矢量切片地圖技術在省級電網GIS平臺的工程應用

余文輝 吳爭榮 鐘華贊 包新曄

摘要：隨著GIS技術的不斷發展與完善，矢量切片電子地圖作為一種新興的互聯網電子地圖服務方式，相比傳統的柵格切片地圖具有數據輕量、高清顯示、快速反應、高效更新等優點。現詳細介紹了海南電網GIS平臺使用ArcGIS軟件實現電子地圖管理、矢量切片制作和企業內網發布的工程應用情況。首先對比分析了柵格切片與矢量切片的差異，其次闡述了海南電網GIS平臺的總體架構，強調了商用ArcGIS管理電子地圖、自研電網GIS平臺管理電網的創新思路，然后重點介紹了矢量切片地圖生產和發布的整個處理流程，包括使用ArcGIS Pro制作矢量切片、ArcGIS Server發布矢量切片、通過開源MapBox JavaScript API顯示矢量地圖切片和矢量電網切片，成功支撐了生產、營銷、數字電網等業務管理和數據分析應用的開展。

關鍵詞：矢量切片;海南電網;GIS平臺

0 引言

隨著地理信息系統（GIS）技術的不斷發展與完善，地圖服務技術得到快速提高，谷歌地圖、百度地圖、高德地圖、騰訊地圖等在線地圖服務相繼出現，這些服務均采用將矢量數據柵格化分塊處理的方式，利用金字塔模型在服務器端緩存多分辨率的柵格切片數據，通過客戶端發送地圖請求范圍以及服務器端返回請求數據完成網絡傳輸。但是由于柵格切片的本質是圖片，客戶端獲取圖片后無法對原始數據進行編輯分析，地圖的交互式操作能力弱，地理空間分析的能力不強，難以滿足復雜的地理空間信息分析需求。

矢量切片電子地圖作為一種新興的互聯網電子地圖服務方式，在保持矢量數據精度高、制圖交互性好、分析能力強等特性的同時，可保證數據的快速調度與傳輸，相比傳統的柵格切片地圖具有數據輕量、高清顯示、快速反應、高效更新等諸多優點，在手機導航等個人應用方面取得了成功。

海南電網GIS平臺自2013年開始建設，基于自主研發的架構實現了全省輸電線路、配電線路和低壓線路的空間位置和拓撲管理。本著“為我所用”的策略，海南電網GIS平臺使用ESRI公司的ArcGIS軟件進行背景電子地圖和衛星影像的管理和數據發布，較好發揮了商用軟件的成熟功能優勢，同時又通過自主研發圖形化電網模型管理、動態拓撲分析等核心技術，支撐了停電模擬和影響用戶自動統計、配網搶修指揮、配電自動化圖模管理等業務應用。

在2018年以前，海南電網GIS平臺一直使用柵格切片發布電子地圖，每次地圖更新后，都需要經過近兩周的時間才能完成切片數據文件的更新，周期較長。自2019年初開始，海南電網GIS平臺開展了矢量切片的轉換工程，歷時3個月的技術攻關，完成了矢量切片服務體系的搭建和矢量切片地圖的制作，達到了預定的工程目標。本文即對采用ArcGIS軟件實現電子地圖管理、矢量切片制作和企業內網發布的工程應用實踐進行了總結。

1 矢量切片技術概述

1.1 ? ?地理空間數據表現形式

地理空間數據最常見的空間數據組織方式是柵格數據和矢量數據。在柵格數據模型中，地理被描述為一個網格單元格，其中每個單元格有一個值用于表示占有該單元格所代表空間的特征，柵格數據除了用于數據存儲和數據分析，也可用于任何格式數據的可視化。柵格數據結構簡單，常用于空間分析和地表模擬，顯示簡單方便，但是數據量大，投影轉換復雜。矢量數據是利用點線面的形式來表達現實世界。矢量數據由給定坐標的點構成。點可以連接成線，線可以連接成多邊形，我們可以通過這3種結構來表示任何一種地理特征。矢量數據可用于數據分析和可視化，矢量數據結構緊湊，數據量小，常用于網絡傳輸和檢索分析，圖形顯示的質量高，精度準確，但是數據結構復雜，空間關系復雜。

利用金字塔切片技術進行柵格切片是大多數GIS地圖形成地圖底圖的主流方式，其原理是以四叉樹金字塔模型直接切割地圖圖片，最終表現為金字塔分層的256 px×256 px的PNG圖片或相應的基于圖片的壓縮包格式。但是柵格切片的本質是圖像，用戶不僅無法在前端更改其顯示樣式，也無法進行空間分析和交互操作，前端只是實現了用戶請求區域圖像的柵格切片簡單拼接，在制作和存儲柵格切片時需要很大的內存和時間開銷。

1.2 ? ?矢量切片技術

矢量切片原理同樣是基于四叉樹金字塔模型，不過切割的不再是柵格圖片，而是矢量數據的描述性文件，存儲的是投影范圍內所屬的幾何信息和屬性信息，最終客戶端根據地圖顯示范圍從服務器獲取相應的矢量信息，通過讀取圖層的樣式文件在客戶端實現地圖的實時繪制。

矢量切片一般是由矢量數據組成的數據塊，用戶只需要請求當前視野內的內容，不需要顯示視野外的無用數據，同時矢量切片還包含了繪制所需要的全部信息，所以客戶端可以對矢量切片進一步操作而無需與服務端進行交互，可以在客戶端高效快速地進行定制多樣化地圖、添加屬性標簽、數據二次投影、數據空間分析等操作。矢量切片技術集合了矢量數據和柵格切片的雙重特點，有如下優勢：

（1）樣式靈活，用戶可以在客戶端定制或改變矢量切片的地圖樣式，實現了地圖樣式與數據源的分離。

（2）數據輕量，對原始矢量數據重新編碼進行切分，數據信息損失小，數據體積小，支持高清無極縮放，只返回請求范圍的相應地圖級別的數據。

（3）快速反應，當數據庫中的空間數據變化后，數據快速更新，在客戶端以最新的數據進行渲染。

（4）高清顯示，在不同的顯示設備上均可以以統一清晰的效果呈現。

2 矢量切片在電網GIS平臺中的應用

海南電網GIS平臺依托GIS技術和高體驗的可視化技術，統一管理、維護電網空間、拓撲及相關地理信息，遵循面向服務架構，為各類業務系統提供平臺級高效的多維度空間數據管理、可視化、空間拓撲分析及相關專題集成應用的公共服務，助力電網可視化水平不斷提升。

海南電網GIS平臺技術架構如圖1所示，采用商用ArcGIS管理電子地圖，電網GIS平臺管理電網的思路，按照數據訪問層、應用邏輯層、應用服務和應用展現層進行多層結構體系設計，采取面向對象技術進行應用組件開發、基于SOA設計思想進行服務分層，利用基于緩存、地圖切片、群集等高性能技術進行應用服務器設計，為實現實用性和先進性并重的電網GIS平臺奠定基礎。

ArcGIS平臺軟件作為海南電網GIS平臺的支撐軟件，采用松耦合的方式，為海南電網GIS平臺提供運行與系統應用集成環境。海南電網GIS平臺只保留必要、特定的功能模塊，借助于ArcGIS平臺軟件實現如切片地圖管理功能，其他功能模塊都不依賴于ArcGIS。

3 基于ArcGIS的矢量切片方案

3.1 ? ?矢量切片工具概述

國內外矢量地圖切片的工具包括ESRI公司的ArcGIS、微軟的Map Cruncher和北京超圖地理信息技術有限公司的Super Map等，開源工具包括Geoserver、Mapbox、TileStache、Mapnik等。

ArcGIS是由美國環境系統研究推出的GIS方面軟件的總稱，是一個可根據需要增加或者減少的完善的GIS平臺。ArcGIS給出了COM、.NET和C++的API，可用于二次開發。目前，ArcGIS平臺已經形成了一套完整的從生產、發布到使用的矢量切片路線方案。ArcGIS Pro加載外部的Shap file、mxd、Geo Database等地圖數據，通過構建索引、切片過程，然后壓縮成.vtpk格式文件，發布到Portal for ArcGIS，提供給用戶使用，用戶可以通過Web API來調用，通過提供特定的類來使用矢量切片服務，Web API提供了對矢量地圖切片的支持。ArcGIS平臺矢量切片制作和發布流程如圖2所示。

3.2 ? ?電子地圖矢量切片和存儲

海南電網GIS平臺中涉及的基礎地理數據包括全省范圍內各個比例尺的電子地圖、遙感影像、導航數據等，不僅數量龐大，而且還會以一定的速度增長。電網GIS平臺充分發揮了ArcGIS平臺軟件對海量基礎地理數據的切片、存儲和管理優勢。

海南電網GIS平臺的電子地圖數據，使用ArcGIS制作并發布矢量切片。地圖金字塔模型是GIS應用中最為常用的地圖數據組織模型，在保持不變的地理空間范圍內，從金字塔頂層向下，其分辨率逐級上升。矢量切片金字塔模型如圖3所示，金字塔按四叉樹剖分規則進行地圖劃分，將上層的切片均勻分裂為四象限，依次遞增構建。

海南電網GIS平臺電子地圖切片以金字塔頂層為第0層并向底部逐級遞增，切片級別為L0～L19級，部分級別的切片文件數量和總存儲空間大小如表1所示。

采用ArcGIS矢量地圖切片技術能夠提高數據訪問性能，預生成規矩的切片地圖存儲于硬盤目錄下，地圖以鏈接圖片的方式快速定制。服務器根據客戶端瀏覽地圖請求時的比例參數，返回不同分割下的切片，然后在客戶端實現地圖的實時繪制，這種切片地圖處理模式在請求及響應的速度方面有著非常明顯的優勢，極大程度降低了數據庫服務器的壓力。

切片以后的海量數據通過ArcGIS平臺進行存儲和管理，主要有3種實現策略，即分塊策略、LOD（金字塔）模型及外存模型。其中，分塊策略主要是將原始數據分割成若干大小一定的規則塊狀數據，使系統可以一塊一塊地處理數據;LOD模型采用對同一個數據集中的數據使用具有不同細節的描述方法得到一組模型，供分析、繪制時選擇使用，這樣在進行宏觀的場景觀察時，僅僅需要將比較粗略的數據模型讀入內存即可;外存模型則主要考慮按需讀取，只將當前必須處理的數據調入內存。

3.3 ? ?矢量切片在電網GIS平臺中的展現

電網GIS平臺的WebGIS應用框架基于開源的MapBox JavaScript API，采用矢量圖形傳輸的客戶端渲染技術，在客戶端進行電網和業務數據的渲染、高亮、閃爍以及其他動態效果，并且在客戶端完成大部分人機交互，如距離量測、面積量測、要素統計、空間分析等操作，提供良好的用戶體驗，并且成功支撐了生產、營銷、數字電網等業務管理和數據分析應用的開展。圖4是經過ArcGIS切片處理以后的海南電網部分數據在WebGIS中的展現。

4 結語

在互聯網技術和地圖制圖技術的高速發展背景下，矢量切片作為一種新的地圖展示控制方式，融合了電子地圖和工作數據，擴展了底圖的交互性，可以讓用戶自定義修改地圖樣式，根據需要進行智能制圖并展示在基礎地圖上。基于ArcGIS制作發布的矢量切片地圖具有樣式靈活、數據輕量、快速反應、高清顯示等諸多優點，提高了地圖的可讀性，可以滿足不同人員的使用需求，成功實現了與電網GIS平臺相結合，為電網GIS平臺提供切片地圖管理支撐服務。

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收稿日期：2020-01-15

作者簡介：余文輝（1968—），男，廣東廣州人，高級工程師，工學博士，研究方向：生產設備管理及生產信息化管理。