城市地理信息系统的设计方法与一般信息技术 (IT) 设计类似, 故早期的地理信息系统设计大致照搬I T的设计方法, 如生命周期法、模块设计法、数据分析法等。其中, 生命周期法是将整个信息系统的开发过程划分为若干阶段, 预先规定每一阶段的目标和任务, 有一定准则顺次完成。这些传统方法大都采用线性模型, 即把系统的设计与实施视为没有反复、不能回归的单一发展过程, 其缺点在于分析与设计的过程较长, 见效迟。不易把握用户需求的变化。这些方法一般不适用于城市地理信息系统的设计, 因为城市地理信息系统的服务对象 (即用户群) 是多种多样的、是逐渐参与的, 用户需求也是逐渐变化和发展的, 因此初期拟定的系统目标和数据规模等不可能保持一成不变, 需要不断地进行修改和完善。此外, 地理信息系统技术和计算机软硬件技术发展很快。要跟上技术的最新发展也要求对原有设计进行修改和补充。
与早期的不同, 目前地理信息系统设计常采用原型法。原型法的原则是先确定分基本需求, 选择一个试验区, 设计出一个初步方案, 并用较短时间开发出一个能满足用户基本要求的实验性和示范性的系统雏形 (即原型) 。经用户试用, 找出该原型的缺点和不足, 然后进行修改和补充, 再向用户演示, 听取他们的意见并修改补充, 如此反复, 逐渐建成较为完善的系统。这样的系统设计和开发过程实际上是一个迭代过程, 而不是多数传统方式那样的线性过程。这种设计方法较适应于城市地理信息系统的建设特点。它的好处是通过一个示范系统, 便于用户理解、试用和提出意见, 吸引用户参与系统设计工作。
图1是原型法设计方法的基本模型和传统方法中最常用的生命周期法的基本模型。
1 城市地理信息系统总体设计的内容和步骤研究
城市地理信息系统总体设计为全系统确定整体框架和结构, 它是系统研制工作的核心和系统开发的依据。总体设计方案指导系统开发的全过程, 不但要命名系统开发的近期目标和远期目标得以实现, 而且要使所设计的系统达到优化。一般来说, 一个优化的城市地理信息系统必须具有运行效率高、控制性能好和可扩充性强等特点。城市地理信息系统总体设计的主要任务是根据系统总体目标, 规划系统的规模和确定系统的各个组成部分, 说明它们在整个系统中的作用和相互之间的关系, 确定系统的硬软件配置, 规定系统采用的技术规范, 并作出经费预算和时间安排, 以保证系统总目标的实现。
如果没有好的总体设计, 就可能导致一个结构不良、功能无法满足要求的系统。这样的系统要么存储的数据不能满足应用要求, 要么有重复存储, 要么系统各个部分不协调, 或者编码不便于使用, 等等。总之, 不会是一个好的规范化的系统。诚然, 最初制订的总体设计方案, 反映了一定阶段对系统目标、功能、技术手段、用户需求等方面的认识, 它是当时对所建系统的最高级和最全面的概括。但初期的系统设计只能是认识过程的一个起点, 其中必然会包含许多不足之处, 有待于开发实施过程中逐渐修改完善。
系统总体设计的内容主要包括用户需求调查分析、逻辑设计和物理设计等。
系统总体设计的步骤主要包括以下几点。
(1) 用户需求的调查和分析, 撰写用户需求分析报告。 (2) 总体设计方案的编写。 (3) 总体设计方案的论证和审批。
其中, 总体设计方案编写包含了系统结构设计、数据库设计、数据规范化标准化设计、系统软硬件配置、系统开发计划、经费预算和组织实施等工作。
2 城市地理信息系统逻辑设计
在用户需求调查分析的基础上, 明确系统的目标, 弄清用户要解决什么问题和各个阶段在达到的要求, 从而提出系统的逻辑模型, 即确定系统的功能。逻辑模型的基本成分是系统总体逻辑结构、子系统划分和功能分析, 可用文字、数据流程图和其它有关图、表进行描述。
城市地理信息系统与一般地理信息系统一样, 其总体逻辑结构包括硬件、软件、数据库和人员等组成部分。
(1) 硬件。主要指一个城市地理信息系统进行的设备环境, 包括计算机 (含存贮磁盘、光盘驱动器、软盘驱动器等) 、输入设备 (含手扶跟踪或扫描数字化仪等) 、输出设备 (含绘图机、打印机等) 以及网络和不间断电源等。 (2) 软件。城市地理信息系统软件包括系统软件和应用软件两大部分。前者主要指计算机操作系统软件, 如PC机上的DOS, WINDOWS或WINDOWSNT等, 图形工作站上的UNIX, OPENWINDOWS, MOTIF等。后者包括地理信息系统软件 (即各种商品化的基于PC机或图形T作站的地理信息软件工具) 和在此基础上专为某一个城市地理信息系统二次开发的软件 (包括各种功能模块和各种应用用户界面) 。 (3) 数据库。数据库是城市地理信息系统的核心组成部分, 一个系统可以具备一个或多个数据库。按数据类型及应用功能可将数据库分为基础数据库和专题数据库两大类, 它们都包含空间型数据和空间定位型关系数据。 (4) 人员。与一个城市地理信息系统有关的人员包括系统设计开发人员、系统运行和维护管理人员、操作人员和最终用户等。
以上这四部分在总体上构成一个城市地理信息系统。
3 数据库设计
依据逻辑设计的结果进行物理设计。城市地理信息系统物理设计主要是确定系统的物理结构、使用的技术手段、所需要的条件和资源以及实施的步骤和时间进度等。具体包括数据库实体设计、标准化设计、软硬件配置、系统开发计划、经费预算和组织实施等。与其它地理信息系统一样, 数据库是城市地理信息系统重要的核心组成部分。一般来说, 数据库设计和建设的工作量及其调研的经费会占整个系统设计、建设工作量和经费的大部分, 甚至能达到60%～70%。数据库设计质量的好坏, 不仅影响到系统建设的速度和成本而且影响到系统的应用、维护管理和数据更新。
城市地理信息系统的数据库依其信息内容可分为两大类:基础信息数据库和专题信息数据库。基础信息数据库是空间型数据库, 它的主要内容是城市大比例尺地形图 (1∶500、1∶1000或1∶2000) 的数字化数据, 辅之其它基础性的社会经济信息。专题信息数据库可以是空间型数据库, 也可以是空间定位型关系数据库, 主要是用专题信息数据 (图形或/和统计数据) 建成的数据库。依其不同专题内容又可进一步细分为若干子库 (或分库) , 如规划管理信息数据子库、市政管理线信息数据子库、地籍信息数据子库、房产管理信息数据子库、交通管理信息数据子库和建筑管理信息数据子库等。
城市地理信息系统数据库和数据子库与城市地理信息系统的各个子系统之间有着密切的联系。基础信息数据库除作为基础信息子系统的主要组成部分外, 它还要与专题子系统连接, 向它们提供有关基础数据。各种专题数据库或数据子库除作为相应子系统的主要组成部分外, 也可能被其它子系统调用。因此, 应考虑各个子系统的需要, 遵循共享数据库原则, 对城市地理信息系统的数据库进行统一设计和建设。不应仅按子系统需求分别设计和建设各自的数据库, 否则会增加存贮数据的冗余度。
城市地理信息系统数据库设计和基本要求包括以下几点。
(1) 应该对大量的数据体用非冗余结构予以定义, 并根据需要使其能同时不同的用户使用 (批量处理, 交互处理, 联机的和面向事务的) 。 (2) 在插入、修改和删除数据元素时, 数据元素的结构、相互关系和从属性应保持不变。 (3) 应用程序不依赖于数据库中的数据组织方法和存放位置, 即数据独立。这通常包括两种含义:其一是不同的应用程度可按其所需的数据结构去访问库中的数据;其二是当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度。 (4) 系统对库中数据的存取进行控制, 防止无关用户对数据的非法存取以及有意或无意的破坏, 以保证数据的安全性。 (5) 系统要保证数据在逻辑意义上的正确性、有效性与兼容性。因此, 系统要提供各种保护手段 (如数据差错的检查与修复等) , 以防止任何可能危害完整性的情况发生。 (6) 要有一些辅助程序, 用于数据库的维护以及经常性的组织和必要时的数据库恢复操作。 (7) 要便于用户对数据进行独立的写入、修改、补充和删除。 (8) 要具有不断扩充和更新的能力。
4 城市地理信息系统设计评价方法
系统评价是从技术和经济两大方面对所设计的城市地理信息系统进行功能和效益评定。基本做法是将开发完成并运行的系统与预期目标进行比较, 考察是否达到了系统设计时的预期的效果。然后对下列各项进行逐一审议和考核。
(1) 系统效率城市地理信息系统的招种功能指标、技术指标和经济指标均是系统效率的反映。例如系统能否及时地向用户提供有用信息?所提供信息的质量如何?系统操作是否方便?系统出错率如何?以及资源的使用效率如何? (2) 系统可靠性所谓可靠性是指系统在运行时的稳定性, 是否很少发生事故, 即便发生是否也能很快恢复。可靠性还包括系统的数据文件和程序是否妥善保存, 以及系统是否具有后备体系等。 (3) 系统的帮助系统需要有完善的帮助, 因为任何一个应用软件的使用都需要有一个熟悉的过程, 而且即使能熟练使用也会碰到各种问题, 系统的帮助是非常必要的。
摘要：本文基于笔者多年从事地理信息系统建设的相关工作经验, 以城市地理信息系统构建为研究对象, 研究探讨了城市地理信息系统总体设计的内容、步骤及设计思路, 其中详细探讨了数据库设计和逻辑设计思路, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：城市地理系统,逻辑设计,数据库设计,设计评价
参考文献
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