網(wǎng)絡(luò)矢量地圖瓦片技術(shù)研究

朱秀麗，周治武，李 靜，趙 勇，彭云璐

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100830； 2. 中南大學，湖南 長沙 410083)

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網(wǎng)絡(luò)矢量地圖瓦片技術(shù)研究

朱秀麗1，周治武1，李 靜2，趙 勇1，彭云璐1

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100830； 2. 中南大學，湖南 長沙 410083)

隨著WebGIS越來越深入人們的生活，人們對WebGIS的響應(yīng)效率、交互性、渲染效果等方面的要求越來越高?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)地圖瓦片服務(wù)已不能完全滿足人們的需求，矢量地圖瓦片技術(shù)應(yīng)運而生。本文主要研究了矢量瓦片的圖形數(shù)據(jù)和要素數(shù)據(jù)的編碼、矢量瓦片的組織存儲方式并實現(xiàn)了對矢量瓦片的實時渲染，表明矢量地圖瓦片技術(shù)克服了傳統(tǒng)柵格瓦片的缺陷，在交互性、渲染效果及屬性查詢等方面具有很大的優(yōu)勢和很高的應(yīng)用價值。

網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)；矢量地圖瓦片；編碼；地圖樣式

地圖已經(jīng)成為人們工作、學習、生活不可缺少的科學工具[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，產(chǎn)生了一種全新的地圖應(yīng)用方式——網(wǎng)絡(luò)地圖。尤其是當?shù)貓D瓦片的概念被提出以來[2-3]，地圖瓦片服務(wù)快速發(fā)展和壯大，Google map、Esri online、天地圖、百度地圖、高德地圖等在線地圖服務(wù)相繼出現(xiàn)。這些服務(wù)均采用相似的技術(shù)，利用金字塔模型緩存多分辨率的柵格瓦片數(shù)據(jù)，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸量，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)地圖的響應(yīng)速度，促進了網(wǎng)絡(luò)地圖在人們?nèi)粘Ｉ钪械膹V泛應(yīng)用，改變了人們的生活方式。然而由于客戶端獲取到的是預(yù)生成的柵格瓦片圖像，在前端的交互性和空間分析等方面還不能完全滿足客戶的需求，隨著HTML5技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)地圖的矢量渲染克服了以往的瓶頸。矢量瓦片緩存技術(shù)開始發(fā)揮其優(yōu)勢，煥發(fā)新的活力，以Mapbox為代表的矢量地圖瓦片服務(wù)吸引著越來越多人的關(guān)注。本文對矢量地圖瓦片技術(shù)進行了探討，并通過試驗進行了驗證。

一、主要技術(shù)

1. 基于網(wǎng)絡(luò)的地圖瓦片服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)地圖瓦片服務(wù)(web map tile service)，是一種基于瓦片的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)，它以瓦片為單位組織地圖數(shù)據(jù)[3-4]，用戶依據(jù)所需空間范圍獲取地圖瓦片數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對局部地圖的快速訪問。網(wǎng)絡(luò)地圖瓦片服務(wù)依據(jù)一定的數(shù)學規(guī)則，把地圖按照固定的多級比例尺分層，并從每層圖片的左上角開始，按照從左至右、從上到下的順序切割成相同大小(如256×256像素)的正方形地圖瓦片，形成一層一層的瓦片矩陣，構(gòu)成整個瓦片金字塔。瓦片金字塔(瓦片大小256×256像素)的組成關(guān)系見表1。

表1 瓦片金字塔的組成

tile(地圖瓦片)技術(shù)的出現(xiàn)，將WebGIS向前推進了一大步。地圖瓦片技術(shù)地解決了客戶端請求地圖時的渲染效率問題和瀏覽器兼容問題。在繼谷歌地圖之后的其他WebGIS地圖服務(wù)，基本都采用這種技術(shù)。矢量數(shù)據(jù)的瓦片技術(shù)也遵循同樣的思路，只是分塊的數(shù)據(jù)不是柵格圖像，而是矢量數(shù)據(jù)。當然不管是柵格數(shù)據(jù)的瓦片化，還是矢量數(shù)據(jù)的瓦片化，其目的都是通過分塊的方式減少網(wǎng)絡(luò)傳輸量，從而縮短響應(yīng)時間，提高用戶的體驗。而矢量數(shù)據(jù)的瓦片化，可以更好地實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器的交互。

2. 矢量瓦片的編碼技術(shù)

柵格瓦片是將圖像切割成一個個JPEG或PNG圖片，而矢量圖層具有多種編碼格式，如shapefile、GeoJSON等。為了節(jié)省存儲空間和方便管理，Mapbox制定了一種矢量瓦片數(shù)據(jù)的編碼方法——Vector Tile規(guī)范[5]，可以在節(jié)省空間的同時實現(xiàn)地圖的快速繪制與屬性數(shù)據(jù)的快速查詢。Vector Tile運用Google Protocol Buffers作為編碼方式，Google Protocol Buffers是一種支持多種語言(如C++、Python等)多平臺的可擴展的序列化結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲格式，通過自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以跨平臺跨語言地實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的存儲，而且它以二進制流形式進行存儲，大大節(jié)省了存儲空間。Vector Tile依據(jù)投影坐標及瓦片組織體系，實現(xiàn)地理區(qū)域范圍與瓦片編號的一一對應(yīng)關(guān)系。每個Vector Tile至少包含一個Layer，每個Layer中又包含其圖形要素和屬性信息，圖形信息被分解成一系列Line to、Move to、ClosePath繪圖命令，一個command id代表一種操作，其中1代表Move to，2代表Line to，7代表ColsePath。Line to和Move to均有兩個參數(shù)，而且每個命令都有一個命令執(zhí)行次數(shù)，參數(shù)采取zigzag的編碼方式，小的正值和負值的編碼均為小整數(shù)，因此參數(shù)的編碼值ParameterInteger的計算公式是ParameterInteger = (value << 1) ^ (value >> 31)(value為參數(shù)的實際值)。

·MoveTo(3，6)

·LineTo(5，6)

·LineTo(12，22)

·ClosePath

以上命令的編碼如圖1所示。

圖1 命令的編碼

3. 瓦片存儲技術(shù)

瓦片化之后面臨的一個問題是如何合理存儲規(guī)模巨大的瓦片文件，如16級可能形成上億數(shù)量級的瓦片文件[6]，此外還面臨快速遷移和離線利用問題。傳統(tǒng)文件系統(tǒng)磁盤存儲碎片化嚴重，影響IO性能，且數(shù)據(jù)可遷移性差，備份、遷移或恢復(fù)耗時都很漫長[7]。Mapbox公司制定了一種公開的瓦片管理和存儲規(guī)范——MBTiles[8]。MBTiles規(guī)定將生成的瓦片數(shù)據(jù)存儲在一個SQLite數(shù)據(jù)庫中，形成一個MBTiles文件，即一個瓦片數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)存儲空間的集約化。由于SQLite數(shù)據(jù)庫兼容大多數(shù)主流平臺， 包括移動平臺Android、iOS，且具有遷移簡單、免安裝的特性[9]，可以實現(xiàn)地圖瓦片的便捷使用、管理和遷移。將MBTiles文件存儲在本地，還可以實現(xiàn)地圖在移動終端的離線顯示。這是對于地圖瓦片存儲和服務(wù)的輕便、簡單文件解決方案。

MBTiles文件主要由元數(shù)據(jù)表(metadata)、tiles視圖和grid表組成。

metadata表采用鍵值對的形式來存儲地圖瓦片數(shù)據(jù)的相關(guān)設(shè)置，包括兩個文本類型的字段”name”和”value”。元數(shù)據(jù)表的各字段(keys)說明見表2。

tiles視圖由兩個表：map表和images表關(guān)聯(lián)得到，其結(jié)構(gòu)及說明見表3。

表2 metedata表的結(jié)構(gòu)及說明

表3 map表的結(jié)構(gòu)及說明

images表的結(jié)構(gòu)見表4。

表4 images表的結(jié)構(gòu)及說明

tile_data存儲PNG或JPG格式圖像的二進制流數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)經(jīng)Vector Tile規(guī)范編碼的二進制流數(shù)據(jù)。

tiles視圖的結(jié)構(gòu)見表5。

表5 tiles視圖的結(jié)構(gòu)及說明

使用 tiles 視圖的優(yōu)勢在于可以減少冗余瓦片。地圖中海洋或空曠的土地等區(qū)域包含有成千上萬重復(fù)而冗余的純色瓦片，類似太平洋中蔚藍色的瓦片，在小比例尺中，它可能只有幾張，但在大比例尺(如1∶10 000)的地圖中，就會存在上百萬個單一顏色的藍色瓦片。MBTiles 通過拆分瓦片索引表map和瓦片數(shù)據(jù)表images，使用視圖的方式來關(guān)聯(lián)二者，這樣成千上萬的瓦片索引就可以指向同一個瓦片圖像，從而大大減少存儲冗余的純色瓦片，提升磁盤利用率及瓦片檢索效率。

4. UTFgrid技術(shù)和要素屬性的利用

在網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的應(yīng)用中，如果包含較多的鼠標交互操作，傳統(tǒng)做法是在地圖上疊加要素圖層，每個要素有自己的熱點和事件，用于完成鼠標交互。但在大數(shù)據(jù)量、高并發(fā)請求的環(huán)境中，客戶端尤其是移動終端上，就不能很好地渲染大數(shù)據(jù)量的地理要素，面臨嚴重的性能問題[10]。這種情況下，出現(xiàn)了一張地圖瓦片結(jié)合要素屬性信息的緩存方式，也就是在地圖瓦片之外，額外存儲了按照格網(wǎng)劃分的要素屬性信息。這種預(yù)先劃分的要素屬性信息，稱為屬性瓦片，目前最具代表性的是MBTiles規(guī)范附屬的UTFGrid規(guī)范[11]。

UTFGrid的解決方式是將這些點或多邊形網(wǎng)格化，在每個像素上存儲一個字符，不同的屬性用不同的字符表示，然后將這個字符表存到JSON結(jié)構(gòu)中。這樣，一個256×256像素的瓦片會附著一個256×256字符表，如果2×2像素對應(yīng)一個grid，那么就有128×128個字符表，每個不同的字符就像一個索引去關(guān)聯(lián)更完整的信息。

UTFGrid瓦片數(shù)據(jù)是一個便捷的查找表，包括三部分內(nèi)容：grid二維數(shù)組、keys一維數(shù)組及data對象。grid二維數(shù)組存儲了256×256個字符表或128×128個字符表或2n×2n字符表(n≤16)，這些字符為unicode字符。keys存儲地理要素信息的密鑰key。data 是個對象，存儲了密鑰key對應(yīng)的地理要素信息。三者之間的關(guān)系為：grid中的每一個字符都對應(yīng)了一個地理要素的Key，通過 Key 才能在 data中找到地圖要素的信息，如圖2所示。

圖2 UTFGrid編碼

每個UTFGrid中的字符對應(yīng)keys映射的不同要素。在上述的格網(wǎng)中，字符映射如下：

! => Portugal(葡萄牙)

# => Spain (西班牙)

$ => Morocco(摩洛哥)

每個像素就是一個觸發(fā)點，通過與觸發(fā)點交互實現(xiàn)要素屬性的交互和顯示。如當鼠標移動到瓦片上時，根據(jù)鼠標在瓦片上的相對位置，獲取到字符表中相應(yīng)的字符，如在以上的格網(wǎng)中，4行、58列查找#字符。通過交互獲得的字符成為下一步關(guān)聯(lián)其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的索引，如人口、領(lǐng)土面積等。

5. 靈活地圖樣式配置

圖3所示為矢量瓦片地圖樣式設(shè)置的主要原理。

對于傳統(tǒng)的柵格地圖瓦片服務(wù)，瓦片生成后，用戶只能見到一種風格的地圖，若要改變風格，必須重新配圖和切圖，費時費力。而運用矢量地圖瓦片服務(wù)，用戶可以在切片以后，根據(jù)自己的需要實時改變地圖的樣式，并且獲得較高分辨率的輸出圖像，提升了用戶交互性和展現(xiàn)靈活性。

圖3 矢量瓦片地圖樣式配置原理

樣式化數(shù)據(jù)是瓦片數(shù)據(jù)的子集，而瓦片數(shù)據(jù)通常是用于切片數(shù)據(jù)源的子集，一套瓦片數(shù)據(jù)可以支持多種樣式化的地圖，從而形成多個地圖模板(可視化的展示)。

二、應(yīng)用試驗

為了測試網(wǎng)絡(luò)矢量地圖瓦片技術(shù)，本文下載OSM的中國數(shù)據(jù)，基于開源代碼，研究了網(wǎng)絡(luò)矢量地圖瓦片的關(guān)鍵技術(shù)：矢量瓦片切片、矢量瓦片存儲、矢量瓦片多終端顯示、矢量瓦片多樣式顯示、矢量瓦片高分辨率輸出等。圖4是將道路要素層實時更改其渲染樣式得到的結(jié)果。

圖4 道路圖層渲染效果對比

圖4的縮放層級為12級，圖4中(a)和(b)道路的填充顏色樣式不同。試驗表明網(wǎng)絡(luò)矢量地圖可以基于瓦片數(shù)據(jù)，實時改變要素的視覺變量(形狀、尺寸、方向、顏色、亮度、密度等)，并衍生多種地圖表達，數(shù)據(jù)與可視化是一對多的關(guān)系。

三、結(jié)束語

本文對網(wǎng)絡(luò)矢量地圖瓦片的部分技術(shù)進行了探索，由于其處于蓬勃發(fā)展時期，新方法新思想非?；钴S，其應(yīng)用也非常廣泛，如基于這些技術(shù)研制在線制圖系統(tǒng)，實現(xiàn)矢量要素與制圖知識的1∶n關(guān)聯(lián)，滿足多重制圖表達需求，以滿足人們靈性制圖要求，同時滿足網(wǎng)絡(luò)地圖高分辨率輸出的要求。

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Research for Web Map Vector Tiles Technology

ZHU Xiuli，ZHOU Zhiwu，LI Jing，ZHAO Yong，Peng Yunlu

2016-03-11；

2016-05-09

科技基礎(chǔ)性工作專項(2013FY112800)

朱秀麗(1975—)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為地理信息應(yīng)急、地理信息標準、GIS工程與地圖制圖。E-mail：zhuxiuli@nsdi.gov.cn

朱秀麗，周治武，李靜，等.網(wǎng)絡(luò)矢量地圖瓦片技術(shù)研究[J].測繪通報，2016(11)：106-109.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0377.

P28

B

0494-0911(2016)11-0106-04