改代码，未改资料记录（文档），造成以后维护的更加困难。在维护阶段纠正错误往往要花极大代价。
8.5地理信息系统评价
7.5.1软件质量需求评判准则
国际标准化组织建议软件质量模型由三层组成：
1）高层（软件质量需求评价准则）
正确性：满足规范书及完成用户目标的程度。
第八章地理信息系统的设计与应用
可靠性：软件在所需精度下完成功能的程度。
效率：软件完成其功能所需的资源。
安全性：对未经许可人员接近软件或对数据所施加的控制程度。
使用性：学习操作软件，输入输出时所需的努力。
可维护性：修改软件的难易程度。
灵活性：改变一个操作程序所需的努力。
连接性：与其它系统耦合所需的努力。
2）中层（软件质量设计标准）
由可跟踪性、完备性、一致性、准确性、容错性、简单性、模块性、通用性、扩充性、工具性、自描述性、执行效率、存储效率、存取控制、存取复查、操作性、可训练性、通讯性、软件系统独立性、机器独立性、通讯共用性、数据共用性、简明性等标准组成。
3）低层
低层标准由使用单位自行决定，无统一标准。
8.5.2各层软件质量度量模型间的关系
1）各高层间的相关关系
正确性与可靠性、使用性、可维护性、灵活性呈正相关；
可靠性与可使用性、可维护性、灵活性呈正相关；
效率与安全性、可使用性、可维护性、灵活性、连接性呈正相关；
安全性与可使用性呈正相关，与灵活性、连接性呈负相关；
可使用性与可维护性、灵活性呈正相关；
可维护性与灵活性呈正相关。
由于软件质量间存在着负相关，所以没有一个软件设计使得所有质量元素为最佳。只能根据系统的性质、需求目标和预算状况，以某些质量元素为最佳来设计。如宇航软件以可靠性最为重要。
2）高中层各质量元素间的包含关系
正确性：可跟踪性、完备性、一致性。
可靠性：一致性、准确性、容错性、简单性。
效率：执行效率、存储效率。
安全性：存取控制、存取复查。
可使用性：操作性、可训练性、通讯性。
可维护性：一致性、简单性、模块性、工具性、自描述性、简明性。
灵活性：通用性、扩充性、自描述性、软件系统独立性、机器独立性。
连接性：通讯共用性、简明性。
8.5.3影响地理信息系统质量的因素
影响地理信息系统质量的因素是多方面的，如系统设计人员的水平，时间与资金的限制，规范化与标准化的程度等。此外，以下错误的观念与作法也是影响地理信息系统的质量重要因素：
仅有对总目标的一般描述，就开始编码，细节在以后加以补充。
地理信息系统基础
系统目标不明确准确，是地理信息系统开发失败的主要原因。没有对用户要求和现实环境进行准确地综合地分析，就难以对软件提出恰如其分的的目标，使开发工作带来盲目性。因此，一个关于功能、性能、接口设计约束和有效性原则的详细描述必不可缺少。这些没有用户与软件开发人员之间的全面充分讨论是不行的。
编写的程序能运行，就以为完成任务：系统的设计与实现决不仅仅是编程序，没有经过可行性研究、需求分析、设计分析、设计实现、测试维护等阶段，称不上系统设计，离系统的完成还相差甚远。
不进行系统评审：评审是进行软件管理控制和技术控制的重要措施，不评审决不能保证软件质量。
不注意文档资料：文档资料是软件开发的基础，每个阶段的定义、开发、维护都必须产生准确的文档，不能后补，它尤其是维护的指南。
只让软件运行，不对软件维护：前面已论及，维护是系统生命周期的重要部分，不维护或极少维护，系统的使用、功能、性能等诸方面将出现重大问题。在一个系统里，实际的维护费用往往要达到50%以上。
8.6地理信息系统的用户界面
地理信息系统用户界面的发展过程从一个侧面清楚地反映了计算机技术的发展历程。目前地理信息系统界面主要4种：命令式界面(command），菜单式界面(menu)，多窗口界面(windows)、高级语言界面(language) 。地理信息系统用户界面发展的最高形式是目前广泛流行的客户化服务功能。
8.6.1命令式界面
地理信息系统用户界面的原始形式是命令式，通过字符组成的命令及其后面的参数来执行系统的各项功能。命令式界面优点是：
人机交互方式，灵活性强；
直接调用任何功能，利于编辑查询；
可组合成复杂的调用，功能强；
可组织成批处理文件，进行批处理作业，快速高效。
用户可根据作业的性质选择最优的处理方式，如数字化、编辑、空间查询等可在交互式下进行，数据加载等大批量的作业就可以在批处理方式下进行。
命令式界面缺点是：界面友好性差，一般地理信息系统都会设有几百甚至上千条条命令，让用户记住这些命令的含义、格式与用法是困难的，况且大部分命令采用英文方式输入，不利于中文用户使用。
8.6.2菜单式界面
菜单式界面是将系统功能按层次全部列于屏幕上，用键盘上的数字键、光标键、功能键或鼠标等选择其中的某项功能去执行。分下拉式与弹出式菜单两种形态：
下拉式菜单在菜单条的命令中，选中某命令后便自此向下拉出菜单。它有一定的使用规则，体现了系统功能的层次性，具有清晰的特点。
弹出式菜单可在任何位置弹出，使用灵活，不受层次限制，在任意时刻都可以使用，尤其适
第八章地理信息系统的设计与应用
合于用户的信息输入和联机帮助。
菜单界面的优点是：易于学习掌握，使用简单，层次清楚，适用于初学者与广大软件使用人员，尤其给初学者提供了探索式的学习机会。
菜单界面的缺点是：过于死板。尤其当系统提供的功能比较多，划分的层次比较细时，层层进入与层层退出给使用带来极大的不便。此外，菜单界面无法进行批处理作业，对于地理信息系统中大量的复合操作无能为力。
8.6.3窗口式界面
窗口式界面是在菜单界面基础上的发展，窗口界面一般遵循一种图形窗口标准，因而使得用户的操作标准化、规范化。在窗口操作环境中，地理信息系统各项功能的选择与执行是通过诸如“对话框”、“肖像框”、“菜单框”等图形画面和符号的操作完成的。窗口技术在计算机发展中非常重要，在人机界面技术中，归类属直接操作技术。
窗口界面的特点是：支持所见即所得的操作；具有统一的操作风格；操作的效率高，支持多媒体技术，支持面向对象的操作且易学、易用。
8.6.4高级语言界面
高级语言界面是一种高层次的用户语言。也可以嵌入某些高级编程语言，高级语言界面给系统的二次开发提供了可能性。
高级语言界面的特点是：
可以提供客户化服务；
为系统的进一步开发和系统功能的综合利用提供了可能；
编写程序简单方便。
GIS基础讲稿第4章
第四章地理信息系统空间数据库
第四章GIS数据库
4.1数据库概述
在第一章里已经说过，GIS的核心是空间数据库，数据库技术产生于20世纪60年代末期，是计算机领域中最重要的技术之一，是理想的数据管理技术。数据管理支队数据的组织、存储、检索、维护等。管理数据经历了人工管理、文件系统与数据库阶段。文件管理存在着文件之间没有联系，数据不完全独立于程序等不足，因此数据库技术发展起来。
4.1.1数据库概念
数据库有三个基本部分组成：
⑴ 数据集（库）：按一定结构组织起来的相关数据的集合，既包括数据与数据间的联系。 ⑵ 物理存储介质：计算机的外存与内存储器，外存存储数据，内存存储操作系统与数据库管理系统，并有一定数量的缓冲区，用于数据处理。
⑶ 数据库软件：核心是数据库管理系统（DBMS），对数据进行建立、定义、管理与维护，还有数据库应用系统，通过空间分析模型对数据进行分析与决策。
空间数据库是能够存储空间数据与属性数据，并能对空间数据进行检索、分析的数据库，空间数据库由如数字高程模型DEM、数字正射影像数据DOM、数字栅格地图DRG、矢量要素数据DLG、专题数据TD、元数据MD等数据库组成。
4.1.2数据库特征
⑴ 数据集中控制维护管理。
⑵ 数据独立于应用程序。
⑶ 数据共享，多用户可同时存续数据，提高使用效率。
⑷ 减少数据冗余，提高数据的一致性。
⑸ 数据结构化，数据按一定结构形式构成，数据间具有联系。
⑹ 数据保护功能，具有使用权限，确保数据安全。
4.1.3数据库结构
数据库结构一般划分为三个层次：（内模式、概念模式、外模式）
⑴ 物理数据层：数据库的最内层，是物理存储设备上实际存储的数据的集合，由指令操作的位串、字符和字组成。这是内模式。
⑵ 概念数据层：数据库结构中中间的一层，是数据库的逻辑表示，指出每个数据的逻辑定义（数据结构、类型、长度等）与逻辑关系与操作。这是概念模式。
⑶ 逻辑数据库：用户看到的数据库，表示了用户使用的数据的集合。这是外模式。
地理信息系统基础
三个数据层通过对应规则（映射）进行转换，数据库管理系统的一个重要任务就是完成三个数据层之间的映射。
4.2数据模型
数据模型是数据库中数据结构、数据操作和数据的约束条件的集合。每一种管理系统都是基于某种特定的数据模型的，目前流行的数据模型有按关系理论建立的关系（结构）模型与按图论理论建立的层次（结构）模型与网状（结构）模型。
4.2.1关系模型与二维表结构
关系模型是以数学理论为基础构建的数据模型，它把复杂的数据结构归纳为简单的二元关系，即把每一个实体集看作是一个二维表。关系模型是用一个单一的二维表结构表示实体及实体间的联系，而满足一定条件的二维表称为一个关系。其中每一行是一个实体（记录），每一列是一个实体属性（字段），表中第一行是各字段的型的集合。
作为一个关系的二维表，必须满足以下条件：
⑴ 表中的每一个属性值都是不可再分的基本单元；
⑵ 表中每一列的属性名必须是唯一的；
⑶ 表中每一列必须有相同的数据类型；
⑷ 表中不能有完全相同的行；
关系模型的最大特点是描述的一致性，结构简单清晰。显然，实体及其联系在关系表中一目了然。也可以通过关系之间的连接运算建立新的关系，对关系数据库的查询和统计操作均通过布尔逻辑与数学关系运算实现。关系模型存取路径完全对用户隐蔽，使程序与数据具有高度的独立性。关系模型使用与维护方便。
由关系数据结构组成的数据库系统称为关系数据库系统。在关系数据库中，对数据的操作几乎全部建立在一个或多个关系表格上，通过对这些表格的操作来实现对数据的管理。
4.2.2层次模型与树结构
层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，反映数据之间的隶属关系。层次模型在数据处理中发展最早、技术上已成熟的一种数据模型。它的特点是将数据组织成一棵有根结点的定向的有序树（树指无回的连通图），它是一棵倒挂的树，树分根、枝、叶。它必须满足两个条件：①有一个结点，没有父结点，②其它结点中有且仅有一个父结点。没有父亲的结点称为根结点，其余的结点称为从属结点。从属结点中有下属的为枝，无下属为叶。从根结点开始按父子联系依次连接的结点序列称为层次路径。如一所高校，它由校、院、系、专业、教师、学生等构成，其结构图就像一棵树，校是树根（称根结点），院、系、师、生等为枝（结点），枝结点向上向下都有联系，向上只能有唯一的联系，向下可有若干联系，向下无任何联系的为叶，如具体某个学生。在层次模型中， 必须按照从根开始的某条路径进行访问。
层次模型表达的实体间的联系是一对多关系，当实体具有层次关系时，适宜采用层次型数据库进行管理。一对多关系指一个父属性对应多个子属性，而一个子属性只对应一个父属性。层次模型
第四章地理信息系统空间数据库
中一切联系都是向下的。
在树形结构中，表示方法是多样的。如一本书A分为B、C两章，B章又分为D、E、F三节；C章分为G、H两节，E节又分为两小节I、J。
4.2.3网状模型与图结构
用丛结构表示的实体间的联系模型叫网状结构模型。层次模型根结点只有一个，根以外的其它结点只有一个父结点，若打破此限制，则层次模型就形成了网状模型。因此网状模型是在层次模型基础上发展起来的，层次模型是网状模型的特殊形式，网状模型是层次模型的一般形式。
从另一个角度上讲，网状模型是在层次结构的基础发展起来的，它扩充了层次结构对联系的限制，因此可灵活地表示实体间的多种关系。它需满足以下条件：
⑴ 可以有一个以上的结点没有父结点。
⑵ 至少有一个结点有多于一个的父结点。
⑶ 结点间可以有多种联系。
4.2.4三种数据模型的比较（见黄杏元等地理信息系统P126表4）
1）三种数据模型优缺点分析
目前，不同的地理信息系统分别用到了以上三种模型。以上三种模型可分为两类，其中层次模型与网状模型，都依赖于某种固定的连接关系。层次模型，记录按树结构存储，而且所有记录只能有一个所有者，用户可以通过路径与其它记录的连接来存取每一个记录。网状结构是层次结构的一般形式（层次结构是网状结构的特殊情况），在网状结构中，一个已知的记录可以有多个所有者等。在层次与网状结构中，数据库中最低层的记录如果不与它的父记录发生关系就会失去意义，这样的模型，叫做面向结构的模型。而关系模型可称为面向操作的模型。
⑴关系模型是潜力较大的模型，也是微型机上使用最多的模型。所谓关系模型就是一个二维表，表中数据本身自然地建立起它们之间的联系，并用关系代数与关系运算来操作数据。它的数据结构灵活、清晰，通过逻辑运算与数学运算进行查询、检索、修改、运算，数据易于更新。关系模型在数据库中增加数据项的方式有两种：一是产生一个新表，二是向已有的表中追加数据项。当数据库需要修改或更新时，不需要重新组织数据结构。关系模型的缺点是没有预先考虑存取路径，因而使查询速度非常慢。
⑵层次结构的优点是容易理解，易于更新与扩充，但查找比较麻烦，需要大量的索引文件，某些数据可能重复多次，因而冗余量大。
⑶网状结构中的任一记录可与任意多个记录建立关系，因此与层次模型比较，大大地减少了冗余，在表示关系复杂的地理数据和网状特征的地理实体效果好，但网状结构数据指针比较复杂，数据更新要繁琐。
从本质上看，层次与网状模型是相同的，在逻辑上它们都用结点表示实体，用连线表示实体间的联系；从物理上，它们都用指针来实现两个文件间的联系，只不过网络模型中的连线、指针较为复杂而已。
2）传统数据库管理系统的局限性
地理信息系统基础
以上三种模型可以说是传统的数据库模型，在数据管理上有明显不足：① 传统数据库主要处理的对象是属性特征的数据，只能操作和查询文字和数字，无法有效地支持复杂对象如图形图像等，而地理空间数据中有大量的空间数据需要操作和查询；② 传统的数据库管理系统管理的是不连续的相关性较小的数字和字符，而地理数据是连续的，而且有很强的空间相关性；③ 传统数据库系统管理的数据类型较少，空间关系简单，而地理数据类型是多样的，并存在着复杂的空间关系；④ 传统数据库不能以自然的、接近人类思维的方式表示实体及其联系。
为了更好的模拟和操作现实世界中的复杂现象，克服传统数据模型的局限性，人们从更高的层次探讨新的数据模型。包括：①以数据库设计为背景而产生的实体-联系（E-R）模型；②从操作角度模拟客观世界且具有严密代数基础的函数数据模型；③对事物及其联系进行自然表达的语义网络模型；④基于图论多层次数据抽象的超图数据模型；⑤基于逻辑的演绎数据模型；⑥面向对象的概念和面向对象程序设计为基础的面向对象数据模型。其中面向对象的数据模型是高层次模型的最重要发展。
实体-联系（E-R）模型：由实体、联系和属性构成。不考虑数据的存储结构、存取路径和存取效率等与计算机有关的问题，具有直观、自然、语义较丰富的特点。
4.2.5面向对象的数据模型
1）面向对象的基本思路 面向对象方法的基本思路是：是用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型，以便对信息实体进行结构模拟和行为模拟，从而使设计出的系统尽可能直接地表现问题求解的过程。面向对象的数据模型就是采用面向对象方法建立的数据模型。
2）面向对象的相关概念
无论怎样复杂的事物，又可以准确地由一个对象表示。将客观世界的每一个概念实体模型化为对象。每个对象都包含了数据集和操作集。 ⑴对象：含有数据和操作方法的独立模块，是数据和行为的统一体。如一个学校、一个城市、一棵树、一条河流等可作为对象。河流坐标描述了其位置与形状，河流的变迁则表达了它的行为。一个对象应有唯一的标识、属性与操作方法。标识表示其存在的独立性，属性表示其状态，操作用以改变对象的状态。
⑵ 类：相同属性、结构和操作方法的对象的集合，或说同类对象的集合。如河流有名称、长度与流域面积，操作方法可查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类，如长江、黄河。
⑶消息：对对象进行操作的请求。对象间的操作只能通过消息来进行。
3）面向对象数据库的特性
⑴抽象性：抽象是对客观世界的简化，形成对象的关键是抽象，对象是抽象思维的结果，抽象思维是通过概念、判断、推理来反映对象的本质，解释对象内部联系的过程。任何一个对象都是通过抽象和概括而形成的。
⑵封装性：将方法与数据放在一个对象中。对象就是一个封装好的独立模块。
⑶多态性：同一消息被不同的对象接收时，可解释为不同的含义，相同的操作可用于多种类型的对象，并能获得不同的结果。
第四章地理信息系统空间数据库
⑷永久性：数据可长期保存，并可交叉使用。
⑸并发性：多个用户可同时访问一个数据库。
⑹安全性：具有保护措施，提供权限检查功能。
⑺复合型：某对象可以是另一对象的一部分。
⑻可扩充性：用户可在应用中增加新的操作和类型。
4）面向对象的核心技术
⑴分类：同一类的对象共享相同的属性项与操作方法。
⑵概括：将几种类型中具有共性特性的属性和操作方法抽象出来，形成一种更一般的超类。如地物抽象为点、线、面。
⑶聚集：将几个不同的对象组合成一个更高水平的复合对象。
⑷联合：将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起来，为避免重复，设立一个更高水平的对象表示那些形同属性的属性值。
运用上述的概念方法与技术，便可建立面向对象空间数据库，其结构就是面向对象的数据模型。
4.3空间数据库设计与实现
数据库设计是根据不同的应用目的和用户要求，在一个给定的应用环境中，确定最优的数据模型、处理模式、存储结构、存取方法，建立能反映现实世界的地理实体间信息的联系，以满足用户要求，又能被一定的数据库管理系统接受，同时能实现系统目标并有效地存娶管理数据的数据库。
空间数据库的设计是指在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的过程。主要包括需求分析、结构设计和数据层次设计三部分。完成设计后，该建立空间数据库了。建立空间数据库包括三项工作，建库结构、装入数据、试运行。完成建立后，要进行维护。
4.3.1 空间数据库设计
1) 需求分析
需求分析是空间数据库设计与建立的基础，具体为：
⑴调查用户需求：了解用户特点和要求。
⑵收集与分析需求数据：包括信息内容、特征、需存储的数据等需求、信息加工处理的要求、完整性与安全性要求等。
⑶编制用户需求说明书：主要有：需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等。
2) 结构设计
空间数据库设计的关键，设计的结果是得到一个空间数据模型。空间数据模型的本质是反映现实世界，主要有：
⑴ 概念设计
对需求分析阶段收集的数据进行分析、整理、确定地理实体、属性及其关系，把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。表示概念模型最有力的工具是实体-联系模型（E-R模型），包括
地理信息系统基础
实体、联系、属性三个基本成分。比一般模型更能很好的模拟现实世界，具有直观、自然、语义较丰富的特点。
⑵ 逻辑设计
又称数据模型映射。在概念设计的基础上，按照不同的转换规则将概念模型转换为具体的数据模型的过程。完成转换后，要进行分析、评比和优化。
⑶ 物理设计
数据库存储结构和存储路径的设计。即逻辑设计如何在计算机的存储设备上实现。主要内容是确定记录存储格式，选择文件的存储结构，分配存储空间。一个好的存储结构必须满足两个条件，一是存储空间小，二是处理速度快。完成设计后，要进行性能分析与测试。
物理设计分为格式设计、存储方法设计、访问方法设计、完整性和安全考虑、应用设计与形成物理设计说明书等6步。
3) 数据层设计
将数据按逻辑类型分成不同的数据层进行组织。一般按照专业内容和类型进行，这样便于组织，方便调用，因为不可能同时使用所有数据，往往是需要若干层的数据就满足了进行查询、空间分析处理等需要。如地形数据是将地貌、水系、道路、植被、控制点、居民点等按层分别存储，将若干层叠加起来就形成了地形图，并基于此进行分析等。
4.3.2空间数据库的实现
1) 空间数据库的建立
⑴构建库结构。库结构是数据库的逻辑结构，给出数据库的属性项。通过数据库管理系统经编写功能软件、编译、运行建立起实际的空间数据库结构。
⑵装入数据。装入数据时，先装入试验性数据，进行应用程序测试；再装入实际数据，建立起实际运行的空间数据库。只所以说装入数据，不是一般意义的输入数据，而是将已有数据由编写的数据装入程序或数据库管理系统提供的应用程序来完成。在装入前要做许多准备工作，如对数据进行整理、分类、编码与格式转换等。装入的数据要确保准确性和一致性。
⑶测试。装入数据后，要对空间数据库的实际应用程序进行运行，执行各功能模块的操作，对空间数据库的功能与性能进行全面测试。包括模块功能、系统的稳定性、系统的响应时间、系统的安全性与完整性等。
2) 空间数据库的维护
维护是重要的工作。如调整、修改、扩充、重组织、充构造、系统安全性与完整性控制等。 重组织是不改变逻辑结构与物理结构，改变数据的存储位置，对数据重新组织存放，因为数据库运行过程中，进行的插入、修改、删除操作，会降低存储效率，浪费存储空间，影响系统性能。
重构造指局部改变数据库的逻辑结构与物理结构，从而满足新的需要。修改的内容太多，则要开发新的系统。
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