跨平臺(tái)地圖緩存一體化的研究與應(yīng)用

李 林，朱俊豐，鄧仕虎

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

跨平臺(tái)地圖緩存一體化的研究與應(yīng)用

李 林1，朱俊豐1，鄧仕虎1

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

地圖緩存技術(shù)是WebGIS中廣泛采用的關(guān)鍵技術(shù)，然而不同平臺(tái)的地圖緩存應(yīng)用給數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和維護(hù)更新帶來(lái)諸多不便。針對(duì)此問(wèn)題，從地圖緩存的生成算法出發(fā)，研究了跨平臺(tái)地圖緩存一體化的技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方法，分別探討了服務(wù)器端一體化和客戶端一體化2種方式，旨在提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成和應(yīng)用服務(wù)的效率，為實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)緩存一體化提供一種可行有效的解決辦法。

WebGIS；跨平臺(tái)；地圖緩存 ；一體化；服務(wù)器代理

早期的WebGIS應(yīng)用中，呈現(xiàn)在客戶端的地圖是根據(jù)每一次客戶發(fā)送的請(qǐng)求在服務(wù)器端實(shí)時(shí)生成后再發(fā)送到客戶端的[1-3]，這一技術(shù)特點(diǎn)與WebGIS并發(fā)用戶多、客戶體驗(yàn)要求高是矛盾的，極大地限制了其應(yīng)用范圍和效果。地圖緩存技術(shù)的出現(xiàn)突破了這個(gè)瓶頸，將GIS地圖應(yīng)用從專業(yè)領(lǐng)域推向公眾視線。地圖緩存技術(shù)能夠減少服務(wù)器動(dòng)態(tài)計(jì)算圖片的操作壓力和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量，提高WebGIS地圖瀏覽速度和用戶體驗(yàn)。目前各種GIS軟件平臺(tái)的地圖緩存算法基本思路大致相同，但由于技術(shù)體系不同，不同平臺(tái)的地圖緩存圖片在存取方法等或多或少存在差異，導(dǎo)致在應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)不同平臺(tái)應(yīng)用，需要生產(chǎn)多個(gè)平臺(tái)的瓦片數(shù)據(jù)，從而造成大量地圖緩存的冗余存儲(chǔ)，同時(shí)給數(shù)據(jù)生成和更新維護(hù)帶來(lái)很多額外的工作量。本文旨在通過(guò)分析GIS軟件平臺(tái)圖片緩存算法及存儲(chǔ)方式，運(yùn)用軟件、標(biāo)準(zhǔn)等來(lái)實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)緩存地圖的一體化應(yīng)用，最終達(dá)到一套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)軟件平臺(tái)生產(chǎn)，供多個(gè)平臺(tái)使用的目的。

1 地圖緩存算法

1.1 地圖緩存基本算法原理

地圖緩存技術(shù)，就是按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)則，預(yù)先把地圖按照金字塔模型切成一定規(guī)格的圖片保存到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)里，當(dāng)用戶通過(guò)客戶端瀏覽器訪問(wèn)地圖服務(wù)時(shí)，服務(wù)器直接返回當(dāng)前地圖坐標(biāo)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的“瓦片”，從而達(dá)到降低服務(wù)器負(fù)擔(dān)、提升地圖瀏覽速度的目的[4-6]。采用瓦片金字塔模型建立地圖緩存的算法原理如下：

1）首先確定地圖服務(wù)平臺(tái)所要提供的縮放級(jí)別的數(shù)量N, 每個(gè)縮放級(jí)別對(duì)應(yīng)一個(gè)地圖比例尺，把縮放級(jí)別最低、地圖比例尺最大的地圖圖片作為金字塔的底層，即第0層，并對(duì)其進(jìn)行分塊。從地圖圖片的左上角開(kāi)始，按行列進(jìn)行切割，分割成相同大小(如256像素×256像素)的正方形地圖瓦片，形成第0層瓦片矩陣。

2）在第0層地圖圖片的基礎(chǔ)上，按每2像素×2像素合成為1個(gè)像素的方法生成第1層地圖圖片，并對(duì)其進(jìn)行分塊，分割成與下一層相同大小的正方形地圖瓦片，形成第1層瓦片矩陣。

3）采用同樣的方法生成第2層瓦片矩陣。依此類(lèi)推，直到第N-1層，構(gòu)成整個(gè)瓦片金字塔。圖1、圖2為瓦片金字塔模型的構(gòu)建示意圖。

圖1 瓦片金字塔示意圖

圖2 按層級(jí)組織的地圖瓦片形式

地圖瓦片除了上面提到的比例尺外，還有2個(gè)密切相關(guān)的概念：DPI和Resolution。DPI代表每英寸的像素?cái)?shù)，一般跟機(jī)器有關(guān)，目前默認(rèn)值都是96。Resolution代表分辨率，其實(shí)際含義代表當(dāng)前地圖范圍內(nèi)1像素代表多少地圖單位，地圖單位取決于數(shù)據(jù)本身的空間參考。Resolution跟DPI和地圖的單位有關(guān)。一般而言，不同的GIS平臺(tái)，對(duì)應(yīng)的Resolution值不一樣。

1.2 主流GIS平臺(tái)地圖緩存算法

1.2.1 ArcGIS地圖緩存算法

ArcGIS平臺(tái)的地圖緩存算法與一般的算法類(lèi)似。設(shè)定一個(gè)原點(diǎn)作為地圖切片的起始點(diǎn)（默認(rèn)是（400，-400），這是個(gè)經(jīng)緯度坐標(biāo)，這個(gè)值可以把其他地區(qū)的數(shù)據(jù)連接進(jìn)來(lái)，使不同服務(wù)的數(shù)據(jù)得到有效的拼接），以一定的規(guī)格（長(zhǎng)寬為2的n次方的像素）把地圖切割成若干小圖片，并以科學(xué)命名的方式存貯到計(jì)算機(jī)磁盤(pán)。命名的規(guī)則是各比例尺的圖片放在名為L(zhǎng)××的文件夾里面，第1個(gè)比例尺的文件夾名為L(zhǎng)00，第2個(gè)比例尺為L(zhǎng)01，依此類(lèi)推。比例尺文件夾（L文件夾）目錄下還會(huì)有R開(kāi)頭的文件夾，R表示ROW，當(dāng)前比例尺的瓦片每1行對(duì)應(yīng)1個(gè)文件夾，如圖3所示。R文件夾的命名方式是瓦片的行序列（用rIndex表示），把rIndex轉(zhuǎn)為8位16進(jìn)制，不足的在左邊補(bǔ)0，用代碼公式表示為FolderName = "R"+rIndex.ToString("x").PadLeft(8, '0')。

R文件夾下面存放的就是地圖瓦片，瓦片的命名方式跟R文件夾的命名方式相似，以字母C開(kāi)頭，后面是瓦片在該行的列序號(hào)（用cIndex表示），后面依然是一個(gè)8位16進(jìn)制數(shù)，代碼為FileName = "C"+rIndex.ToString("x").PadLeft(8, '0')+ "."+format.ToString()。

圖3 ArcGIS 緩存文件存儲(chǔ)方式示意圖

1.2.2 SuperMap地圖緩存算法

SuperMap的地圖緩存算法與ArcGIS大同小異，同樣是在左上角設(shè)定一個(gè)原點(diǎn)作為切圖原點(diǎn)，以長(zhǎng)寬為2的n次方的像素大小生產(chǎn)正方形瓦片。兩者在文件組織方式和緩存文件命名規(guī)則上有所差異。ArcGIS平臺(tái)先按照行再按照列進(jìn)行掃描切圖，SupeMap平臺(tái)則是先按照列再按照行進(jìn)行掃描切圖，兩者正好相反。此外，SuperMap平臺(tái)的命名規(guī)則是以地圖比例尺直接作為文件夾名稱，文件夾下存儲(chǔ)當(dāng)前比例尺的每一列對(duì)應(yīng)的子文件夾，從0，1，2…依次命名，如圖4所示。子文件夾下存儲(chǔ)當(dāng)前列對(duì)應(yīng)的行，也是從0，1，2 …依次命名。

圖4 SuperMap 緩存文件存儲(chǔ)方式示意圖

2 跨平臺(tái)地圖緩存一體化

跨平臺(tái)地圖緩存一體化包括2個(gè)層次的內(nèi)容：一個(gè)是平臺(tái)服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)一體化的地圖瓦片服務(wù)，另一個(gè)是不同客戶端實(shí)現(xiàn)一體化的地圖瓦片調(diào)用。

2.1 服務(wù)器端地圖緩存一體化

2.1.1 服務(wù)器端代理方式

服務(wù)器端代理方式是指在服務(wù)器提供模塊與地圖緩存數(shù)據(jù)庫(kù)之間設(shè)置代理程序，當(dāng)客戶端發(fā)送地圖請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端分析該請(qǐng)求，獲得相應(yīng)的瓦片存取地址，再將該瓦片存取地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際緩存圖片平臺(tái)對(duì)應(yīng)的存取地址，從而獲得平臺(tái)的切片地圖服務(wù)，如圖5所示。

圖5 服務(wù)器代理方式實(shí)現(xiàn)地圖緩存一體化示意圖

2.1.2 服務(wù)器端地圖緩存轉(zhuǎn)換方式

服務(wù)器端地圖緩存轉(zhuǎn)換方式是將數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)生成的瓦片直接轉(zhuǎn)換成其他平臺(tái)的瓦片，從而在平臺(tái)提供服務(wù)的時(shí)候，與調(diào)用自身平臺(tái)生產(chǎn)的瓦片一樣提供服務(wù)。與服務(wù)器代理方式相比，這種方法減少了代理程序?qū)Φ貓D圖片地址的轉(zhuǎn)換過(guò)程，地圖服務(wù)的效率較好，但是相應(yīng)的代價(jià)是犧牲了一定存儲(chǔ)空間和預(yù)處理時(shí)間，如圖6所示。

2.1.3 地圖緩存轉(zhuǎn)換算法

無(wú)論采用上述哪種方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端地圖緩存的一體化，都需要理清不同平臺(tái)瓦片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即兩者之間的轉(zhuǎn)換算法。從地圖緩存技術(shù)的基本算法可知，2個(gè)平臺(tái)的瓦片之間能互相轉(zhuǎn)換的前提是，首先必須保證兩者同一張圖片所覆蓋的內(nèi)容在范圍和位置上都是一樣的，其次還要尋找兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。從基本的算法可以看出，瓦片都是按行列進(jìn)行裁切的，因此，這種轉(zhuǎn)換關(guān)系不外乎行列互換或者是行列對(duì)應(yīng)2種。

圖6 服務(wù)器端地圖緩存轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)地圖緩存一體化示意圖

對(duì)上述的第一個(gè)問(wèn)題，從§1.1中的介紹可知，只需要保證2個(gè)平臺(tái)的Resolution值一樣即可。但是事實(shí)上，目前主流的GIS平臺(tái)各自的Resolution值往往不一樣，需要相應(yīng)地調(diào)整比例尺的值，也就是說(shuō)要尋找到A平臺(tái)Sa比例尺對(duì)應(yīng)的B平臺(tái)的比例尺Sb。不同平臺(tái)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不一樣，下面以ArcGIS和SuperMap平臺(tái)為例說(shuō)明轉(zhuǎn)換方法。

假定地理坐標(biāo)系是WGS84,地圖的單位是（°），DPI為96。那么，根據(jù)1 in= 2.54 cm=96像素，則：

根據(jù)地球橢球參數(shù)可知（°）和m之間的換算參數(shù)為：

如果比例尺為1∶64 000 000，相當(dāng)于：

1像素 = 64 000 000×0.025 4/96 = 16 933.367 2 m再將m轉(zhuǎn)換為（°） ，那么對(duì)應(yīng)的Resolution值為:

用ArcGIS Server 裁圖后的配置文檔進(jìn)行驗(yàn)證如下：

總結(jié)上面的換算規(guī)律，即可得到如下公式：

因此，在確定了某一平臺(tái)之后，即可得到不同比例尺對(duì)應(yīng)的Resolution值，從而計(jì)算出其他平臺(tái)對(duì)應(yīng)的scale。只需要在地圖緩存生產(chǎn)時(shí)在同一地圖原點(diǎn)下按照轉(zhuǎn)換后的scale值進(jìn)行，就可以保證同一張圖片所覆蓋的內(nèi)容在范圍和位置上都是一樣的。

2.2 客戶端地圖緩存一體化

2.2.1 擴(kuò)展API接口方式

目前的GIS平臺(tái)都提供了各自的客戶端API開(kāi)發(fā)接口，除了提供訪問(wèn)本平臺(tái)地圖緩存的方法和函數(shù)外，還提供了一些可以擴(kuò)展訪問(wèn)其他地圖瓦片的接口。以應(yīng)用最廣的ArcGIS平臺(tái)為例，可以通過(guò)擴(kuò)展接口訪問(wèn)SuperMap瓦片。圖7為ArcGIS API中各圖層對(duì)象模型圖。

圖7 ArcGIS擴(kuò)展類(lèi)對(duì)象模型圖

本文的研究對(duì)象是地圖瓦片數(shù)據(jù)，在這個(gè)對(duì)象模型圖中我們重點(diǎn)關(guān)注TiledMapServiceLayer，它繼承自Layer，是所有使用了緩存的地圖服務(wù)的基類(lèi)。通過(guò)它可以在程序中加入經(jīng)過(guò)緩存、來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的地圖服務(wù)，如ArcGIS Server的地圖服務(wù)、Google Map的地圖、Virtual Earth的地圖等。TiledMapServiceLayer類(lèi)擁有4個(gè)屬性值，分別是fullExtent、initialExtent、spatialReference和tileInfo，對(duì)應(yīng)瓦片地圖的全圖范圍、初始化范圍、空間參考系和瓦片信息。具體的2個(gè)方法是 getTileUrl(level，row，column)和 refresh()。getTileUrl()函數(shù)返回瓦片的地址，這與瓦片的存儲(chǔ)組織方式密切相關(guān)；Refresh()函數(shù)對(duì)地圖進(jìn)行刷新操作。從TiledMapServiceLayer類(lèi)擁有的參數(shù)及相關(guān)功能看出，如果需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，需要重點(diǎn)改造tileInfo和getTileUrl()，設(shè)置其對(duì)應(yīng)的瓦片參數(shù)和地址即可。

2.2.2 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口方式

與WMS、WFS等OGC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供矢量數(shù)據(jù)存取方式類(lèi)一樣，OGC等組織同樣還對(duì)瓦片的存取提供了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口，如WMTS、WMSC、 TMS和TWMS等[7]。目前應(yīng)用較多的就是WMTS（Web Map Tile Service，切片地圖Web服務(wù)）[8]，其于2009-02-26推出，它提供了一種采用預(yù)定義圖塊方法發(fā)布數(shù)字地圖服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。WMTS彌補(bǔ)了WMS不能提供分塊地圖的不足。WMS提供可定制地圖的服務(wù)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或用戶定制地圖（需結(jié)合SLD標(biāo)準(zhǔn)）的理想解決辦法。WMTS犧牲了提供定制地圖的靈活性，代之以通過(guò)提供靜態(tài)數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)地圖）來(lái)增強(qiáng)伸縮性，這些靜態(tài)數(shù)據(jù)的范圍框和比例尺被限定在各個(gè)圖塊內(nèi)。這些固定的圖塊集使得對(duì)WMTS服務(wù)的實(shí)現(xiàn)可以使用一個(gè)僅簡(jiǎn)單返回已有文件的Web服務(wù)器即可，同時(shí)使得可以利用一些標(biāo)準(zhǔn)的諸如分布式緩存的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制實(shí)現(xiàn)伸縮性。

3 應(yīng)用案例

3.1 ArcGIS與SuperMap地圖瓦片轉(zhuǎn)換及應(yīng)用

以SuperMap為地圖服務(wù)平臺(tái)，ArcGIS平臺(tái)為數(shù)據(jù)生成平臺(tái)，那么就需要確定SuperMap平臺(tái)的Resolution值來(lái)修正ArcGIS平臺(tái)對(duì)應(yīng)的比例尺，再進(jìn)行數(shù)據(jù)生成。表1為SuperMap平臺(tái)部分比例尺及Resolution值。根據(jù)§2.1.3，得到兩者對(duì)應(yīng)的比例尺關(guān)系，如表2所示。根據(jù)上述比例尺進(jìn)行裁圖，即可得到地圖圖片一致的數(shù)據(jù)；再根據(jù)2個(gè)平臺(tái)瓦片之間的轉(zhuǎn)置關(guān)系，就可以完成轉(zhuǎn)換。

表1 SuperMap比例尺及對(duì)應(yīng)的Resolution值

表2 ArcGIS和SuperMap比例尺對(duì)應(yīng)關(guān)系

目前，該方法已經(jīng)成功地在重慶市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)中得到應(yīng)用。用ArcGIS平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理軟件，利用上述方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，可以發(fā)布到SuperMap平臺(tái)建設(shè)的公共服務(wù)平臺(tái)上應(yīng)用，從而解決了長(zhǎng)期以來(lái)需要維護(hù)2套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)帶來(lái)的問(wèn)題。

3.2 客戶端一體化應(yīng)用

目前在重慶市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)中，基于ArcGIS API開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)都是以§2.2所述的方式進(jìn)行擴(kuò)展開(kāi)發(fā)的，如基于ArcGIS Flex API 開(kāi)發(fā)的重慶市衛(wèi)生應(yīng)急指揮決策系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 基于API擴(kuò)展開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)界面

此外，基于WMTS、WMS等標(biāo)準(zhǔn)接口開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的客戶端一體化技術(shù)也大量應(yīng)用在工程項(xiàng)目中，取得了良好的應(yīng)用效果，如“天地圖·重慶”省級(jí)節(jié)點(diǎn)，“數(shù)字長(zhǎng)壽”、“數(shù)字永川”等數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用示范系統(tǒng)，基于WMS訪問(wèn)NewMap平臺(tái)提供的地圖服務(wù)應(yīng)用，如圖9所示。

圖9 通過(guò)WMTS方式調(diào)用地圖服務(wù)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了GIS平臺(tái)地圖緩存基礎(chǔ)算法，通過(guò)軟件、接口及標(biāo)準(zhǔn)等方式，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端和客戶端的地圖緩存一體化方法，并將這些方法應(yīng)用在重慶市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)、“數(shù)字長(zhǎng)壽”、“數(shù)字永川”、“天地圖·重慶”省級(jí)節(jié)點(diǎn)建設(shè)等項(xiàng)目及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中，取得了良好的效果，為各種地理信息應(yīng)用提供了豐富的手段，有力推動(dòng)了地理信息在各行各業(yè)的應(yīng)用。

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Application of Cross-platform Map Cache Integration

byLI Lin

The map cache technology is a widely-used key technology in WebGIS. However, much inconvenience has been brought to data production and maintenance by map cache of different platform.Arming at this problem, this paper described the basic algorithm, and discussed the technical route and realization method for cross-platform map cache integration. The server and client integration methods were discussed separately for improving the efficiency of data production and application. The results show that the method provided in this paper is a feasible and effective solution for cross-platform map cache integration.

WebGIS, cross-platform, map cache, integration, server proxy

P208

B

1672-4623（2013）02-0074-04

10.11709/j.issn.1672-4623.2013.02.023

2013-01-05。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAK07B03-4）；重慶市科委資助項(xiàng)目（2009CB2015）。

李林，碩士，主要研究方向?yàn)镚IS集成應(yīng)用、空間數(shù)據(jù)共享等。