瓦片式電子海圖圖片生成與編碼分析

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211170)

海圖是以海洋及其毗鄰的陸地為描述對象的地圖，是為航海需要而專門繪制的，與地形圖相比，海圖比例尺本身不成系列，海圖圖幅不是按照系統(tǒng)的經(jīng)、緯差分幅，而且圖幅之間有一定的重疊。

伴隨信息技術(shù)的發(fā)展，海洋地理信息的存儲介質(zhì)由紙質(zhì)發(fā)展為磁盤，作為計算機可識別電子海圖(ECDIS)仍沿用最初紙質(zhì)海圖的分幅方式。分幅顯示的電子海圖存在空間信息的存儲因分幅方式本身破壞了地理實體的完整性；不便于數(shù)據(jù)庫的分布式管理，造成檢索和存取效率的降低；使得相鄰海圖的疊幅部分海洋信息重復(fù)獲取與存儲，產(chǎn)生裂隙和數(shù)據(jù)冗余，導(dǎo)致存儲資源浪費和檢索、顯示速度緩慢的弊端。

考慮將大幅電子海圖切分成大小相等、高度和寬度也相等的瓦片形式，這樣海圖瓦片可以分布式的存儲，可以多用戶遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)源，提高了訪問效率，減小數(shù)據(jù)冗余，客戶端只需拼接和顯示海圖瓦片，使渲染海圖難度降低[1-2]。

1 電子海圖投影方式及特點

為了使電子海圖圖層能無縫拼接，并且源自不同服務(wù)器的圖層能正確地拼接，同時滿足航用海圖恒向線是直線、等角投影的性質(zhì)，電子海圖仍然選用等角正圓柱投影方式的墨卡托投影。經(jīng)墨卡托投影后，使得相對較小的物標(biāo)的形狀沒有發(fā)生改變，且保持了恒向線為直線，航向為000°或180°的恒向線為上下方向平行的直線，航向為090°或270°的恒向線為左右方向平行的直線。墨卡托投影在兩極附近產(chǎn)生的變形較大，因此其能夠顯示的最大緯度為85°.05N(S)。為了計算的簡化，并且滿足電子海圖客觀顯示地貌形狀的特征，點在海圖在投影時選擇了地球圓球體作為地球的形狀，這時在Y軸投影上會產(chǎn)生0.33%左右的投影變形，這種細(xì)微的變形肉眼是很難感受到的。

2 電子海圖分辨率和比例尺

為了渲染海圖,還必須要研究電子海圖比例尺的處理方法。在最小圖層的比例尺上(level=1)，電子海圖大小為512×512像素。在接下來的圖層比例尺上，電子海圖的寬度和高度以2的倍數(shù)增長，即在第二層(level=2)上，電子海圖大小為1 024×1 024，第三層(level=3)上，電子海圖大小為2 048×2 048，依次類推。

電子海圖分辨率是指在電子海圖上一個像素代表的地面距離。舉例來說，分辨率為10 m/pixel，其含義為每一像素代表10 m的地面長度。分辨率的取值依賴于地圖比例尺以及所在的緯度。當(dāng)?shù)厍虬霃饺? 378 137 m時，可以用以下公式計算電子海圖分辨率。

電子海圖分辨率=cos(lat×pi/180)×地球半徑/電子海圖寬度=[cos(lat×π/180)×2×π×6 378 137]/256×2level

電子海圖比例尺是指在同一度量單位下，圖上長度與相對應(yīng)的地球上的長度的比值。在一個比例尺為1∶100 000的地圖上，1 ft的長度代表地球上100 000 ft的長度。電子海圖比例尺隨著顯示的精細(xì)程度以及基準(zhǔn)緯度的不同而不同，它可利用電子海圖分辨率和以下公式進(jìn)行計算。假定屏幕的分辨率用screendpi表示，一般計算機的screendpi為96。

電子海圖比例尺=1∶電子海圖分辨率×screendpi/0.025 4 m/ft=1∶[cos(lat×π/180)×2×π×6 378 137×screendpi]/256×2level×0.025 4

通過以上公式可以計算出不同緯度處電子海圖比例尺、圖片大小及電子海圖分辨率各數(shù)值。赤道處各數(shù)值見表1。

表1 赤道處電子海圖比例尺、圖片大小與電子海圖分辨率之間的關(guān)系

3 瓦片式電子海圖像素坐標(biāo)系

在投影方式選定后，通過上述公式計算出在每一顯示精細(xì)度層級上的比例尺，就可以將地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成像素坐標(biāo)系。由于在不同的顯示層級上圖片的寬度和高度是不同的，所以像素坐標(biāo)也隨之不同。每幅圖最左上角的點的坐標(biāo)總是(0，0)，最右下角的點的坐標(biāo)為(256×2level,256×2level-1)。例如在顯示層級為3時，像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)范圍為：(0,0)到(2 047,2 047)，見圖1。

圖1 瓦片式電子海圖像素坐標(biāo)系

根據(jù)給定的經(jīng)、緯度和顯示的層級數(shù)，像素坐標(biāo)的X、Y值可通過如下公式計算。

sin(Latitude) = sin(緯度×pi/180)

pixelX=[(longitude+ 180)/360] ×256×2level

pixelY={0.5-log[(1+sin(Latitude))/(1-sin(Latitude))] /(4×pi)} ×256×2level

4 電子海圖瓦片編碼

為了優(yōu)化電子海圖系統(tǒng)性能，提高電子海圖顯示速度，所有電子海圖都被分割成256×256像素大小的正方形小塊，即瓦片。由于在每個縮放級別下的像素數(shù)量都不一樣，因此每一縮放層級下電子海圖瓦片(tile)的數(shù)量也不一樣，在縮放級別為level下的瓦片數(shù)量為tiles= 2level。

每個tile都有一個X、Y坐標(biāo)值，從左上角的(0, 0)至右下角的(2level-1,2level-1)。例如在3級放大級別下，tile的坐標(biāo)值范圍為(0, 0)至(7,7)，見圖2。

圖2 瓦片式電子海圖坐標(biāo)值

同時，給定任意一像素坐標(biāo)的X、Y值，就很容易得到這個像素所在的Tile的X、Y坐標(biāo)值：

tileX= floor(pixelX/ 256)

tileY= floor(pixelY/ 256)

為了簡化索引和存儲電子海圖圖片，每個tile的二維X、Y值被轉(zhuǎn)換成一維字符串，即四叉樹碼(quadkeys)。每個quadkey惟一對應(yīng)了某個縮放級別下的一個tile，并且它可以被用作一般數(shù)據(jù)庫中B-tree的索引值。為了將瓦片的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成quadkey，需要將X和Y坐標(biāo)的二進(jìn)制值逐位交錯組合，并轉(zhuǎn)換成4進(jìn)制值及對應(yīng)的字符串。例如，假設(shè)在放大級別為3時，tile的X、Y坐標(biāo)值為(3，5)，quadkey的計算過程如下。

tileX= 3 = 011(二進(jìn)制)；

tileY= 5 = 101(二進(jìn)制)；

quadkey = 100111(二進(jìn)制) = 213(四進(jìn)制) = “213”(quadkey)。

同時，quadkey還具有一些其它特性。首先，quadkey的長度等于該tile所對應(yīng)的縮放級別；其次，每個tile的 quadkey的前幾位和上一縮放級別所對應(yīng)的tile的quadkey相同。如圖3所示，其中tile 2是tile 20至23的上一級tile，tile 13是tile 130至133的上一級tile；最后，quadkey提供的一維索引值也體現(xiàn)了不同tile在X、Y坐標(biāo)系中的相近程度，換句話來說，兩個相鄰的tile，其quadkey相似度很高，如quadkey為130和131，它表明其分別代表的兩個tile在像素坐標(biāo)系中是相鄰的關(guān)系，這一特點對優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的性能非常重要。因為相鄰的tile總是同組讀取的，將quadkey相似的tile分組存放在相同的磁盤區(qū)塊中，可以減少對磁盤的讀取次數(shù)，提高顯示速度。

圖3 瓦片式電子海圖圖層命名模式

5 結(jié)論

電子海圖瓦片化減少了數(shù)據(jù)冗余，將電子海圖系統(tǒng)的訪問效率提高了近70%，擴展了電子海圖的應(yīng)用范圍。瓦片式電子海圖生成技術(shù)的實現(xiàn)，拓展了電子海圖顯示的平臺，為電子海圖網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用進(jìn)一步打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 毛德軍,邢煥革,萬 俊.多圖模式下電子海圖搜索和繪制算法研究[J].船海工程,2006(2):110-113.

[2] 關(guān) 勁,張勇剛,李 寧,等.電子海圖快速顯示方法研究[J].中國航海,2004(4):57-59.