基于数字地球框架的百科知识展示平台的
基于数字地球框架的百科知识展示平台的
设计与实现
许允飞1张珏2翁敬农1林霞红2
1北京航空航天大学计算机学院
北京 100191
erkofs@https://www.wendangku.net/doc/0b17459918.html,
2北京航空航天大学软件学院
北京 100191
摘要：基于数字地球框架的百科知识展示方式在应用上相较与一般的展示方式有着一些独特的优势，它可以利用地理范围的概念来组织知识条目，使用户在时间和空间的变换中理解和掌握知识条目所传达的信息。另外，它基于网络，用户可以很便捷的获取数据，同时，当知识条目有所更时，用户也可及时同步。本文设计了一种基于数字地球框架的百科知识展示平台，并以中央电视台拍摄的《大国崛起》记录片为素材，实现了一个交互式百科知识软件。关键字：数字地球、百科知识、交互技术
1.引言
1.1百科知识展示方式的发展过程
信息和知识展示方式的变化源于电子技术和网络的快速发展，它影响并改变人们获取信息与知识的习惯。从知识展示方式的发展来看，交互性的增加可以促进人们对所获取知识的理解，提高对知识的接纳程度，百科全书展示方式的发展即是一个生动的例子：最初的百科全书通过纸质媒介进行知识的展示，受限于当时的技术条件，纸质的百科全书几乎没有交互性。随着多媒体技术的发展，百科全书能够结合声音和图像，给人们带来感官上的触动，以此获取和理解知识。这一阶段的百科全书相较于古老的纸质百科全书，所传达和展现的知识的丰富程序不可同日而语，但它仍然缺乏交互性。随后，出现了基于web的线上百科全书，它的特点是通过超链接和引用将知识结构组织起来，使用者通过这种极其方便的交互方式可以各种条目年表中穿梭往来，随意点阅。但web浏览方式在展现复杂动画场景（比如三维场景）上有着很大的局限性。针对这个问题，交互软件式百科全书被开发出来，它既有着传统多媒体的表现方式，又有着web的优良交互性，是百科知识展示方式发展的一次跨越。
1.2百科知识与数字地球软件相结合的优势
基于数字地球框架的百科知识展示方式是在交互软件式百科知识展示方式上的一种探索。将百科知识和数字地球组织在一起实际上是地理信息和百科知识之间的绑定，在展示百科知识的同时直观的表现出这个知识条目所相关的地理信息，而地理信息存在着区域范围的
概念，在这个区域范围内可以关联到其他的知识条目，这样可以将一系列在地理信息上有联系的知识条目链接起来，形成一种新的知识聚集方式。这种百科知识与地理信息相结合的展示方式尤其适合人文，历史，政治方面的知识条目的展示。
在数字地球框架下展现百科知识，用户可以随着时间和空间的变化来直观的领会某个知识条目的要点，比如在数字地球上展示美国各州加入联邦的时间，可以随着时间轴的移动而变换美国版图的图层（如图1）。
图 1随时间和空间的变化展示知识条目
数字地球软件具有网络更新数据的功能，同样的，基于数字地球框架的百科知识展示也继承了这一特点。通过网络，用户可以获取最新修改过的知识条目，而无需更多的花费。此外，网络也提供了其他一些常用的功能，如通过web进行某个知识条目的扩展搜索，用户自行更新上传某个知识条目，并可以与其他用户共享。
1.3交互式百科知识软件—大国崛起
《大国崛起》是2006年中央电视台经济频道（CCTV-2）首播的一部12集电视纪录片，它记录了葡萄牙、西班牙、荷兰、英国、法国、德国、俄国、日本、美国九个世界级大国相继崛起的过程，并总结大国崛起的规律。这是中国中央电视台第一部以世界性大国的强国历史为题材并跨国摄制的大型电视纪录片。我们以这部记录片为基本素材制作了一个同名的交互式百科软件。下面的内容将详细的阐述“大国崛起”的架构设计和主要技术的实现方法。
2.系统架构的设计
“大国崛起”以“中国之星”SDK作为构建基础。“中国之星”SDK是海量多源空间信息快速可视化平台“中国之星”的二次开发工具包，它支持用户自定义功能，可以满足不同领域快速增长的应用需求，能够快速高效的开发出三维数字地球可视化系统。以其为基础的“大国崛起”，结合多媒体视屏和音乐来展示这九个大国在崛起过程中发生的重要历史事件，以flash技术加强交互的趣味性，以空间运动对象来表现重要历史事件中的空间位置变化，通过网络自动搜集知识条目来丰富知识内容，突出了先进性，提高了交互性，增强了知识性，添加了趣味性。
在系统架构上，“大国崛起”采用了C/S结构：客户端用于展示知识条目及数字地球所
需的基础地理数据，服务器端则用来处理客户端发送的请求，并抓取网络资源以充实知识库。
2.1客户端的组成及其功能
“大国崛起”客户端是以数字地球平台“中国之星”为基础框架，以多媒体，flash，空间运动对象为知识展示手段（如图2）。“中国之星”平台主要用于加载基础地理数据，包括卫星遥感数据、航拍数据、地形数据、矢量数据等。这些基础地理数据使百科知识条目的展现有了地理信息上的联系，“大国崛起”专题中主要展示国家信息，在数字地球平台上展示国家地理位置，行政区划，国家之间的位置关系等信息非常地自然和直观。除此之外，“中国之星”平台还负责处理用户操作，实现如视野控制，地理位置搜索，自动空间漫游等功能，这些功能提升了交互性，使用户在获取知识的同时感受到在三维空间畅游的乐趣。
图 2“大国崛起”客户端的组成
在知识条目的展示上，“大国崛起”采用了多种技术。最基础的展示技术有三种：多媒体音画，flash交互和空间运动对象技术。“大国崛起”中介绍了历史上九个大国的发展历程，纪录片视屏是展现其中重要历史事件的一个很好的方式。当用户点击某个历史事件的图标时，程序就会弹出其相应的文字介绍，同时会播放相关的纪录片视屏（如图3），视屏的信息量相较于文字和图片要大得多，用户通过这种方式，可以深刻的感触到那段历史的风起云涌。
图 3“大国崛起”中的多媒体视屏展示
为了使用户能在掌握知识的同时获得趣味性，“大国崛起”特别加入了flash趣味知识问答这一交互手段。用户观看完某个国家的崛起历程后，可以通过趣味知识问答这一类似小游戏的功能来强化自己对刚刚接受的新知识的记忆（如图4），在这一部分，我们设置了奖惩措施：用户在浏览国家知识条目时是分国家进行浏览的，当浏览完某个国家的知识条目时，必须正确回答趣味知识问答中的题目才能进行下一个国家的知识条目的浏览，当然，趣味知识问答的题目都很简单，任何认真浏览过相关知识条目的用户都能轻松应对。
图 4在Window Form下加载Flash
“大国崛起”中会展现一些与空间位置变化相关的知识条目，如展现哥伦布发现美洲的航线，或者德国入侵苏联的进军路线，这种知识条目很适合在数字地球框架下进行展示，结合空间运动对象技术，“大国崛起”能够对其更加直观的进行展现。当用户浏览含有空间运动信息的知识条目时，程序会加载相应主题的三维模型，在三维模型进行空间移动的同时显示文字和视屏的介绍，并且在三维数字地球上显示模型行进的路线（如图5）。空间运动对象技术在“大国崛起”中起到了很好的辅助展示作用，提升了交互性，也使知识条目的展示更加有趣。
图 5空间运动对象技术在“大国崛起”中的运用
2.2服务器端的组成及其功能
“大国崛起”服务器端主要由三部分组成，各个部分实现不同的功能：基础地图数据传输模块主要用于解析客户端消息，传送相应的地图数据；知识条目生成部分则自动抓取网络资源，按照固定的格式进行组织；Web发布部分则将组织完成的知识条目生成成网页，通过tomcat容器进行发布（如图6）。
图 6 “大国崛起”服务器端的组成
“中国之星”数字地球平台使用运用wms协议传输基础地理数据。WMS协议是由OGC （开放地理信息系统协会）提出的网络地图服务器开发规范中的一部分，它能够根据客户端的请求发送相应位置的地图图像。“大国崛起”的服务器端以“中国之星”数字地球平台为框架，同样以WMS协议进行地图图像的传输，客户端根据用户的操作发送基于wms协议的消息至服务器端，服务器端则对消息进行解析，再将相应的地图数据如遥感影像数据、航拍数据发送至客户端。
“大国崛起”的一个特色功能就是自动从网络资源中抓取知识信息组成知识条目。这些信息来源一般选取信息较为权威的网站，如维基百科等。抓取程序会按照“大国崛起”中定义的抓取格式分析目标网站，将需要的信息取回，并存储在数据库中。同时，抓取程序生成完成了一个知识条目后，会自动将知识条目的基本信息推送至客户端，客户端则显示出这个知识条目的图标，以便用户浏览。
在抓取程序完成抓取后，服务器端会将抓取程序生成的知识条目组织成为网页形式。“大国崛起”中采用Tomcat作为Web容器，结合jsp进行知识条目的发布，当用户点击某个知识条目进行浏览时，实际上是向服务器端请求了相应知识条目的url，服务器端接收到请求后，通过http协议响应请求，返回相应的介绍网页以供用户浏览。
3.关键技术的实现
3.1数字地球框架的实现
“大国崛起”基于“中国之星”平台为基础，实际上是以“中国之星”SDK进行的二次开发。“中国之星”SDK是为满足不同领域快速增长的应用需求而开发的一个开放式二次开发包，它支持用户自定义功能，能够快速高效的开发三维GIS可视化系统（如图7）。
图 7以中国之星SDK为可视化引擎构建三维数字地球系统
在“大国崛起”的开发中用到SDK的绝大部分功能，是对“中国之星”SDK可用性的一次良好检验。“大国崛起”中的主要视图操作和地理信息的展示都依靠SDK的功能支撑，基于SDK中的通用核心开发框架，可以方便的构建出“大国崛起”的三维可视化引擎，再围绕着这个引擎构建出一系列功能组件，这样，就构建出了“大国崛起”的基础数字地球框架。
3.2展示技术的实现方法
前面已经介绍过，“大国崛起”中主要运用了三种技术来展示知识条目，多媒体音画用来展示历史事件的记录片视屏；flash技术用来提高程序的交互性与趣味性；空间运动对象技术用于展示有时空变化信息的知识条目。为了使表现方式更加符合大众用户的习惯，“大国崛起”中的多媒体展示以web网页为框架，这样可以使用户界面相较于Windows Formsuo 所构成的界面更灵活、更美观。在web网页中调用JavaScript脚本，可以实现动态菜单的效果：一条知识条目有若干子项，它们表现在web网页上均为一条栏目，为了节省空间，一般情况下这些栏目是关闭的，用户只能看到一条标题。当用户要详细阅览某一条目时，只需将鼠标移动到此栏目，这时栏目会自动张开展现其详细内容。为了实现在网页上内嵌视屏，同时节省存储空间并提高加载速度，视屏被压缩成swf格式，使用Adobe Flash Player进行播放，用户可以自由的选择暂停、继续、控制播放进度。
“大国崛起”的程序框架使用.net的Windows Form搭建，在Windows Form上添加flash 不像在网页中添加flash那样简单，需要用到第三方控件。我们选用了ShockwaveFlashObjects 控件用于加载flash，这个控件使用起来很方便，只需在Form内定义FlashContainer容器，并将制作好的flash添加到这个容器中既可。
空间运动对象技术是三维场景模拟中重要的组成部分，在虚拟现实等很多领域都有广泛应用，它的基本功能式控制模型在三维场景中进行运动，并在运动过程中触发一定的事件。在“大国崛起”中，我们使用空间运动对象技术来模拟有空间位置变换的历史事件，模型的运动路线和运动中的事件是通过自定义脚本来实现的：在脚本中定义路线的各个关键点和到达时间，并在各个关键点中插入事件触发器，当模型到达关键点时，对应的事件即开始执行。
3.3抓取网络资源生成知识条目
“大国崛起”中的各个国家相关的知识条目都是通过服务器端程序自动抓取组织而成，抓取的主要对象是维基百科网站。服务器端放出爬虫程序，通过已定义的国家名和历史事件关键字到维基百科网站上抓取相应信息。抓取所得的知识条目资源主要包括三个部分，分别是文字、视屏、音频。文字资源按照网页模板进行套用，视屏资源则调用视屏格式软件转换为swf后再加载至相应的网页中，音频资源与视屏资源的处理方法相同，压缩成midi格式以节省空间后加载至网页中。
3.4服务器对客户端的响应方式
在“大国崛起”中，服务器端抓取信息生成的网页实际上是jsp页面，需要通过web容
器进行转译生成html代码。“大国崛起”使用tomcat作为web容器，同时，发布页面的功能也由tomcat负责实现。当一个页面生成后，服务端程序会根据这个页面的所属的国家名及其历史事件赋予一个唯一的url，并将这个url推送给所有的客户端，在客户端界面上就会显示出新的标示，用户点击这个标示既是请求这个页面，此时，tomcat容器就将这个被请求的jsp页面转移至html并用http协议发送至客户端，在客户端上为用户呈现（如图）。
图 8服务器端对客户端的响应方式
4.总结
计算机技术的发展不断地促进着百科知识展示方式的发展，在可预见的未来，体感交互技术，下一代移动互联网技术，裸眼3D展示技术都将革新百科知识展示的方式，给人们带来全新的感受。
“大国崛起”交互式百科软件仍存在很多需要改进的地方。现有的服务器先更新知识条目再告知客户端的同步方式过于原始，下一步计划用现有地理信息服务普遍使用的mushup 技术进行改进。同时，现有的多媒体音画展示的品质还不够高，这受限于压缩后的视屏和音频质量，如果通过建立流媒体服务器进行高品质视屏音频的点播服务将会大大提升多媒体音画的展示效果。
参考文献
[1]WENG JingNong, W ANG YingJie, CAI Heng, Constructing a core framework of visual
engine for Digital Earth system, Science in China: Series E Technological Sciences, 53(Suppl
I), 38-43.
[2]Yingjie Wang, Jingnong Weng, On constructing the Earth framework model, The 18th
International Conference on Geoinformatics (Geoinformatics 2010).
[3]WENG JingNong, WU Lun, HUANG Jian, XIA YuBin and CAI Heng. Efficient visualization
techniques for high resolution remotely sensed data in a net-work environment.[J] Science in China Series E 2008 51 (zkI): 124-134.
[4]Jingnong Weng, Yang Wang, Services Oriented Management of Spatial Moving Objects,
The 18th International Conference on Geoinformatics (Geoinformatics 2010).
[5]Jue Zhang, Jingnong Weng, A non-recursive algorithm based on the quad-tree when required
data missing, The 18th International Conference on Geoinformatics (Geoinformatics 2010).
[6]王洋, 胡斌等. 空间运动对象脚本语言的研究与设计[J]. 2008高校GIS论坛.
[7]翁敬农. 移动对象及其时空模型研究. 第9届年全国地理信息系统年会[C]，杭州，2005
年11月.
[8]金常政. 百科全书的可读性与视听性——漫话多媒体百科全书的浏览功能[J]. 出版科
学, 2003[3]
[9]李新通，何建邦．GIS互操作与OGC规范[M]．地理信息世界．2003，10：23—28
[10]OpenGIS Reference Model(ORM)[EB/OL]. http://portal．opengis，org/files/?artifact_id=3836
[11]web Map Service[EB/OL]. https://www.wendangku.net/doc/0b17459918.html,/files/?artifact_id=5316