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多媒體技術在地理信息系統(tǒng)中的應用
摘 要 將多媒體技術應用于地理信息系統(tǒng)中的關鍵問題是：如何有效地管理多媒體數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)；其次，在區(qū)域分析過程中，怎樣實現(xiàn)多媒體播放功能.指出用擴充的關系數(shù)據(jù)模型作為多媒體數(shù)據(jù)模型較適宜；多媒體功能的實現(xiàn)則取決于多媒體數(shù)據(jù)的格式是否為RIFF格式以及對多媒體數(shù)據(jù)的應用要求.最后展示了多媒體技術在地理信息系統(tǒng)中的應用前景.關鍵詞 多媒體技術，地理信息系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)，區(qū)域分析，數(shù)據(jù)模型.
現(xiàn)今由于多媒體技術的迅速崛起和高速發(fā)展，越來越多的應用軟件都大量使用了多媒體技術.如果將多媒體技術應用于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)軟件中，勢必大大增強GIS信息的表現(xiàn)能力，擴大GIS的應用領域.那么怎樣將多媒體技術應用于GIS軟件中呢我們認為應從兩方面來設計：其一是怎樣將多媒體數(shù)據(jù)溶于GIS數(shù)據(jù)庫中，并保證提供GIS軟件的雙向檢索及各種分析功能；其二是在應用過程中，怎樣實現(xiàn)多媒體的播放功能.以下就這兩個內容及其應用前景談談我們的看法.
1 多媒體數(shù)據(jù)的有效管理
通常，應用軟件中的多媒體數(shù)據(jù)有兩種生成方式：一種是媒體播放之前，將其數(shù)字化到數(shù)據(jù)庫當中，播放時從數(shù)據(jù)庫中取數(shù)據(jù)；另一種是播放時，邊生成邊播放.而GIS軟件中的數(shù)據(jù)庫又分為空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，即我們可根據(jù)媒體數(shù)據(jù)的特性或應用軟件的要求將多媒體數(shù)據(jù)分別溶于空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫中.
1.1 GIS數(shù)據(jù)庫中多媒體數(shù)據(jù)的管理
1.1.1 GIS空間數(shù)據(jù)庫中多媒體數(shù)據(jù)的管理 目前，多數(shù)GIS應用軟件所能描述的空間目標都是靜態(tài)的，實際上，很多GIS所要表達和研究的空間目標都不會是一成不變的，因此，GIS研究者已廣泛關注能對時空過程和時空目標進行描述和分析的時態(tài)GIS(temporal GIS).時態(tài)GIS的組織核心是時空數(shù)據(jù)庫，即設計一個合理的時空數(shù)據(jù)模型是建立時態(tài)GIS的關鍵所在.雖然目前還沒有較成熟的能支持時態(tài)GIS產品的時空數(shù)據(jù)模型，一但時空數(shù)據(jù)模型的研究有所突破，不僅能解決時態(tài)GIS的應用問題，還將解決空間數(shù)據(jù)庫中動畫數(shù)據(jù)的管理問題，即可通過使用動畫技術來實現(xiàn)在屏幕上動態(tài)播放時空過程.如動態(tài)顯示衛(wèi)星云圖的變化情況、地殼變動情況、森林沙化和城市化情況以及海岸或河灘的侵蝕或淤積變化情況等.
有關時空數(shù)據(jù)模型，張祖勛［1］提出使用分級索引方法來對基本修正法進行改進.這種方法就是不存貯研究區(qū)域中每個狀態(tài)的全部信息，而只存貯某個時間的數(shù)據(jù)狀態(tài)(稱為基態(tài))以及相對于基態(tài)或鄰近狀態(tài)的變化量.在此基礎上，建立分級索引，以便能快速找到所需的時空過程的數(shù)據(jù).
要使用這種建索引的基本修正法，需要考慮兩個問題，一個是如何建立索引；另一個是如何設計用來描述兩個狀態(tài)變化量的差文件.
關于建索引的問題，筆者認為：基態(tài)，亦a,b,c,d分別表示時態(tài)GIS的4個時期；T.時間軸；t0,t1,…,tn分別表示 時態(tài)在GIS某個時期的n+1個時態(tài)，其中tn為基態(tài)，即“現(xiàn)在”時態(tài) 一次數(shù)據(jù)狀態(tài)——“現(xiàn)在”時態(tài)總是變化的，每產生一個新的現(xiàn)在時態(tài)，就應生成一個現(xiàn)在時態(tài)與前一次時態(tài)的差文件，同時根據(jù)現(xiàn)在時態(tài)所處的時間位置來決定是否產生新的索引差文件.以四叉樹為例，如圖1所示，當n為2i(i=2,3,…)的整數(shù)倍時，就需產生tn-2i～tn的索引差文件.相應地為了減少索引差文件所占的存貯空間，而又不影響對任一時態(tài)的檢索速度，可將tn-2i+1～tn-2i的索引差文件刪掉，所刪的索引名文件個數(shù)正好比新建的索引差文件個數(shù)少一個.
關于差文件，筆者認為在設計中應考慮如下幾個因素.(1)由于差文件是通過對兩個時態(tài)的目標信息進行異或而產生的，這意味著差文件包含有兩類目標信息：一類是前一時態(tài)有而后一時態(tài)無的目標信息；另一類是前一時態(tài)無而后一時態(tài)有的目標信息.為了能根據(jù)差文件快速、連續(xù)地由一個狀態(tài)到過去另一狀態(tài)或最近另一狀態(tài)進行檢索，應在差文件中將這兩類目標信息予以標識區(qū)分.(2)兩個狀態(tài)之間目標變化應是有對應關系的，即0→1(目標從無到有)；1→0(目標從有到無)；1→N(目標從一個變成多個)；N→1(目標從多個變成一個)，以及目標空間信息無變化，屬性信息有變化；目標局部空間信息有變化等.為了能進行快速檢索，在差文件中應將兩類各目標之間的對應關系予以標明，當然，這會增加差文件生成過程的復雜性.(3)和所有地圖數(shù)據(jù)庫模型類似，差文件也由空間信息、屬性信息和關系信息組成，差文件中應將每個目標這3種信息之間的關系予以標明.
1.1.2 GIS屬性數(shù)據(jù)庫中多媒體數(shù)據(jù)的管理 有些GIS的應用中，認為多媒體數(shù)據(jù)是一種特殊的專題屬性數(shù)據(jù).怎樣選擇多媒體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型，使得既能遵循其自身特點，又能有效地建立起它與空間數(shù)據(jù)的聯(lián)系，是多媒體技術在GIS應用中的關鍵所在.
目前，多數(shù)GIS屬性數(shù)據(jù)庫使用的是關系模型.為能將關系模型應用于多媒體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，就必須對現(xiàn)有的關系模型進行擴充，使它不但能處理格式化數(shù)據(jù)，也能處理非格式化數(shù)據(jù).楊學良［2］就這個問題提出了3種技術策略：將多媒體數(shù)據(jù)文件名作為關系中元組某列(或屬性)；將每個元組作為一個完整文件保存；元組中存貯格式化數(shù)據(jù)以及非格式化數(shù)據(jù)的引用項，而非格式化數(shù)據(jù)單獨存貯.
對比這3種技術策略，第一種技術策略方法簡單、容易實現(xiàn)，適宜于對多媒體數(shù)據(jù)進行播放.第二、三種技術策略雖然能夠實現(xiàn)并發(fā)控制和恢復，以及實現(xiàn)對多媒體數(shù)據(jù)進行編輯和拮取的應用，但由于此兩種技術策略將每個元組所對應的空間目標的專業(yè)屬性和多媒體屬性混在一起，這既增大了應用程序設計的復雜性，又不利于那些只需使用空間目標的專業(yè)屬性的一些應用的實現(xiàn).為此，我們認為，在第一種技術策略的基礎上，增加一個或多個屬性項，用于存放多媒體數(shù)據(jù)的文件信息和數(shù)據(jù)流信息，當我們需要對多媒體數(shù)據(jù)文件進行特殊應用時，可根據(jù)文件信息和數(shù)據(jù)流信息對多媒體數(shù)據(jù)文件進行操作.
1.2 GIS區(qū)域分析中多媒體數(shù)據(jù)的生成
多媒體數(shù)據(jù)生成的另一種方式是在GIS應用中，邊統(tǒng)計、分析運算，邊生成結果數(shù)據(jù)——多媒體數(shù)據(jù).
1.2.1 空間分析中多媒體數(shù)據(jù)的生成 空間分析是一組分析結果依賴于所分析對象的位置信息技術［3］，因此，空間分析要求獲得目標的空間位置及其屬性描述兩方面信息.空間分析主要有：地形分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析和網(wǎng)絡分析等.
為了能更清楚地表示上述一些空間分析的結果，我們可用虛擬現(xiàn)實技術來實現(xiàn).所謂虛擬現(xiàn)實［4］是一種由計算機生成的高級人機交互系統(tǒng)，即構成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺、嗅覺的可感知環(huán)境，使用者通過專門的設備可在這個環(huán)境中實現(xiàn)觀察、觸摸、操作、檢測等試驗，有身臨其境之感.比如，可用虛擬技
術來觀察地形分析或網(wǎng)絡分析得到的空間效果，使用者可用交互操作的方式來控制自己與觀察對象的角度、距離以及光照等，使觀察對象隨使用者的操作而動態(tài)旋轉.此時以動畫形式顯示的媒體數(shù)據(jù)隨使用者的操作產生并顯示.
1.2.2 統(tǒng)計分析中多媒體數(shù)據(jù)的生成 統(tǒng)計分析就是用數(shù)理統(tǒng)計方法開展區(qū)域分析.數(shù)理統(tǒng)計方法主要有：統(tǒng)計特征值、研究兩種或多種地理現(xiàn)象之間的相關分析，通過一組實際觀測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)變量之間因果關系的回歸分析，以及主成分分析等.
為了更加形象化，我們可以將數(shù)理統(tǒng)計結果以直方圖、曲線、曲面或區(qū)劃圖表示，甚至可以將重要的部分以醒目的顏色、特殊的符號或閃爍的顯示形式來告訴使用者，還可以配上解說詞，以增加系統(tǒng)的感染力，而表現(xiàn)這些現(xiàn)象的媒體數(shù)據(jù)是在統(tǒng)計分析之后由系統(tǒng)自動生成并播放的.
2 GIS應用系統(tǒng)中多媒體功能的實現(xiàn)
在GIS應用軟件中進行多媒體功能實現(xiàn)，首先是受GIS應用軟件自身開發(fā)平臺的限制.多數(shù)情況下，GIS應用軟件的多媒體開發(fā)平臺宜選擇編程語言，如VC++，VB或BC++等，以利于和GIS應用軟件相結合.一旦多媒體開發(fā)環(huán)境確定下來，那么怎樣實現(xiàn)區(qū)域分析中多媒體功能
2.1 空間數(shù)據(jù)庫中多媒體數(shù)據(jù)的播放
由前所述，空間數(shù)據(jù)庫中存貯的多是各期間的時空數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的結構與MCI所能接受的多媒體文件格式RIFF(resource interchange file format)不同，所以應用程序不能直接調用MCI函數(shù)和API函數(shù)，必須根據(jù)時態(tài)GIS的空間數(shù)據(jù)庫結構，設計一個相應的動畫播放程序來實現(xiàn)動態(tài)顯示功能.
下面簡述動態(tài)顯示時態(tài)GIS中ti～tj狀態(tài)的算法步驟(0≤i≤j≤n，其中n為現(xiàn)在時態(tài)).(1)由基態(tài)開始檢索各索引差文件直到生成ti狀態(tài)信息.(2)顯示ti狀態(tài)信息.(3)根據(jù)ti差文件，擦除ti狀態(tài)有而ti+1狀態(tài)無的信息，顯示ti狀態(tài)無而ti+1狀態(tài)有的信息.(4)i+1→i.(5)當i＜j時，轉(3)；否則結束.
如果用上述算法來實現(xiàn)動態(tài)顯示時空過程，還有很多細節(jié)需要設計.首先，在(1)步驟，從基態(tài)開始，逐級逐步檢索，每檢索到一個狀態(tài)差文件，就需根據(jù)差文件來生成該狀態(tài)信息，直到ti狀態(tài)處；其次，在(3)中，需要用到動畫技術，擦除前一狀態(tài)信息實質為恢復該處顯示內容，而顯示后一狀態(tài)信息之前，需保存后一處信息內容，再予以顯示新狀態(tài)信息.
2.2 屬性數(shù)據(jù)庫中多媒體數(shù)據(jù)的應用
一般來說，多媒體數(shù)據(jù)主要應用于兩個方面：一個是簡單播放；另一個是對多媒體數(shù)據(jù)進行編輯和拮取.對于前者，只要使用MCI函數(shù)或API函數(shù)按屬性數(shù)據(jù)庫中其他屬性的要求進行播放；對于后者，這就要求程序員熟悉多媒體數(shù)據(jù)文件格式RIFF，根據(jù)多媒體數(shù)據(jù)的文件信息和數(shù)據(jù)流信息，通過調用多媒體文件輸入/輸出函數(shù)來實現(xiàn)多媒體的播放、編輯、拮取以及同步控制等操作.
3 多媒體技術在GIS中的應用前景
(1)實現(xiàn)資源信息的科學管理，提供信息服務.GIS一改為用戶管理提供單一的圖表、數(shù)據(jù)信息形式，而在管理空間信息的同時，對圖形、圖象、視頻、聲音、動畫等形式的信息進行管理和播放，大大增加了信息的表現(xiàn)能力.(2)家庭教育和個人娛樂.將多媒體和GIS溶于一身，會豐富教育、娛樂軟件的內容及表現(xiàn)手段.比如有關地理、歷史等課程的教學軟件和娛樂軟件的設計.(3)銷售和演示信息系統(tǒng).GIS和多媒體技術合為一體的這類系統(tǒng)會比以往的信息系統(tǒng)更具有表現(xiàn)力.比如房地產公司的銷售系統(tǒng)，既能表明所售住房的空間位置，又能從中檢索其住房環(huán)境及內部結構，而且可以動態(tài)地刪去當天已售出的房子，給出不同價格等；旅游導游系統(tǒng)，可以在為觀光游客制定導游路線時，就能對不同地方的景點產生身臨其境的感覺. 總之，將多媒體技術和GIS技術相結合，是計算機應用領域的一個發(fā)展方向，它會改變人們的工作、生活、思維方式，推動信息社會的前進.
參考文獻
1 張祖勛.時態(tài)GIS數(shù)據(jù)結構的研討.測繪通報，1996, (1): 19～21
2 楊學良.多媒體計算機技術及其應用.北京：電子工業(yè)出版社，1995.138～139
3 邊馥苓.地理信息系統(tǒng)管理和方法.北京：測繪出版社，1996.149
4 中國測繪學會地圖學與GIS專業(yè)委員會.地圖學與地理信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀與趨勢.測繪通報，1997, (6): 29～30
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