李 偉，陳毓芬

(1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州450052;2.75711部隊，廣東廣州510515)

多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理策略研究

李 偉1，2，陳毓芬1

(1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州450052;2.75711部隊，廣東廣州510515)

為適應(yīng)多媒體電子地圖服務(wù)需求，提升數(shù)據(jù)管理性能，增強系統(tǒng)個性化，實現(xiàn)信息的開放表達，對多媒體電子地圖數(shù)據(jù)管理理論和技術(shù)進行分析，探索多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理策略，提出思路方案，并進行實踐檢驗。

多媒體電子地圖;空間數(shù)據(jù);多媒體;集成管理

目前，“永生的”地圖［1］已步入科技時代，并融入信息社會，而當(dāng)今地圖信息時代［2］多媒體電子地圖作為交互式多媒體信息系統(tǒng)，已將多種數(shù)據(jù)集成于一個易于訪問或查詢的框架之中，是集文本、圖形、圖表、圖像、聲音、動畫和視頻等媒體于一體的新型可交互、多功能的空間信息多媒體可視化集成地圖［3-4］，為大眾所喜聞樂見。由于多媒體電子地圖涉及數(shù)據(jù)類型眾多、格式繁雜，因此采用何種策略進行數(shù)據(jù)管理和信息組織既是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是該領(lǐng)域研究的熱點和難點。

一、多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)集成通常是指把不同來源、格式、特點和性質(zhì)的數(shù)據(jù)在邏輯上或物理上進行有機組織，從而提供全面的數(shù)據(jù)共享。多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理是指將地理空間數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)有機集成，從而提供全面、統(tǒng)一和開放的多維感知地理信息服務(wù)。它以多媒體電子地圖數(shù)據(jù)組織管理為核心，涉及系統(tǒng)功能、信息關(guān)聯(lián)、一體化表達等諸多方面。

通過對眾多多媒體電子地圖產(chǎn)品的分析，目前多媒體電子地圖主要借助通用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，應(yīng)用混合數(shù)據(jù)模型［4］，以主輔存儲、信息互聯(lián)的模式進行管理。主存儲是指關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲空間數(shù)據(jù);輔存儲是指以文件形式管理多媒體數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)管理權(quán)交給操作系統(tǒng)，同時提取多媒體數(shù)據(jù)屬性信息，將組織權(quán)交給主存儲數(shù)據(jù)庫。第一類信息互聯(lián)是將地理空間數(shù)據(jù)提取的摘要、關(guān)鍵詞及屬性描述信息與多媒體信息互聯(lián);第二類信息互聯(lián)是將多媒體數(shù)據(jù)以文件路徑鏈(pathname)的方式與所表達的地理空間信息互聯(lián)。這兩類信息互聯(lián)都通過在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計若干TEXT類型域來實現(xiàn)。

上述方式規(guī)避了地理空間數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)集中管理的復(fù)雜性和語義的不一致性，而采用文件存儲非結(jié)構(gòu)化、不定長的多媒體數(shù)據(jù)具有較高的靈活性，使數(shù)據(jù)庫只關(guān)注空間數(shù)據(jù)的管理，提升了效率。但是這種地理空間數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)分離存儲的方式，在轉(zhuǎn)存、發(fā)布系統(tǒng)時，所有文件必須同時發(fā)布，不利于系統(tǒng)局部升級和數(shù)據(jù)的更新共享，數(shù)據(jù)安全隱患比較大。如果修改某些數(shù)據(jù)或進行數(shù)據(jù)庫擴充，勢必影響整個地圖系統(tǒng)，信息有隨時丟失、查看和改動的危險。

在追求普適制圖的今天，隨著人類改造自然速度的不斷加快，地理信息的時空可變性正不斷提速，其描述信息更迭尤其迅猛。由于大眾對直觀、快捷及個性化信息獲取的追求，當(dāng)今多媒體電子地圖大有“地圖數(shù)據(jù)在地圖產(chǎn)品中比例動態(tài)縮減，眾多內(nèi)容被視頻、圖像、文本等新興媒體所替代［5］”的趨勢。多媒體電子地圖必須考慮進行多維感知綜合挖掘和地理空間信息視聽綜合表達，以增強用戶多重感知，提升地圖空間認知效能［6］。如果將多媒體信息設(shè)計和組織權(quán)交給用戶，就能增強用戶的主動性和自娛性，并通過地理空間信息描述的可擴展性體現(xiàn)可視化表達的自適應(yīng)性和個性化。

因此，針對目前數(shù)據(jù)管理方式的缺陷，需要構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，在保證可視化表達效果的同時優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲，實行統(tǒng)一管理、整體封裝，以實現(xiàn)多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理，并通過數(shù)據(jù)庫執(zhí)行所有數(shù)據(jù)操作，確保數(shù)據(jù)安全。同時，為數(shù)據(jù)擴展進行前瞻性設(shè)計，適應(yīng)信息擴充需求，并在減少數(shù)據(jù)冗余和實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效操作之間尋求平衡，尋求系統(tǒng)性能的整體提升。

二、多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理策略分析

隨著數(shù)據(jù)庫大二制存儲技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者提出了地理信息數(shù)據(jù)一體化存儲的構(gòu)想［7-8］，使空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲成為可能，這在部分地理信息系統(tǒng)中已有應(yīng)用。多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理可以借鑒該思路，綜合地理空間數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫的組織模型與管理特征，基于以下策略進行管理。

1.基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)及信息存儲

目前，眾多擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫引入了支持多媒體數(shù)據(jù)類型的表結(jié)構(gòu)，朝著實現(xiàn)管理所有數(shù)據(jù)類型的“通用服務(wù)器”方向發(fā)展。而關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在常規(guī)類型固定存量的基礎(chǔ)上，引入了二進制大型對象(BLOB)的概念。以常見的中型SQL Server數(shù)據(jù)庫為例，它采用的大二進制數(shù)據(jù)類型，包括inary、varbinary、text、ntext和 image，其中，text、ntext和image又稱為文本、圖像數(shù)據(jù)類型，部分字段允許存儲的理論最大容量為2 GB。所以，數(shù)據(jù)集成管理的首要策略是將多媒體電子地圖無法拆解的數(shù)據(jù)以大二進制數(shù)據(jù)塊的形式進行管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)一體存儲。同時，考慮到數(shù)據(jù)塊通常只是位字符串，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并不知道其中的語義和內(nèi)容，因此要將表達同一地理空間信息的不同類型數(shù)據(jù)分別存儲于不同數(shù)據(jù)表，同一類型數(shù)據(jù)存儲于同一個預(yù)先設(shè)計好的數(shù)據(jù)表中。

2.建立完善的動靜屬性信息關(guān)聯(lián)

傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)模型雖然建立于嚴格的關(guān)系代數(shù)基礎(chǔ)上，可以解決數(shù)據(jù)管理中的諸多問題，但平坦化的數(shù)據(jù)類型對圖像、音頻或視頻等非格式化數(shù)據(jù)無法處理，其豐富的語義超出了數(shù)據(jù)模型表達能力。因此，需要在混合數(shù)據(jù)模型中，基于某種語義基礎(chǔ)為所有數(shù)據(jù)類型建立一致索引。一致索引要求為各種數(shù)據(jù)類型建立元數(shù)據(jù)，并通過元數(shù)據(jù)突出地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系，以便更好地處理多媒體數(shù)據(jù)等復(fù)雜對象的結(jié)構(gòu)語義，使其互聯(lián)、查詢和調(diào)用按照元數(shù)據(jù)信息進行［9］，避免了大量檢索工作，從而提高多媒體電子地圖數(shù)據(jù)管理效率。為此，地理空間數(shù)據(jù)和各類型多媒體數(shù)據(jù)需要進行元數(shù)據(jù)解析，建立靜態(tài)和動態(tài)兩種屬性信息，為多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理提供信息關(guān)聯(lián)。其中，靜態(tài)屬性是對數(shù)據(jù)自身的描述;動態(tài)屬性是數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)間交互、關(guān)聯(lián)以及同步等信息的描述，如地理空間數(shù)據(jù)相互間的關(guān)聯(lián)、地理空間數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)及不同類型多媒體數(shù)據(jù)間的同步或次序關(guān)聯(lián)等。

3.應(yīng)用面向?qū)ο笏枷脒M行頂層設(shè)計

雖然目前面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫還處于研究階段，其模型缺乏與結(jié)構(gòu)化查詢語言的兼容，在安全性、完整性、并發(fā)控制和開發(fā)工具等方面遠不及關(guān)系數(shù)據(jù)庫成熟，但它作為一種更先進的數(shù)據(jù)組織模式，可以有效地描述各類型數(shù)據(jù)自身結(jié)構(gòu)、聯(lián)系和操作，對處理復(fù)雜數(shù)據(jù)十分有益。數(shù)據(jù)集成管理策略需要引入對象、類、封裝和繼承等面向?qū)ο罄砟?。在關(guān)系型數(shù)據(jù)組織中將BLOB技術(shù)與面向?qū)ο笏枷胂嘟Y(jié)合，通過面向?qū)ο笳Z言設(shè)計各數(shù)據(jù)類型對象，結(jié)合地理空間要素和各類型多媒體數(shù)據(jù)進行類型組織及行為操作，封裝描述該對象的狀態(tài)和操作該對象的方法，使對象之間通過消息展開協(xié)同和交互，以此來優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲并滿足擴充需求。同時，通過動靜屬性信息的關(guān)聯(lián)，將實體交互操作信息存儲于動態(tài)屬性中，地圖系統(tǒng)除能反復(fù)操作外，還能結(jié)合用戶特征和操作特性優(yōu)化可視化表達算法，使地圖系統(tǒng)具備個性化操作和自適應(yīng)表達的特點。

4.運用超地圖概念進行信息關(guān)聯(lián)

超媒體作為超文檔的延伸，可以集成多種媒體，形成具體元素包或信息集合，其重要特征是具有用戶交互控制引導(dǎo)機制。地圖和超媒體所表達的數(shù)據(jù)不同，地圖表達的是地學(xué)數(shù)據(jù)，而超媒體表達的是非地學(xué)數(shù)據(jù)屬性信息。多媒體電子地圖則以地理空間信息多元化描述為核心，它的運作主要圍繞地理空間信息和描述它的多媒體信息展開。如果需要將多媒體電子地圖和超媒體相結(jié)合，則可以運用超地圖(hyper-map)的概念［10］。超地圖是超媒體與地學(xué)參考數(shù)據(jù)相結(jié)合的產(chǎn)物，當(dāng)多媒體信息被結(jié)構(gòu)化和坐標(biāo)化后，就可以被認為是多媒體的地理表示法［9］。超地圖為地學(xué)數(shù)據(jù)和超媒體數(shù)據(jù)提供了復(fù)雜的鏈接，可以為多媒體電子地圖和其他專業(yè)數(shù)據(jù)瀏覽器提供幫助。超地圖數(shù)據(jù)中還包含著與坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)的超媒體數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)和信息都與地圖坐標(biāo)相聯(lián)。超地圖邏輯設(shè)計應(yīng)具有的基本屬性如表1所示。

考慮到地圖坐標(biāo)還需要通過圖層進行詳細的區(qū)分和定位，將超地圖與圖層組織相結(jié)合，運用超地圖概念通過地圖坐標(biāo)鏈接特定圖層，既可以實現(xiàn)地圖坐標(biāo)熱點與多媒體信息的交互，又可以在不需要構(gòu)建拓撲關(guān)系、較少進行空間分析的多媒體電子地圖系統(tǒng)中，將圖層作為地理空間數(shù)據(jù)塊存儲成為可能。運用此策略能減免地理空間數(shù)據(jù)幾何要素在數(shù)據(jù)庫構(gòu)建中的繁瑣，減少地圖系統(tǒng)為滿足開放信息服務(wù)、增加用戶參與等需求進行數(shù)據(jù)集成管理的工作量。如果配合功能設(shè)計，允許用戶選定圖層進行超地圖坐標(biāo)鏈接，便能自由定義熱點、開放鏈接，在不增加多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理工作量的同時，滿足用戶多樣化需求。

表1 超地圖邏輯設(shè)計應(yīng)具有的基本屬性

三、多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理策略驗證

1.管理系統(tǒng)設(shè)計概述

為了驗證數(shù)據(jù)集成管理策略，筆者設(shè)計了多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)。作為通用多媒體電子地圖設(shè)計平臺的重要組成部分，它主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理和信息組織等功能，同時該系統(tǒng)也可以作為地圖瀏覽系統(tǒng)獨立應(yīng)用，供設(shè)計者和用戶進行數(shù)據(jù)開放管理和信息協(xié)同演示，其中數(shù)據(jù)集成管理模塊還可以移植到相關(guān)多媒體電子地圖產(chǎn)品中使用。系統(tǒng)使用C++語言應(yīng)用Microsoft Visual C++6.0編程環(huán)境從底層開發(fā)，采用中型數(shù)據(jù)庫管理軟件Microsoft SQL Server構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，以ADO(active data objects)方式訪問。

2.應(yīng)用數(shù)據(jù)集成管理策略的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

運用數(shù)據(jù)集成管理策略，針對多媒體電子地圖的地理空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫以圖層形式(MapData表)存儲矢量、柵格和柵矢混合格式地圖數(shù)據(jù)?？紤]到同區(qū)域不同專題圖和地圖集中同圖組不同圖幅表達內(nèi)容的不同，實現(xiàn)圖層復(fù)用，將圖層分為基礎(chǔ)地理要素圖層和專題地理要素圖層，不同類型圖層通過圖層編碼有序組成內(nèi)容各異的電子地圖，多幅電子地圖通過地圖編碼有序組織構(gòu)成圖組乃至地圖集。將多媒體數(shù)據(jù)根據(jù)格式歸入不同的表存儲，并建立多媒體數(shù)據(jù)屬性信息表(MediaDataID表);再運用超地圖概念通過地圖坐標(biāo)鏈接到虛擬熱點中間層(HotCoordiate表);中間層在地圖上表現(xiàn)為若干點坐標(biāo)，處于地圖各圖層之上，在數(shù)據(jù)表中以熱點地理坐標(biāo)及其描述信息構(gòu)成，設(shè)計中間層的目的是使歸屬于不同圖幅但對同一地理要素進行描述的多媒體信息可以復(fù)用。由此，地理空間數(shù)據(jù)以圖集—圖組—地圖—圖層進行逐層信息細化，以圖層數(shù)據(jù)存儲，以單幅地圖表達為主，并組織拓展成地圖集。多媒體數(shù)據(jù)以虛擬熱點—屬性信息—數(shù)據(jù)進行超地圖鏈接組織，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的擴展、開放和復(fù)用，從整體上增強數(shù)據(jù)管理的機動性和信息組織的靈活性，減少數(shù)據(jù)冗余、提高交互查詢效率。局部數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖1所示。

圖1 局部數(shù)據(jù)庫設(shè)計圖

為了減少數(shù)據(jù)庫存儲負荷，提升操作性能，筆者針對數(shù)據(jù)庫存儲大二進制格式數(shù)據(jù)量進行了臨界值測試，通過多臺不同性能計算機綜合測試分析，以不大于2 MB的數(shù)據(jù)量作為數(shù)據(jù)庫存儲臨界值較為合適。本系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)具有自主格式，并兼容MapInfo軟件MIF格式數(shù)據(jù)、ArcGIS軟件SHP數(shù)據(jù)格式和海圖數(shù)據(jù)格式。由于沒有拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，各圖層以大二進制形式分別存儲于各自數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)量均在臨界值范圍內(nèi)。

為了規(guī)范多媒體電子地圖制作中多媒體數(shù)據(jù)格式和參數(shù)，實現(xiàn)通用多媒體電子地圖系統(tǒng)中各類型多媒體數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，適應(yīng)數(shù)據(jù)庫存儲多媒體數(shù)據(jù)的要求，筆者分別對圖像、音頻和視頻等類型數(shù)據(jù)進行了視聽覺感知臨界參數(shù)試驗，分析了信息容量、數(shù)據(jù)存量及視聽覺感知的最佳臨界平衡點，得出如下結(jié)論:圖片的圖像分辨率設(shè)為96 dpi、以JPG格式存儲數(shù)據(jù)量較小;音頻選用 Window Media Audio 9.2或更高版本編碼器，設(shè)置采樣級別16 kHz、位速16 Kb/s、16位采樣、單聲道，每分鐘音頻文件數(shù)據(jù)量為130 KB;視頻選擇編碼率150 Kb/s，采用Sharpest Image畫質(zhì)，設(shè)置音頻位速32 Kb/s，視窗為320像素×240像素，RM格式存儲每分鐘視頻數(shù)據(jù)量為1 MB。經(jīng)反復(fù)驗證，以上臨界參數(shù)和格式能滿足用戶視聽覺感知需求，同時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫不會影響數(shù)據(jù)管理性能。

3.體現(xiàn)數(shù)據(jù)集成管理策略的功能設(shè)計

系統(tǒng)針對數(shù)據(jù)庫存儲的若干數(shù)據(jù)類型，設(shè)計了相應(yīng)類，定義了屬性描述、行為操作以及交互事件，運用面向?qū)ο笾蟹庋b、繼承和多態(tài)等特性，通過對象進行數(shù)據(jù)編程操作。數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)除具備圖層自由組成地圖、地圖形成圖組乃至地圖集的功能外，還允許熱點的自由添加，以及多類型多媒體信息的組合管理、次序存儲和協(xié)同表達，并通過視聽覺感知臨界參數(shù)試驗結(jié)論指導(dǎo)多媒體數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，還特別為非規(guī)范格式數(shù)據(jù)設(shè)計了相應(yīng)兼容操作功能，對超過1.9 MB的數(shù)據(jù)分割后再依次存儲。

選取地理空間熱點后的多媒體信息協(xié)同表達效果，是數(shù)據(jù)集成管理策略的具體表現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計優(yōu)劣的檢驗，其操作功能通過UML操作協(xié)作圖大體可劃分為16個步驟:用戶選擇電子地圖并由地圖操作模塊進行一系列操作，而后將地圖數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)庫操作模塊，該模塊對地圖數(shù)據(jù)進行分層組織和管理;用戶從數(shù)據(jù)庫提取圖層數(shù)據(jù)組成地圖并和熱點一起顯示;用戶通過熱點操作模塊對熱點進行增刪、位移和信息修改等操作，數(shù)據(jù)庫操作模塊存儲相關(guān)信息;用戶瀏覽多媒體信息后，可對多媒體信息進行數(shù)據(jù)入庫、信息添加以及次序設(shè)計;當(dāng)用戶選擇熱點進行多媒體信息表達時，系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)的次序從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，同類型信息依次、不同類型協(xié)同進行可視化表達。數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)的上述操作協(xié)作圖設(shè)計如圖2所示;地圖空間熱點多媒體信息協(xié)同表達如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)操作協(xié)作圖

圖3 地理空間熱點多媒體信息協(xié)同表達

四、結(jié)束語

面對多媒體電子地圖數(shù)據(jù)管理的復(fù)雜性和信息組織的多樣性，本文的數(shù)據(jù)集成管理策略對多媒體電子地圖進行了量體裁衣式的數(shù)據(jù)管理和信息設(shè)計，能夠部分解決數(shù)據(jù)管理面臨的突出問題，提升系統(tǒng)性能、實現(xiàn)信息開放，突破多媒體電子地圖信息只讀的窠臼，延長地圖產(chǎn)品生命周期。經(jīng)多媒體電子地圖數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)的實際驗證，運用數(shù)據(jù)集成管理策略的地圖系統(tǒng)在數(shù)據(jù)一致性、安全性、可移植性及系統(tǒng)響應(yīng)等方面合乎設(shè)計要求，在《福建省生態(tài)環(huán)境多媒體電子地圖集》編制中實際應(yīng)用效果顯著，能為相關(guān)地圖產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

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Research on the Integrated Data Management Strategy for Multimedia Electronic Map

LI Wei，CHEN Yufen

0494-0911(2012)05-0088-04

P208

B

2011-05-16

李 偉(1981—)，男，河南汝南人，博士生，主要研究方向為地圖制圖智能化、網(wǎng)絡(luò)化和一體化。