水土保持动态监测与管理1(3)

软件设计是将所要编制的程序表达为一种书面形式。这种形式既可简单明了地描绘软件系统的全貌，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。软件设计必须根据建立水土保持GIS的目的、任务和今后的研究方向进行，使通用的GIS软件工具系统具有适应性强、易掌握、便于推广和应用开发、汉化等特点。 1、结构化的设计方法

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。

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。HIPO图可分为3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人、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。

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。 2、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，对象间联系通过信息进行。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。信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。 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，更便于程序设计人员与应用人员的交流，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。 3、原型化的设计方法

原型化设计方法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。

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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。

原型化设计方法的步骤是：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。

4、程序编制

软件设计完成后，进入程序编制阶段，主要任务是设计具体算法和编程。水土保持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。

（四）用户界面设计

用户界面设计是一项重要而繁琐的工作，有时要占系统研制工作量的一半以上。用户界面的好坏，既影响到系统的形象和直观水平，又决定了是否可被用户接受，用户是否能够正确深入地使用系统功能，因此是十分重要的。主要的用户界面有三类。 1、菜单式界面

菜单式界面将系统功能按层次全部列于屏幕上，由用户用键盘、鼠标器、光笔等选择其中某项功能执行。菜单界面的优点是易于学习掌握，使用简单，层次清晰，不需大量的记忆，特别是对于汉字系统，可将菜单内容用汉字列出，通过菜单选择，不需再键人汉字执行，极为方便。缺点是比较死板，只能层层深入，且无法进行批处理作业。 2、命令式界面

命令式界面是以几个有意义或无意义的字符调用功能模块的方式。其优点是灵活，可直接调用任何功能模块，又可组成复杂的调用。更重要的是可以组织成批处理文件，进行批处理作业，不需用户在机前等待逐个调用系统功能。缺点是不易记，且不易全面掌握，特别是命令难以用汉字构成，反之全用英文又会给不熟悉英文的用户带来更大的困难。

3、表格式界面

表格式界面是将用户的选择和需回答的问题列于屏幕，由用户填表式回答，可与菜单式界面配合使用。

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上述界面各有优缺点，好的系统应提供各种界面，并随时提供丰富的帮助信息。

（五）水土保持信息系统评价

所谓系统评价，是指从技术和经济两方面，对所设计的地理信息系统进行评定。评价方法是将运行着的系统与预期目标进行比较，考察是否达到了系统设计时所预定的效果。

1、系统效率

水土保持信息系统的各种职能指标、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。

2、系统可靠性

系统可靠性是指系统在运行时的稳定性，要求很少发生事故，即使发生事故也能很快修复。可靠性还包括系统有关的数据文件和程序是否妥善保存，系统是否有后备体系等。

3、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，这就必须在系统设计时留有接口；否则，当数据量增加或功能增加时，系统就要推倒重来，这就是一个没有生命力的系统。 4、可移植性

可移植性是评价地理信息系统的一项重要指标。一个有价值的地理信息系统的软件和数据库，不仅在于它自身结构的合理，而且在于它对环境的适应能力，即它不仅能在一台机器上使用，而且能在其他型号设备上使用。要做到这一点，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。 5、系统的效益

系统的效益包括经济效益和社会效益。GIS应用的经济效益主要产生于促进生产力与产值的提高，减少盲目投资，减轻灾害损失等方面。目前地理信息系统还处于发展阶段，由它产生的经济效益相对来说不太显著，可着重从社会效益上进行评价，例如信息共享的效果，数据采集和处理的自动化水平，地学综合分析能力，系统智能化技术的发展，系统决策的定量化和科学化，系统应用的模型化，系统解决新课题的能力，以及劳动强度的减轻，工作时间的缩短，技术智能的提高等等。从总的来看，信息系统的经济效益是在长时间逐渐体现出来的，随着新课题的不断解决，经济效益也就不断提高。

四、系统数据库建立

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水土保持信息系统软件设计编制完成后，就可以进入系统数据库的建立阶段。系统数据库的建立过程如图10-3所示。

（一）源数据获取与预处理

水土保持信息系统中的数据通常用三种方法采集：调查法、测量法和GPS方法。为了提高数据采集精度、速度，减少图形数字化过程中、属性数据输入过程中的错漏，需要对原始图件和数据进行核查和处理，使其符合系统软件对数据录入的要求。 1、检核图形几何位置

原图中图斑几何图形不闭合处加辅助线闭合；标出图上不太明显的两条线的交点；标明两条线状地物之间没有结点，但宽度不同的地方，以便图形数字化时，作为两条弧段输入；两条线状地物并列，标明以哪条线为地类边界，并加辅助线闭合图斑。 2、检核属性数据错误

原图中存在的遗漏、错码问题处理。例如，给没有图斑号的图斑增加图斑号。若在一个行政单元内，存在地类号不同，而图斑号相同的图斑，修改其中一个图斑的图斑号。 标明行政单元编码，特别是特殊地的行政单元编码。例如，飞地的所在行政单元和所属行政单元是不一样的。 标明每段线状地物宽度。

如果使用扫描仪数字化方式，也要对原始材料进行预处理。例如，将地图中的各种色彩不同的地类先分色，复制在透明聚酯薄膜上，然后再进行扫描。 （二）数据录入

1、空间数据的数字化过程

源数据获取并得到预处理后，即可进行图件数字化。数字化通常有两种方式：一是矢量数据的矢量跟踪，二是使用扫描数字化方式。

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手扶跟踪式数字化方式是最常用的一种方式，它是用数字化仪跟踪地图上的各种地理特征，以获取x,y坐标。扫描数字化是使用扫描仪将整幅地图扫描成图像以后，再进行矢量转换的方法。在进行数据数字化之前，需要考虑几个方面：1）建立数字化数据输入的方法和步骤，进行人员的培训，使录入人员的数据输入方法一致；2）建立和实施数据质量控制的原则标准；3）建立一个实施进度和预算评估的跟踪系统；4）设立合 理的容差值；容差对数据库的精度有很大影响。

由于我国目前对数字化的精度没有统一的标准，对空间数据数字化的基本要求是： （1）控制点精度控制：输入图幅4个控制点的经纬度，通过坐标变换(高斯—克里格投影变换)，将经纬度坐标转换成大地实际坐标，控制点采点误差RMS≤0.2m(实地距离)； （2）正确定义地物特征的属性：有些地物特征的属性为一对多的关系，例如，土地详查中某条线状地物既是农村道路，又是地类边界和村界。数字化前，正确定义线状地物要素属性后，只数字化一次，每个属性放在各个图层中，不会出现“双眼皮”的现象。

（3）采点精度控制：图形数字化严格按照原图地物要素位置，图面采点的精度要求要符合各种标准的规定。例如，对线状要素位移误差＜±0.2mm，点状要素位移误差＜±0.1mm； （4）接边：相邻图幅接边弥合值要符合各种标准的规定。图幅接边的中误差＜0.75mm。对于没有弥合的线段，在误差范围内对照原图进行手工的线段弥合。 2、属性数据的录入

属性数据的输入方法通常有四种：①键盘键入法：在空间数据输入完成后，进行属性数据的输入；②使用计算机智能化扫描字符识别技术；③在空间数据数字化或矢量化的过程中赋值；④人工编辑：使用一些分析方法进行自动赋值。 （三）数据质量控制和评价

数据质量问题是关系到数据库建设成败和数据能否有效应用的重要问题。 1、数据质量衡量准则

水土保持信息系统数据包括空间数据和属性数据，通常衡量数据库的数据质量主要是检测其空间数据的准确性、属性数据的正确性、数据的完整性、一致性和现势性。

（1）准确性。即测量值与真值之间的接近程度，可用误差来衡量。对于空间坐标数据，即在规定的精度范围内，数据库必须能够正确表示点、线、面所在位置的坐标。 （2）正确性。对于属性数据，指无遗漏又无重复地正确表示出各类属性编码。 （3）完整性。指具有同一准确度和精度的数据在类型上和特定空间范围内完整的程度。 （4）一致性。是指对同一现象或同类现象的表达的一致程度。

（5）现势性。指数据反映客观现象目前状况的程度。例如，图件中土地变更的图斑、线状地物、零星地物的空间位置和属性数据与时间的一致性。 2、数据误差来源分析

数据的误差大小通常是一个累积的量。数据从最初采集，经加工最后到存档及使用，每一步都可能产生误差。如果了解不同处理阶段数据误差的特点，在每步数据处理过程中都能做质量检查和控制，则可以将误差降低至最小的程度，保证数据的质量。误差分为系统误差和偶

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