Agregado de diferentes subtipos no documento de uma coleção

Você pode usar a agregação para fazer a computação desejada sem alterar seu esquema (embora você possa considerar alterar seu esquema simplesmente para facilitar a gravação de consultas e agregações desse campo).

Eu dividi o pipeline em várias etapas para facilitar a leitura. Também simplifiquei um pouco seu documento, novamente para facilitar a leitura.

Exemplo de entrada:

> db.md.find().pretty()
{
    "_id" : ObjectId("512f65c6a31a92aae2a214a3"),
    "uid" : "x",
    "val" : "string"
}
{
    "_id" : ObjectId("512f65c6a31a92aae2a214a4"),
    "uid" : "x",
    "val" : "string"
}
{
    "_id" : ObjectId("512f65c6a31a92aae2a214a5"),
    "uid" : "y",
    "val" : "string2"
}
{
    "_id" : ObjectId("512f65e8a31a92aae2a214a6"),
    "uid" : "y",
    "val" : [
        "string3",
        "string4"
    ]
}
{
    "_id" : ObjectId("512f65e8a31a92aae2a214a7"),
    "uid" : "z",
    "val" : [
        "string"
    ]
}
{
    "_id" : ObjectId("512f65e8a31a92aae2a214a8"),
    "uid" : "y",
    "val" : [
        "string1",
        "string2"
    ]
}

Etapas do pipeline:

> project1 = {
    "$project" : {
        "uid" : 1,
        "val" : 1,
        "isArray" : {
            "$cond" : [
                {
                    "$eq" : [
                        "$val.0",
                        [ ]
                    ]
                },
                true,
                false
            ]
        }
    }
}
> project2 = {
    "$project" : {
        "uid" : 1,
        "valA" : {
            "$cond" : [
                "$isArray",
                "$val",
                [
                    null
                ]
            ]
        },
        "valS" : {
            "$cond" : [
                "$isArray",
                null,
                "$val"
            ]
        },
        "isArray" : 1
    }
}
> unwind = { "$unwind" : "$valA" }
> project3 = {
    "$project" : {
        "_id" : 0,
        "uid" : 1,
        "val" : {
            "$cond" : [
                "$isArray",
                "$valA",
                "$valS"
            ]
        }
    }
}

Agregação final:

> db.md.aggregate(project1, project2, unwind, project3, group)
{
    "result" : [
        {
            "_id" : "z",
            "vals" : [
                "string"
            ]
        },
        {
            "_id" : "y",
            "vals" : [
                "string1",
                "string4",
                "string3",
                "string2"
            ]
        },
        {
            "_id" : "x",
            "vals" : [
                "string"
            ]
        }
    ],
    "ok" : 1
}