政區(qū)地圖與數(shù)據(jù)立方體結(jié)合的聯(lián)機(jī)可視化方法

曹巧云，何望君，張福浩，劉 濤，劉紀(jì)平,4

(1. 蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830； 3. 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅 蘭州 730070； 4. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079； 5. 甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

隨著關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展迅速，全球數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)快，數(shù)據(jù)被不斷地生產(chǎn)出來(lái)，與此同時(shí)，人們對(duì)信息的要求越來(lái)越高[1]；從海量數(shù)據(jù)中獲取隱藏的、有用的信息，導(dǎo)致數(shù)據(jù)管理人員對(duì)數(shù)據(jù)的查詢要求日趨繁瑣。數(shù)據(jù)立方體(DataCube)又稱多維數(shù)據(jù)集，是OLAP(on line transaction processing)系統(tǒng)的核心，為用戶數(shù)據(jù)構(gòu)建了多維視圖，針對(duì)數(shù)據(jù)的查看和分析，用戶可以利用數(shù)據(jù)立方體技術(shù)從多個(gè)視角出發(fā)[2]。眾多的OLAP產(chǎn)品具有基于多維數(shù)組構(gòu)建立方體模型的優(yōu)勢(shì)，易于管理和查詢海量數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)[3]總結(jié)了每一維度就是數(shù)據(jù)觀測(cè)的每一個(gè)視角，政府部門(mén)從不同行政級(jí)別查看隨時(shí)間推移的GDP的變化，這是從政區(qū)角度來(lái)查看GDP，因此政區(qū)是一個(gè)維；許多領(lǐng)域中提出了包含諸如數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)集成、OLAP等許多技術(shù)的商業(yè)智能(BI)的體系結(jié)構(gòu)，它用于建立決策支持，優(yōu)先考慮有效查詢大量歷史，清潔和整合數(shù)據(jù)[4]；文獻(xiàn)[5—7]將文本概念加入立方體；文獻(xiàn)[7]針對(duì)數(shù)據(jù)和文本分別建立維度，利用倒排方法檢索對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[8]提出基于流數(shù)據(jù)的概要立方體，實(shí)現(xiàn)任意組合的維度映射成唯一的數(shù)值，此方法提高索引的效率，但都對(duì)政務(wù)地圖數(shù)據(jù)的OLAP研究較少。目前許多統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是圍繞國(guó)家或政區(qū)開(kāi)展，戰(zhàn)略分析需要空間視角，針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合數(shù)據(jù)立方體聯(lián)機(jī)可視化方法，從空間維探索政務(wù)統(tǒng)計(jì)與政務(wù)電子地圖的可視化方法。本方法推進(jìn)政務(wù)電子地圖的管理和查詢的效率，同時(shí)在更多的角度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息的理解和把握，提高了工作效率。

1 政務(wù)OLAP發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代末關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)之父E.F.Codd提出關(guān)系型數(shù)據(jù)模型以來(lái)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與OLAP得到了快速的發(fā)展[9]。加拿大拉瓦爾大學(xué)地理信息中心提供Spatial OLAP(SOLAP)作為支持快速簡(jiǎn)便的時(shí)空分析，探索多維數(shù)據(jù)的工具，并提供一套可視化技術(shù)，如地圖、表格和圖表[10]。巴西聯(lián)邦伯南布哥大學(xué)信息中心提出了GOLAPA(地理在線分析處理架構(gòu))，為用戶提供了查詢分析和地理數(shù)據(jù)以供決策支持所涉及的復(fù)雜性的抽象[11-12]。在將BI與GIS相結(jié)合的其他工具中，筆者引用Voss[13]提出的Cube View和Polaris，以便于觀察大量數(shù)據(jù)中的空間模式和時(shí)間趨勢(shì)。此外，文獻(xiàn)[14]開(kāi)發(fā)了一個(gè)強(qiáng)大、易于訪問(wèn)及用戶友好的Geo-BI地方治理基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的解決方案。此外，有學(xué)者提出了一個(gè)可擴(kuò)展的GISOLAP集成解決方案，它基于一個(gè)名為GeoCube的正式多維模型，支持地理維度和度量[15]。更重要的是，Pitts大學(xué)提出了OLAP-GIS工具[16]的開(kāi)發(fā)，用于社區(qū)健康評(píng)估分析中的數(shù)值空間問(wèn)題解決。文獻(xiàn)[17]提出支持地理維度和度量的GIS-OLAP集成解決方案，并提供交互式數(shù)據(jù)透視表和圖表顯示，有效地支持決策服務(wù)，GIS-OLAP技術(shù)核心是“維”這個(gè)概念[18]，建立多維數(shù)據(jù)模型是進(jìn)行GIS-OLAP分析的重要基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)立方體作為GIS-OLAP系統(tǒng)的核心技術(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和索引的技術(shù)架構(gòu)，能夠?qū)υ獢?shù)據(jù)進(jìn)行任意多關(guān)鍵字實(shí)時(shí)索引，并且加快了數(shù)據(jù)的查詢和檢索。如何將OLAP技術(shù)應(yīng)用到電子政務(wù)地圖，構(gòu)建政務(wù)決策支持系統(tǒng)，利用電子政務(wù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)建立正確的決策體系和決策支持模型，為各級(jí)政府的決策提供科學(xué)的依據(jù)，從而提高政府辦公效率、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前已成為我國(guó)政府越來(lái)越緊迫的一項(xiàng)工作。

2 政區(qū)地圖和數(shù)據(jù)立方體融合技術(shù)

政務(wù)地圖和數(shù)據(jù)立方體融合技術(shù)包括維度規(guī)范化表達(dá)、數(shù)據(jù)立方體構(gòu)建和多維查詢3大技術(shù)，如圖1所示。首先，對(duì)空間(政區(qū))進(jìn)行規(guī)范化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)空間(政區(qū))維度的規(guī)范化；然后，對(duì)政區(qū)統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)立方體的構(gòu)建，并對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化管理；最后，結(jié)合OLAP技術(shù)，對(duì)多維政區(qū)和政區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行聯(lián)機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)政區(qū)地圖交互下的多維查詢可視化。

2.1 空間(政區(qū))維度規(guī)范化表達(dá)

政區(qū)包括省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)4個(gè)維度，利用屬性編輯技術(shù)對(duì)對(duì)省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地圖進(jìn)行統(tǒng)一編碼，實(shí)現(xiàn)政區(qū)地圖的規(guī)范化維度表達(dá)。第一，利用地圖數(shù)據(jù)處理軟件，統(tǒng)一省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地圖數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)，使地圖數(shù)據(jù)都在同一空間坐標(biāo)下顯示；第二，利用數(shù)據(jù)編輯工具實(shí)現(xiàn)省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的統(tǒng)一編碼，如湖南省為43，實(shí)現(xiàn)對(duì)政區(qū)地圖的編碼管理；第三，利用數(shù)據(jù)立方體維度表達(dá)技術(shù)，對(duì)省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)進(jìn)行統(tǒng)一編碼管理，建立統(tǒng)一的時(shí)間、多級(jí)政區(qū)維度，形成省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)4個(gè)維度，從而建立政區(qū)維度表。統(tǒng)一編碼的目的是實(shí)現(xiàn)政區(qū)的統(tǒng)一化管理，從地圖數(shù)據(jù)源中盡可能高效地管理所需要的地圖數(shù)據(jù)。

2.2 政區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)立方體構(gòu)建技術(shù)

運(yùn)用數(shù)據(jù)立方體技術(shù)，對(duì)政區(qū)和指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)立方體的構(gòu)建，形成政區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)立方體。①描述維度表，針對(duì)4個(gè)維度的政區(qū)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)立方體維度構(gòu)建方法，增加省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的編碼、名稱、描述等相關(guān)屬性，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)管理。②指標(biāo)表的構(gòu)建，根據(jù)現(xiàn)有省、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建人口表、GDP表、企業(yè)表等，通過(guò)統(tǒng)一的編碼實(shí)現(xiàn)與政區(qū)維度表的關(guān)聯(lián)。③數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的政務(wù)維度數(shù)據(jù)和指標(biāo)數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)之前，需對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)方可存放到相應(yīng)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法有簡(jiǎn)單變換(包括編碼字段的解碼、日期/時(shí)間格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換)、集成(就是把來(lái)自于不用數(shù)據(jù)中得到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，并將它們集成為一個(gè)緊密結(jié)合的數(shù)據(jù)模型)、聚集和概括(就是按照某些屬性匯總這些數(shù)據(jù))。④添加到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，將這些規(guī)范的數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)所需要加載的數(shù)據(jù)量很大，需采用標(biāo)準(zhǔn)的加載工具和共同的方法對(duì)加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。提高數(shù)據(jù)加載的效率，從而也能夠?qū)⒓虞d工具的定制最小化。

2.3 政區(qū)地圖交互下的多維查詢技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)政區(qū)地圖的聯(lián)動(dòng)查詢，采用數(shù)據(jù)立方體的多維分析技術(shù)，操作步驟包括鉆取、上卷、切片、切塊和旋轉(zhuǎn)。①鉆取：在空間(政區(qū))維的不同層次間的變化，從頂層降到底層，拆分總數(shù)據(jù)到元數(shù)據(jù)。本文時(shí)間維上鉆查詢操作的結(jié)果就是日、周、月、季度、年，地區(qū)維上鉆查詢操作的結(jié)果就是鄉(xiāng)、縣、省、國(guó)。②上卷：從鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)數(shù)據(jù)向省數(shù)據(jù)的聚合。③切片：選擇政區(qū)維中特定的指標(biāo)值進(jìn)行查詢或分析。④切塊：選擇空間(政區(qū))維中特定區(qū)間的指標(biāo)表數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析。⑤旋轉(zhuǎn)：政區(qū)維位置的互換，是行列的轉(zhuǎn)換。變換政區(qū)數(shù)據(jù)立方體維的角度，從不同的方向研究指標(biāo)數(shù)據(jù)在維上的分布。

點(diǎn)擊政區(qū)實(shí)現(xiàn)地圖下鉆，并且通過(guò)多維查詢語(yǔ)言，獲取當(dāng)前點(diǎn)擊政區(qū)數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)立方體的自動(dòng)下鉆。通過(guò)鉆取、上卷、切片、切塊及旋轉(zhuǎn)查詢操作，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)地圖和數(shù)據(jù)立方體雙向聯(lián)動(dòng)，快速獲取數(shù)據(jù)并展示數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用案例

3.1 試驗(yàn)區(qū)域與數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)選用全國(guó)作為研究區(qū)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年鑒獲取的2018年全國(guó)各省、市、縣的GDP數(shù)據(jù)，國(guó)家統(tǒng)計(jì)官方網(wǎng)站獲取的省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)2010年全國(guó)第六次人口普查數(shù)據(jù)，以及國(guó)家公共基礎(chǔ)地理信息平臺(tái)“天地圖”地圖數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)現(xiàn)全國(guó)、省級(jí)、市級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)的信息的可視化，利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器對(duì)地圖上的每個(gè)區(qū)域進(jìn)行不同的顏色顯示，可以方便直觀地查看出相應(yīng)的數(shù)據(jù)構(gòu)成，并將相應(yīng)地區(qū)的信息實(shí)時(shí)地顯示在右側(cè)的數(shù)據(jù)表中，方便具體地分析和處理，如圖2—圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：在地理信息應(yīng)用政務(wù)電子地圖的平臺(tái)中，通過(guò)客戶端統(tǒng)計(jì)地圖的四色圖將不同區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一表格化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化、可配置的地理統(tǒng)計(jì)表達(dá)。方便使用者快速直觀地找到所需要的必要的數(shù)據(jù)信息。方便快捷地將政務(wù)地圖與數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行集成整合，滿足平臺(tái)查詢與分析的功能，提供靈活豐富的功能接口和智能化的界面操作，賦予了專題圖更加便捷的管理分析功能，通過(guò)少量開(kāi)發(fā)工作即可實(shí)現(xiàn)電子政務(wù)地圖統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)立方體的集成和使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

在眾多政務(wù)服務(wù)過(guò)程中，存在大量的政區(qū)統(tǒng)計(jì)信息，存在如空間、時(shí)間、行業(yè)、主題等多類(lèi)型、多層次的維度統(tǒng)計(jì)方式，筆者建議在信息資源整合時(shí)建立統(tǒng)一的空間維度和時(shí)間維度，不僅強(qiáng)化維度描述的一致性，而且支持不同維度不同層面的靈活細(xì)分和匯總分析，滿足不同分析的需求。將傳統(tǒng)的政區(qū)地圖與空間數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行融合，在線統(tǒng)計(jì)并聯(lián)動(dòng)顯示各級(jí)政區(qū)不同指標(biāo)數(shù)量和分布，實(shí)現(xiàn)國(guó)家、省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)多級(jí)數(shù)據(jù)立方體下鉆和上卷操作，便于決策者快速瀏覽和分析區(qū)域發(fā)展現(xiàn)狀和分布格局，有利于開(kāi)展綜合性政務(wù)數(shù)據(jù)空間對(duì)比和關(guān)聯(lián)分析。