大規(guī)模國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)的調(diào)度和渲染研究

賴 云，祁 瓊，樊楚穎

（1.湖北省國(guó)土資源研究院，湖北 武漢 430061；2.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

國(guó)務(wù)院于2017-10-16發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于開(kāi)展第三次全國(guó)土地調(diào)查的通知》（以下簡(jiǎn)稱為《通知》），《通知》明確自2017年起開(kāi)展第三次全國(guó)土地調(diào)查，以全面查清當(dāng)前全國(guó)土地利用狀況，掌握真實(shí)準(zhǔn)確的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)土資源管理工作需要[1]。隨著自然資源部的成立，2018-08-29國(guó)務(wù)院將第三次全國(guó)土地調(diào)查調(diào)整為第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查（以下簡(jiǎn)稱為“三調(diào)”）[2]。

截至2020年底，第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查已基本完成，數(shù)據(jù)經(jīng)匯總已建立起了多級(jí)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。三調(diào)數(shù)據(jù)是自然資源管理部門開(kāi)展國(guó)土空間規(guī)劃、耕地保護(hù)、衛(wèi)片執(zhí)法、土地征收等工作的基礎(chǔ)，但由于三調(diào)數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)量龐大，而移動(dòng)設(shè)備內(nèi)存小，無(wú)法存儲(chǔ)全省甚至一個(gè)市（州）的數(shù)據(jù)量，往往導(dǎo)致工作人員為了調(diào)用三調(diào)數(shù)據(jù)不得不在完成一個(gè)區(qū)域工作后，返回工作站進(jìn)行下一區(qū)域數(shù)據(jù)的拷貝與存儲(chǔ)，且在進(jìn)行外業(yè)時(shí)工作人員常遇到地圖渲染慢、數(shù)據(jù)查詢效率低、數(shù)據(jù)量大導(dǎo)致程序崩潰等問(wèn)題，極大影響了外業(yè)工作效率。解決移動(dòng)環(huán)境下大規(guī)模國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)的調(diào)度和渲染問(wèn)題，是三調(diào)數(shù)據(jù)充分服務(wù)于自然資源管理工作的關(guān)鍵之一。

GIS數(shù)據(jù)把空間對(duì)象轉(zhuǎn)化為點(diǎn)、線、面三種，要求數(shù)據(jù)具有完整性和連續(xù)性，各類要素都要有明確的分類和信息[3]。GIS數(shù)據(jù)是為了滿足空間分析的需要，強(qiáng)調(diào)實(shí)體獨(dú)立的地理意義，要求保證地理要素的完整性。

制圖數(shù)據(jù)的信息主要是依靠地圖符號(hào)、注記等地圖語(yǔ)言體現(xiàn)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一種不連續(xù)的狀態(tài)，各要素之間沒(méi)有聯(lián)系，也不能形成拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)的分層要求也不是非常嚴(yán)格，故而不能很好地實(shí)現(xiàn)空間分析[4]。一般可通過(guò)對(duì)GIS數(shù)據(jù)的壓縮化簡(jiǎn)綜合等方式來(lái)生成制圖數(shù)據(jù)。

矢量切片包（vtpk）是以建立金字塔的方式將矢量數(shù)據(jù)切割成一個(gè)一個(gè)矢量要素描述性文件，每個(gè)描述性文件存儲(chǔ)的是投影區(qū)域的幾何信息和屬性信息，包含了多個(gè)數(shù)據(jù)集，每個(gè)數(shù)據(jù)集都包含了多個(gè)要素，包括點(diǎn)、線、面和注記要素[5]。此外，矢量切片包還存儲(chǔ)有地圖的配置樣式文件及圖標(biāo)、標(biāo)注字體等信息，配圖樣式文件中包含有圖層的渲染風(fēng)格屬性信息，如圖標(biāo)大小、主機(jī)樣式、線的顏色等信息[6]。移動(dòng)端軟件根據(jù)地圖可視范圍以及比例尺從矢量切片包中獲取矢量切片和配圖樣式文件等數(shù)據(jù)源信息，然后按照配圖樣式文件中定義的渲染風(fēng)格信息將矢量切片數(shù)據(jù)渲染輸出地圖[7]。

地理數(shù)據(jù)庫(kù)（geodatabase）是采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型。它能夠有效定義和表達(dá)空間實(shí)體，系統(tǒng)化空間實(shí)體之間各種行為特征的約束關(guān)系，支持多種格式地理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理[8]。GeoDatabase也是ESRI公司定義的一個(gè)為ArcGIS所用的數(shù)據(jù)框架，該框架定義了ArcGIS中用到的所有的數(shù)據(jù)類型。GeoDatabase空間數(shù)據(jù)模型在同一模型框架下對(duì)GIS通常需要處理和表達(dá)的地理空間要素，如矢量、柵格、三維表面、網(wǎng)絡(luò)、地址等進(jìn)行統(tǒng)一的描述[9]。

移動(dòng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)（.geodatabase）又稱為運(yùn)行時(shí)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，是ESRI公司為用戶提供的廣泛適用且簡(jiǎn)單的地理數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案。移動(dòng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)可以將屬于一個(gè)移動(dòng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)的所有數(shù)據(jù)集都包含在單個(gè)文件所存儲(chǔ)的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，支持創(chuàng)建、顯示、查詢及編輯GIS數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)庫(kù)使用優(yōu)化過(guò)的高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以提高性能、降低成本簡(jiǎn)化復(fù)雜性[10]。移動(dòng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)單個(gè)文件的大小限制為2TB，易于移植，是可跨操作系統(tǒng)使用的便攜式地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 數(shù)據(jù)調(diào)度與渲染方法

1.1 數(shù)據(jù)調(diào)度

近年來(lái)移動(dòng)設(shè)備在性能上有較大提升，但與大型服務(wù)器和桌面設(shè)備相比，其存在CPU處理能力弱、內(nèi)存容量小、讀寫速度慢等問(wèn)題，這也導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備對(duì)大數(shù)據(jù)量矢量空間數(shù)據(jù)的存取和渲染速度慢。所以移動(dòng)環(huán)境下需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)加載與用戶交互的方式，來(lái)提高數(shù)據(jù)的渲染及使用效率。

1.1.1 數(shù)據(jù)組織

本文采用GIS數(shù)據(jù)與制圖數(shù)據(jù)分離的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，其中制圖數(shù)據(jù)采用.vtpk格式，GIS數(shù)據(jù)采用.geodatabase格式。且考慮到數(shù)據(jù)量較大的問(wèn)題及實(shí)際使用需求，對(duì)數(shù)據(jù)按行政區(qū)域進(jìn)行劃分，通過(guò)配置文件進(jìn)行整體的調(diào)度與存儲(chǔ)。具體的數(shù)據(jù)組織方式如下：

1）首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行按區(qū)域分塊，將湖北省三調(diào)數(shù)據(jù)按市域和區(qū)/縣域進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分，這樣可以縮小檢索和渲染范圍，提高檢索和渲染效率。

2）對(duì)于一個(gè)區(qū)/縣的數(shù)據(jù)，為其單獨(dú)構(gòu)建.vtpk（用于渲染）及.geodatabase（用于查詢）。所有數(shù)據(jù)文件在移動(dòng)設(shè)備上以市為文件夾進(jìn)行組織，所有市名及縣名均存儲(chǔ)在配置文件中。并在配置文件中添加app初始加載數(shù)據(jù)的市名及縣名，在切換展示數(shù)據(jù)時(shí)修改配置文件中的初始加載數(shù)據(jù)的市縣名，以保證每次app重新打開(kāi)時(shí)顯示數(shù)據(jù)為上次退出時(shí)的數(shù)據(jù)（如圖1所示）。

圖1 配置文件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 數(shù)據(jù)加載

用戶首次打開(kāi)軟件時(shí)，通過(guò)讀取配置文件中的城市列表進(jìn)行數(shù)據(jù)列表的顯示，通過(guò)讀取配置文件中的初始城市名及文件存儲(chǔ)路徑進(jìn)行界面初始化，即通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)路徑下的.vtpk數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖渲染，然后異步加載對(duì)應(yīng)的.geodatabase文件來(lái)進(jìn)行制圖數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，確保展示數(shù)據(jù)與查詢數(shù)據(jù)的一致性。

當(dāng)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)展示區(qū)域切換時(shí)，首先切換地圖渲染的數(shù)據(jù)源（即切換進(jìn)行展示的.vtpk），并進(jìn)行配置文件中的初始加載數(shù)據(jù)更新，再進(jìn)行對(duì)應(yīng).geodatabase文件的異步加載，其中.geodatabase文件的異步加載通過(guò)AecGIS Runtime接口中Geodatabase類的loadAsync()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1.3 用戶交互

在用戶與展示數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時(shí)（也即用戶與移動(dòng)設(shè)備屏幕進(jìn)行交互時(shí)），軟件從.geodatabase內(nèi)部進(jìn)行查詢，并將查詢結(jié)果作為圖層要素加載至展示區(qū)域內(nèi)，保證查詢結(jié)果為GIS數(shù)據(jù)而非經(jīng)過(guò)處理的制圖數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)渲染

通過(guò)ArcGIS Runtime SDK for Android框架可直接對(duì).vtpk格式數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，主要渲染原理為：客戶端將當(dāng)前地圖可視范圍和比例尺發(fā)送給數(shù)據(jù)端，數(shù)據(jù)端將矢量切片和配圖樣式數(shù)據(jù)等信息返回給客戶端，客戶端按照配圖樣式中定義的渲染風(fēng)格信息將矢量切片數(shù)據(jù)渲染輸出為地圖。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)使用湖北省第三次國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)，共包括103個(gè)縣級(jí)行政單位。原始數(shù)據(jù)以縣級(jí)為單位，每個(gè)縣級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè).gdb數(shù)據(jù)庫(kù)中。每個(gè).gdb數(shù)據(jù)庫(kù)中包括DLTB（地類圖斑）、XZQ（行政區(qū)）、DGX（等高線）等多個(gè)圖層，本實(shí)驗(yàn)中僅使用地類圖斑圖層。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)。從桌面端軟件ArcGIS Pro 2.7中將原始存儲(chǔ)在.gdb文件中的矢量數(shù)據(jù)生成.geodatabase，然后對(duì)矢量數(shù)據(jù)根據(jù)三調(diào)標(biāo)準(zhǔn)樣式或用戶自定義樣式進(jìn)行配圖，得到符號(hào)化的三調(diào)數(shù)據(jù)。將符號(hào)化的三調(diào)數(shù)據(jù)導(dǎo)出生成為.vtpk，其中在生成矢量切片包的過(guò)程中，ArcGIS Pro軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)較小比例尺下的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，確保在小比例尺顯示的時(shí)候地圖幅面不會(huì)過(guò)于擁擠。

以市為單位構(gòu)建文件夾，以區(qū)/縣為單位構(gòu)建文件，其中一個(gè)區(qū)/縣包括一個(gè).vtpk文件和一個(gè).geodatabase文件，數(shù)據(jù)組織方式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)組織方式示意圖

2）數(shù)據(jù)渲染。數(shù)據(jù)渲染通過(guò)ArcGIS Runtime SDK for Android實(shí)現(xiàn)對(duì)vtpk文件的讀取和渲染，主要步驟為：①獲取.vtpk文件路徑；②通過(guò)路徑創(chuàng)建ArcGISVectorTiledLayer矢量切片圖層對(duì)象；③將ArcGISVectorTiledLayer矢量切片圖層加入Basemap底圖；④將Basemap底圖加入ArcGISMap地圖中；⑤獲取ArcGISMap的Basemap的所有BaseLayers，添加其他ArcGISVectorTiledLayer矢量切片圖層對(duì)象；⑥將ArcGISMap地圖在MapView控件中顯示。渲染效果如圖3所示。

圖3 湖北省襄陽(yáng)市樊城區(qū)國(guó)土數(shù)據(jù)渲染效果圖

3）數(shù)據(jù)調(diào)度。用戶可通過(guò)選擇不同的區(qū)域，進(jìn)行展示和查詢區(qū)域的切換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分區(qū)域調(diào)度。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)文件名將對(duì)應(yīng)的.vtpk和.geodatabase進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如用戶將展示區(qū)域切換為樊城區(qū)時(shí)，首先將地圖展示加載的數(shù)據(jù)源切換為樊城區(qū).vtpk，同時(shí)進(jìn)行樊城區(qū).geodatabase的異步加載，以此來(lái)保證用戶在與樊城區(qū)的地圖進(jìn)行交互時(shí)，查詢的數(shù)據(jù)源也是樊城區(qū)（如圖4所示）。

圖4 數(shù)據(jù)分區(qū)域調(diào)度示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)調(diào)度方面，用戶進(jìn)行所選擇區(qū)域的切換，制圖數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)通過(guò)文件名的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了地圖展示區(qū)域和檢索范圍聯(lián)動(dòng)切換。

數(shù)據(jù)渲染方面，每個(gè)區(qū)/縣數(shù)據(jù)（要素?cái)?shù)從50 000到500 000萬(wàn)不等，vtpk大小從20 MB到80 MB不等）的渲染時(shí)間均小于1 s。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)制圖數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)之間的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，首先闡述了大規(guī)模國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)調(diào)度和渲染的原理與方法，然后通過(guò)將湖北省國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)按照“以市建立文件夾、以區(qū)/縣組織文件”的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度和渲染的實(shí)驗(yàn)，使大規(guī)模國(guó)土數(shù)據(jù)不僅達(dá)到快速渲染，分區(qū)域調(diào)度的效果，而且可以實(shí)現(xiàn)快速檢索與分析。該方案已應(yīng)用于湖北省國(guó)土調(diào)查移動(dòng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件中，取得了較好的應(yīng)用效果。