基于多源地圖服務(wù)的專題地圖生成算法

徐 亮

（1. 福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州350001）

基于多源地圖服務(wù)的專題地圖生成算法

徐 亮1

（1. 福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州350001）

在B/S體系結(jié)構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)基于地圖切片和ArcGIS Server地圖服務(wù)的專題地圖動(dòng)態(tài)生成算法。分析了地圖切片的組織特點(diǎn)及其像素與坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的REST訪問接口和GDI+技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多尺度、多源數(shù)據(jù)的裁剪、拼接以及在特定位置渲染地圖要素的算法。并以山東省測量標(biāo)志動(dòng)態(tài)監(jiān)管信息系統(tǒng)為例，證明了該方法的可行性。

地圖切片；專題地圖；多源；REST接口；GDI+

數(shù)據(jù)是GIS研究的基石，分布式地圖服務(wù)是人們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)成果共享而采用的一種技術(shù)手段，當(dāng)前在線電子地圖幾乎都使用分布式切片技術(shù)來提供一種低成本、流暢的、數(shù)據(jù)豐富的在線服務(wù)，并且將服務(wù)免費(fèi)共享給其他用戶使用。隨著各種OGC地圖服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，網(wǎng)絡(luò)上呈現(xiàn)出很多標(biāo)準(zhǔn)化的地圖服務(wù)，這些不同來源的地圖數(shù)據(jù)，使人們有了更多的選擇。然而，有時(shí)對(duì)地圖切片的簡單瀏覽并不能滿足用戶的特定需求，他們希望利用網(wǎng)絡(luò)地圖作為自己的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合自己的專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，制作一幅專題地圖，以滿足特定的應(yīng)用需求。但是，這些服務(wù)是基于網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)布的，即便提供了方便的訪問接口，也很難滿足用戶的特殊需求。對(duì)此問題，國內(nèi)的研究絕大多數(shù)局限于抓取切片和單數(shù)據(jù)源切片拼接[1-3]。

1 專題圖生成方法

專題圖在服務(wù)器端生成，客戶端向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，并附帶多源數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)和輸出的專題圖參數(shù)，服務(wù)器端程序?qū)φ?qǐng)求進(jìn)行處理，根據(jù)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，并從遠(yuǎn)程地圖服務(wù)器提取地圖數(shù)據(jù)，然后按一定的規(guī)則進(jìn)行拼接、異源數(shù)據(jù)疊加、裁剪等數(shù)據(jù)處理，最后繪制專題地圖輔助要素，并將處理好的結(jié)果輸出到客戶端（圖1）。

圖1 專題數(shù)據(jù)處理流程

1.1 GDI+技術(shù)

GDI是Window操作系統(tǒng)的圖形設(shè)備接口，它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)系統(tǒng)與繪圖程序之間的信息交換，處理所有Windows程序的圖形輸出。GDI+是GDI的改進(jìn)版本，是面向?qū)ο缶幊痰膱D形框架，相對(duì)于GDI具有更高的編程效率、更快的繪圖速度、更穩(wěn)定的內(nèi)存資源管理。

GDI處理圖像是在Window坐標(biāo)空間進(jìn)行的，Window有3種坐標(biāo)空間，分別為邏輯坐標(biāo)、設(shè)備坐標(biāo)、物理坐標(biāo)。GDI+繪圖時(shí)，是在邏輯坐標(biāo)系下進(jìn)行的，它與地理坐標(biāo)系不同，它的位置可以由用戶自己設(shè)定，和具體的硬件設(shè)備無關(guān)[4]。它以像素點(diǎn)作為坐標(biāo)單位，坐標(biāo)原點(diǎn)可以用戶自行設(shè)定，一般在一個(gè)圖形畫布的左上角，X軸水平向右為正，Y軸豎直向下為正，與地理坐標(biāo)系的Y軸方向相反。

目前電子地圖的開發(fā)多是基于MapObjects、Mapx等GIS控件或是直接利用高級(jí)語言從底層開發(fā)，其本質(zhì)還是利用Windows提供的圖形繪制接口（GDI）編程實(shí)現(xiàn)圖形顯示[5]。

1.2 地圖瓦片

地圖瓦片（map tile，又稱“地圖緩存”）是按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)則，在預(yù)先設(shè)定的不同比例尺下，把整個(gè)地圖切割成一定規(guī)格大小的圖片，并保存圖片副本拷貝到地圖服務(wù)器中。當(dāng)服務(wù)器收到客戶端對(duì)地圖服務(wù)的請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)根據(jù)切割和存儲(chǔ)規(guī)則，找到圖片并發(fā)送到客戶端，從而有效地減輕GIS服務(wù)器的負(fù)荷，提升地圖瀏覽速度。

瓦片的切割是基于金字塔模型進(jìn)行的，該模型是一種多分辨率層次模型，從金字塔的底層到頂層，地理范圍不變，但分辨率越來越低。如圖2所示，在切割金字塔瓦片的同時(shí)建立線性四叉樹編碼[6]，然后發(fā)布成符合標(biāo)準(zhǔn)OGC WMTS服務(wù)規(guī)范的地圖服務(wù)。根據(jù)這個(gè)規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以獲取任意位置的地圖瓦片。

圖2 瓦片金字塔模型[6]

1.3 瓦片索引轉(zhuǎn)換

瓦片在空間上的組織方式表示為行列號(hào)，以左上角為編號(hào)原點(diǎn)，定義為（0，0），即行號(hào)為0，列號(hào)為0，然后行列坐標(biāo)軸分別向右和向下延伸。在標(biāo)準(zhǔn)OGC的WMTS服務(wù)規(guī)范中，提供了獲取瓦片的GetTile接口，它需要2個(gè)基本參數(shù)，即行號(hào)和列號(hào)，可以根據(jù)地圖分辨率和瓦片像素大小計(jì)算特定地理范圍所對(duì)應(yīng)的瓦片行列號(hào)。首先，根據(jù)瓦片地圖服務(wù)元數(shù)據(jù)提供的當(dāng)前輸出比例尺的地圖分辨率，可以計(jì)算出一個(gè)切片像素大小 (切片像素大小一般為256×256) 所代表的地理范圍，然后通過地圖范圍和用戶選取的地理范圍，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的切片坐標(biāo)范圍。計(jì)算公式如下：

picHWDegree = Resolution * picHW

左下點(diǎn)列號(hào)=（ExtentXMIN + FullExtentXMAX）/ picHWDegree-1

右上點(diǎn)列號(hào)=（ExtentXMAX + FullExtentXMAX）/picHWDegree-1

左下點(diǎn)行號(hào)=（FullExtentYMAX - ExtentYMIN）/ picHWDegree-1

右上點(diǎn)行號(hào)=（FullExtentYMAX - ExtentYMAX）/picHWDegree-1

其中，Resolution為地圖分辨率；picHW為切片像素長寬；picHWDegree為切片像素大小對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo) 范 圍；ExtentXMIN、ExtentXMAX、ExtentYMIN、ExtentYMAX為用戶選取范圍的最小x坐標(biāo)、最大x坐標(biāo)、最小y坐標(biāo)、最大y坐標(biāo)；FullExtentXMAX、FullExtentXMAX、FullExtentYMAX、FullExtentYMAX為地圖范圍的最小x坐標(biāo)、最大x坐標(biāo)、最小y坐標(biāo)、最大y坐標(biāo)。

1.4 疊加偏移

考慮到算法的一般性原則，采取所有疊加圖和要素添加到專題圖后再進(jìn)行裁剪的方法。在將非底圖地圖服務(wù)數(shù)據(jù)添加到底圖上時(shí)，需要計(jì)算X和Y軸的偏移量。如果疊加的是WMS服務(wù)或MapServer服務(wù)，那么可以輸出一張與用戶選取范圍相同的圖片，這樣只需要考慮左上角的偏移量。WMS或MapServer在ArcGIS Server中，默認(rèn)輸出最大像素大小為2 048×2 048的圖片，當(dāng)輸出范圍超過這個(gè)像素范圍時(shí)，這種情況與輸出的瓦片形式的疊加圖類似，需要先拼接選擇范圍內(nèi)的所有圖片再進(jìn)行疊加。左上角偏移像素的計(jì)算公式如下：

offsetX =(ExtentXMIN/picHWDegree%1)*picHW

offsetY =(1-( ExtentYMAX/picHWDegree%1))* picHW

1.5 輔助要素的繪制

圖例是地圖上表示地理事物的符號(hào)，它有助于用戶更方便地使用地圖、理解地圖內(nèi)容。圖例包含標(biāo)題、圖層名、地圖符號(hào)及其所代表的值、值范圍或意義，一般放置在一側(cè)或一角。圖例的布局按左對(duì)齊的方式進(jìn)行排版，放置在右下角，圖例繪制流程如下：

1）根據(jù)圖例內(nèi)容、間距以及排列方式計(jì)算適應(yīng)的圖例畫布的高度和寬度。

2）通過專題地圖的總長寬和圖例畫布，計(jì)算畫布距離左邊界和上邊界的間距，在地圖右下角繪制圖例的矩形畫布。

3）圖例名稱水平居中繪制，因此需要根據(jù)名稱字體樣式和字符長度計(jì)算圖例名所占空間的高度和寬度，然后根據(jù)上一步計(jì)算的畫布寬度，得到水平居中的繪制起點(diǎn)。

4） 按一定的行間距換行，左對(duì)齊繪制圖層名稱。

5）按一定的行間距換行，繪制圖層符號(hào)以及符號(hào)注釋文本。

6）按3）和4）的步驟循環(huán)繪制出所有圖層的圖例。

PmGSTd1 cDNA全長為977 bp，ORF為720 bp，5′端非編碼區(qū) 166 bp，3′端非編碼區(qū) 78 bp（圖 1）。該基因編碼 240個(gè)氨基酸，N端 1-18號(hào)氨基酸（MKHSLALLAIAFLQTAIA）為信號(hào)肽（圖1雙劃線部分），可以推測其為 1個(gè)分泌蛋白；另外，3′端存在一個(gè)可能的AATAAA加尾信號(hào)（圖1下劃線部分）。PmGSTd1編碼氨基酸的理化性質(zhì)如表 1所示，PmGSTd1編碼240個(gè)氨基酸，分子質(zhì)量為27.28 kD；該蛋白呈弱疏水性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；等電點(diǎn)為8.41，說明此蛋白在pH=8.41的溶液中最不穩(wěn)定，溶解度最小。

1.6 拼接、裁剪、疊加的實(shí)現(xiàn)

切片或矢量圖片的拼接、疊加、裁剪關(guān)鍵在于計(jì)算偏移像素，拼接的偏移是根據(jù)繪制的切片行列號(hào)計(jì)算得到的，疊加計(jì)算按§1.4中所述思路，裁剪的偏移是要計(jì)算左上角和右下角的偏移像素，并根據(jù)選取范圍和§1.4中的計(jì)算思路計(jì)算得到。本研究采用GDI+進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使用到的關(guān)鍵類包括System.Drawing.Bitmap、System.Drawing.Image和 System.Drawing.Graphics，前者封裝了一個(gè)位圖，Image類保存切片或矢量圖片；后者封裝了一個(gè)繪圖圖面，它提供了繪圖的主要方法。以下是實(shí)現(xiàn)拼接的示例代碼：

//創(chuàng)建位圖

Bitmap bitmap = new Bitmap(width, height);

//在位圖中創(chuàng)建繪圖圖面

Graphics g = Graphics.FromImage(bitmap);

//設(shè)置繪圖參數(shù)

g.CompositingQuality = CompositingQuality. HighQuality;

g.InterpolationMode= InterpolationMode. HighQualityBicubic;

g.SmoothingMode = SmoothingMode.HighQuality;

g.Clear(Color.White);

//獲取一個(gè)切片，并根據(jù)，偏移量和切片長度和寬度，繪制到位圖上

//url服務(wù)地址，row,col,是請(qǐng)求的行列號(hào)

Image tile = getImage(string.Format(url, row, col))

g.DrawImage(tile,new Rectangle(tileOffsetX,tileOffse tY,picWidth, picWidth));

其中，tileOffsetX=tileOffsetY=當(dāng)前拼接的切片所在畫布中的行列數(shù)×picWidth。Width和Height為畫布的長和寬，是將選取的地理范圍轉(zhuǎn)換成像素得到的，為一個(gè)切片像素大小的整數(shù)倍。

2 應(yīng)用實(shí)例

本示例調(diào)用了天地圖山東的WMTS服務(wù)和系統(tǒng)在ArcGIS Server中發(fā)布的Map Services服務(wù)，通過多源數(shù)據(jù)疊加融合生成一幅標(biāo)志點(diǎn)專題地圖，各種數(shù)據(jù)源的資源訪問均使用Rest訪問接口實(shí)現(xiàn)，它暴露的所有資源和操作都可以通過每個(gè)GIS服務(wù)的端點(diǎn)獲得[7]。WMTS的REST接口如下:

string url =”http://www.sdmap.gov.cn/tileservice/{0}？

SERVICE=WMTS&VERSION=1.0&username=test 123&password=test123&REQUEST=GetTile&LAYER=0 &STYLE=default&FORMAT=mage/png&TILEMATRIX SET=sss&TILEMATRIX={1}&TILEROW={2}&TILEC OL={3}";

其中，{0}為地圖類型變量；{1}為比例尺；{2}和{3}分別為行列號(hào)變量。調(diào)用以下代碼獲取切片數(shù)據(jù)：

HttpWebRequest req=(HttpWebRequest)WebRequest. Create(url);

HttpWebResponse resp = (HttpWebResponse)req. GetResponse();

Stream stream = resp.GetResponseStream();

return System.Drawing.Image.FromStream(stream);

Map Services服務(wù)的REST接口與之類似，但是需要調(diào)用服務(wù)的Export操作接口，并調(diào)用以上代碼獲取圖片數(shù)據(jù)。圖3為本項(xiàng)目效果圖，可控制是否輸出圖例。

圖3 生成的專題圖

3 結(jié) 語

以天地圖山東地圖服務(wù)為背景底圖，以項(xiàng)目的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為專題數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可根據(jù)用戶需要，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)OGC服務(wù)接口，生成特定范圍和比例尺、用于特定使用場合的標(biāo)準(zhǔn)專題地圖。結(jié)果表明，本方法可以較合理地生成標(biāo)準(zhǔn)專題地圖。

[1] 王曉東,劉慧平,喬瑜.利用Bing Maps地圖切片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)[J].國土資源遙感, 2010(2):122-127

[2] 劉亞東,李青元,譚海，等.開源庫GDAL及其在影像拼接中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010(2):88-89

[3] 韋勝.ArcEngine環(huán)境下實(shí)現(xiàn)瓦片地圖的訪問與拼接[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2012(6):737-740

[4] 王社偉,朱如鵬.Windows操作系統(tǒng)中的GDI坐標(biāo)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2003(4):13-15

[5] 車森,劉海硯,劉輝,等.GDI+在電子地圖可視化中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2008(1):226-228

[6] 蘇旭明,譚建成. WebGIS中瓦片地圖關(guān)鍵技術(shù)研究[J].北京測繪,2012(2):9-12

[7] 許卓明，栗明，董逸生.基于RPC和基于REST的Web服務(wù)交互模型比較分析[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,29(20):6-8

P208

B

1672-4623（2015）04-0168-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.060

徐亮，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫技術(shù)和GIS應(yīng)用。

2015-01-22。

項(xiàng)目來源：福建省測繪地理信息科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（201309）。