第八章 GIS的产品输出

第八章 GIS的产品输出

主要内容：

8.1 GIS产品类型

8.2 矢量形式绘图输出

8.3 栅格形式绘图输出

8.4 统计图表输出

8.1 GIS产品类型

地理信息系统产品是指经由系统处理和分析，可以直接供专业规划人员或决策人员使用的各种地图、图表、图象、数据报表或文字说明。

地理信息系统产品输出是指将GIS分析或查询检索的结果表示为某种用户需要的可以理解的形式的过程，其中，地图图形输出是地理信息系统产品的主要表现形式。

GIS的输出产品类型有：图形（地图）、图像、统计图表及各种格式的数字产品。

GIS的输出方式有三种：

屏幕显示输出：主要用于系统与用户交互时快速显示；

各种绘图仪输出：用来绘制高精度的比较正规的大图幅图形产品；

打印机输出：喷墨打印机，特别是高品质的激光打印机已经成为当前GIS产品的主要输出设备。

8.2 矢量形式绘图输出

矢量形式绘图，以点、线为基本指令，在绘图设备上通过绘图笔在四个方向或八个方向上的移动而形成阶梯状折线。

图形视觉变量：符号形状、颜色、图案。

二维实体即平面实体，用符号表示需要确定符号的位置和形状。

位置：取决于实体的位置。

形状：则取决于实体的质量或数量特征。

⑴点状符号的数学表达

设n为多边形边数，r 为外接圆半径，（x０，y０）为符号中心点坐标，s为逆时针第一点与x轴的夹角， 为第i点的方位角,则：

(2) 线状符号的数学表达

设S为i(xi，yi)、i+1(xi+1，yi+1)两点间距离，D为线划划分点与起点的距离，W为线划两侧点与线划划分点的距离，则线状符号形状特征点分别为：

(3) 面状符号的数学表达

面状符号一般采用填充符号，求填充图案的线划与面边界的交点，连接相应交点形成填充图案。

设制图区域边界坐标为(xi，yi)，晕线间距为D，晕线与x轴夹角为a 。

填充步骤为:

①坐标旋转:对轮廓点作坐标旋转使晕线与x轴平行；

②确定各条晕线与边界交点：对每条晕线，将晕线方程和轮廓线段方程联立，求交点坐标；

③晕线交点的整理：对每条晕线的一组交点按x坐标从小到大排序，排序后将交点经过旋转恢复到原坐标系中；

④交点的配对和晕线输出：对每一条晕线，从左到右将交点两两配对，将配对的两点连成线段并通过绘图指令驱动设备输出。

8.3 栅格形式绘图输出

栅格形式绘图输出以设置像素灰度值或颜色为基本指令。

由于栅格形式输出指令的限制，它不能很好地采用符号表示实体，而适于表示呈连续变化的实体形态。

栅格采用模板或栅格基本运算形成符号。

①点状符号的形成

②线状符号的形成

③面状符号的形成

8.4 统计图表输出

对属性数据进行统计分析，其结果用统计图表的形式输出。

统计图表的形式有：

①柱状图（条形图）：采用水平或垂直长方形表示不同种类间某一属性的差异；

②扇形图（饼状图）：将圆划分为若干个扇形，表示各种成分在总体中的比重；

③散点图：以两个属性作为坐标系的轴，将与这两个属性相关的现象标在图上，表示出两种属性间的相互关系；

④折线图：反映某一属性随时间变化的过程；

⑤直方图：表示单一属性在各种种类中的分布情况。

第九章 GIS的数学建模

主要内容：

9.1 数学建模的思想和步骤

9.2 数据回归分析的建模方法

9.3 层次分析建模方法

9.1 数学建模的思想和步骤

模型是对现实世界中的实体或现象的抽象或简化，是对实体或现象中的最重要的构成及其相互关系的表述。根据不同的研究目的，抽象或简化的方法也不同，从而构成了不同类型的模型。如：文字或语言模型、图像模型、实物模型以及数学模型。

数学模型乃是关于部分现实世界和一定目的而作的抽象、简化的数学结构。

地理信息系统的数学模型：

根据数学模型的定义，如果“部分现实世界”是指在地理环境、资源这一领域内，如果“一定目的”是要用数学的思考方法，描述某些因素的主要特征、解释某些现象的性态、预测系统将来的发展趋势，或者是为合理开发利用地理环境资源，或者是为控制系统内部、系统内部与外部之间的平衡提供某种意义下

的最优策略，这里所作的简化的、抽象的数学结构就是地理信息系统的数学模型。

数学模型在GIS应用系统中的作用：

应用模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带；

应用模型是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具；

应用模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器；

应用模型是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础。

GIS应用模型的构建途径：

（1）GIS环境内的模型构建：应用者利用GIS软件的宏语言发展各自所需的空间分析模型；

（2）GIS外部的模型构建：这种方法是基于应用GIS的空间数据管理和输出功能，而模型分析功能则主要是利用其他应用领域的软件；

（3）混合型的模型构建：这是上述两种建模法的结合，即尽可能利用GIS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的压力，又不失具有外部建模法的灵活效果。

数学建模的一般步骤：

数据采集：通过实地调查或测量，采集必要的数据，输入计算机，建立数据库；

图形显示：利用某些绘图软件或根据实际经验，调用已知数据，作出曲线图；

曲线拟合：采用统计回归分析的方法，用已知曲线拟合实际曲线；

模型建立：简化实际问题，提出恰当的假设，并利用适当的数学工具，刻划变量之间的关系，建立相应的数学结构，并求得相应的解；

分析与检验：用模型所得的结果与实际结果相比较；

预测与决策：将已知数据代入模型，预测系统的发展趋势，并为系统的合理利用与开发，提供最优决策。

9.2 数据回归分析的建模方法

9.3 层次分析建模方法

（1）层次结构模型

（1）层次结构模型——区域规划中交通设施的选择

过河效益模型:

过河代价模型: 岸

间

商

业

当

地

商

业

建

筑

就

业

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省时间收

入

C

安

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豪

感

C

舒

适

C

进

出

方

便

美

化

C11 桥梁D1 渡船D3

隧道D2

过河效益Z1

经济效益B1 环境效益B3

社会效益B2

（2）构造判断矩阵

（3）层次单排序及其一致性检验 （4）层次总排序及其一致性检验

第十章 地理信息系统工程

主要内容：

10.1 GIS 工程设计综述

10.2 GIS 工程设计的基本原则 10.3 GIS 工程的生命周期方法学 10.4 生命周期各阶段的基本任务 10.5 硬件配置 10.6 人员配置

10.7 地理信息系统评价

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。

10.1 GIS 工程设计综述

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。

对水的污染

E8

冲击渡船业

投入资金操作维护

冲击生活方式

交通拥挤

居民的迁移汽车排放物

对生态的破坏

桥梁D1

渡船D3

隧道D2 过河代价Z2

经济代价A1 环境代价A3

社会代价A2

10.2 GIS工程设计的基本原则

（1）计划管理原则

用分阶段的生命周期计划严格管理。Boehm认为，在工程的整个生命周期应该制定并严格执行六类计划，它们是项目概要计划，里程碑计划，项目控制计划，产品控制计划，验证计划，运行维护计划。（2）坚持阶段评审原则

第一，大部分错误是在编码之前造成的，Boehm等人的统计，设计错误占软件错误的63%，编码错误仅占37%；

第二，错误发现与改正越晚，所需付出的代价越高。

（3）严格的产品控制原则

为了保持系统各个配置成分的一致性，必须实行严格的产品控制，其中主要是实行基准配置管理。所谓基准配置又称为基线配置，它们是经过阶段评审后的系统配置成分（各个阶段产生的文档或程序代码）。基准配置管理也称为变动控制，一切有关修改系统的建议，特别是涉及到对基准配置的个性建议，都必须按照严格的规程进行评审，获得批准以后才能实施修改。

采用现代程序设计技术原则

结果应能清楚地审查原则

开发小组的人员应该少而精原则

承认不断改进工程实践的必要性原则

10.3 GIS工程的生命周期方法学

GIS工程采用的生命周期方法学就是从时间角度对软件开发和维护的复杂问题进行分解，把软件生成的漫长周期依次划分为若干个阶段，每个阶段有相对独立的任务，然后逐步完成每个阶段的任务。

瀑布模型

传统的生命周期方法学可以用瀑布模型（Waterfall model）来模拟，如图所示。

瀑布模型

几个特点：

（1）阶段间具有顺序性和依赖性

（2）推迟实现的观点

清楚区分逻辑设计与物理设计，尽可能推迟程序的物理实现，是按照瀑布模型开发软件的一条重要的指导思想。

（3）质量保证的观点

第一，每个阶段都必须完成规定的文档，没有交出合格的文档就是没有完成该阶段的任务。

第二，每个阶段结束前都要对所完成的文档进行评审。

10.4 生命周期各阶段的基本任务

（1）问题定义

问题定义阶段必须回答的关键问题是：“要解决的问题是什么？”

问题定义阶段的工作，系统分析员应该提出关于问题性质、工程目标和规模的书面报告。

问题定义阶段是生命周期中最简短的阶段，一般只需要一天甚至更少的时间。

（2）可行性研究

这个阶段要回答的关键问题是：“对于上一个阶段所确定的问题有可行的解决办法或值得做吗？”可行性研究比较简短，这个阶段的任务不是具体解决问题，而是研究问题的范围，探索这个问题是否值得去解，是否有可行的解决办法。

在问题定义阶段提出的对工程目标和规模的报告通常比较含糊。可行性研究应该导出系统的高层逻辑模型（通常用数据流图表示），并且在此基础上更准确、更具体地确定工程规模和目标。然后分析员更准确地估计系统的成本和效益，对建议的系统进行仔细的成本/效益分析是这个阶段的主要任务之一。

可行性研究的结果是使用部门负责人决定是否进行这项工程的重要依据。

（3）需求分析

这个阶段的任务仍然不是具体地解决问题，而是准确地确定“为了解决这个问题，目标系统必须做什么”，主要是确定目标系统必须具备哪些功能。

系统分析员在需求分析阶段必须和用户密切配合，充分交流信息，以得出经过用户确认的系统逻辑模型。通常用数据流图、数据字典和简要的算法表示系统的逻辑模型。

（4）总体设计

这个阶段必须回答的关键问题是：“概括地说，应该如何解决这个问题”

首先，应该考虑几种可能的解决方案。

1）低成本的解决方案；

2）中等成本的解决方案。

3）高成本的“十全十美”的系统。

系统分析员应该使用系统流程图或其他工具描述每种可能的系统，估计每种方案的成本和效益，还应该在充分权衡各种方案的利弊的基础上，推荐一个较好的系统（最佳方案），并且制定实现所推荐的系统的详细计划。

地理信息系统工程设计采用结构化系统设计。结构设计的一条基本原理就是程序应该模块化，也就是一个大程序应该由许多规模适中的模块按合理的层次结构组织而成。总体设计阶段的第二项主要任务就是设计软件的结构，也就是确定程序由哪些模块组成以及模块间的关系。通常用层次图或结构图描绘软件的结构。

（5）详细设计

总体设计阶段以比较抽象概括的方式提出了解决问题的办法。详细设计阶段的任务就是把解法具体化，也就是回答下面这个关键问题：“应该怎样具体地实现这个系统呢？”

这个阶段的任务还不是编写程序，而是设计出程序的详细规格说明。这种规格说明的作用很类似于其他工程领域中工程师经常使用的工程蓝图，它们应该包含必要的细节，程序员可以根据它们写出实际的程序代码。

（6）编码和单元测试

这个阶段的关键任务是写出正确的容易理解、容易维护的系统模块。

（7）综合测试

这个阶段的关键任务是通过各种类型的测试（相应的调试）使系统达到预定的要求。

（8）软件维护

维护阶段的关键任务是，通过各种必要的维护活动使系统持久地满足用户的需要。

四类维护活动：改正性维护、适应性维护、完善性维护、预防性维护。

实际上每一项维护活动都应该经过提出维护要求（或报告问题），分析维护要求，提出维护方案，审批维护方案，确定维护计划，修改软件设计，修改程序，测试程序，复查验收等一系列步骤，因此是经历了一次压缩和简化了的系统定义和开发的全过程。

每一项维护活动都应该准确地记录下来，做为正式的文档资料加以保存。

10.5 硬件配置

处理设备

10.6 人员配置

10.7 地理信息系统评价

主要对下列各项进行评价：

系统效率：地理信息系统的各种功能指标、技术指标和经济指标是系统效率的反映。例如系统能否及时地向用户提供有用信息，所提供信息的地理精度和几何精度如何，系统操作是否方便，系统出错如何，以及资源的使用效率如何等等。

系统可靠性：系统可靠性是指系统在运行时的稳定性，还包括系统有关的数据文件和程序是否妥善保存，以及系统是否有后备体系等。

可扩展性：一个系统建成后，要使在现行系统上不做大改动或不影响整个系统结构，就可在现行系统上增加功能模块。

可移植性：系统必须按国家规范标准设计，包括数据表示、专业分类、编码标准、记录格式等，都要按照统一的规定，以保证软件和数据的匹配、交换和共享。

系统的效益：系统的效益包括经济效益和社会效益。