第四章UGIS軟件工程概述主要內容4.1UGIS軟件工程4.2UGIS軟件工程設計方法與過程模型4.3UGIS系統分析4.4UGIS系統設計4.5UGIS系統開發與實施4.6UGIS系統維護更新與系統評價軟件工程的原理與方法軟件工程是做什么的？計劃經費組織進度標準設計？什么是軟件危機?美國IBM公司于1963年~1966年開發的IBM360系列機的操作系統。該軟件系統花了大約5000人一年的工作量，最多時，有1000人投入開發工作，寫出近100萬行的源程序。盡管投入了這么多的人力和物力，得到的結果卻極其糟糕。據統計，這個操作系統每次發行的新版本都是從前一版本中找出1000個程序錯誤而修正的結果。可想而知，這樣的軟件質量糟到了什么地步！軟件危機——軟件開發和維護過程中遇到的一系列嚴重問題，包含兩方面的問題：如何開發軟件，怎樣滿足對軟件的日益增長的需求如何維護數量不斷膨脹的已有軟件軟件工程的原理與方法軟件危機的形成:高中低分析設計編程測試維護修改錯誤的階段代價（成本、質量、效率）原始要求正確的規格說明錯誤的規格說明需求分析設計正確的設計錯誤的設計對錯誤說明的設計編碼正確編碼對錯誤說明的編碼錯誤編碼對錯誤設計的編碼測試正確功能潛伏的錯誤不可改正的錯誤可改正的錯誤不完善的軟件軟件工程的原理與方法4.1GIS軟件工程IEEE（美國電氣和電子工程師協會）在1993年給軟件工程下了如下定義：

1）將系統化的、規范的、可度量的方法應用于軟件的開發、運行和維護的過程，即將工程化方法應用于軟件中2）第一條中所屬方法的研究4.1.1軟件工程（1）概念美國電氣和電子工程師協會（IEEE）是一個國際性的電子技術與信息科學工程師的協會，是世界上最大的專業技術組織之一（成員人數），擁有來自175個國家的36萬會員透過多元化的會員，該組織在太空、計算機、電信、生物醫學、電力及消費性電子產品等領域中都是主要的權威。在電氣及電子工程、計算機及控制技術領域中，IEEE發表的文獻占了全球將近百分之三十軟件工程是一門關于構建和維護有效、實用、高質量軟件的學科，它應用計算機科學、數學及管理科學等原理，借鑒傳統工程的原則、方法，創建軟件以達到提高質量，降低成本的目的4.1GIS軟件工程軟件工程的目標低開發成本高可靠性按時交付高性能易于維護互斥關系互補關系目標活動原則軟件工程框架（2）軟件開發模型a.瀑布模型問題定義可行性研究需求分析總體設計詳細設計編碼與單元測試綜合測試軟件維護軟件開發過程的各階段自頂向下，從抽象到具體，就向奔流不息的瀑布，一瀉千里，總是從高處流向低處。因此用瀑布來模擬軟件開發過程十分恰當，其開發模型稱之為瀑布模型三個特點：——階段間具有順序性和依賴性只有前一階段工作完成，才能開始下一階段工作。下一階段的工作依賴前一階段工作的正確性。錯誤發生的階段越早，對后期造成修改錯誤的代價越高——推遲實現的特點強調需求分析、設計等是軟件實現的必要前期工作。推遲了代碼設計的時間起點——質量保證的特點強調了各階段成果表示及文檔的重要性，強調了階段審查和測試的必要性，主要支持面向過程的開發方法a.瀑布模型強調需求分析的清晰完整，后續的模型則較模糊（2）軟件開發模型b.噴泉模型主要刻畫軟件工程活動中迭代和無間隙的特征，模糊生命周期的階段性，強調階段的交叉進行和重復的開發模型指在分析、設計和實現等開發活動之間不存在明顯的邊界2、特點（1）系統實在原型基礎上迭代進行的（2）軟件活動之間沒有明顯的階段間隙（3）主要支持面向對象的方法3、步驟與方法不強調生命周期的階段性要求，按照面向對象的概念和方法步驟進行，使用面向對象的計算機語言b.噴泉模型——UGIS開發具有軟件開發的共性，是應用系統的原理和方法，針對特定的實際應用目的和要求，統籌設計、優化、建設、評價和維護實用UGIS系統的全部過程和步驟的統稱4.1.2UGIS軟件工程（1）概念4.1UGIS軟件工程工程實施數據工程設計工程前期工程維護工程指一個GIS軟件從提出開發要求開始直到該軟件報廢為止的整個時期GIS軟件工程的生存周期GIS軟件工程的生存周期工程調研可行性研究和項目計劃前期工程需求分析GIS軟件工程的生存周期總體設計數據庫設計設計工程應用模型設計詳細設計GIS軟件工程的生存周期數據預處理數據采集數據工程數據處理GIS軟件工程的生存周期程序編制測試工程實施試運行GIS軟件工程的生存周期數據庫維護維護工程軟件維護和硬件維護GIS軟件開發過程中的問題1經費預算經常突破，完成時間拖延2開發的軟件不能滿足用戶的要求3軟件可維護性差4軟件可靠性差4.1UGIS軟件工程5數據工程量大，特別是數據采集工作量大6軟件需求和軟件生產的矛盾日益加劇，軟件生產效率低7軟件可重用性差GIS軟件開發過程中的問題4.1UGIS軟件工程GIS是以管理空間特征的地理數據為主要內容具有以下特點：綜合性強，跨學科空間數據為主，同時有屬性數據的管理空間分析功能要求比較高但是，GIS軟件的開發也遵循軟件工程的思想4.1UGIS軟件工程4.1UGIS軟件工程1確定UGIS開發計劃2GIS系統分析3系統設計4程序編碼5產品測試6運行和維護UGIS軟件的開發步驟：多學科邊緣體系，系統復雜度大以空間數據為主，數據類型多樣，結構復雜，數據在系統中具有特別的地位表達的內容復雜；表達的對象具有時空特性以空間分析為主（2）UGIS軟件工程特點4.1UGIS軟件工程——系統分析是采用系統工程思想方法，對項目的實際情況進行分析綜合，制定各種可行方案，為系統設計提供依據4.2UGIS系統分析對用戶進行需求調查對用戶機構設置、業務關系、數據流程等方面做深入的研究和分析提出系統的結構方案和邏輯模型4.2.1系統分析的任務和內容（1）任務4.2UGIS系統分析4.2UGIS系統分析（2）內容需求分析可行性分析

對用戶要求和用戶情況進行調查分析從技術、經濟、社會等因素確定系統開發的可能性4.2.2需求分析4.2UGIS系統分析需求分析是對用戶要求和用戶情況進行調查分析，確定系統的用戶結構、工作流程、用戶對應用界面和程序接口的要求，以及系統應具備的功能等，是系統開發的準備階段4.2.2需求分析4.2UGIS系統分析（1）方式面談、電話訪談、參觀，請用戶觀看、操作已建好的其它城市地理信息系統，以便同用戶交流4.2UGIS系統分析（2）需求分析內容系統調查用戶類型及需求特點技術力量的調查分析資金財力、數據資料（數據的完備性、準確性、精確性）的調查分析系統效益、運行可行性調查分析4.2UGIS系統分析數據分析數據的輸出樣式，e.g：屏幕顯示、Web發布，出版、工程圖輸出數據的內容和要求數據的分布性現有紙質地圖和電子數據數據采集和建庫遙感數據地圖數據文本數據，統計數據，實測數據，多媒體數據，已有系統的數據……4.2UGIS系統分析功能需求分析地圖的基本操作功能數據采集圖形、屬性編輯檢索查詢輸出管理專業的空間分析功能圖形輸出軟件中的顯示打印格式報表輸出激活圖層查詢條件以成都為終點的鐵路SQL查詢功能物理環境資源文檔接口安全性數據用戶或人的因素質量保證UGIS其他需求分析內容4.2UGIS系統分析——在需求分析的基礎上，從技術、經濟和社會等因素確定系統開發的可能性，主要內容包括：技術水平、資金、進度和組織運作等方面4.2.3可行性分析4.2UGIS系統分析分析現有UGIS軟件的優缺點分析所開發的UGIS軟件使用對象的要求選擇需要開發的所有模塊，并分析已有算法的實用性估計開發成本和時間提交可行性分析報告4.2UGIS系統分析（1）可行性分析的主要步驟技術力量和開發人員的素質經費進度支持程度制定設計實施的初步計劃4.2UGIS系統分析（2）可行性分析的內容UGIS的軟件需求規格說明是在UGIS結構化分析的基礎上建立的自頂向下的任務分析模型。規格說明描述了系統的需求，是聯系UGIS需求分析與UGIS設計的重要橋梁4.2.4

軟件需求規格說明4.2UGIS系統分析1.引言

1.1編寫目的

1.2UGIS項目背景

1.3定義

1.4參考資料UGIS軟件需求規格說明的主要內容4.2UGIS系統分析2.UGIS項目概述2.1UGIS項目目標、內容、現行系統的調查情況2.2UGIS運行環境2.3條件與限制UGIS軟件需求規格說明的主要內容4.2UGIS系統分析

3.UGIS數據描述

3.1UGIS靜態數據

3.2UGIS動態數據

3.3UGIS數據流圖

3.4UGIS數據庫描述

3.5UGIS數據字典

3.6UGIS加工邏輯說明

3.7數據采集UGIS軟件需求規格說明的主要內容4.2UGIS系統分析4.UGIS功能需求4.1功能劃分4.2功能描述5.UGIS性能需求

5.1數據精確度

5.2時間特性

5.3適應性UGIS軟件需求規格說明的主要內容4.2UGIS系統分析6.UGIS運行需求6.1用戶界面6.2硬件接口6.3軟件接口6.4故障處理7．質量保證8．其它需求UGIS軟件需求規格說明的主要內容4.2UGIS系統分析——系統分析階段提出的邏輯模型(“做什么”)轉化為相應的物理模型，設計內容隨系統目標、數據性質和系統功能的不同而存在很大差異4.3

UGIS系統設計目標：解決“怎么做”的問題（進行數據設計、系統結構設計、界面設計和過程設計）4.3

UGIS系統設計系統設計基本原則：簡單實用性原則界面美觀、友好標準性和前瞻性原則經濟性原則安全性、穩定性原則開放性和可擴展性原則數據保密原則4.3

UGIS系統設計根據系統研制的目標來規劃系統的規模和確定系統的各個組成部分，并說明他們在整個系統中的作用和相互關系，以及確定系統的硬件配置，規定系統采用的合適技術規范，以保證系統目標的實現4.3.1總體設計4.3

UGIS系統設計（1）總體設計的內容a.確認用戶的要求能否實現b.根據目標確定最合適的設計方法c.確定設計文檔的編制標準d.確定代碼體系，與硬件、操作系統的接口規約，命名規則等制定規范（標準設計）（1）總體設計的內容按功能劃分成模塊的層次結構，對模塊的功能進行描述確定模塊間的接口和調用關系評估模塊劃分的質量及導出模塊結構的規則軟件結構設計（1）總體設計的內容a.UGIS模型設計UGIS空間數據處理編輯處理變換處理編碼和壓縮處理數據插值數據類型轉換查詢分析、幾何分析、地形分析、流域分析、疊置分析、鄰域分析、網絡分析、圖像分析、多元分析、應用模型分析UGIS空間分析設計（1）總體設計的內容UGIS應用模型庫的設計b.UGIS接口設計

“標準數據”是指常用的商業UGIS軟件的數據格式，如Arc/Info的Coverage、ArcView的Shp、MapInfo的Mif等格式（1）系統與標準數據的接口b.UGIS接口設計（續）設計UGIS內各子系統之間和子系統內各個模塊之間的接口，使它們能夠較好地進行通訊和實現功能共享（2）互操作接口綁定式分離式思路空間數據與屬性數據都由UGIS軟件來管理空間數據由UGIS軟件來管理，屬性數據由通用的關系型數據庫來管理優點不需要考慮接口問題對數據的利用更為靈活，能為其它MIS系統提供屬性數據共享服務缺點空間數據與屬性數據綁定，屬性數據不靈活要考慮接口問題軟件舉例ArcGISMapInfo（3）空間數據與屬性數據的接口（4）UGIS與系統開發環境的接口b.UGIS接口設計UGIS軟件與CAD、OA、RDBMS等數據的交互。通過導入/導出機制來解決數據格式差異帶來的不兼容問題或采用OLE技術來實現OLE（ObjectLinkingandEmbedding，對象連接與嵌入），是Microsoft開發的在客戶應用程序間傳輸和共享信息的一組綜合標準，允許創建帶有指向應用程序的鏈接的混合文檔以使用戶修改時不必在應用程序間切換的協議，該協議已廣泛用于商業上，在商業中電子表格、字處理程序、財務軟件包和其他應用程序可以通過客戶/服務器體系共享和鏈接單獨的信息（1）總體設計的內容數據庫的宏觀地理定義、數據庫的地理特征設計、屬性數據及其關系設計數據的分層管理數據模型設計數據庫設計（1）總體設計的內容軟硬件配置設計網絡設計輸入、輸出要求成本與收益分析其他內容消防管理信息系統中硬件設計示例消防管理信息系統的分層設計示例完成對數據庫的訪問消防管理信息系統的工作流程圖設計（1）總體設計的內容總體設計說明書數據庫設計說明書審定用戶手冊制定初步的測試計劃編寫總體設計階段的文檔（1）總體設計的內容總體設計評審可追溯性實用性質量

接口技術清晰度風險可維護性各種選擇方案附：系統總體設計報告1引言1.1編寫目的1.2背景說明2用戶需求分析成果包括系統功能需求和性能需求等附：系統總體設計報告3

總體設計3.1設計目標、依據和方法3.2軟件結構體系3.3軟、硬件配置方案3.4軟件模塊設計附：系統總體設計報告4

接口設計說明4.1內部接口

4.2外部接口

4.3用戶接口詳細設計是在總體設計基礎上進一步細化、具體化、物理化4.3.2詳細設計4.3GIS系統設計（1）詳細設計的任務確定每個模塊的算法確定每一個模塊的數據組織為每個模塊設計一組測試用例編寫詳細設計說明書（2）詳細設計的原則模塊的邏輯描述正確可靠、清晰易讀采用結構化程序設計方法，改善控制結構，降低程序復雜度，提高程序的可讀性、可測試性和可維護性（3）詳細設計的內容①詳細設計模塊內容

詳細的算法，數據表示和數據結構，實現的功能和使用的數據之間的關系②

數據分級、分類及編碼設計（3）詳細設計的內容③數據庫設計

數據獲取方案設計修正數據標準和數據字典數據質量控制方案設計數據存儲、檢索設計（3）詳細設計的內容④界面設計——輸入、輸出界面——可用性、靈活性和可靠性基于命令行的界面（3）詳細設計的內容④界面設計——輸入、輸出界面菜單驅動的GIS界面（3）詳細設計的內容⑤

安全性設計操作權限分級，用戶分級口令的設置與病毒防治⑥設置評價指標，實施的計劃方案設計評價指標雅安旅游信息系統的功能設計打印清除選擇矩形框選取消選擇緩沖查詢折線測量直線測量查找SQL查詢漫游取消活動圖層縮小鷹眼圖例放大活動圖層上一顯示窗口標識鏈接景點詳情頁面數據層名稱數據層描述數據類型行政界線省界、市界、縣界、鄉界線狀旅游區旅游區面狀公路高速公路、國道、省道、一般道路線狀鐵路鐵路線狀河流單線河及雙線河線狀行政單位市縣級行政單位點狀雅安旅游信息系統的功能設計系統主界面系統查詢界面服務管理界面雅安旅游信息系統的功能設計附：詳細設計規格說明書1引言1.1背景1.2參考資料1.3術語和縮寫語2程序（模塊）系統的組織結構用圖表列出本程序系統內每個模塊(或子程序)的名稱、標識符，以及這些模塊(或子程序)之間的層次關系附：詳細設計規格說明書3模塊（或子程序）設計說明3.1模塊（子程序）描述3.2功能3.3性能3.4輸入項3.5輸出項3.6處理過程3.7接口3.8存儲分配3.9注釋設計3.10限制條件3.11測試計劃附：詳細設計規格說明書4

模塊（或子程序）設計說明用類似3的方式，說明第二個模塊（子程序）乃至第N個模塊（或子程序）的設計考慮

系統開發實施是地理信息系統付諸現實的實踐階段，把系統方案加以具體落實系統實施主要工作：分模塊編制程序、程序的調試和試運行，數據的采集和數據庫的建立、人員的技術培訓及系統測試1系統開發與實施的任務4.4

系統開發與實施4.4

系統開發與實施2系統實施人員構成軟硬件人員首先應進行地理信息系統系統設備的安裝和調試工作，安裝適合的系統開發平臺，包括通用平臺（VisualC++、SUNWorkshop），專用平臺（ARC/INFOAML、Avenue）以及4GL、CASE工具（Delphi、PowerBuilder）等（a）程序編制與調試3系統開發實施內容部分代碼示例漫游的實現代碼（a）程序編制與調試（b）數據采集與數據庫建立（c）人員培訓——事物管理人員、系統操作員、系統維護人員（d）系統測試

設計一組測試用例->用各個測試用例的輸入數據實際運行被測程序->檢測實際輸出結果與預期的輸出結果是否一致3系統開發實施內容測試方法是否需要執行軟件靜態測試動態測試是否針對系統內部結構白盒測試黑盒測試--人工評審軟件文檔和程序，發現其中的錯誤--有控制的運行程序，發現其中的錯誤--已知內部工作過程，測試內部操作是否符合設計規格要求--已知系統功能設計，測試實現的功能是否滿足要求對地理信息系統的性能進行估計、檢查、測試、分析和評審，包括用實際指標與計劃指標進行比較，評價系統目標實現的程度，就評價結果形成系統評價報告1系統評價4.5

系統評價與維護更新系統維護是指在地理信息系統整個運行過程中，為適應環境和其他因素的各種變化，保證系統正常工作而采取的一切活動，包括系統功能的改進和解決在系統運行期間發生的一切問題和錯誤2系統維護更新4.5

系統評價與維護更新系統糾錯系統軟硬件更新系統數據模型運行更新系統維護更新的內容4.5

系統評價與維護更新GIS軟件工程實例－

中國國家公路地理信息系統建設單位全國公路數據庫項目組主要內容背景系統需求系統目標數據組織軟件選型系統功能進度安排背景國際背景當今世界公路交通作為國民經濟的大動脈，越來越為各國政府高度重視隨著全球信息化的迅猛發展，尤其是發達國家都努力采用最新技術建立高效、智能化的路網管理體系，用以解決公路路網在管理、規劃、設計、通訊、監控等領域的標準化、系統化、自動化的問題；提高管理決策的準確度和可靠性，為國民經濟的發展創造最佳的支撐環境國內背景隨著經濟建設的高速發展，我國的公路建設也取得了巨大成就，近年來公路建設規模大、發展快、無論是公路里程、技術等級、還是路面等級都有了突飛猛進的發展國民經濟和公路建設的飛速發展對公路管理方式和管理技術手段提出了更高的要求采用先進的科學管理和決策方法，提高公路的管理水平，充分發揮公路在國民經濟發展中的作用，是當前公路管理工作的重要任務之一系統需求現狀通過2001年的全國第二次公路普查，以及每年《全國公路數據庫系統》的維護工作，交通部公路司已擁有了非常豐富翔實的路況基礎屬性數據。在此基礎上已建立了全國、省、地、縣多級《公路數據庫系統》，對于提高管理水平和改善管理效率發揮了積極作用新的需求對空間數據的需求管理工作已經不再局限于對公路設施基本屬性信息的處理，希望以地圖方式實現公路屬性信息可視化對專題地圖的需求需要了解各種專題信息（如高速路網在全國的分布情況、危橋所在的區域等等），并且可以打印輸出對路線規劃的需求需要根據路線的位置及技術等級分布情況等信息，在地圖上規劃新的路線處理突發事件的需求需要對水毀、地震等突發事件實行快速定位，掌握路況信息進行事故分析交通流量監控的需求需要通過視頻和圖片信息了解主要路段的交通量信息為社會服務的需求通過WEB方式向公眾提供路線分布及交通流量信息，為公眾選擇出行路線系統目標集中力量建立“一庫一網一套應用系統”，即“111”中國公路信息化工程。包括一個標準的全國公路數據庫平臺一個提供公眾出行信息的人性化的公路信息服務網一套以公路數據庫為數據平臺的業務應用系統在現有《全國公路數據庫系統》基礎上建立和整合路網空間數據庫、搭建全國路網綜合信息平臺、實現公路數據的可視化管理為公路主管部門提供及時、準確、全面的有關公路線路、里程及路況的信息實現高效的數據資源管理和深層次的開發利用，為決策者提供可靠的決策依據為《全國路網實時監控系統》和《公眾出行服務系統》提供基礎平臺基礎地理信息（背景圖層）采用國家測繪局《全國1：25萬數據庫》。該數據庫以矢量方式存儲管理1：25萬地形圖上的境界、水系、交通、居民地、地貌、地名等要素。路網圖層在一期建設過程中，公路路網圖層主要包括國道和高速信息。每條路線包括的主要屬性為：路線編碼、路線名稱、起點里程和止點里程。在公路路網圖層中，每條路線除包括坐標信息外，還存儲有樁號信息，通過與公路數據庫關聯和動態分段技術，能得到所有公路信息。公路路網圖層包含網絡拓撲結構，用戶在系統中可以給定通行條件，在路網圖層中尋找最佳路徑。2005年開始二期建設，公路路網圖層將增加省道信息全國公路數據庫全國公路數據庫以第二次全國公路路況普查的數據集合為基礎，主要包括路線概況集、路基集、路面集、主要構造物集、沿線設施集、交通量集、沿線環境集、年報數據集八大類，84張數據表，800多個指標項公路數據庫的詳細設計請參見《全國公路數據庫系統數據庫設計方案》系統全部數據約2GB數據組織軟件選型選型要求海量存儲：系統的數據量非常大，第一期數據容量已經達到2GB。因此，要求GIS軟件對空間和屬性數據有海量存儲和管理的能力，并且有較快的響應速度安全性：要求數據由數據庫系統統一管理，并提供權限管理功能，保證數據的安全性穩定性：要求GIS軟件供應商有較強的技術實力，其產品系列化，功能強大，在全球和國內有眾多用戶，并且有較多的成功案例提供Web發布能力：方便為社會公眾服務選型產品數據庫服務器端產品：空間數據庫引擎ArcSDE，提供海量空間數據和非空間數據的統一存儲、管理和與客戶端的互操作能力Web服務器產品：互聯網地圖發布系統ArcIMS，提供通過網絡獲取動態地圖、GIS數據以及各種服務的途徑客戶端產品：地圖組件MapObjects，提供地圖訪問功能系統功能（1）地圖顯示功能設置地圖顯示范圍，提供概覽圖、空間書簽、比例尺控制等功能控制圖層顯示狀態，提供修改符號，制作專題圖等功能地圖定位的功能，可以按照行政區劃、路線編碼及查找功能進行快速定位數據管理功能訪問《全國1：250000地形圖》和《全國公路數據庫》中的全部數據，并以圖形化方式顯示，實現公路指標數據的可視化，便于業務人員查詢使用根據行政區劃、路線編碼、技術指標等相關信息，按一定條件加載數據，使業務人員能夠快速找到感興趣的信息公路數據庫指標查詢功能：對公路數據庫中相關信息，給定多組條件，進行組合查詢，將查詢結果通過圖形化方式在地圖上顯示系統功能（2）查詢功能查詢任何一條路線的簡明信息和明細信息。查詢任何一個行政區劃范圍內的路線簡明信息和路線名細信息查詢路線上任何一點