盛震宇，馮 鈞

(河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，南京211100)

遙感衛(wèi)星的發(fā)展和遙感影像分辨率的提高使得通過遙感手段獲得的數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增長［1］，而且會隨著衛(wèi)星技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展持續(xù)快速地增長［2］。利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對水文信息的大范圍，全天候連續(xù)不斷的動態(tài)監(jiān)測。水利部提出建設(shè)水利遙感中心，對涉水衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提高涉水衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的共享與利用率。由于遙感影像中的信息必須由專業(yè)軟件解析，需要為其建立元數(shù)據(jù)才便于管理者獲取信息［3］。元數(shù)據(jù)存儲于XML文檔中，缺乏統(tǒng)一的管理模式，所以需要一種元數(shù)據(jù)可視化方法，使得管理者直觀地利用友好的可視化界面增強機器與用戶的交互能力，以便更好地處理元數(shù)據(jù)及掌握水利信息，并使用戶的操作簡便舒適。從某個方面來說，界面對于用戶而言就是整個軟件系統(tǒng)［4］。據(jù)統(tǒng)計，在一個應(yīng)用程序中平均48%的代碼用于用戶界面，大約50%的執(zhí)行時間用于執(zhí)行用戶界面程序［5］。并且隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，開發(fā)界面所耗費的時間和成本也將成倍增加［6］。因此，高效地開發(fā)可視化界面是提高軟件開發(fā)效率的關(guān)鍵。

目前為止，可視化界面生成領(lǐng)域已經(jīng)有了一些研究，如文獻(xiàn)［6-9］。這些文獻(xiàn)所采用數(shù)據(jù)可視化方法均取得一定效果。但是，它們?nèi)狈邮綆煨畔?，不能將界面生成和輸入驗證集成到一起。同時，如果采用XML描述界面元素，方法過于靈活，缺乏統(tǒng)一的描述標(biāo)準(zhǔn)。

本文針對水利元數(shù)據(jù)的可視化需求提出了一種元數(shù)據(jù)可視化方法，以XML Schema作為可視界面描述語言，以XIC模型作為界面生成框架，能夠?qū)崿F(xiàn)界面元素的精確定位和布局，并將界面生成與輸入驗證集成在一起。

1 XML Schema與遙感元數(shù)據(jù)簡介

XML是可擴展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language)的簡稱。它是國際組織 W3C為適應(yīng)WWW的應(yīng)用將SGML(Standard Generalized Markup Language)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡化形成的標(biāo)記語言［10］。它既具有強大的自我描述能力，又具有適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可擴展性。DTD和XML Schema都是用來約束和規(guī)范XML文檔的，但是通常認(rèn)為XML Schema很快就會替代DTD在大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中被廣泛使用［11］。因為XML Schema針對將來的額外內(nèi)容是可擴展的，其內(nèi)容比DTD豐富，作用也更大。XML Schema是以XML語言編寫而成的，支持?jǐn)?shù)據(jù)類型，支持名稱空間(Namespaces)等［12］。它可以對XML數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的描述與約束。

遙感影像元數(shù)據(jù)用于描述數(shù)據(jù)集的內(nèi)容、質(zhì)量、表示方式、空間參考系、管理方式以及其他特征信息，是實現(xiàn)遙感影像的共享與應(yīng)用的關(guān)鍵［13-14］。本系統(tǒng)所采用遙感影像元數(shù)據(jù)體系是基于ISO19115地理信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，參考我國地理信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，針對遙感影像數(shù)據(jù)類型與應(yīng)用方向，運用統(tǒng)一建模語言(UML)與數(shù)據(jù)字典，對遙感影像元數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與元素進(jìn)行描述和定義，而形成的遙感影像數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)體系。在遙感影像元數(shù)據(jù)中主要分為5大項:描述信息、空間信息、數(shù)據(jù)源信息、生產(chǎn)過程信息、分發(fā)信息［15］。本文中的遙感元數(shù)據(jù)由XML文檔存儲，這是為了便于修改。

鑒于 XML Schema的優(yōu)越性，本文以 XML Schema作為遙感元數(shù)據(jù)可視界面描述語言，形成一套規(guī)范的界面描述方式，并在規(guī)范的同時靈活地修改XML Schema元素。同時，由于XML Schema具有驗證XML文檔的功能，以其作為界面描述語言可以很好的將界面生成及數(shù)據(jù)驗證集成起來。

2 元數(shù)據(jù)可視化方法

2.1 水利元數(shù)據(jù)設(shè)計

水利元數(shù)據(jù)分為3層:元數(shù)據(jù)子集、元數(shù)據(jù)實體和元數(shù)據(jù)元素。其中元數(shù)據(jù)元素是元數(shù)據(jù)的最基本單元，元數(shù)據(jù)實體是同類元數(shù)據(jù)的集合，元數(shù)據(jù)子集是相互關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)實體或元數(shù)據(jù)元素的集合。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了元數(shù)據(jù)又分為兩級，一級元數(shù)據(jù)是唯一標(biāo)識一個數(shù)據(jù)集(數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)集系列、要素和屬性)所需要最少的元數(shù)據(jù)實體和元素。其特征涉及數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)范圍、關(guān)鍵詞、單位與發(fā)行情況。該級元數(shù)據(jù)主要用于對外發(fā)布，服務(wù)對象為非專業(yè)人員，便于他們了解和檢索數(shù)據(jù)集，它描述的信息為一般數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)特征。二級元數(shù)據(jù)是一個相對較為完整的數(shù)據(jù)集，該級元數(shù)據(jù)將一級元數(shù)據(jù)中的元數(shù)據(jù)內(nèi)容做進(jìn)一步細(xì)化，服務(wù)對象為專業(yè)人員，主要反映以測區(qū)為單位的數(shù)據(jù)更新的基本信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息和空間數(shù)據(jù)表示信息。數(shù)據(jù)更新是指在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)更新業(yè)務(wù)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)集更新，反映數(shù)據(jù)集和元數(shù)據(jù)更新的歷史，是以測區(qū)為最小描述單位。

2.2 XIC模型

本文針對水利元數(shù)據(jù)可視化方法抽象出了XIC模型，X(XMLSchema)是元數(shù)據(jù)描述模型，I(Interface)是界面展示模型，C(Code)是界面在機器中的表示模型。圖1所示的是水利元數(shù)據(jù)可視化模型體系結(jié)構(gòu)。

圖1中，根據(jù)水利元數(shù)據(jù)的需求關(guān)系，將其分解成相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型、功能模型和界面模型。功能模型由功能需求所決定，通常使用UML類圖來描述，并通過分析用戶的界面需求來確定界面功能、界面框架、界面之間的關(guān)系以及界面與數(shù)據(jù)關(guān)系的需求。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)由功能模型與界面模型共同形成。界面數(shù)據(jù)描述抽象為數(shù)據(jù)模型，由數(shù)據(jù)流圖來描述，主要用來確定界面中的數(shù)據(jù)需求，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系以及界面對數(shù)據(jù)的約束。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對象由功能模型和數(shù)據(jù)模型共同形成。界面模型由界面模板表達(dá)描述，主要處理界面元素的可視化顯示和界面布局問題，需要考慮具體界面表示語言的特征，加以合適的描述。

圖1 XIC模型

元數(shù)據(jù)的可視化首先需要根據(jù)XIC模型確定元數(shù)據(jù)的XML Schema表述，然后根據(jù)可視化界面生成引擎來生成相應(yīng)的界面代碼，最后將界面代碼解析為可視界面。用戶在得到界面后便可以進(jìn)行輸入，輸入完成后還需要進(jìn)行輸入驗證并返回驗證結(jié)果。

2.3 可視化界面的XML Schema描述

XML Schema對界面的描述主要分成3個部分:界面框架描述、數(shù)據(jù)對象描述、控件樣式描述。

(1)界面框架描述

元數(shù)據(jù)的最終可視界面由HTML語言編寫，HTML與XML語言都屬于標(biāo)記語言，它們的文檔對象模型都呈現(xiàn)樹狀，因此有一個很好的對應(yīng)關(guān)系。在XML Schema中以根節(jié)點作為系統(tǒng)的描述性節(jié)點，其中定義了系統(tǒng)信息。第1層子節(jié)點用來描述子系統(tǒng)信息，第2層子節(jié)點用來描述各可視界面的信息，第3層子節(jié)點用來描述界面信息。XML Schema支持自定義屬性，所以用戶可以定義一些特殊的界面屬性，增強其可擴展性。XML Schema所描述的系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

XML Schema中設(shè)置了多個屬性用來對界面加以控制，其中包括對內(nèi)容及顯示形式的控制。Version屬性描述版本聲明，Encoding屬性描述字符編碼格式。＜xs:schema＞標(biāo)簽用來定義文檔根元素，根元素里面嵌套基本元素、簡單或復(fù)合類型。為了增強可視化界面描述的擴展性，我們在XML Schema文檔中自定義了一些元素，例如:xmlns:title屬性用于描述文檔名;xmlns:keywords屬性描述關(guān)鍵詞;xmlns:annotation屬性描述文檔注釋;xmlns:pattern屬性描述了引用模板樣式等。文檔所用的XML Schema與XML語言語法一致，因此可以使用XPath或XQuery等查詢定位。

(2)數(shù)據(jù)對象描述

在界面展示的過程中存在用戶的交互，為了防止越界信息的錄入，我們對數(shù)據(jù)對象有專門的描述。XML Schema中Type屬性定義了這些數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)類型，包括基本類型和高級類型等。如枚舉類型由＜xs:simpleType＞標(biāo)簽定義。如下所示:

＜xs:simpleType＞標(biāo)簽定義了枚舉類型數(shù)據(jù)對象的信息。＜xs:restriction＞標(biāo)簽用來定義簡單類型值的類型，base屬性定義了類型。＜xs:enumeration＞標(biāo)簽定義了枚舉項，其中的value屬性定義了值，id屬性作為其唯一標(biāo)識。＜xs:限定＞標(biāo)簽對簡單類型做了限定，value屬性具體描述了限定形式。一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型也可以由＜xs:complexType＞標(biāo)簽定義，其基本格式與框架定義相似。其中＜xs:sequence＞標(biāo)簽定義了該類型中元素出現(xiàn)的順序。

(3)控件樣式描述

為了使可視化效果更好，還需要對界面控件進(jìn)行美化，即對控件樣式加以描述?？丶臉邮接勺远x屬性styledefine:style定義，該屬性描述格式與HTML語言中CSS的定義類似。除了用樣式屬性定義外，在界面節(jié)點中引入了模板屬性，該屬性的值為模板庫中的模板編號，控件的樣式也可以直接用模板中的定義方式來限定。樣式模板采用XML語言描述，將所有的描述文檔組織起來就成為了樣式模板庫。

2.4 可視化界面生成

當(dāng)對水利元數(shù)據(jù)用XML Schema描述后，就可以根據(jù)可視化界面生成引擎生成相應(yīng)界面的代碼，最后由相應(yīng)的代碼編譯器就可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)界面。所以我們的核心問題是如何生成界面代碼。由于水利部中采用B/S架構(gòu)設(shè)計了數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，因此其最終界面代碼為HTML語言。我們所設(shè)計的方案適用于將XML Schema轉(zhuǎn)換為HTML，當(dāng)然也可以是其他同類型的標(biāo)記語言。元數(shù)據(jù)可視界面與元數(shù)據(jù)XML的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 元數(shù)據(jù)可視界面與元數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)換關(guān)系

(1)界面框架及控件的生成流程

系統(tǒng)第一步讀取XML Schema文件，定位到待生成界面的根節(jié)點，然后按照深度優(yōu)先遍歷的順序訪問其下每一個子節(jié)點，根據(jù)子節(jié)點的類型映射生成相應(yīng)的控件。在映射生成過程中，若訪問到＜xs:element＞類型節(jié)點，則生成輸入框控件;若訪問到＜xs:simpleType＞類型節(jié)點，則生成列表控件;若訪問到＜xs:complexType＞類型節(jié)點，則生成表格控件。其中的幾個具體方法如下:

①增加一個界面元素的方法

②刪除一個界面元素的方法

③創(chuàng)建一個界面元素的方法

(2)控件樣式設(shè)置

界面框架及控件生成后，就需要對界面和控件樣式按照樣式需求做處理。我們采用模板描述界面元素的樣式屬性，里面對不同控件的不同屬性做了限制，它由XML語言編寫，一份模板定義如下:

模板中的元素定義方式與CSS類似，patten標(biāo)簽下的第一層子元素定義了各種控件的樣式，其中的屬性length、width定義了該控件的長和寬，align定義了文本對齊方式。font標(biāo)簽定義了字體的屬性，color定義了字體的顏色，size定義了大小、face定義了字體等。在界面節(jié)點中模板屬性定義了界面中控件的模板編號，此時只要按照對應(yīng)模板中的定義修改控件的樣式即可。為了使界面生成更加靈活，在XML Schema中也加入了style屬性用于直接描述控件的樣式。若既引用了模板，又定義了style屬性，則先按模板樣式設(shè)置各控件的屬性，再按照style屬性單獨修改某些控件的樣式。

2.5 輸入驗證與文檔復(fù)用

之所以使用XML Schema作為可視界面描述模板，是因為XML Schema可以直接驗證XML文檔。我們對界面交互的數(shù)據(jù)均由XML文檔存儲，這樣就可以方便的用Schema去驗證。具體方法如下:當(dāng)界面生成后，用戶在界面上輸入信息，然后由系統(tǒng)根據(jù)生成該界面的XML Schema的格式將用戶填寫的信息封裝成一個XML文檔。這樣所產(chǎn)生的XML文檔的結(jié)構(gòu)與生成界面的 Schema結(jié)構(gòu)一致，可以用XML Schema直接進(jìn)行驗證，不需要再編寫專門的驗證程序。這樣就方便地實現(xiàn)了界面生成和數(shù)據(jù)驗證的集成。

使用XML Schema作為界面描述語言的另一個好處就是便于界面的復(fù)用。因為在軟件系統(tǒng)中很多情況下的代碼是相似甚至相同的，所以復(fù)用技術(shù)一直是軟件開發(fā)的關(guān)鍵，這里的復(fù)用當(dāng)然也包括了界面代碼的復(fù)用。XML Schema可以采用XML的查詢語言XPath、XQuery等，快速的定位相同或相似的代碼段，并將它們提取出來用于開發(fā)。如圖4，我們將界面的框架文檔與樣式文檔分別建庫，在使用時，先去相應(yīng)的庫查詢有無可利用的文檔或文檔片段，如果有就可以直接利用;否則再建立新的文檔。這樣就可以大大提高可視化效率。

圖4 界面復(fù)用

3 可視化方法的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于XML Schema的水利元數(shù)據(jù)可視化界面生成系統(tǒng)主要包括應(yīng)用業(yè)務(wù)解析模塊、XML Schema生成模塊、Schema管理模塊、可視界面生成模塊、數(shù)據(jù)驗證模塊、Schema文檔庫及界面模板庫。系統(tǒng)各模塊間的連接方式如圖5所示。首先，我們需要根據(jù)遙感影像的需求設(shè)計出包含元數(shù)據(jù)子集、元數(shù)據(jù)實體和元數(shù)據(jù)元素的元數(shù)據(jù)文檔。然后將元數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)換為可視界面的XML Schema，再由Schema轉(zhuǎn)換為可視界面代碼。各模塊作用如下:

圖5 元數(shù)據(jù)可視界面生成系統(tǒng)

應(yīng)用業(yè)務(wù)解析模塊主要是根據(jù)用戶需求，按照XIC模型建立相應(yīng)的水利元數(shù)據(jù)描述模型，再由XML Schema生成模塊生成相應(yīng)的Schema文檔并存儲在Schema文檔庫中。

XML Schema管理模塊主要用于對Schema文檔庫里面的Schema信息進(jìn)行增刪改查等，同時，它負(fù)責(zé)根據(jù)界面生成需求提供相應(yīng)的Schema文檔。查詢XML Schema時，系統(tǒng)將會根據(jù)用戶輸入的名稱或關(guān)鍵字利用XPath或XQuery查詢語句進(jìn)行查詢，方便地定位到XML Schema文檔或片段。

可視界面生成模塊接收從Schema管理模塊傳送來的Schema，然后根據(jù)其中的樣式信息到樣式模板庫中提取相應(yīng)的模板，對HTML代碼進(jìn)行完善，最終生成完整的可視界面(界面代碼)。在界面與用戶交互后，將用戶輸入信息與界面信息一同發(fā)送給驗證模塊。

數(shù)據(jù)驗證模塊將界面的填寫信息根據(jù)其XML Schema的結(jié)構(gòu)生成一份XML文檔并驗證，將驗證結(jié)果顯示在界面上，返回給用戶。

3.2 運行實例

利用本文所述方法實現(xiàn)的元數(shù)據(jù)管理界面實例如圖6所示，輸入驗證實例如圖7所示。

圖6 界面生成實例

圖7 界面驗證實例

4 結(jié)束語

本文所提出的基于XML Schema的水利元數(shù)據(jù)可視化方法，首先對水利元數(shù)據(jù)做了設(shè)計，然后利用XML Schema作為可視界面描述語言，根據(jù)XIC模型實現(xiàn)界面的自動生成，同時提出了相應(yīng)的界面生成算法。本文的這種方法可以較為規(guī)范的實現(xiàn)元數(shù)據(jù)可視化并解決界面代碼的復(fù)用問題。同時，由于以XML Schema作為界面描述語言，對于用戶通過界面輸入的數(shù)據(jù)也可以方便的進(jìn)行驗證。下一步的研究工作將是把Web服務(wù)組合技術(shù)引入到本文所提出的方法中，提供適當(dāng)?shù)慕涌诮o其他系統(tǒng)，實現(xiàn)可視界面生成技術(shù)的共享。

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