多媒體電子地圖數據集成管理策略研究

李 偉，陳毓芬

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

多媒體電子地圖數據集成管理策略研究

李 偉1，2，陳毓芬1

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

為適應多媒體電子地圖服務需求，提升數據管理性能，增強系統個性化，實現信息的開放表達，對多媒體電子地圖數據管理理論和技術進行分析，探索多媒體電子地圖數據集成管理策略，提出思路方案，并進行實踐檢驗。

多媒體電子地圖;空間數據;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，已將多種數據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據類型眾多、格式繁雜，因此采用何種策略進行數據管理和信息組織既是系統設計的關鍵環節，也是該領域研究的熱點和難點。

一、多媒體電子地圖數據集成管理現狀

數據集成通常是指把不同來源、格式、特點和性質的數據在邏輯上或物理上進行有機組織，從而提供全面的數據共享。多媒體電子地圖數據集成管理是指將地理空間數據與多媒體數據有機集成，從而提供全面、統一和開放的多維感知地理信息服務。它以多媒體電子地圖數據組織管理為核心，涉及系統功能、信息關聯、一體化表達等諸多方面。

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

上述方式規避了地理空間數據和多媒體數據集中管理的復雜性和語義的不一致性，而采用文件存儲非結構化、不定長的多媒體數據具有較高的靈活性，使數據庫只關注空間數據的管理，提升了效率。但是這種地理空間數據與多媒體數據分離存儲的方式，在轉存、發布系統時，所有文件必須同時發布，不利于系統局部升級和數據的更新共享，數據安全隱患比較大。如果修改某些數據或進行數據庫擴充，勢必影響整個地圖系統，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，當今多媒體電子地圖大有“地圖數據在地圖產品中比例動態縮減，眾多內容被視頻、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計和組織權交給用戶，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可視化表達的自適應性和個性化。

因此，針對目前數據管理方式的缺陷，需要構建統一的數據模型，在保證可視化表達效果的同時優化數據存儲，實行統一管理、整體封裝，以實現多媒體電子地圖數據集成管理，并通過數據庫執行所有數據操作，確保數據安全。同時，為數據擴展進行前瞻性設計，適應信息擴充需求，并在減少數據冗余和實現數據高效操作之間尋求平衡，尋求系統性能的整體提升。

二、多媒體電子地圖數據集成管理策略分析

隨著數據庫大二制存儲技術的發展，相關學者提出了地理信息數據一體化存儲的構想［7-8］，使空間數據及其屬性數據的統一存儲成為可能，這在部分地理信息系統中已有應用。多媒體電子地圖數據集成管理可以借鑒該思路，綜合地理空間數據庫和多媒體數據庫的組織模型與管理特征，基于以下策略進行管理。

1.基于關系數據庫的數據及信息存儲

目前，眾多擴展關系數據庫引入了支持多媒體數據類型的表結構，朝著實現管理所有數據類型的“通用服務器”方向發展。而關系數據庫管理系統在常規類型固定存量的基礎上，引入了二進制大型對象(BLOB)的概念。以常見的中型SQL Server數據庫為例，它采用的大二進制數據類型，包括inary、varbinary、text、ntext和 image，其中，text、ntext和image又稱為文本、圖像數據類型，部分字段允許存儲的理論最大容量為2 GB。所以，數據集成管理的首要策略是將多媒體電子地圖無法拆解的數據以大二進制數據塊的形式進行管理，實現數據一體存儲。同時，考慮到數據塊通常只是位字符串，數據庫系統并不知道其中的語義和內容，因此要將表達同一地理空間信息的不同類型數據分別存儲于不同數據表，同一類型數據存儲于同一個預先設計好的數據表中。

2.建立完善的動靜屬性信息關聯

傳統關系數據模型雖然建立于嚴格的關系代數基礎上，可以解決數據管理中的諸多問題，但平坦化的數據類型對圖像、音頻或視頻等非格式化數據無法處理，其豐富的語義超出了數據模型表達能力。因此，需要在混合數據模型中，基于某種語義基礎為所有數據類型建立一致索引。一致索引要求為各種數據類型建立元數據，并通過元數據突出地理空間數據結構及其相互關系，以便更好地處理多媒體數據等復雜對象的結構語義，使其互聯、查詢和調用按照元數據信息進行［9］，避免了大量檢索工作，從而提高多媒體電子地圖數據管理效率。為此，地理空間數據和各類型多媒體數據需要進行元數據解析，建立靜態和動態兩種屬性信息，為多媒體電子地圖數據集成管理提供信息關聯。其中，靜態屬性是對數據自身的描述;動態屬性是數據與數據間交互、關聯以及同步等信息的描述，如地理空間數據相互間的關聯、地理空間數據和多媒體數據的統一關聯及不同類型多媒體數據間的同步或次序關聯等。

3.應用面向對象思想進行頂層設計

雖然目前面向對象數據庫還處于研究階段，其模型缺乏與結構化查詢語言的兼容，在安全性、完整性、并發控制和開發工具等方面遠不及關系數據庫成熟，但它作為一種更先進的數據組織模式，可以有效地描述各類型數據自身結構、聯系和操作，對處理復雜數據十分有益。數據集成管理策略需要引入對象、類、封裝和繼承等面向對象理念。在關系型數據組織中將BLOB技術與面向對象思想相結合，通過面向對象語言設計各數據類型對象，結合地理空間要素和各類型多媒體數據進行類型組織及行為操作，封裝描述該對象的狀態和操作該對象的方法，使對象之間通過消息展開協同和交互，以此來優化數據存儲并滿足擴充需求。同時，通過動靜屬性信息的關聯，將實體交互操作信息存儲于動態屬性中，地圖系統除能反復操作外，還能結合用戶特征和操作特性優化可視化表達算法，使地圖系統具備個性化操作和自適應表達的特點。

4.運用超地圖概念進行信息關聯

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機制。地圖和超媒體所表達的數據不同，地圖表達的是地學數據，而超媒體表達的是非地學數據屬性信息。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參考數據相結合的產物，當多媒體信息被結構化和坐標化后，就可以被認為是多媒體的地理表示法［9］。超地圖為地學數據和超媒體數據提供了復雜的鏈接，可以為多媒體電子地圖和其他專業數據瀏覽器提供幫助。超地圖數據中還包含著與坐標相關聯的超媒體數據，即數據庫中的數據和信息都與地圖坐標相聯。超地圖邏輯設計應具有的基本屬性如表1所示。

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

表1 超地圖邏輯設計應具有的基本屬性

三、多媒體電子地圖數據集成管理策略驗證

1.管理系統設計概述

為了驗證數據集成管理策略，筆者設計了多媒體電子地圖數據集成管理系統。作為通用多媒體電子地圖設計平臺的重要組成部分，它主要實現了數據管理和信息組織等功能，同時該系統也可以作為地圖瀏覽系統獨立應用，供設計者和用戶進行數據開放管理和信息協同演示，其中數據集成管理模塊還可以移植到相關多媒體電子地圖產品中使用。系統使用C++語言應用Microsoft Visual C++6.0編程環境從底層開發，采用中型數據庫管理軟件Microsoft SQL Server構建數據庫，以ADO(active data objects)方式訪問。

2.應用數據集成管理策略的數據庫設計

運用數據集成管理策略，針對多媒體電子地圖的地理空間數據，數據庫以圖層形式(MapData表)存儲矢量、柵格和柵矢混合格式地圖數據?？紤]到同區域不同專題圖和地圖集中同圖組不同圖幅表達內容的不同，實現圖層復用，將圖層分為基礎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成圖組乃至地圖集。將多媒體數據根據格式歸入不同的表存儲，并建立多媒體數據屬性信息表(MediaDataID表);再運用超地圖概念通過地圖坐標鏈接到虛擬熱點中間層(HotCoordiate表);中間層在地圖上表現為若干點坐標，處于地圖各圖層之上，在數據表中以熱點地理坐標及其描述信息構成，設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用。由此，地理空間數據以圖集—圖組—地圖—圖層進行逐層信息細化，以圖層數據存儲，以單幅地圖表達為主，并組織拓展成地圖集。多媒體數據以虛擬熱點—屬性信息—數據進行超地圖鏈接組織，實現數據的擴展、開放和復用，從整體上增強數據管理的機動性和信息組織的靈活性，減少數據冗余、提高交互查詢效率。局部數據庫設計如圖1所示。

圖1 局部數據庫設計圖

為了減少數據庫存儲負荷，提升操作性能，筆者針對數據庫存儲大二進制格式數據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的數據量作為數據庫存儲臨界值較為合適。本系統地圖數據具有自主格式，并兼容MapInfo軟件MIF格式數據、ArcGIS軟件SHP數據格式和海圖數據格式。由于沒有拓撲結構數據，各圖層以大二進制形式分別存儲于各自數據表中，數據量均在臨界值范圍內。

為了規范多媒體電子地圖制作中多媒體數據格式和參數，實現通用多媒體電子地圖系統中各類型多媒體數據的統一，適應數據庫存儲多媒體數據的要求，筆者分別對圖像、音頻和視頻等類型數據進行了視聽覺感知臨界參數試驗，分析了信息容量、數據存量及視聽覺感知的最佳臨界平衡點，得出如下結論:圖片的圖像分辨率設為96 dpi、以JPG格式存儲數據量較小;音頻選用 Window Media Audio 9.2或更高版本編碼器，設置采樣級別16 kHz、位速16 Kb/s、16位采樣、單聲道，每分鐘音頻文件數據量為130 KB;視頻選擇編碼率150 Kb/s，采用Sharpest Image畫質，設置音頻位速32 Kb/s，視窗為320像素×240像素，RM格式存儲每分鐘視頻數據量為1 MB。經反復驗證，以上臨界參數和格式能滿足用戶視聽覺感知需求，同時數據存入數據庫不會影響數據管理性能。

3.體現數據集成管理策略的功能設計

系統針對數據庫存儲的若干數據類型，設計了相應類，定義了屬性描述、行為操作以及交互事件，運用面向對象中封裝、繼承和多態等特性，通過對象進行數據編程操作。數據集成管理系統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、次序存儲和協同表達，并通過視聽覺感知臨界參數試驗結論指導多媒體數據格式轉換，還特別為非規范格式數據設計了相應兼容操作功能，對超過1.9 MB的數據分割后再依次存儲。

選取地理空間熱點后的多媒體信息協同表達效果，是數據集成管理策略的具體表現、數據庫設計優劣的檢驗，其操作功能通過UML操作協作圖大體可劃分為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，而后將地圖數據提交給數據庫操作模塊，該模塊對地圖數據進行分層組織和管理;用戶從數據庫提取圖層數據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，數據庫操作模塊存儲相關信息;用戶瀏覽多媒體信息后，可對多媒體信息進行數據入庫、信息添加以及次序設計;當用戶選擇熱點進行多媒體信息表達時，系統通過預設的次序從數據庫獲取數據，同類型信息依次、不同類型協同進行可視化表達。數據集成管理系統的上述操作協作圖設計如圖2所示;地圖空間熱點多媒體信息協同表達如圖3所示。

圖2 數據集成管理系統操作協作圖

圖3 地理空間熱點多媒體信息協同表達

四、結束語

面對多媒體電子地圖數據管理的復雜性和信息組織的多樣性，本文的數據集成管理策略對多媒體電子地圖進行了量體裁衣式的數據管理和信息設計，能夠部分解決數據管理面臨的突出問題，提升系統性能、實現信息開放，突破多媒體電子地圖信息只讀的窠臼，延長地圖產品生命周期。經多媒體電子地圖數據集成管理系統的實際驗證，運用數據集成管理策略的地圖系統在數據一致性、安全性、可移植性及系統響應等方面合乎設計要求，在《福建省生態環境多媒體電子地圖集》編制中實際應用效果顯著，能為相關地圖產品的數據管理提供一定的指導和借鑒。

［1］ 廖克.現代地圖學［M］.北京:科學出版社，2003:5-9.

［2］ WANG Y，CHEN X，YU Z.The Development of Electronic Atlas in China［C］∥21st International Cartographic Conference(ICC 2003).Durban:［s.n.］，2003.

［3］ TAYLOR D R F.Geographic Information System:The Microcomputer and Modern Cartography［M］.［S.l.］: Pergamon Press，1991.

［4］ 龍毅，溫永寧，盛業華，等.電子地圖學［M］.北京:科學出版社，2006:58-63.

［5］ POORTEN P，JONES C B.Customisable Line Generalisation Using Delaunay Triangulation［C］∥Proceeding of 19th International Cartographic Conference.Ottawa:［s. n.］，1999.

［6］ 王家耀.地圖制圖學與地理信息工程學科發展趨勢［J］.測繪學報，2010，39(2):115-119，128.

［7］ 肖計劃，劉海硯，欒曉巖，等.開放式一體化矢量地圖數據管理方法設計［J］.測繪科學技術學報，2006，23(3)，198-201.

［8］ 姜莉莉，齊清文，焦健，等.4D一體化多媒體電子地圖集理論方法和技術研究與開發［J］.測繪科學，2006，31(4):37-41.

［9］ RAPER J.多維地理信息科學［M］.游雄，賈奮勵，等譯.北京:解放軍出版社，2005:256-269.

［10］ KRAAK M J，EDSALL R，MACEACHREN A M.Cartograhic Animation and Legends for Temporal Maps: Exploration and Interaction［C］∥18th International Cartographic Conference.Stockholm:［s.n.］，1997:23-27.

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、網絡化和一體化。