基于XML Schema的水利元數(shù)據(jù)可視化方法*

盛震宇，馮 鈞

(河海大學(xué)計(jì)算機(jī)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(guò)遙感手段獲得的數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)［1］，而且會(huì)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(zhǎng)［2］。利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水文信息的大范圍，全天候連續(xù)不斷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。水利部提出建設(shè)水利遙感中心，對(duì)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(chǔ)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(qiáng)機(jī)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(jiǎn)便舒適。從某個(gè)方面來(lái)說(shuō)，界面對(duì)于用戶而言就是整個(gè)軟件系統(tǒng)［4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)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(shí)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(kuò)大，開(kāi)發(fā)界面所耗費(fèi)的時(shí)間和成本也將成倍增加［6］。因此，高效地開(kāi)發(fā)可視化界面是提高軟件開(kāi)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?kù)信息，不能將界面生成和輸入驗(yàn)證集成到一起。同時(shí)，如果采用XML描述界面元素，方法過(guò)于靈活，缺乏統(tǒng)一的描述標(biāo)準(zhǔn)。

本文針對(duì)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(yǔ)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(yàn)證集成在一起。

1 XML Schema與遙感元數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

XML是可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(Extensible Markup Language)的簡(jiǎn)稱。它是國(guó)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(jiǎn)化形成的標(biāo)記語(yǔ)言［10］。它既具有強(qiáng)大的自我描述能力，又具有適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可擴(kuò)展性。DTD和XML Schema都是用來(lái)約束和規(guī)范XML文檔的，但是通常認(rèn)為XML Schema很快就會(huì)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?yàn)閄ML Schema針對(duì)將來(lái)的額外內(nèi)容是可擴(kuò)展的，其內(nèi)容比DTD豐富，作用也更大。XML Schema是以XML語(yǔ)言編寫(xiě)而成的，支持?jǐn)?shù)據(jù)類型，支持名稱空間(Namespaces)等［12］。它可以對(duì)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(shí)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(guó)地理信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，針對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)類型與應(yīng)用方向，運(yùn)用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)與數(shù)據(jù)字典，對(duì)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(kù)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(xiàng):描述信息、空間信息、數(shù)據(jù)源信息、生產(chǎn)過(guò)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(chǔ)，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(yǔ)言，形成一套規(guī)范的界面描述方式，并在規(guī)范的同時(shí)靈活地修改XML Schema元素。同時(shí)，由于XML Schema具有驗(yàn)證XML文檔的功能，以其作為界面描述語(yǔ)言可以很好的將界面生成及數(shù)據(jù)驗(yàn)證集成起來(lái)。

2 元數(shù)據(jù)可視化方法

2.1 水利元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

水利元數(shù)據(jù)分為3層:元數(shù)據(jù)子集、元數(shù)據(jù)實(shí)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(shí)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(shí)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(jí)，一級(jí)元數(shù)據(jù)是唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)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(shí)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(jí)元數(shù)據(jù)主要用于對(duì)外發(fā)布，服務(wù)對(duì)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(jí)元數(shù)據(jù)是一個(gè)相對(duì)較為完整的數(shù)據(jù)集，該級(jí)元數(shù)據(jù)將一級(jí)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(duì)象為專業(yè)人員，主要反映以測(cè)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(cè)區(qū)為最小描述單位。

2.2 XIC模型

本文針對(duì)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(jī)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(lái)描述，并通過(guò)分析用戶的界面需求來(lái)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(lái)描述，主要用來(lái)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(duì)數(shù)據(jù)的約束。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)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(wèn)題，需要考慮具體界面表示語(yǔ)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(lái)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(yàn)證并返回驗(yàn)證結(jié)果。

2.3 可視化界面的XML Schema描述

XML Schema對(duì)界面的描述主要分成3個(gè)部分:界面框架描述、數(shù)據(jù)對(duì)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(yǔ)言編寫(xiě)，HTML與XML語(yǔ)言都屬于標(biāo)記語(yǔ)言，它們的文檔對(duì)象模型都呈現(xiàn)樹(shù)狀，因此有一個(gè)很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在XML Schema中以根節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)的描述性節(jié)點(diǎn)，其中定義了系統(tǒng)信息。第1層子節(jié)點(diǎn)用來(lái)描述子系統(tǒng)信息，第2層子節(jié)點(diǎn)用來(lái)描述各可視界面的信息，第3層子節(jié)點(diǎn)用來(lái)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(qiáng)其可擴(kuò)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(gè)屬性用來(lái)對(duì)界面加以控制，其中包括對(duì)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(lái)定義文檔根元素，根元素里面嵌套基本元素、簡(jiǎn)單或復(fù)合類型。為了增強(qiáng)可視化界面描述的擴(kuò)展性，我們?cè)赬ML 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(yǔ)言語(yǔ)法一致，因此可以使用XPath或XQuery等查詢定位。

(2)數(shù)據(jù)對(duì)象描述

在界面展示的過(guò)程中存在用戶的交互，為了防止越界信息的錄入，我們對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象有專門的描述。XML Schema中Type屬性定義了這些數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)類型，包括基本類型和高級(jí)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(duì)象的信息。＜xs:restriction＞標(biāo)簽用來(lái)定義簡(jiǎn)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(xiàng)，其中的value屬性定義了值，id屬性作為其唯一標(biāo)識(shí)。＜xs:限定＞標(biāo)簽對(duì)簡(jiǎn)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(duì)界面控件進(jìn)行美化，即對(duì)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(yǔ)言中CSS的定義類似。除了用樣式屬性定義外，在界面節(jié)點(diǎn)中引入了模板屬性，該屬性的值為模板庫(kù)中的模板編號(hào)，控件的樣式也可以直接用模板中的定義方式來(lái)限定。樣式模板采用XML語(yǔ)言描述，將所有的描述文檔組織起來(lái)就成為了樣式模板庫(kù)。

2.4 可視化界面生成

當(dāng)對(duì)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(wèn)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(jì)了數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，因此其最終界面代碼為HTML語(yǔ)言。我們所設(shè)計(jì)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(yǔ)言。元數(shù)據(jù)可視界面與元數(shù)據(jù)XML的對(duì)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(diǎn)，然后按照深度優(yōu)先遍歷的順序訪問(wèn)其下每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，根據(jù)子節(jié)點(diǎn)的類型映射生成相應(yīng)的控件。在映射生成過(guò)程中，若訪問(wèn)到＜xs:element＞類型節(jié)點(diǎn)，則生成輸入框控件;若訪問(wèn)到＜xs:simpleType＞類型節(jié)點(diǎn)，則生成列表控件;若訪問(wèn)到＜xs:complexType＞類型節(jié)點(diǎn)，則生成表格控件。其中的幾個(gè)具體方法如下:

①增加一個(gè)界面元素的方法

②刪除一個(gè)界面元素的方法

③創(chuàng)建一個(gè)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(duì)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(duì)不同控件的不同屬性做了限制，它由XML語(yǔ)言編寫(xiě)，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(zhǎng)和寬，align定義了文本對(duì)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(diǎn)中模板屬性定義了界面中控件的模板編號(hào)，此時(shí)只要按照對(duì)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(dú)修改某些控件的樣式。

2.5 輸入驗(yàn)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?yàn)閄ML Schema可以直接驗(yàn)證XML文檔。我們對(duì)界面交互的數(shù)據(jù)均由XML文檔存儲(chǔ)，這樣就可以方便的用Schema去驗(yàn)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(xiě)的信息封裝成一個(gè)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(yàn)證，不需要再編寫(xiě)專門的驗(yàn)證程序。這樣就方便地實(shí)現(xiàn)了界面生成和數(shù)據(jù)驗(yàn)證的集成。

使用XML Schema作為界面描述語(yǔ)言的另一個(gè)好處就是便于界面的復(fù)用。因?yàn)樵谲浖到y(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(kāi)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(yǔ)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(lái)用于開(kāi)發(fā)。如圖4，我們將界面的框架文檔與樣式文檔分別建庫(kù)，在使用時(shí)，先去相應(yīng)的庫(kù)查詢有無(wú)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(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)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(yàn)證模塊、Schema文檔庫(kù)及界面模板庫(kù)。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(jì)出包含元數(shù)據(jù)子集、元數(shù)據(jù)實(shí)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(chǔ)在Schema文檔庫(kù)中。

XML Schema管理模塊主要用于對(duì)Schema文檔庫(kù)里面的Schema信息進(jìn)行增刪改查等，同時(shí)，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(shí)，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)用戶輸入的名稱或關(guān)鍵字利用XPath或XQuery查詢語(yǔ)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(lái)的Schema，然后根據(jù)其中的樣式信息到樣式模板庫(kù)中提取相應(yīng)的模板，對(duì)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(yàn)證模塊。

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

3.2 運(yùn)行實(shí)例

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

圖6 界面生成實(shí)例

圖7 界面驗(yàn)證實(shí)例

4 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)水利元數(shù)據(jù)做了設(shè)計(jì)，然后利用XML Schema作為可視界面描述語(yǔ)言，根據(jù)XIC模型實(shí)現(xiàn)界面的自動(dòng)生成，同時(shí)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(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)可視化并解決界面代碼的復(fù)用問(wèn)題。同時(shí)，由于以XML Schema作為界面描述語(yǔ)言，對(duì)于用戶通過(guò)界面輸入的數(shù)據(jù)也可以方便的進(jìn)行驗(yàn)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(shí)現(xiàn)可視界面生成技術(shù)的共享。

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