矢量瓦片支持下的在線交互可視化工具設(shè)計與實現(xiàn)

宋 磊，霍 亮,2，方 敏，鮑 鵬，王 銳，王金地

(1. 北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616； 2. 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 102616)

網(wǎng)絡(luò)地圖面向任意用戶，不同的使用環(huán)境使得用戶對地圖的需求不同[1]。現(xiàn)階段主流的在線地圖，如Google地圖、百度地圖、天地圖等，以固定的樣式呈現(xiàn)給用戶，不能兼顧用戶多樣化的需求。OSM地圖允許用戶參與空間數(shù)據(jù)的在線編輯，但要素的符號不能編輯。制圖專家不可能為所有用戶定制滿足其需求的網(wǎng)絡(luò)地圖，因此制圖者的角色由以前的制圖專家轉(zhuǎn)向普通地圖用戶，即“地圖為人人，人人都制圖”[2]。現(xiàn)有的OGC標(biāo)準(zhǔn)只提供有限的圖式表達(dá)，且符號配置功能簡單，各種地圖符號服務(wù)難以聚合[3-5]，與復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)地圖制圖需求存在矛盾。

作為在線地圖空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，矢量數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，客戶端交互性、分析操作性強(qiáng)，圖形顯示質(zhì)量好等優(yōu)點而越來越廣泛地應(yīng)用于在線地圖中[6]，但當(dāng)數(shù)據(jù)量增大到一定程度時，受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制或客戶端電腦硬件的局限，矢量數(shù)據(jù)渲染效率及用戶體驗明顯降低[7]。

目前，很多學(xué)者已將矢量瓦片技術(shù)應(yīng)用于在線地圖制圖中。牛秀麗等在矢量瓦片技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討了該技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)地圖中多樣化表達(dá)中的應(yīng)用，但需要通過代碼來改變地圖的樣式，提高了使用門檻[8]。黃瑞陽從符號共享的角度，設(shè)計了客戶端和服務(wù)器端均能識別的地圖樣式描述語言，實現(xiàn)在線制圖的目的，但是此方案在渲染大規(guī)模矢量數(shù)據(jù)時，渲染效率有待提高[9]。

基于此，本文提出一種無需插件、不依賴專業(yè)制圖環(huán)境、面向用戶的網(wǎng)絡(luò)地圖在線交互可視化工具實現(xiàn)方法。該方法基于矢量瓦片技術(shù)，通過WFS發(fā)布GeoJSON格式矢量數(shù)據(jù)，將矢量數(shù)據(jù)以漸進(jìn)傳輸?shù)姆绞骄彺嬖诳蛻舳恕Ｓ脩粼跒g覽器端編輯地圖符號，設(shè)置圖層樣式，確定地圖符號和圖層參數(shù)。基于該方法設(shè)計的在線可視化工具，通過腳本語言解析樣式信息，并作用于內(nèi)存中的矢量數(shù)據(jù)，最終采用WebGL技術(shù)將數(shù)據(jù)渲染成圖并進(jìn)行動態(tài)展示。

1 矢量瓦片組織與渲染

1.1 矢量瓦片

矢量瓦片是指將大范圍內(nèi)的矢量數(shù)據(jù)，以規(guī)則格網(wǎng)對同一范圍內(nèi)的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，計算并保存每個格網(wǎng)中所包含的矢量要素，每個格網(wǎng)按照一定的命名規(guī)則進(jìn)行命名[10-11]。前端調(diào)用數(shù)據(jù)時，根據(jù)用戶感興趣的地圖范圍，計算出地理格網(wǎng)，映射成命名規(guī)則，組裝成地址請求并依次加載。矢量瓦片在縱向上分層，減少了小比例尺地圖時傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。在橫向上分塊，降低了矢量數(shù)據(jù)渲染計算的復(fù)雜度。矢量瓦片按照金字塔的方式進(jìn)行調(diào)度，切割好的瓦片以文件的形式存儲[12-13]。

矢量瓦片是矢量數(shù)據(jù)多尺度表達(dá)的一種形式。如圖1所示，矢量瓦片的每個層級數(shù)據(jù)都放置在單獨的文件夾中，并可從命名中獲取該文件存儲哪一層級的數(shù)據(jù)。地理網(wǎng)格的矢量數(shù)據(jù)以GeoJSON格式文件存儲。如果要素所占地理范圍較大，將跨越多個格網(wǎng)，造成同一要素儲存在多個瓦片中。有學(xué)者為保留要素的完整性，每個瓦片都保留要素的全部信息，造成大量的數(shù)據(jù)冗余。本文將跨越瓦片的要素在格網(wǎng)邊界進(jìn)行相交分析，計算要素與地理格網(wǎng)的交點，讓要素在邊界處斷開，每張瓦片保存要素的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖1 矢量瓦片的組織結(jié)構(gòu)

1.2 基于GeoJSON的矢量瓦片組織

GeoJSON為能被JavaScript簡單、快速解析的一種輕量級數(shù)據(jù)格式，用來對地理要素模型進(jìn)行編碼。GeoJSON定義的幾何特征遵循OGC簡單要素模型，融合了 JavaScript的對象表示法，適用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。每個要素包含空間信息和屬性信息，其中type的值必須是GeoJSON定義成員中的一種，涵蓋了地理要素中點、線、面等幾何要素。Properties的值保存屬性數(shù)據(jù)。GeoJSON注重地理數(shù)據(jù)內(nèi)容表達(dá)，而不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)圖形解釋，內(nèi)容與形式分離是GeoJSON的重要特征之一[14-16]。

GeoJSON的矢量瓦片中每個要素都有ID編碼。跨越瓦片的要素被地理格網(wǎng)分割，破壞了數(shù)據(jù)的完整性，被分割的要素用ID編號進(jìn)行關(guān)聯(lián)。客戶端將矢量數(shù)據(jù)下載并釋放到內(nèi)存中，渲染引擎通過搜索唯一的ID標(biāo)識，對要素進(jìn)行拓?fù)滏溄雍蛯傩詺w拼，保證線面對象能夠自然過渡、無縫銜接，消除數(shù)據(jù)表達(dá)的歧義。對于沒有數(shù)據(jù)的地理格網(wǎng)區(qū)域，不再進(jìn)行分割與編碼。由于矢量瓦片的編碼只與地理格網(wǎng)、層級有關(guān)，因此缺失的瓦片并不影響其余瓦片的命名與調(diào)度。

1.3 基于WebGL的矢量數(shù)據(jù)渲染

由于GeoJSON注重地理模型的表達(dá)而不負(fù)責(zé)幾何圖形的解釋，因此傳輸至客戶端的幾何要素，需要JavaScript解析并渲染為屏幕圖形。HTML5圖形無插件渲染技術(shù)包括Canvas與WebGL。WebGL能夠提供硬件加速渲染，適用于復(fù)雜大規(guī)模圖形顯示，因此采用WebGL技術(shù)加速矢量數(shù)據(jù)的渲染效率[17]，如圖2所示。WebGL中把復(fù)雜的多邊形對象分解為三角形、線和點等圖元，然后利用GPU的渲染管線并行處理各個圖元，最終將幾何對象展示到畫布上。WebGL采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、跨平臺的OpenGL接口實現(xiàn)，因此得到主流瀏覽器的支持[18]。

圖2 WebGL渲染矢量數(shù)據(jù)流程

WebGL技術(shù)首先需要創(chuàng)建地圖展示區(qū)域，用來展示地圖。然后將圖形區(qū)域作為HTML5對象節(jié)點發(fā)送給WebGL，作為其上下文環(huán)境。JavaScript解析GeoJSON中的點線面模型，通過地理坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)之間的正反算，生成WebGL需要的頂點數(shù)組，組成矩陣。WebGL調(diào)用渲染管線，創(chuàng)建著色器，繪制圖元，最終將地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地圖表達(dá)，把地圖展示在用戶界面上。

2 在線交互可視化工具的設(shè)計

矢量瓦片的優(yōu)勢在于只請求和渲染視圖范圍內(nèi)的矢量數(shù)據(jù)，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫陀嬎愕膹?fù)雜度。用戶在前端瀏覽地圖時，矢量數(shù)據(jù)的渲染流程如圖3所示。

圖3 矢量瓦片網(wǎng)絡(luò)地圖渲染流程

當(dāng)用戶通過瀏覽器發(fā)出數(shù)據(jù)請求時，地理服務(wù)器計算出請求數(shù)據(jù)的空間范圍，通過空間范圍計算出瓦片金字塔的級別及瓦片編號，動態(tài)請求下載矢量瓦片數(shù)據(jù)。通過瓦片編碼查詢出GeoJSON格式的矢量瓦片，地理服務(wù)器通過WFS發(fā)布服務(wù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至前端。位于瀏覽器緩存中數(shù)據(jù)結(jié)合JavaScript設(shè)置渲染樣式，通過WebGL技術(shù)將地理數(shù)據(jù)渲染成地圖。當(dāng)用戶感興趣的范圍確定時，數(shù)據(jù)豐富度滿足用戶需求時，瀏覽器無需再向服務(wù)器請求服務(wù)。地理數(shù)據(jù)是通過JavaScript設(shè)置樣式，前端實時渲染，因此可以通過提供地圖符號編輯界面的方式，使渲染的地圖多樣化、形式自由化，能夠快速成圖，滿足不同用戶的需求。

2.1 在線可視化工具總體設(shè)計

相比于柵格瓦片的地圖渲染，矢量瓦片的成圖流程增加了數(shù)據(jù)融合和樣式設(shè)置2個部分。在設(shè)計可視化工具時，要綜合考慮矢量數(shù)據(jù)的融合、圖層信息的獲取，以及圖層樣式信息的傳遞等，如圖4所示，在線可視化工具的總體設(shè)計分為渲染引擎模塊、圖例生成模塊、符號編輯模塊與自適應(yīng)成圖模塊。

圖4 可視化工具總體設(shè)計

渲染引擎主要負(fù)責(zé)解析矢量瓦片，融合矢量數(shù)據(jù)，接受自適應(yīng)模塊的圖層渲染參數(shù)，將矢量數(shù)據(jù)渲染成圖。圖例生成模塊主要以圖層為單位展示圖層信息和各要素的地圖符號，是網(wǎng)絡(luò)地圖的重要組成部分，也是渲染引擎與符號編輯模塊間的橋梁，通過圖例生成模塊，利用圖層信息與地圖符號傳遞渲染信息。

符號編輯模塊與自適應(yīng)符號配置模塊是可視化工具的核心模塊，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖表現(xiàn)形式多樣化，快速輸出符合用戶需求地圖的關(guān)鍵。符號編輯模塊主要負(fù)責(zé)為用戶提供編輯地圖符號的界面，用戶能夠自定義渲染樣式。自適應(yīng)模塊主要通過分析用戶硬件的渲染效率、設(shè)置信息、用戶專業(yè)背景、操作習(xí)慣等變量，挖掘數(shù)據(jù)信息，設(shè)置制圖參數(shù)，反饋至渲染引擎，達(dá)到自適應(yīng)快速制圖的目的。符號編輯與自適應(yīng)符號配置模塊，獨立于矢量數(shù)據(jù)。已編輯的圖層樣式信息以XML方式保存，傳遞給渲染引擎，實時展示成圖效果。

2.2 地圖符號編輯

本模塊作為網(wǎng)絡(luò)地圖在線交互可視化的重要一環(huán)，地圖符號編輯模塊封裝為地圖符號資源，著重利用WebGIS系統(tǒng)中客戶端的計算資源，在前端為用戶提供在線可視化服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)地圖符號相對于傳統(tǒng)地圖符號視覺變量應(yīng)用更加靈活，具有更強(qiáng)的直觀性、抽象性和會意性[19]。現(xiàn)階段，OGC標(biāo)準(zhǔn)只提供有限的圖式表達(dá)，造成主流在線地圖，地圖符號如圖5所示，常規(guī)符號樣式單一，以純色填充區(qū)別不同地圖符號類別。而地圖符號編輯工具，符號樣式信息無需在服務(wù)器端和客戶端之間傳遞。充分利用客戶端計算資源，將符號編輯邏輯與渲染在前端實現(xiàn)，從而實現(xiàn)多種視覺變量的組合，點符號與線符號、點符號與面符號等多種符號聚合形式，并且添加了豐富的圖片作為點符號樣式，為用戶提供個性化符號服務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)地圖的表現(xiàn)力，增加了網(wǎng)絡(luò)地圖的多樣性和吸引力。

圖5 在線常規(guī)符號與個性符號對比

在地圖編輯模塊中，為了減輕加載至瀏覽器的數(shù)據(jù)量，不是設(shè)計龐大的預(yù)定義地圖符號庫，而是預(yù)先設(shè)計了幾種經(jīng)典的地圖符號。根據(jù)自適應(yīng)制圖模塊分析結(jié)果，選擇性地加載基本地圖符號至客戶端。在基本地圖符號的基礎(chǔ)上，提供地圖符號編輯的功能，引導(dǎo)用戶設(shè)置自定義的地圖符號，增強(qiáng)在線地圖交互功能。地圖編輯模塊把地圖符號從空間形態(tài)上劃分為點狀符號、線狀符號和面狀符號。矢量數(shù)據(jù)傳輸至前端后，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，用戶可以根據(jù)要素的屬性值，篩選、過濾要素是否要加載至圖層中，并進(jìn)行符號化。

點狀符號分為矢量符號和柵格符號，柵格符號用預(yù)先制作好的圖片代表地物，可以由客戶端本地的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格PNG圖片組成。矢量點狀符號是指設(shè)置點的形狀、大小、顏色等視覺變量，實時生成的地圖符號。根據(jù)地圖的載負(fù)量與地圖美觀問題，設(shè)置點狀符號偏移與位置。

線狀符號由用戶通過設(shè)置線寬、顏色、線型等變量改變線要素的渲染樣式。可視化工具提供線符號與點符號的聚合功能，設(shè)置點狀符號之間的間隔、線符號與點符號之間的位置關(guān)系，生成新的線符號，豐富網(wǎng)絡(luò)地圖中的線狀符號樣式。

面狀符號由線符號和點符號聚合而成。通過可視化工具，可以設(shè)置面狀符號線的顏色、寬度及線型。填充可以由純色填充組成，也可以由點符號填充組成，點符號的填充顏色、大小、形狀均可由用戶編輯。用戶可以根據(jù)地圖渲染的效果，動態(tài)改變點符號的填充密度。 在線可視化工具的優(yōu)勢在于，聚合的地圖符號樣式無需傳遞至服務(wù)器端，在客戶端各個模塊間可以共享，從而實現(xiàn)動態(tài)改變地圖樣式。

2.3 自適應(yīng)地圖符號配置

通過矢量數(shù)據(jù)制作網(wǎng)絡(luò)地圖，不可避免地要考慮矢量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸與渲染效率。為了減少無效數(shù)據(jù)的渲染，提高用戶的操作體驗，設(shè)計自適應(yīng)地圖符號配置模型。如POI數(shù)據(jù)包括醫(yī)院、學(xué)校、銀行、超市、居民區(qū)等位置信息，但用戶有可能只關(guān)注超市的專題信息，若對全部的POI數(shù)據(jù)渲染將造成不必要的顯卡計算。

自適應(yīng)地圖符號配置是將用戶對地圖符號的設(shè)置、要素密度、計算機(jī)渲染數(shù)據(jù)的效率、注記的內(nèi)容等作為輸入變量，以地圖符號的參數(shù)、地圖風(fēng)格、地圖范圍、渲染的要素作為輸出變量。合理設(shè)置輸入?yún)?shù)的影像因子，輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)形成映射關(guān)系，推薦用戶加載的數(shù)據(jù)量和地圖符號的復(fù)雜度等。這些制圖參數(shù)以XML格式保存并反饋至渲染引擎模塊，提供渲染樣式，達(dá)到自適應(yīng)快速成圖的目的。具體如下

式中，Style={Colour，Size，Shape，Direction，…};x1,x2,…，xn為輸入變量，如用戶設(shè)置參數(shù)、要素密度、參數(shù)使用的頻率、客戶端渲染效率；Map為地圖；Layer為圖層；Style為樣式，其中Style由顏色(Colour )、大小(Size)、形狀(Shape)、方向(Direction)等視覺變量聚合而成。

上述公式揭示了自適應(yīng)地圖符號的流程。本文對用戶設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行分析，并作為自適應(yīng)推薦參數(shù)的依據(jù)。自適應(yīng)地圖符號配置的難點在于用戶的配置信息與成圖規(guī)則的關(guān)聯(lián)，二者難以用統(tǒng)一的連續(xù)函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，暫且由分段函數(shù)進(jìn)行描述，定性定量地進(jìn)行映射。如本文將用戶設(shè)置的填充密度值作為基準(zhǔn)，渲染時間和用戶選擇某一數(shù)值的頻率作為重要的影響因子。當(dāng)渲染時間t的值位于區(qū)間[0，t1]時，填充密度保持不變；當(dāng)t位于區(qū)間[t1，t2]時，填充密度進(jìn)行減半操作；當(dāng)t位于大于t2的區(qū)間時，填充方式改為純色填充。同樣，用戶選擇某一數(shù)值的頻率，也與制圖參數(shù)進(jìn)行定量關(guān)聯(lián)，頻率超出某一數(shù)值時，此密度設(shè)置作為推薦參數(shù)直接反饋至渲染引擎。當(dāng)然，渲染時間越長，影響因子越重，當(dāng)渲染時間超過用戶能夠承受的等待極限時，渲染時間的影響因子將超過頻率的影響因子，進(jìn)而把渲染時間對應(yīng)的符號參數(shù)作為推薦值，反饋至用戶。

網(wǎng)絡(luò)化時代，網(wǎng)絡(luò)地圖用戶具有主動性、不確定性和需求多樣性的特點。網(wǎng)絡(luò)傳輸效率是影響用戶體驗的重要指標(biāo)。基于矢量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)地圖，不僅要傳輸大規(guī)模的矢量數(shù)據(jù)，還有對地圖符號庫數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫ΑＲ虼俗赃m應(yīng)地圖符號配置模塊，通過用戶的尺度選擇、樣式偏好、要素設(shè)置等因素，挖掘用戶行為與制圖規(guī)則之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，綜合考慮客戶端計算機(jī)環(huán)境的基礎(chǔ)上，為用戶提供快速成圖服務(wù)。

3 應(yīng)用試驗

針對上述矢量瓦片的設(shè)計理論，筆者開發(fā)了基于JavaScript的網(wǎng)絡(luò)地圖可視化工具。試驗數(shù)據(jù)為面狀全國行政區(qū)劃圖，數(shù)據(jù)量為62 MB，線圖層采用全國高速路網(wǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量為63 MB，點數(shù)據(jù)采用全國部分的POI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量為50 MB。試驗環(huán)境：處理器為Intel(R) Core(TM) i7-4720HQ CPU@2.6 GHz，內(nèi)存為8 GB，系統(tǒng)為Windows7旗艦版64位操作系統(tǒng)。瀏覽器為Chrome版本 59.0.3067.6(正版)。

其原型系統(tǒng)截圖如圖6、圖7所示，根據(jù)地圖范圍矢量數(shù)據(jù)動態(tài)加載至瀏覽器，過程流暢、渲染順利。圖6為基本樣式展示效果。矢量數(shù)據(jù)被地理格網(wǎng)分割，但線、面數(shù)據(jù)仍能連貫渲染，要素完整性沒有被破壞。右側(cè)面板為地圖圖例，能夠展示圖層信息，并根據(jù)地圖渲染樣式的不同而動態(tài)改變。圖7為編輯地圖符號界面，包括點符號編輯界面、線符號編輯界面和面符號編輯界面。地圖符號經(jīng)過在線交互可視化工具的編輯，作用于在線地圖，實時改變在線地圖的渲染樣式。試驗結(jié)果表明，在線交互可視化工具，能夠充分利用客戶端計算機(jī)資源，按需加載大規(guī)模矢量數(shù)據(jù)，動態(tài)改變在線地圖樣式，并能夠流暢渲染。

圖6 基本樣式

圖7 編輯工具及效果

4 結(jié) 語

本文提出了基于矢量瓦片的在線交互可視化工具的設(shè)計方法，并研發(fā)了原型系統(tǒng)用于在線地圖的多樣化展示。此方法通過在線地圖符號編輯，實時改變地圖樣式，豐富在線地圖表現(xiàn)方式，滿足用戶對在線地圖多樣化的需求。本文地圖編輯模塊僅考慮了二維地圖符號，對于三維符號還不能很好地支持。自適應(yīng)地圖符號模塊通過各種參數(shù)權(quán)重確定符號配置，未能從復(fù)雜的函數(shù)映射角度去挖掘用戶數(shù)據(jù)中隱含的信息，這是值得進(jìn)一步研究的方向。

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