瓦片地圖服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳彬卓，付榮祥，黃　樺，俞志強(qiáng)

（1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院浙江分院，浙江杭州310012；2.長(zhǎng)興縣地理信息中心，浙江長(zhǎng)興313100）

瓦片地圖服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳彬卓1，付榮祥2，黃樺1，俞志強(qiáng)1

（1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院浙江分院，浙江杭州310012；2.長(zhǎng)興縣地理信息中心，浙江長(zhǎng)興313100）

以瓦片地圖為核心的WMTS服務(wù)是當(dāng)前最流行的地理信息服務(wù)形式，我國(guó)的天地圖建設(shè)統(tǒng)一采用了這一服務(wù)形式。但天地圖提供的WMTS服務(wù)地圖形式固定、發(fā)布分級(jí)分區(qū)的特點(diǎn)也限制了其廣泛應(yīng)用。本文提出了一種基于瓦片地圖服務(wù)的地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將WMTS服務(wù)轉(zhuǎn)換成其他形式的地圖服務(wù)，適用于任意比例尺、任意維度的地圖服務(wù)。

天地圖；瓦片地圖；WMTS；服務(wù)變換；KML服務(wù)

瓦片地圖一經(jīng)出現(xiàn)就受到了GIS行業(yè)的重點(diǎn)研究和應(yīng)用，OGC在2010年頒布了以瓦片地圖為核心的WMTS規(guī)范，同年中國(guó)推出了以WMTS為主要地圖服務(wù)形式的天地圖·中國(guó)。天地圖WMTS服務(wù)后臺(tái)數(shù)據(jù)主要以金字塔結(jié)構(gòu)緩存瓦片地圖，總共分為20級(jí)，1～14級(jí)由天地圖·中國(guó)發(fā)布，15～17級(jí)由省區(qū)天地圖發(fā)布，18～20級(jí)由市縣天地圖發(fā)布。WMTS服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)、展示快速的特點(diǎn)，在各行業(yè)地理信息相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用中廣受歡迎，其不足是天地圖WMTS服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)單一、坐標(biāo)系固定、數(shù)據(jù)分級(jí)分區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)單一使得只有能夠調(diào)用WMTS服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)才能接入天地圖；坐標(biāo)系固定使得其無法在使用其他坐標(biāo)系的應(yīng)用系統(tǒng)中調(diào)用；數(shù)據(jù)分級(jí)分區(qū)導(dǎo)致跨級(jí)別、跨區(qū)域調(diào)用方式復(fù)雜，疊合效果差。因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于天地圖WMTS服務(wù)的地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件。該中間件在天地圖提供的靜態(tài)、分級(jí)分區(qū)WMTS服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過投影轉(zhuǎn)換、服務(wù)聚合、接口變換等技術(shù)手段，封裝出其他類型的地理信息服務(wù)，滿足比例尺不固定、跨區(qū)域跨比例尺、三維等應(yīng)用場(chǎng)景，從而擴(kuò)展天地圖的應(yīng)用領(lǐng)域，也為基于天地圖WMTS服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)提供更為方便的調(diào)用方式。

一、基于WMTS的地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件設(shè)計(jì)

1.架構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的基于WMTS的地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件架構(gòu)如圖1所示。

圖1　中間件架構(gòu)

基于WMTS的地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件包括天地圖瓦片獲取層、瓦片地圖存儲(chǔ)層和服務(wù)層3塊結(jié)構(gòu)。天地圖瓦片獲取層的主要功能是負(fù)責(zé)根據(jù)需要讀取來自國(guó)家、省、市、縣各級(jí)天地圖的WMTS服務(wù)，并拼接形成跨越1～20級(jí)比例尺的、跨區(qū)域的瓦片地圖。瓦片地圖存儲(chǔ)層以文件形式存儲(chǔ)瓦片地圖數(shù)據(jù)。服務(wù)層根據(jù)客戶端請(qǐng)求讀取瓦片地圖存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)，以相應(yīng)的地圖服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)請(qǐng)求。本方案與原來的天地圖WMTS服務(wù)相比，增加了天地圖瓦片獲取層作為瓦片地圖抓取器，服務(wù)層則除了提供天地圖原始的WMTS服務(wù)以外，還提供了WMS、WMS-C、TMS、KML等服務(wù)。

2.工作流程

工作流程包括天地圖瓦片獲取和服務(wù)響應(yīng)。

天地圖瓦片獲取工作流程由天地圖瓦片獲取層負(fù)責(zé)，包括以下步驟:①服務(wù)層在響應(yīng)客戶端請(qǐng)求時(shí)讀取存儲(chǔ)層的瓦片，首先要判斷瓦片地圖存儲(chǔ)層中是否已有目標(biāo)瓦片，若沒有，則將級(jí)別、行列號(hào)等參數(shù)發(fā)送給天地圖瓦片獲取層；②天地圖瓦片獲取層根據(jù)瓦片的級(jí)別及坐標(biāo)判斷屬于哪個(gè)天地圖節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)并遠(yuǎn)程讀取地圖瓦片；③如果是跨區(qū)域的瓦片，則分別讀取多個(gè)天地圖節(jié)點(diǎn)的瓦片，并根據(jù)行政區(qū)邊界進(jìn)行拼接，最后按照《地理信息公共服務(wù)平臺(tái)電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范》（CH/Z 9011—2011）的要求保存到瓦片地圖存儲(chǔ)層。如圖2所示。

圖2　天地圖瓦片獲取流程

服務(wù)請(qǐng)求響應(yīng)工作流程由服務(wù)層負(fù)責(zé)。根據(jù)客戶端請(qǐng)求類型的不同，有不同的工作流程。

如果客戶端請(qǐng)求的是WMS、WMS-C服務(wù)，則啟動(dòng)如下工作流程:①獲取服務(wù)請(qǐng)求的地圖范圍（bbox）、圖片大?。╓MS的請(qǐng)求參數(shù)是with、height，WMS-C無此參數(shù)）、比例尺（WMS-C的請(qǐng)求參數(shù)是resolution，WMS無此參數(shù)）和坐標(biāo)系；②根據(jù)請(qǐng)求的地圖范圍和圖片大小計(jì)算出比例尺最接近的瓦片地圖級(jí)別，然后根據(jù)地圖范圍計(jì)算出地圖瓦片起止行列號(hào)，確定目標(biāo)瓦片矩陣；③根據(jù)目標(biāo)瓦片矩陣，讀取存儲(chǔ)層中緩存的地圖瓦片（如不存在則啟動(dòng)天地圖瓦片獲取流程），將獲取到的瓦片進(jìn)行拼接，形成完整的瓦片；④根據(jù)請(qǐng)求坐標(biāo)系對(duì)拼接好的瓦片進(jìn)行坐標(biāo)系及投影轉(zhuǎn)換；⑤根據(jù)地圖范圍對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后的瓦片進(jìn)行裁切；⑥將裁切后的瓦片縮放至請(qǐng)求的圖片大??；⑦將圖片返回給客戶端。如圖3所示。

圖3　WMS、WMS-C服務(wù)轉(zhuǎn)換工作流程

對(duì)于TMS、WMTS服務(wù)，則根據(jù)1～20級(jí)瓦片地圖的比例尺生成相應(yīng)的能力文檔。客戶端根據(jù)能力文檔發(fā)出符合規(guī)范的瓦片請(qǐng)求，工作流程包括以下步驟:①獲取服務(wù)請(qǐng)求的級(jí)別、行列號(hào)；如果請(qǐng)求的是TMS服務(wù)，則需反算到WMTS服務(wù)規(guī)范中相應(yīng)的行列號(hào)（TMS服務(wù)行列號(hào)從左下角起算）；②根據(jù)目標(biāo)瓦片矩陣，讀取存儲(chǔ)層中緩存的地圖瓦片（如不存在則啟動(dòng)天地圖瓦片獲取流程）；③將圖片返回給客戶端。如圖4所示。

圖4　TMS、WMTS服務(wù)轉(zhuǎn)換工作流程

KML服務(wù)的工作流程包括:①返回第一級(jí)比例尺KML數(shù)據(jù)；②客戶端解析KML數(shù)據(jù)，根據(jù)地圖顯示范圍和顯示屏幕大小，請(qǐng)求合適區(qū)域的較大一級(jí)比例尺KML數(shù)據(jù)，持續(xù)解析、請(qǐng)求，直至找到最合適的顯示范圍（〈LatLonAltBox/〉）和顯示屏幕大小〈Lod/〉的KML數(shù)據(jù)；③根據(jù)KML數(shù)據(jù)中的〈Link/〉節(jié)點(diǎn)獲取WMTS瓦片地址，請(qǐng)求WMTS瓦片服務(wù)；④轉(zhuǎn)到請(qǐng)求WMTS服務(wù)工作流程。

二、關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括跨區(qū)域地圖瓦片聚合、地圖瓦片快速投影及KML服務(wù)發(fā)布。

1.跨區(qū)域地圖瓦片聚合

為消除天地圖瓦片跨區(qū)域調(diào)用產(chǎn)生的邊界地區(qū)地圖遮蓋、冗余調(diào)用、效率低下的問題，必須將跨區(qū)域瓦片進(jìn)行聚合，變成一個(gè)瓦片服務(wù)。中間件存儲(chǔ)了各天地圖節(jié)點(diǎn)的行政邊界數(shù)據(jù)，當(dāng)獲取到的瓦片是跨區(qū)域瓦片時(shí)，使用各自節(jié)點(diǎn)的行政邊界數(shù)據(jù)對(duì)瓦片進(jìn)行裁切并拼接到一起，生成一張無縫貼合的新的地圖瓦片，然后保存到磁盤上，為快速提供跨區(qū)域地圖服務(wù)提供數(shù)據(jù)。

2.地圖瓦片快速動(dòng)態(tài)投影

對(duì)于使用不同于天地圖坐標(biāo)系的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)提供WMS服務(wù)供其使用。地圖瓦片快速動(dòng)態(tài)投影是解決坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的重要手段。首先根據(jù)WMS請(qǐng)求的地理范圍和圖片尺寸，計(jì)算出最接近的瓦片比例尺和地理范圍內(nèi)的瓦片矩陣；然后按照天地圖坐標(biāo)系統(tǒng)將瓦片矩陣進(jìn)行拼接，計(jì)算矩陣4個(gè)角點(diǎn)在WMS圖片中的像素位置，將圖片進(jìn)行矩形或梯形拉伸，畫在目標(biāo)圖片中；最后形成投影后的WMS地圖圖片。使用地圖瓦片快速動(dòng)態(tài)投影技術(shù)比根據(jù)矢量進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制具備相當(dāng)強(qiáng)的速度優(yōu)勢(shì)。

3.KML服務(wù)發(fā)布

KML服務(wù)是將WMTS服務(wù)封裝成KML Networklink數(shù)據(jù)的形式。一般包含一個(gè)代表當(dāng)前瓦片〈GroundOverlay/〉節(jié)點(diǎn)，以及代表下一級(jí)相應(yīng)的4張KML瓦片數(shù)據(jù)的4個(gè)〈Networklink/〉節(jié)點(diǎn)，客戶端根據(jù)〈Networklink/〉節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求下一級(jí)的KML瓦片數(shù)據(jù)時(shí)，同樣得到下一級(jí)瓦片的〈GroundOverlay/〉節(jié)點(diǎn)和下下一級(jí)4張KML瓦片數(shù)據(jù)。以此不斷循環(huán)，形成整個(gè)KML服務(wù)。

三、性能測(cè)試

為了測(cè)試中間件的轉(zhuǎn)換效率，本文搭建了測(cè)試環(huán)境對(duì)地圖瓦片服務(wù)和轉(zhuǎn)換后的接口進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試目的主要是對(duì)轉(zhuǎn)換后的服務(wù)對(duì)效率的影響作評(píng)價(jià)。

1.測(cè)試方案

在測(cè)試環(huán)境方面，測(cè)試客戶端采用Jmeter來模擬地圖瓦片訪問操作；測(cè)試服務(wù)器端選用i7八核2.50 GHz CPU、16 GB內(nèi)存、SSD固態(tài)硬盤；網(wǎng)絡(luò)采用100 Mbps網(wǎng)絡(luò)連接。在測(cè)試數(shù)據(jù)方面，使用天地圖·湖州、天地圖·德清、天地圖·長(zhǎng)興18～20級(jí)電子地圖和長(zhǎng)興縣1∶2000、1∶500矢量地圖。電子地圖占用空間為40 GB，矢量數(shù)據(jù)占用空間約為200 MB。天地圖·湖州、天地圖·長(zhǎng)興、天地圖·德清18～20級(jí)電子地圖發(fā)布為 WMS、WMS-C、WMTS、TMS和KML服務(wù)并預(yù)先進(jìn)行天地圖數(shù)據(jù)緩存，形成跨區(qū)域、跨級(jí)別的統(tǒng)一的瓦片數(shù)據(jù)；長(zhǎng)興縣1∶2000、1∶500矢量地圖使用ArcGIS Server軟件發(fā)布為矢量WMS服務(wù)，見表1。

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)列表

測(cè)試方法采用對(duì)比測(cè)試。針對(duì)各種已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)服務(wù)，分別以10個(gè)并發(fā)作15 min連續(xù)訪問，測(cè)試結(jié)果從服務(wù)響應(yīng)隨時(shí)間變化方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.結(jié)果及分析

如圖5、圖6所示，轉(zhuǎn)換后的WMTS、TMS訪問效率基本穩(wěn)定在40 ms左右，KML則稍高一些。KML由于要先請(qǐng)求KML，再請(qǐng)求地圖瓦片，因此比WMTS、TMS的訪問耗時(shí)稍長(zhǎng)一些。轉(zhuǎn)換后的WMS 和WMS-C服務(wù)訪問時(shí)間基本穩(wěn)定在90 ms，而使用矢量數(shù)據(jù)發(fā)布的WMS服務(wù)訪問時(shí)間則從25 ms～8 s不等。

圖5　天地圖與轉(zhuǎn)換后服務(wù)的耗時(shí)對(duì)比

圖6　基于矢量數(shù)據(jù)的WMS服務(wù)請(qǐng)求耗時(shí)

轉(zhuǎn)換后的WMS服務(wù)主要耗時(shí)包括瓦片數(shù)據(jù)讀取和圖片變形及繪制，每次訪問所需要讀取的瓦片和圖片變形繪制次數(shù)是固定的，而且直接拼接圖片速度較快。使用矢量數(shù)據(jù)發(fā)布的WMS服務(wù)會(huì)受到矢量數(shù)據(jù)索引速度、繪制數(shù)據(jù)量、符號(hào)繪制復(fù)雜程度的影響，產(chǎn)生訪問效率不穩(wěn)定的情況。

通過以上測(cè)試可以得出，基于WMTS的地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件可提供良好的訪問效率。

四、結(jié)束語

在天地圖應(yīng)用推廣過程中，各式各樣的地理信息應(yīng)用環(huán)境對(duì)天地圖提出了更高的要求，單純以性能為目標(biāo)的WMTS服務(wù)無法滿足多種多樣的運(yùn)行環(huán)境?；赪MTS的地理信息服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件將天地圖服務(wù)轉(zhuǎn)換為跨區(qū)域WMTS、TMS、WMS、WMS-C、KML服務(wù)，在保證地圖服務(wù)效率的前提下拓寬了天地圖的應(yīng)用領(lǐng)域。但中間件的轉(zhuǎn)換效果也存在一些問題。如跨區(qū)域瓦片融合，在行政區(qū)域交接的范圍，往往由于數(shù)據(jù)的誤差、境界線的不完全重合、境界符號(hào)不完全疊蓋、注記超出境界范圍等因素，造成融合后的瓦片注記缺失、境界交錯(cuò)等情況，影響地圖瓦片的美觀。地圖瓦片動(dòng)態(tài)投影采用的是矩形變換或舉行變換，沒有嚴(yán)格按照點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，投影轉(zhuǎn)

換后的要素位置存在一定偏差，注記和符號(hào)也有模糊的情況出現(xiàn)。在今后的研究中，還需要進(jìn)一步對(duì)這種情況進(jìn)行分析，從WMTS服務(wù)本身和轉(zhuǎn)換技術(shù)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到更好的效果。

［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(guó)土資源遙感，2010（2）:122-127.

［2］ 劉冰，謝軻，陳小樂.基于GIS的瓦片式地圖切圖算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.科技信息，2011（7）:60-61.

［3］ 許虎，聶云峰，舒堅(jiān).基于中間件的瓦片地圖服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，12（4）:562-567.

［4］ 聶云峰，劉海玲，許虎.GeoWebCache瓦片地圖服務(wù)中間件研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2011，36（6）:207-209.

［5］ 謝忠，豐榮祥，羅顯剛.一種分布式空間數(shù)據(jù)的服務(wù)聚合模型［J］.測(cè)繪科學(xué)，2011，28（3）:223-226.

［6］ 周耀學(xué)，衛(wèi)東，邱文.省級(jí)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)服務(wù)體系建設(shè)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011（8）:23-25.

［7］ 杜清運(yùn)，虞昌彬，任福.利用嵌套金字塔模型進(jìn)行瓦片地圖數(shù)據(jù)組織［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2011，36（5）:564-567.

［8］ 黃夢(mèng)龍.瓦片地圖技術(shù)在桌面端GIS中的應(yīng)用［J］.地理空間信息，2011（4）:149-151.

［9］ 周沛.智能交通系統(tǒng)中的瓦片地圖技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

［10］ 國(guó)家測(cè)繪地理信息局.地理信息公共服務(wù)平臺(tái)電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范:CH/Z 9011—2011［S］.北京:測(cè)繪出版社，2011.

Design and Implementation of Tile Map Service Transformation Middleware

WU Binzhuo，F(xiàn)U Rongxiang，HUANG Hua，YU Zhiqiang

10.13474/j.cnki.11-2246. 2016.0234.

P208

B

0494-0911（2016）07-0103-03

2016-05-04

測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201512024；201512012）

吳彬卓（1979—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)繪與地理信息。E-mail:wubbzz@qq.com

引文格式：吳彬卓，付榮祥，黃樺，等.瓦片地圖服務(wù)轉(zhuǎn)換中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2016（7）:103-105.