基于Silverlight的矢量地圖符號模型設(shè)計與實踐

黃瑞陽，郭建忠，余慧明，2，史瑞鵬

（1.信息工程大學 測繪學院，河南 鄭州 450052；2.68011部隊，甘肅 蘭州 730020；3.61363部隊，陜西 西安 710054）

RIA（Rich Internet Application）是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)富客戶端應(yīng)用的新興技術(shù)［1－3］，它采用了XAML語言，具有更為豐富的多媒體表達能力，同時它把界面呈現(xiàn)邏輯轉(zhuǎn)移到客戶端實現(xiàn)，能夠充分挖掘客戶端系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)架構(gòu)的整體服務(wù)性能。將RIA技術(shù)引入WebGIS開發(fā)和應(yīng)用，提高WebGIS與用戶之間的靈活交互能力和信息傳輸能力［4－5］，已經(jīng)成為當前WebGIS開發(fā)的趨勢，眾多國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)地圖提供商［6－8］如ERSI、Microsoft等巨頭紛紛提供基于RIA技術(shù)的WebGIS公眾平臺，還提供面向RIA的二次開發(fā)接口，如ESRI的Arcgis for silverlight SDK 2.0。然而，目前常見的WebGIS平臺大都采用地圖切片的體系架構(gòu)，其地圖符號化過程往往在服務(wù)器端進行實現(xiàn)，這種架構(gòu)雖然提高了WebGIS的空間信息網(wǎng)絡(luò)請求的響應(yīng)能力，然而卻束縛了WebGIS交互能力的進一步發(fā)展，特別是制約了基于WebGIS的地圖制圖技術(shù)的發(fā)展。因此，本文主要研究基于Silverlight的矢量地圖符號模型設(shè)計與實踐，從矢量地圖符號化框架設(shè)計入手，設(shè)計基于Silverlight的開放靈活通用的矢量地圖點狀、線狀、面狀符號模型，最后結(jié)合Silverlight 4.0和WCF（Windows Communication Foundation，微軟通訊連接基礎(chǔ)）服務(wù)，進行基于Silverlight的矢量地圖符號庫加載和顯示試驗，通過地圖符號庫在線繪制的時間測試，驗證基于Silverlight的矢量地圖符號模型的設(shè)計與實踐，在提高可視化效果的同時，滿足WebGIS的交互響應(yīng)要求。

1 基于Silverlight的矢量地圖符號化框架設(shè)計

地圖符號化是GIS可視化的重要組成部分，在傳統(tǒng)WebGIS框架體系中，由于受空間信息傳輸要求和客戶端圖形表達不豐富等限制，WebGIS往往采用B/S模式實現(xiàn)，即將地圖數(shù)據(jù)的加載和渲染在服務(wù)器端進行實現(xiàn)，只將地圖符號化后結(jié)果以圖片的形式返回給客戶端。此外，國內(nèi)外一些學者嘗試用SVG等語言實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖符號化［9－10］，這些研究在一定程度上實現(xiàn)了地理空間信息的豐富圖形表達與快速傳輸，然而，卻忽略了空間數(shù)據(jù)的Web交互表達展現(xiàn)能力，網(wǎng)絡(luò)地圖符號的相關(guān)操作有限，進而限制了網(wǎng)絡(luò)地圖制圖技術(shù)的發(fā)展。

在計算機軟硬件水平大幅度提升和RIA技術(shù)日趨成熟的今天，采用RIA技術(shù)實現(xiàn)豐富高效的WebGIS開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為可能。如何實現(xiàn)基于RIA技術(shù)的地圖符號化，是面向RIA的WebGIS開發(fā)和實踐過程中不可或缺的一部分。Silverlight是微軟推出的一種跨瀏覽器、跨平臺的，用于提供下一代媒體體驗和豐富的RIA應(yīng)用的新技術(shù)［11］，它的表現(xiàn)層框架提供了矢量圖形、動畫、文本和圖像等，為網(wǎng)絡(luò)地圖符號化技術(shù)實現(xiàn)。因此，本文設(shè)計了基于Silverlight的矢量地圖符號化框架，如圖1所示。該框架主要由數(shù)據(jù)層、服務(wù)器端和客戶端三部分組成，其中數(shù)據(jù)層主要是網(wǎng)絡(luò)上任意地址或者本地的矢量數(shù)據(jù)庫和符號庫；服務(wù)器端提供了數(shù)據(jù)訪問調(diào)用的接口，并根據(jù)客戶應(yīng)用提供了豐富的數(shù)據(jù)功能、功能服務(wù)和符號調(diào)用解析服務(wù)，同時負責響應(yīng)多個客戶端的請求；客戶端在RIA表現(xiàn)層框架的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用服務(wù)器端的數(shù)據(jù)服務(wù)和符號調(diào)用與解析服務(wù)，并進行可視化展現(xiàn)，同時提供了用戶與WebGIS平臺的豐富交互操作。

圖1 基于Silverlight的矢量地圖符號化框架

該框架將地圖符號化放置在客戶端實現(xiàn)，能夠充分利用客戶端的軟硬件能力，減輕服務(wù)器端的負擔，同時將GIS常用的矢量數(shù)據(jù)加載、處理和符號庫加載等以服務(wù)的形式進行封裝和提供，在提供WebGIS可視化效果的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的松散耦合和良好伸縮。基于制圖相關(guān)交互操作服務(wù)的封裝與部署，用戶可以流暢實現(xiàn)基于RIA的網(wǎng)絡(luò)地圖制圖。

2 基于Silverlight的矢量地圖符號模型設(shè)計

2.1 點狀地圖符號模型設(shè)計

點狀地圖符號主要用于表示空間中各種具有點的性質(zhì)，它通常是一系列的基本圖元組成的［12－13］，經(jīng) 過 分 析ArcGIS、SuperMap、MapGIS、MGIS等成熟GIS軟件的點狀地圖符號的組成規(guī)律，點狀地圖符號的基本組成圖元主要有以下18種：點、直線、折線、平行線、張力曲線、貝賽爾曲線、多邊形、矩形、圓角矩形、五角星、正多邊形、圓弧、橢圓、弦、扇形、文本、圖片（圖標）、復(fù)合圖元等。為了設(shè)計通用的點狀地圖符號模型，本文采用面向?qū)ο笤O(shè)計的思想［14］，設(shè)計了基于Silverlight的矢量地圖符號模型，如圖2所示。其中，圖2左側(cè)為圖元基類ShapeCell的類視圖，ShapeCell從Silverlight的表現(xiàn)層元素FrameworkElement派生出來，方便了將符號圖元轉(zhuǎn)化為Silverlight中具有可視外觀布局且可以處理基本輸入的用戶界面元素。在該圖元基類中，定義了圖元繪制于屏幕中所需的屬性和方法如表1所示。根據(jù)點狀符號的基本組成圖元的類型，ShapeCell又派生出了15個子類，各個子類的詳細描述信息如表2所示。

表1 基類ShapeCell的成員屬性及方法信息

表2 圖元子類的描述信息表

圖2 基于Silverlight的點狀地圖符號通用模型

2.2 線狀地圖符號模型設(shè)計

線狀地圖符號主要用于表示道路、境界和河流等呈線狀分布的地理要素，其可以看作是組成該線狀符號的基本圖元按照一定的規(guī)則沿定位線循環(huán)配置而成［15］，線狀地圖符號的圖元循環(huán)規(guī)則一般有縱向疊加和循環(huán)配置2種，因此，線狀地圖符號組成圖元由StrokeDotShapeCell和BaseStrokeShape 2個子類組成，如圖3所示，其中StrokeDotShapeCell實現(xiàn)了由點狀符號（ChildCells圖元列表）按照一定的間距循環(huán)配置生成線狀符號，BaseStrokeShape－Cell實現(xiàn)了由若干個點狀符號按照一定的位置（首部、中部、尾部）和偏移量循環(huán)縱向配置在基線段（Sections）上以生成線狀符號?；诰€狀符號圖元的地圖符號化步驟具體如下：

圖3 基于Silverlight的線狀地圖符號通用模型

1）判斷是否包含要配置的點符，如果沒有，則進行簡單線處理；如果有，進入2）步驟；

2）動態(tài)計算線的長度；

3）按照一定的閾值對線上的點進行壓縮刪除；

4）按照圖元的間隔內(nèi)插生成若干個圖元放置的起始點；

5）在每個內(nèi)插點將線狀圖元按照一定的縮放比例進行渲染。

2.3 面狀地圖符號模型設(shè)計

面狀地圖符號表示呈面狀分布的、連續(xù)的空間現(xiàn)象。面狀符號的填充主要有圖片填充、簡單填充、點符填充和暈渲填充4種方法。因此設(shè)計了如圖4所示的面狀符號通用模型，其中SimplePatternCell子類定義了Brush對象，實現(xiàn)了Silverlight支持界面元素對象的填充，如LineGradientBrush，VideoBrush，RadialGradientBrush，SolidGradient－Brush等；PicturePatternCell子類定義了基于圖像圖標的面渲染方式，在Silverlight內(nèi)置的Image－Brush基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了支持多種格式圖像的平鋪填充；MarkPatternCell通過定義面填充的點符圖元列表（MarkCells）和點符的填充規(guī)則（如矩形、菱形、隨機等多種規(guī)則）來實現(xiàn)基于點符的面渲染；LinePatternCell：通過定義面填充的暈線圖元列表和暈線的規(guī)則來實現(xiàn)基于暈線的面填充。

圖4 基于Silverlight的面狀地圖符號通用模型

除了SimplePatternCell子類的填充算法實現(xiàn)受Silverlight內(nèi)置畫刷支持外，其余3個子類的面填充算法均需要重新開發(fā)和設(shè)計，由于圖像的渲染，可以轉(zhuǎn)化為基于圖像圖元的渲染，暈線的面填充可以將暈線轉(zhuǎn)化為若干個圖元的組合，所以都可以看作是基于圖元的面填充算法，該算法的實現(xiàn)步驟如下：

1）判斷填充樣式圖元所占的尺寸及圖元之間的縱橫填充間距，若樣式圖元為圖像時，即PicturePatternCell子類中，設(shè)置該樣式圖元所占長度為圖像的尺寸，填充間距為0；

2）根據(jù)待渲染面的控制點，提取出外接矩形B；

3）根據(jù)外接矩形B，計算需要填充的樣式圖元的行數(shù)R和列數(shù)C；

4）遍歷行數(shù)R和列數(shù)C進行樣式圖元的渲染；

5）創(chuàng)建基于控制點的復(fù)合幾何圖形G，則設(shè)置面符所要渲染區(qū)域的內(nèi)容邊框為該復(fù)合幾何圖形G，即Canvas.Clip＝G。裁剪后的區(qū)域即為渲染的面區(qū)域。

3 基于Silverlight的矢量地圖符號化實踐

經(jīng)過以上的分析和設(shè)計，本文利用Visual Studio 2010平臺結(jié)合Silverlight 4.0SDK進行矢量地圖符號化的開發(fā)和實踐。在矢量地圖符號模型設(shè)計的基礎(chǔ)上，建立了遵循國標地圖符號圖式規(guī)范和中國海圖圖式規(guī)范的地圖符號庫，并將之部署在服務(wù)器上，并提供基于WCF的服務(wù)庫遠程調(diào)用接口。Silverlight客戶端通過調(diào)用WCF服務(wù)，進行符號庫的遠程下載和解析，并將矢量地圖點狀、線狀、面狀符號分類進行渲染，如圖5～8所示。經(jīng)過時間性能測試，客戶端遠程下載符號庫并進行解析的時間平均占用230ms，而符號化耗費時間平均只為140ms，而且隨著服務(wù)器端緩存和客戶端緩存策略的實現(xiàn)，符號化耗費時間縮小為85ms，滿足了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地圖實時符號化的響應(yīng)要求，驗證基于Silverlight的矢量地圖符號模型設(shè)計，在提高地圖可視化效果的同時，滿足WebGIS的交互響應(yīng)要求。

圖5 基于Silverlight的國標地圖點狀符號實現(xiàn)

4 結(jié)束語

矢量地圖符號化是傳統(tǒng)WebGIS效率和可視化交互能力的瓶頸，本文通過研究基于Silverlight的矢量地圖符號模型設(shè)計與實踐，從矢量地圖符號化框架入手，研究基于Silverlight的矢量地圖符號模型的設(shè)計，并進行了面向Silverlight的地圖符號庫平臺加載和顯示試驗，通過符號庫遠程調(diào)用、解析與繪制的時間測試，驗證基于Silverlight的矢量地圖符號模型設(shè)計，在提高地圖可視化效果的同時，滿足了WebGIS的交互響應(yīng)要求。下一步作者將從通過專題地圖符號模型設(shè)計、基于Silverlight的地圖符號在線編輯器和基于Silverlight的符號注冊中心等方面進行研究。

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