淺析多媒體技術在地理資訊系統中的運用

摘 要：將多媒體技術應用於地理資訊系統中的關鍵問題是：如何有效地管理多媒體資料和空間資料；其次，在區域分析過程中，怎樣實現多媒體播放功能.指出用擴充的關係資料模型作為多媒體資料模型較適宜；多媒體功能的實現則取決於多媒體資料的格式是否為RIFF格式以及對多媒體資料的應用要求.最後展示了多媒體技術在地理資訊系統中的應用前景.

關鍵詞：多媒體技術，地理資訊系統，空間資料，屬性資料，區域分析，資料模型.

現今由於多媒體技術的迅速崛起和高速發展，越來越多的應用軟體都大量使用了多媒體技術.如果將多媒體技術應用於地理資訊系統(geographic information system，簡稱GIS)軟體中，勢必大大增強GIS資訊的表現能力，擴大GIS的應用領域.那麼怎樣將多媒體技術應用於GIS軟體中呢我們認為應從兩方面來設計：其一是怎樣將多媒體資料溶於GIS資料庫中，並保證提供GIS軟體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 多媒體資料的有效管理

通常，應用軟體中的多媒體資料有兩種生成方式：一種是媒體播放之前，將其數字化到資料庫當中，播放時從資料庫中取資料；另一種是播放時，邊生成邊播放.而GIS軟體中的資料庫又分為空間資料庫和屬性資料庫，即我們可根據媒體資料的特性或應用軟體的要求將多媒體資料分別溶於空間資料庫和屬性資料庫中.

1.1 GIS資料庫中多媒體資料的管理

1.1.1 GIS空間資料庫中多媒體資料的管理 目前，多數GIS應用軟體所能描述的空間目標都是靜態的，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GIS(temporal GIS).時態GIS的組織核心是時空資料庫，即設計一個合理的時空資料模型是建立時態GIS的關鍵所在.雖然目前還沒有較成熟的能支援時態GIS產品的時空資料模型，一但時空資料模型的研究有所突破，不僅能解決時態GIS的應用問題，還將解決空間資料庫中動畫資料的管理問題，即可通過使用動畫技術來實現在螢幕上動態播放時空過程.如動態顯示衛星雲圖的變化情況、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.

有關時空資料模型，張祖勳［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域中每個狀態的全部資訊，而只存貯某個時間的資料狀態(稱為基態)以及相對於基態或鄰近狀態的變化量.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資料.

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變化量的差檔案.

關於建索引的問題，筆者認為：基態，亦a,b,c,d分別表示時態GIS的4個時期；T.時間軸；t0,t1,…,tn分別表示 時態在GIS某個時期的n+1個時態，其中tn為基態，即“現在”時態 一次資料狀態——“現在”時態總是變化的，每產生一個新的現在時態，就應生成一個現在時態與前一次時態的差檔案，同時根據現在時態所處的時間位置來決定是否產生新的索引差檔案.以四叉樹為例，如圖1所示，當n為2i(i=2,3,…)的整數倍時，就需產生tn-2i～tn的索引差檔案.相應地為了減少索引差檔案所佔的存貯空間，而又不影響對任一時態的檢索速度，可將tn-2i+1～tn-2i的索引差檔案刪掉，所刪的索引名檔案個數正好比新建的索引差檔案個數少一個.

關於差檔案，筆者認為在設計中應考慮如下幾個因素.(1)由於差檔案是通過對兩個時態的目標資訊進行異或而產生的，這意味著差檔案包含有兩類目標資訊：一類是前一時態有而後一時態無的目標資訊；另一類是前一時態無而後一時態有的目標資訊.為了能根據差檔案快速、連續地由一個狀態到過去另一狀態或最近另一狀態進行檢索，應在差檔案中將這兩類目標資訊予以標識區分.(2)兩個狀態之間目標變化應是有對應關係的，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)，以及目標空間資訊無變化，屬性資訊有變化；目標區域性空間資訊有變化等.為了能進行快速檢索，在差檔案中應將兩類各目標之間的對應關係予以標明，當然，這會增加差檔案生成過程的複雜性.(3)和所有地圖資料庫模型類似，差檔案也由空間資訊、屬性資訊和關係資訊組成，差檔案中應將每個目標這3種資訊之間的關係予以標明.

1.1.2 GIS屬性資料庫中多媒體資料的管理 有些GIS的應用中，認為多媒體資料是一種特殊的專題屬性資料.怎樣選擇多媒體資料的資料模型，使得既能遵循其自身特點，又能有效地建立起它與空間資料的聯絡，是多媒體技術在GIS應用中的關鍵所在.

目前，多數GIS屬性資料庫使用的是關係模型.為能將關係模型應用於多媒體資料管理系統中，就必須對現有的關係模型進行擴充，使它不但能處理格式化資料，也能處理非格式化資料.楊學良［2］就這個問題提出了3種技術策略：將多媒體資料檔名作為關係中元組某列(或屬性)；將每個元組作為一個完整檔案儲存；元組中存貯格式化資料以及非格式化資料的引用項，而非格式化資料單獨存貯.

對比這3種技術策略，第一種技術策略方法簡單、容易實現，適宜於對多媒體資料進行播放.第二、三種技術策略雖然能夠實現併發控制和恢復，以及實現對多媒體資料進行編輯和拮取的應用，但由於此兩種技術策略將每個元組所對應的空間目標的專業屬性和多媒體屬性混在一起，這既增大了應用程式設計的複雜性，又不利於那些只需使用空間目標的專業屬性的一些應用的實現.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，用於存放多媒體資料的檔案資訊和資料流資訊，當我們需要對多媒體資料檔案進行特殊應用時，可根據檔案資訊和資料流資訊對多媒體資料檔案進行操作.

1.2 GIS區域分析中多媒體資料的生成

多媒體資料生成的另一種方式是在GIS應用中，邊統計、分析運算，邊生成結果資料——多媒體資料.

1.2.1 空間分析中多媒體資料的生成 空間分析是一組分析結果依賴於所分析物件的位置資訊科技［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資訊.空間分析主要有：地形分析、疊加分析、緩衝區分析和網路分析等.

為了能更清楚地表示上述一些空間分析的結果，我們可用虛擬現實技術來實現.所謂虛擬現實［4］是一種由計算機生成的高階人機互動系統，即構成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺、嗅覺的可感知環境，使用者通過專門的裝置可在這個環境中實現觀察、觸控、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路分析得到的空間效果，使用者可用互動操作的方式來控制自己與觀察物件的角度、距離以及光照等，使觀察物件隨使用者的操作而動態旋轉.此時以動畫形式顯示的媒體資料隨使用者的操作產生並顯示.

1.2.2 統計分析中多媒體資料的生成 統計分析就是用數理統計方法開展區域分析.數理統計方法主要有：統計特徵值、研究兩種或多種地理現象之間的相關分析，通過一組實際觀測資料分析系統變數之間因果關係的迴歸分析，以及主成分分析等.

為了更加形象化，我們可以將數理統計結果以直方圖、曲線、曲面或區劃圖表示，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，以增加系統的感染力，而表現這些現象的媒體資料是在統計分析之後由系統自動生成並播放的.

2 GIS應用系統中多媒體功能的實現

在GIS應用軟體中進行多媒體功能實現，首先是受GIS應用軟體自身開發平臺的限制.多數情況下，GIS應用軟體的多媒體開發平臺宜選擇程式語言，如VC++，VB或BC++等，以利於和GIS應用軟體相結合.一旦多媒體開發環境確定下來，那麼怎樣實現區域分析中多媒體功能

2.1 空間資料庫中多媒體資料的播放

由前所述，空間資料庫中存貯的多是各期間的時空資料，這些資料的結構與MCI所能接受的多媒體檔案格式RIFF(resource interchange file format)不同，所以應用程式不能直接呼叫MCI函式和API函式，必須根據時態GIS的空間資料庫結構，設計一個相應的動畫播放程式來實現動態顯示功能.

下面簡述動態顯示時態GIS中ti～tj狀態的演算法步驟(0≤i≤j≤n，其中n為現在時態).(1)由基態開始檢索各索引差檔案直到生成ti狀態資訊.(2)顯示ti狀態資訊.(3)根據ti差檔案，擦除ti狀態有而ti+1狀態無的資訊，顯示ti狀態無而ti+1狀態有的資訊.(4)i+1→i.(5)當i＜j時，轉(3)；否則結束.

如果用上述演算法來實現動態顯示時空過程，還有很多細節需要設計.首先，在(1)步驟，從基態開始，逐級逐步檢索，每檢索到一個狀態差檔案，就需根據差檔案來生成該狀態資訊，直到ti狀態處；其次，在(3)中，需要用到動畫技術，擦除前一狀態資訊實質為恢復該處顯示內容，而顯示後一狀態資訊之前，需儲存後一處資訊內容，再予以顯示新狀態資訊.

2.2 屬性資料庫中多媒體資料的應用

一般來說，多媒體資料主要應用於兩個方面：一個是簡單播放；另一個是對多媒體資料進行編輯和拮取.對於前者，只要使用MCI函式或API函式按屬性資料庫中其他屬性的要求進行播放；對於後者，這就要求程式設計師熟悉多媒體資料檔案格式RIFF，根據多媒體資料的檔案資訊和資料流資訊，通過呼叫多媒體檔案輸入/輸出函式來實現多媒體的播放、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)實現資源資訊的科學管理，提供資訊服務一改為使用者管理提供單一的圖表、資料資訊形式，而在管理空間資訊的同時，對圖形、圖象、視訊、聲音、動畫等形式的資訊進行管理和播放，大大增加了資訊的表現能力.(2)家庭教育和個人娛樂.將多媒體和GIS溶於一身，會豐富教育、娛樂軟體的內容及表現手段.比如有關地理、歷史等課程的教學軟體和娛樂軟體的設計.(3)銷售和演示資訊系統和多媒體技術合為一體的這類系統會比以往的資訊系統更具有表現力.比如房地產公司的銷售系統，既能表明所售住房的空間位置，又能從中檢索其住房環境及內部結構，而且可以動態地刪去當天已售出的房子，給出不同價格等；旅遊導遊系統，可以在為觀光遊客制定導遊路線時，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展方向，它會改變人們的工作、生活、思維方式，推動資訊社會的前進.

參考文獻

1 張祖勳.時態GIS資料結構的研討.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：電子工業出版社，1995.138～139

3 邊馥苓.地理資訊系統管理和方法.北京：測繪出版社，1996.149

4 中國測繪學會地圖學與GIS專業委員會.地圖學與地理資訊系統的現狀與趨勢.測繪通報，1997, (6): 29～30