水土保持动态监测与管理1(2)

一个典型的水土保持信息系统由4部分构成，即硬件系统、软件系统、空间数据和系统管理操作人员，可综合表示为图10—l。

（一）硬件系统

计算机硬件是计算机系统中实际物理装置的总称，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS硬件配置一般包括四个部分。 1、计算机主机

工作站、微机、便携式计算机； 2、数据输入设备

数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等； 3、数据存储设备

光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等； 4、数据输出设备：

图形终端、绘图仪、打印机和硬拷贝机等。 （二）软件系统

软件系统是指水土保持GIS运行所必需的各种程序，通常包括3个层次的软件。 1、计算机系统软件

由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，有操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需的。

2、水土保持GIS软件和其他支撑软件

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由通用GIS软件和数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等组成。其核心软件通用GIS软件有5个主要功能模块：

（1）数据输入模块。将系统外部的原始数据，包括遥感影像数据、专业图件数据、测绘调查数据、文档资料数据以及各数据库数据及网上数据，传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式。

（2）数据存储与管理模块。数据存储和数据库管理涉及地理元素(表示地表物体的点、线、面)的位置、连接关系及属性数据如何构造和组织等。空间数据库的操作包括数据格式的选择和转换，数据的连接、查询、提取等。

（3）数据分析与处理模块。指对图件及其属性数据进行分析运算和指标量测，在这种操作中，输入的是图件，分析计算后生成的也是图件，在空间定位上仍与输入的图件一致，称为函数转换。空间函数转换分为基于点或象元的空间函数，如算术运算、逻辑运算或聚类分析等；基于区域、图斑或图例单位的空间函数，如叠加分类、区域形状量测等；基于邻域的空间函数，如像元连通性、扩散、最短路径搜索等。量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空间变化等指标的计算。函数转换还包括错误改正、格式变换和预处理。

（4）数据输出与显示模块。输出与显示是指将系统内的原始数据或经过系统分析、转换、重新组织的数据提交给用户，如以地图、表格、数字或曲线的形式表示于某种介质上，或采用CRT(Cathode Ray Tube)显示器、胶片拷贝、点阵打印机、笔式绘图仪等输出，也可以将结果数据记录于磁存储介质设备或通过通讯线路传输到用户的其他计算机系统中。

（5）用户接口模块。用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。系统通过菜单方式或解释命令方式接收用户的输入,并随时向用户提供系统运行和操作帮助信息，使系统成为人机交互的开放式系统。 3、应用分析程序

是系统开发人员或用户根据水土保持专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。应用程序作用于水土保持专题数据或区域数据，构成水土保持GIS的具体内容和核心，是真正用于水土保持分析的部分，也是从空间数据中提取水土保持信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性、优劣和成败。 （三）水土保持空间数据

水土保持空间数据是指以地球表面空间位置为参照的与水土保持有关的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的水土保持GIS其空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的特征： 1、已知坐标系中的位置

即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。 2、实体间的空间相关性

即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体之间的构成关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。 3、与几何位置无关的属性

属性是与水土保持实体相联系的水土保持变量，分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级。定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水

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土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的。因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。

水土保持信息系统特殊的空间数据模型决定了水土保持信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了水土保持信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为水土保持动态监测与管理的重要工具。 （四）系统开发、管理与使用人员

人是GIS中的重要构成因素。水土保持信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的水土保持信息系统，还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为管理和决策服务。

三、水土保持信息系统设计与建立

（一）水土保持信息系统设计思想

水土保持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，以及人力、财力、物力资源的合理投入、配置和组织等诸多复杂问题。需要运用系统工程的原理和方法，结合空间信息系统的特点实施建设。因此，在建立GIS过程中确定应用目标是什么，选用哪些数据源，以及数据的质量、精度如何等一系列重大问题是至关重要的，这直接关系到系统的有效性和实用性。GIS工程的成败及效益，取决于GIS工程的总体规划和设计、技术力量的组织、工程的建设实施和数据源的组织。

水土保持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，它的核心是对水土保持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等问题；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。

（二）系统建立过程

用户 投入产出研究 水土保持信息系统建立的过程（图10-2），大致可以分成以下几个主要步骤： 需求 系统 执行计划 可行性研究 设计 数据 实验计划 来源

政策因素 组织 系统 检验 数据转换 数据库 法律 因素 软件要求

硬件要求 8 图10—2 水土保持信息系统建立过程

1、可行性研究

可行性研究主要是进行大量的现状调查，在调查的基础上论证水土保持GIS的自动化程度、涉及的技术范围、投资数量以及可能收到的效益等。经过论证后确定系统的目的、任务及GIS的起始点。这一阶段的工作主要包括：

（1）用户需求调查。是指调查本部门或其他有关部门对水土保持GIS系统的信息需求情况，在目前和将来发展业务上需要些什么信息，完成本部门专业活动所需要的数据和所采用的处理手段，以及为改善本部门工作进行了哪些实践活动等。

（2）确定系统目的和任务。一般来讲，水土保持信息系统应具有四个方面的任务：空间信息管理与制图；空间指标量算；空间分析与综合评价；空间过程模拟。 （3）数据源调查和评估。调查了解用户需求的信息后，应进一步掌握数据情况。分析研究什么样的数据能变换成所需要的信息，这些数据中哪些已经收集齐全，哪些不全，然后对现有数据形式、精度、流通程度等作进一步分析，并确定它们的可用性和所缺数据的收集方法等。

（4）评价水土保持信息系统的年处理工作量、数据库结构和大小、服务范围、输出形式和质量等。

（5）系统的支持状况。部门管理者、工作人员对建立水土保持GIS的支持情况,有多少人力可用于GIS系统，其中有多少人员需培训等；组织部门所能给予的当前的投资额及将来维护GIS的逐年投资额等。根据上述调查结果确定水土保持GIS的可行性及水土保持GIS的结构形式和规模，估算建立水土保持GIS所需投资和人员编制等。可行性分析就是根据社会、经济和技术条件，确定系统开发的必要性和可能性，主要进行效益分析、经费估算、进度预测、技术水平的支持能力、有关部门的支持程度等分析。 2、系统设计

系统设计的任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型。其设计的内容随系统的目标、数据的性质和系统的不同而有很大的差异。一般而言，首先应根据系统研制的目标，确定系统必须具备的空间操作功能，称为功能设计；其次是数据分类和编码，完成空间数据的存储和管理，称为数据设计；最后是系统的建模和产品的输出，称为应用设计。系统设计是地理信息系统整个研制工作的核心。不但要完成逻辑模型所规定的任务，而且要使所设计的系统达到优化。所谓优化，就是选择最优方案，使地理信息系统具有运行效率高、控制性能好和可变性强等特点。要提高系统的运行效率。一般要尽量避免中间文件的建立，减少文件扫描的遍数，并尽量采用优化的数据处理算

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法。为增强系统的控制能力，要拟定对数字和字符出错时的校验方法；在使用数据文件时、要设置口令，防止数据泄密和被非法修改，保证只能通过特定的通道存取数据。为了提高系统的可变性，最有效的方法是采用模块化的方法，即先将整个系统看成一个模块，然后按功能逐步分解为若干个第一层模块、第二层模块等等。一个模块只执行一种功能，一个功能只用一个模块来实现，这样设计出来的系统才能做到可变性好和具有生命力。

功能设计又称为系统的总体设计，它的主要任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，并说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的硬件配置，规定系统采用的合适技术规范，以保证系统总体目标的实现。因此系统设计包括：数据库设计、硬件配置与选购和软件设计等。 3、建立系统的实施计划

系统设计完成后，把所估算的硬件和软件的总投资、人员培训投资及数据采集投资等作为建立水土保持GIS的投资额，同时估计若干年后能收到的经济效益，这是投入产出估算。如果估算的结果令人满意，则进行后继工作。

建立水土保持GIS的执行计划，包括硬件、软件的测试、购置、安装和调试等，其中主要工作是测试。测试工作一般按标准测试工作模式，进行较详细的测试。该模式的主要特点是：硬件提供者要回答一系列问题，例如，要完成某某操作或运算可能否?需要多少时间?有无某某功能等，同时用图件或数据证实他的硬、软件能完成用户提出的操作任务，或者直接在计算机上演示。测试工作可详可简，当用户已掌握某些必须满足的系统标准时，可以集中测试作为评判标准的各项指标能否达到要求，否则逐项测试工作过程的各个部分。测试工作完成后，确定购置硬件的类型，经安装调试后，编制实验计划，进行试验。 4、系统实验

结合用户要求完成的任务，选择小块实验区(或者用模拟数据)对系统的各个部分、各种功能进行全面试验。实验阶段不仅要进一步测试各部分的工作性能，同时还要测试各部分之间数据传送性能、处理速度和精度，保证所建立的系统正常工作，各部分运行状况良好。如果发现不正常状况，应查清问题的原因，通知硬件或软件提供者进行适当处理。

5、系统运行

当水土保持信息系统对用户的决策过程不断提供支持的时候，已经建立的系统会不断膨胀，并不断地被更新和增加。几年以后，系统的周期将又从头开始，这时的新系统将提供更新的、增强的或附加的能力。实践证实，许多水土保持地理信息系统是随着用户发现它们能做什么而被扩充的。新技术与新方法的引入、不断地进行教育与培训等是整个系统生命周期中必不可少的组成部分。

（三）水土保持信息系统的软件设计

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