城市地下管網系統地圖緩存技術研究與優化

張方舟，王學宇，肖慧璁，謝會敏，崔 卓

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

城市地下管網系統地圖緩存技術研究與優化

張方舟，王學宇，肖慧璁，謝會敏，崔 卓

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

城市地下管網隨著城市的建設日趨復雜，地下管網在城市的正常運轉中發揮著至關重要的作用。城市管網地理信息系統有效地解決了復雜管網規模下管網數據的組織和有效管理。地理信息系統與Internet結合形成的WebGIS，使越來越多的人能輕松獲取地理信息數據，隨著網絡地圖并發訪問量的增加，對地圖服務的性能要求也越來越高。網絡地圖緩存技術作為提升服務器與客戶端間交互效率的重要措施，也成為地圖服務方向研究的熱點問題。針對地圖緩存技術中的地圖切片規則、切片編碼、切片組織和存儲、切片索引等關鍵技術進行了深入研究。歸納總結了一種電子地圖切片方法，編程實現了城市地下管網系統和地圖切片程序。通過系統測試表明，地圖緩存技術的應用在解決系統響應時間上具有明顯的優化作用。

城市管網；WebGIS；地圖緩存技術；地圖切片

0 引 言

隨著城市的快速發展，城市地下管網的建設無論從種類還是數量都得到了極大的豐富。城市地下管網在保證城市日常運轉中起到了至關重要的作用。如何處理好地下管網的日常運行維護管理工作，保障居民生產生活，對于城市建設具有重要意義。管理者需要及時準確地了解城市地下管網的位置信息和屬性信息。傳統方式為人們在工程圖紙上繪制管網信息，指導管網項目的規劃，存儲紙質圖紙和管網信息材料。但紙質材料無論在檢索還是保存上都滿足不了城市管網發展的需要。城市地理信息系統很好地解決了此問題，使得城市地下管網管理更加數字化、信息化、現代化[1]。地理信息系統(Geographic Information System，GIS)以一種計算機系統的形式對地理數據進行管理，包括信息輸入、信息存儲、信息查詢、信息分析和信息顯示。地理信息系統與地理學、地圖學、遙感和計算機相結合，可以應用到城市地下管網的管理中。作為地理信息系統的一個種類，網絡地理信息系統(Web-GIS)是Internet技術應用于GIS開發的產物，通過二者的結合，GIS的功能得到了擴展，使得GIS的應用更加廣泛[2]。通過互聯網的形式，網絡中任意節點都可以通過瀏覽器訪問到WebGIS站點內的空間數據，在大量地理數據的基礎上繪制地圖，瀏覽地圖，查詢信息，甚至可以進行空間的檢索和分析，讓GIS大眾化。但WebGIS具有一定的局限性，響應速度和用戶的交互往往受到網絡帶寬、服務器開銷等因素的影響。地圖緩存技術的出現給WebGIS的發展帶來了實質性的改變。國內外互聯網地圖服務提供商如Google Map、百度地圖、搜狗地圖等均采用地圖緩存技術實現地圖的快速響應、地圖快速瀏覽、信息快速查詢[3]。

文中在研究地圖緩存技術的基礎上歸納總結了一種電子地圖切片方法，并將該方法運用到城市地下管網項目中。

1 地圖緩存技術

提高地圖訪問效率的方法有很多種，例如在系統中構建高效的空間數據庫、優化屬性信息的查詢、屬性信息分級顯示等方面。Google提出的地圖切片技術是對傳統WebGIS架構的一種突破，以地圖切片(Map Tile)即緩存圖片的概念應用到地理信息系統中，這種以空間換取用戶瀏覽時間的方式能夠高效解決網絡帶寬限制、網絡負載和延遲[4]。使用戶下一步請求可以在緩存文件和服務器同時進行訪問，降低了磁盤訪問的次數，提高了用戶對WebGIS系統的使用效率。

地圖緩存技術是提高網絡地圖服務訪問效率的最有效技術之一，它能解決網絡帶寬限制和服務器開銷對瀏覽速度影響的問題。其關鍵思想就是利用一定的數學規則，將制作好的數字地圖文件在某幾個或十幾個特定的比例尺下以圖片的形式進行切片。稱這些地圖圖片為地圖切片，這些形成的切片文件會依據比例尺和切片的規則進行有序的編碼。通過地圖切片組織模型將地圖切片存放在數據庫或文件夾內。當客戶端向服務器發送地圖服務請求時，服務器會根據請求中的特定參數，找到服務器中相對應的地圖切片。服務器返回給客戶端的地圖切片會拼接成用戶請求瀏覽的區域[5]。

地圖緩存技術的優點就是使用靜態地圖切片替代動態生成的地圖區域，應用地圖緩存技術高質量的地圖切片不但保證了地圖顯示的效果還縮短了動態顯示復雜地圖所花費的時間。但地圖緩存技術也受到地圖切片切片時間長、地圖切片數據占用存儲空間大的限制。因此地圖切片技術適用于地圖數據相對穩定、短時期不變的地圖服務。

地圖服務的廣泛應用使得地圖緩存技術的發展更加細化，主要研究的方向涉及地圖緩存的策略，分為融合緩存、多圖層緩存和按需緩存[5-6]。地圖切片切圖方法，包括不同的切片算法、不同的圖片格式、切片大小、縮放級數、比例尺和空間參考坐標系統。還有地圖切片目錄組織模型、地圖切片的存儲和地圖切片的數據更新。

2 地圖切片方法

2.1 地圖切片流程

地圖切片技術的核心就是按照一定的數學規則，把地圖按照預先設定好的比例尺進行切片，切割好的地圖圖片集合分別以不同的比例尺存放在服務器中[7]。用戶在客戶端平移和縮放操作地圖時調用服務器內的地圖切片，取代了動態制圖請求帶來的服務器開銷。客戶端的請求帶有位置參數，服務器根據位置參數返回相應的地圖切片集，提升地圖瀏覽的速度。不同范圍和應用的地圖切片是不同的。為了保證地圖文件切分后的圖片滿足服務器傳輸高效、客戶端拼接和地圖顯示等要求，在地圖切片過程中必須為切片定義相應的規格參數。切割的地圖文檔是基于ArcMap制作的電子地圖即為.Mxd文件。作為ArcGIS的重要桌面組件之一，ArcMap可支持多數據源的輸入、編輯、查詢、分析等功能。應用其制圖，可實現多圖層的疊加，設置圖例、可見范圍、比例尺等。

地圖切片的流程如圖1所示。

預先制作好地圖文件，確定地圖文件內的地理坐標范圍，設置地圖切片的尺寸和格式、設定縮放級別。將此范圍內的地圖輸出為規則大小的地圖切片。保存到指定的目錄文件[8]。根據圖1流程由地圖比例尺的最小級別開始切割逐級縮放循環執行以上步驟，直至地圖的最大比例尺，地圖切片完畢[9]。相鄰兩個比例尺大小是1∶2，切片的數量是1∶4。這種建立在區域循環分解上的數據結構符合四叉樹結構的思想，四叉樹數據結構在GIS領域應用廣泛。地圖切割后的圖片成為地圖緩存，地圖切片依據命名和邏輯位置進行存儲和檢索。

2.2 切片規則

(1)切片空間范圍。

切片地圖地理范圍是由規則的矩形構成，切片過程就是將大矩形切割成相等大小的地圖切片[10]。切片的空間表示如圖2所示。需要切割的地理空間范圍在此坐標軸上由(TileMatrixMinX，TileMatrixMaxY)，(TileMatrixMinX，TileMatrixMinY)，(TileMatrixMaxX，TileMatrixMinY)，(TileMatrixMaxX，TileMatrixMaxY)四個點組成。每張地圖切片(TileMatrix)都具有列編碼(TileCol)、行編碼(TileRow)，切片長度(TileHeight)、切片寬度(TileWidth)，以像素為單位[11]。

圖2 切片空間范圍

(2)比例尺、縮放等級、地圖分辨率。

電子地圖不同于紙質地圖固定的比例尺，它是在已知原始地理信息數據的情況下，創建足夠多的離散的縮放級別。比例尺從小到大，展示的信息從宏觀到細微，整個地理信息就呈現給用戶瀏覽。地圖的縮放級別與比例尺一一對應。用戶通過瀏覽器請求地圖區域時，需要計算此區域的屏幕坐標所換算的地理空間范圍坐標，根據地理空間范圍坐標找到此縮放級別下對應的地圖切片編碼，再通過客戶端技術無縫拼接出地圖區域呈現在計算機屏幕上。

地圖縮放級別的分辨率(Resolution)，是指某縮放級別每個像素代表的實際距離；比例尺(Scale)，是指某縮放級別地圖上一米代表的實際距離；屏幕分辨率(Screen Resolution)即為Sr；長度轉換單位(Meters per inch)即為Mpi，1英寸(in)=0.025 4米(m)；地圖比例尺與地圖縮放級別的分辨率的關系：Scale=Resolution×每米的像素個數；地圖的縮放等級從0到N(N≥1)，相鄰縮放級別地圖切片為前一級的四倍；地圖比例尺與地圖分辨率換算公式為：

Scale=Resolution×Sr/Mpi

(1)

屏幕構成的矩形區域分別由(WinMinX，WinMinY)(左上角坐標)，(WinMinX，WinMaxY)(左下角坐標)，(WinMaxX，WinMaxY)(右下角坐標)，(WinMaxX，WinMinY)(右上角坐標)四個點組成。屏幕左上角坐標通常為(0，0)，屏幕像素坐標為(X,Y)。已知請求區域的屏幕坐標，則對應的地理空間范圍中任意一點可由式(2)和式(3)計算得：

TileMatrixX=TileMatrixMinX+(X-WinMinX)×Resolution

(2)

TileMatrixY=TileMatrixMaxY+(Y-WinMinY)×Resolution

(3)

同時可以根據地理空間坐標和上式反算出對應屏幕坐標。

(3)地圖切片大小和格式。

地圖切片的尺寸和格式會影響客戶端地圖請求的拼接和顯示。依據切片空間范圍圖可知地圖切片是規則的矩形圖片，切片長度(TileHeight)、切片寬度(TileWidth)構成矩形圖片的長度和寬度。常用的地圖切片格式有JPEG和PNG兩種。其中PNG圖片又根據其透明度和色度分為PNG8、PNG24、PNG32三種格式。通過表1對圖片格式的比較，選擇地圖切片保存為PNG32格式，滿足地圖切片壓縮質量、瀏覽器兼容等條件，達到地圖顯示的良好效果。

表1 圖片切片格式屬性比較

2.3 切片方法

算法中就是要換算在某一比例尺下，一張定義好尺寸和格式的地圖切片所能表示的地理空間范圍，或是要切割地理空間范圍對應多少張地圖切片及它們的編碼問題。在給出換算公式前，預先定義一些參數項。

縮放級別為N，地圖切片列號為C[N]，行號為R[N]，地理范圍如圖2中的參數，設第0級縮放下地圖切片列數為C[0]，行數為R[0]。

則此縮放級N下每塊切片表示的橫向實際距離和縱向實際距離分別如式(4)和式(5)所示：

DX=(TileMatrixMaxX-TileMatrixMinX)/ (2N-1×R[0])

(4)

DY=(TileMatrixMaxY-TileMatrixMinY)/ (2N-1×C[0])

(5)

此切片的地理坐標計算公式如下：

TMinX=TileMatrixMinX+C[N]×DX

(6)

TMaxX=TileMatrixMinX+C[N+1]×DX

(7)

TMinY=TileMatrixMaxY-R[N]×DY

(8)

TMaxY=TileMatrixMaxY-R[N+1]×DY

(9)

客戶端發送請求，參數包含瀏覽地圖區域的地理范圍、縮放級別等。程序依據以上公式計算請求的地理坐標范圍所對應的當前縮放級別文件夾內的切片行號和列號。服務器響應并返回地圖切片文件給客戶端。通過地理范圍坐標與屏幕范圍坐標互算，客戶端進行無縫拼接，拼出瀏覽的地圖區域。

2.4 地圖切片目錄組織和存儲

由于采用地圖切片技術，地圖切片的數量會隨著地圖比例尺的變化呈現幾何增長。因此，地圖切片的編碼和地圖切片目錄組織管理勢必影響地圖切片技術的效率。地圖切片的命名由三部分信息組成，分別是當前地圖的縮放級別、此切片的列號、切片的行號。由上文定義參數可得任意一張切片命名為N_R[N]_C[N][12]。切片目錄組織中所有地圖切片文件存放文件夾MapTile中，依次是不同縮放級別的文件夾，然后是以行號R[N]命名的文件夾，這樣在同一個葉文件夾內地圖切片會按照列號排序。利用地圖切片邏輯上的位置進行規范化的命名便于地圖切片的查找。

地圖切片存儲在文件系統中，以文件系統的方式直接存儲和調用地圖切片。在對地圖切片進行切割時，就已經為地圖切片在操作系統內創建了相對應的文件目錄和路徑。可以通過不同比例尺下的文件路徑直接訪問地圖切片，無需額外建立空間索引。這種方式的好處就是提高了地圖服務調用地圖切片的效率。數據庫存儲地圖切片時，其自身訪問的瓶頸會影響到獲取地圖切片的效率，而且地圖圖片不需要屬性的查詢和歸類，操作系統中的文件管理更適合服務器上地圖切片的存儲。

3 技術應用與測試

3.1 技術應用

技術應用的實例為城市地下管網的WebGIS系統，系統采用ArcGIS Engine 9.3開發組件和C#語言分別對原型系統和切圖程序編程實現[13]。城市地下管網系統中包含海量的基礎地理信息和帶有屬性的地面綜合、管線、管點信息。地面綜合信息包含一些綜合建筑和住宅，管線信息包含供熱管線、供水管線、污水管線、雨水管線和清水管線。管點信息包含閥門、閥井和站點等，絕大部分數據不會頻繁更新。此系統屬于典型的WebGIS系統，具有基本的地圖操作功能，如平移和縮放、查詢屬性信息、數據統計和管線分析功能[14]。采用地圖緩存技術，用戶并發訪問地圖加載速度變快，系統的使用性能得到了很大提升。

3.2 系統測試與分析

測試主要是為了檢驗采用地圖緩存技術能否給城市地下管網系統性能帶來提升，即在不同縮放級別下系統平均響應的時間和并發訪問的情況下系統平均響應的時間的前后對比[15]。

測試的網絡環境為油田內部網絡，服務器端的配置為Intel(R) Xeon(R) CPU E7-4850 v2 @ 2.30 GHz 2.29 GHz 處理器，16 GB安裝內存(RAM)，2 TB硬盤，客戶端選取三個網絡節點機器PC1、PC2、PC3，配置分別為AMD Athlon(tm) Ⅱ X2 220 Processor 2.81 GHz，2 GB內存，750 GB硬盤，Pentium(R) Dual-Core CPU E5200 @ 2.50 GHz 2.50 GHz，1 GB內存，500 GB硬盤和Intel(R) Core(TM) i5-3470 CPU @ 3.20 GHz 3.20 GHz，4.00 GB內存，1 TB硬盤。表2為使用緩存技術后地圖加載時間比較表。

從表2的測試數據可以分析得出：客戶端配置對地圖加載時間的影響較小；使用地圖緩存技術后，隨著區域增大地圖數據量增大，客戶端加載地圖服務的響應時間明顯縮短了。

進一步對地圖比例尺固定時用戶并發訪問服務器地圖響應的平均時間進行測試。在固定區域并發訪問數不斷增加時對系統的平均響應時間進行測試，如圖3所示。

表2 使用緩存技術前后地圖加載時間比較表

圖3 并發訪問數與平均響應時間前后對比圖

從圖中數據分析得出：采用地圖緩存技術后，服務器處理請求、響應請求的時間明顯縮短了。地圖緩存技術有效解決了并發訪問下網絡帶寬的限制和服務器開銷的限制。

4 結束語

文中在對地圖緩存技術研究的基礎上，針對其網絡地圖切片規則、切片方法、切片編碼、切片組織和存儲等關鍵技術進行了深入研究。歸納總結出了一種地圖切片方法，由地理空間范圍計算地圖切片的行列號；由屏幕坐標和請求地理空間范圍坐標互算得出地圖切片顯示的位置。基于C#編程語言和ArcGIS Engine 9.3組件，將此方法應用到切圖程序中。通過城市地下管網系統開發和測試分析得出，地圖緩存技術能夠提升用戶對網絡地圖的體驗。

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Research and Optimization of Map Caching Technology in Urban Underground Pipe Network System

ZHANG Fang-zhou,WANG Xue-yu,XIAO Hui-cong,XIE Hui-min,CUI Zhuo

(College of Computer and Information Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Urban underground pipe network is becoming more complex with the city’s construction,and it plays a vital role in the normal operation of the city.The urban pipe network geographic information system can effectively solve the organization and effective management of the network data under the complex pipe network.WebGIS that is formed by combining geographic information systems with the Internet lets more and more people have easy access to geographic information data.With increase of the network map concurrent views,the request of map service performance is also becoming higher and higher.As an important measure to improve the efficiency of interaction between server and client,network map caching technology has become a hot issue in map service orientation.The map cache technology in the map of the rules,the slice of encoding,slicing organization and storage,slice index and other key technologies have been studied.An electronic map slicing method is summarized.Urban underground pipe network system and map slicing program are realized by programming.The application of map cache technology is proved to have a significant optimization on the response time of the system.

urban pipe network；WebGIS；map cache technology；map slicing

2016-01-15

2016-04-20

時間：2016-10-24

國家自然科學基金資助項目(61402099);中國石油天然氣集團公司重大專項(2013E-38-09)

張方舟(1973-)，男，博士，教授，研究方向為計算機網絡安全;王學宇(1990-)，男，碩士，研究方向為軟件工程。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161024.1113.022.html

TP39

A

1673-629X(2016)11-0148-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.11.033