S-57海圖的SLD符號(hào)渲染研究

劉天堯，趙宇鵬，萬(wàn)佳馨，劉善偉*

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580；2.中海石油環(huán)保服務(wù)（天津）有限公司博士后科研工作站，山東 青島 266061；3.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013）

S-57海圖的SLD符號(hào)渲染研究

劉天堯1，趙宇鵬2，萬(wàn)佳馨3，劉善偉1*

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580；2.中海石油環(huán)保服務(wù)（天津）有限公司博士后科研工作站，山東 青島 266061；3.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013）

隨著海洋事業(yè)的發(fā)展，以S-57海圖為底圖的海洋WebGIS應(yīng)用需求日益增多，但由于S-57海圖數(shù)據(jù)格式和海圖符號(hào)規(guī)則的特殊性，缺乏簡(jiǎn)單通用的WebGIS符號(hào)化渲染方法。分析S-57海圖符號(hào)的渲染復(fù)雜度，利用SLD進(jìn)行海圖符號(hào)化渲染，以多個(gè)典型海圖符號(hào)為例，探討海圖符號(hào)的屬性值運(yùn)算渲染、復(fù)雜線(xiàn)型渲染、依屬性渲染等相關(guān)問(wèn)題，并給出對(duì)應(yīng)的SLD渲染方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明SLD可以滿(mǎn)足S-57海圖WebGIS通用符號(hào)化渲染的需求，并且擁有較好的渲染效果。

SLD；S-57海圖；WebGIS；符號(hào)化

目前，海洋WebGIS系統(tǒng)需求日益增長(zhǎng)，AIS船訊信息系統(tǒng)[1]、港口貨物調(diào)配分析系統(tǒng)、海洋溢油應(yīng)急系統(tǒng)[2]等相繼建立起來(lái)。S-57海圖是重要的數(shù)據(jù)源，但在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、符號(hào)表示和渲染規(guī)則上與陸地地形圖差別顯著[3]，傳統(tǒng)渲染方式在經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、通用性等方面存在諸多不足，因此，建立一種簡(jiǎn)單通用且適合于WebGIS系統(tǒng)的S-57海圖渲染方法，對(duì)于海洋GIS的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。在WebGIS開(kāi)發(fā)中對(duì)S-57海圖的調(diào)用一般采用2種方式：一是由專(zhuān)用海圖繪制軟件渲染S-57海圖生成柵格圖像金字塔切片進(jìn)行調(diào)用[4]，但專(zhuān)用海圖渲染軟件和服務(wù)一般價(jià)格昂貴，而且柵格切片在海圖矢量拓?fù)潢P(guān)系操作或運(yùn)算上會(huì)表現(xiàn)出明顯的局限性；二是在瀏覽器端編寫(xiě)符號(hào)渲染規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染[5]，雖然能夠保留S-57海圖的矢量性，但由于海圖符號(hào)規(guī)則異常復(fù)雜，會(huì)給瀏覽器帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，而且通用性不強(qiáng)。作為GIS領(lǐng)域中一種重要的GIS符號(hào)共享方法[6]，OGC（open GIS consortium）的SLD（Styled Layer Descriptor）以其豐富的擴(kuò)展性和良好的開(kāi)放性[7]在專(zhuān)題圖的繪制[8]、三維城市渲染[9]、SLD標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)等多方面擁有眾多研究成果。而且SLD最初提出時(shí)就是為了描繪WMS（Web Map Service）、WFS（Web Feature Service） 和 WCS（Web Coverage Service）等WebGIS服務(wù)，在WebGIS符號(hào)渲染方面有著其他渲染方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。作為XML的擴(kuò)展，SLD具有很強(qiáng)的通用性，既可以在服務(wù)器端進(jìn)行編寫(xiě)，對(duì)S-57海圖進(jìn)行渲染生成切片，也可以在客戶(hù)端進(jìn)行編寫(xiě)并傳回服務(wù)器端，還可以直接由客戶(hù)端根據(jù)SLD進(jìn)行渲染，多種方式靈活組合能夠有效平衡前后臺(tái)負(fù)載。不僅如此，SLD還擁有豐富的功能函數(shù)、邏輯判斷能力和靈活的語(yǔ)法規(guī)則，非常適合復(fù)雜符號(hào)的渲染工作，是一種通用性好且功能強(qiáng)大的WebGIS渲染方式。

本文在參考SLD多方面研究的基礎(chǔ)上，嘗試使用SLD進(jìn)行S-57海圖符號(hào)化渲染工作，以多個(gè)典型海圖圖層為例，重點(diǎn)論述屬性值運(yùn)算渲染、復(fù)雜線(xiàn)型渲染、依屬性渲染等S-57海圖渲染關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)S-57海圖的SLD渲染進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，給出不同類(lèi)型海圖圖層對(duì)應(yīng)的SLD渲染方法。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及軟件

本文采用的S-57海圖數(shù)據(jù)是由中國(guó)電子海圖發(fā)行中心發(fā)行的中國(guó)近海及周邊海域的部分S-57海圖，選用的海圖涉及多種比例尺，海域位置分散，具有代表性，具體圖號(hào)及描述如表1所示。

表1 S-57海圖數(shù)據(jù)列表

實(shí)驗(yàn)軟件主要有3個(gè)：GDAL/OGR1．9．2、GeoServer2．5和eLaneViewer2．0。GDAL/OGR是著名的GIS開(kāi)源庫(kù)，支持眾多矢量、柵格數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，可以直接解析S-57海圖，并將其轉(zhuǎn)換成shpfile格式；GeoServer是著名的開(kāi)源WMS、WFS地圖服務(wù)發(fā)布軟件，以SLD作為符號(hào)渲染方式，對(duì)SLD各功能特性具有良好的支持。eLaneViewer是一款免費(fèi)的S-57/S-52海圖瀏覽器，支持S-57海圖及海圖更新數(shù)據(jù)，顯示符合IHO S-52標(biāo)準(zhǔn)。

本文使用GDAL/OGR進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將S-57海圖轉(zhuǎn)化為GIS通用格式shpfile數(shù)據(jù)，利用GeoServer加載轉(zhuǎn)換后的海圖數(shù)據(jù)，編寫(xiě)對(duì)應(yīng)海圖圖層的SLD渲染樣式，發(fā)布WMS服務(wù)并進(jìn)行預(yù)覽，將顯示結(jié)果與eLaneViewer直接加載S-57數(shù)據(jù)的顯示效果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 海圖符號(hào)渲染分析

2.1 屬性值運(yùn)算渲染

水深點(diǎn)圖層（SOUNDG_point）是S-57海圖中計(jì)算能力需求最高的圖層之一。本文以此圖層為例，檢驗(yàn)SLD的計(jì)算能力是否滿(mǎn)足海圖渲染需求。具體渲染規(guī)則如下：當(dāng)水深值小于或等于30 m時(shí)，為該字段整數(shù)部分在左上角、小數(shù)部分在左下角所構(gòu)成的圖形，如果小數(shù)部分為0，則小數(shù)部分不顯示；當(dāng)水深值大于30 m時(shí)，只顯示整數(shù)部分。

水深點(diǎn)圖層渲染的關(guān)鍵問(wèn)題是如何將水深字段中的屬性值的整數(shù)與小數(shù)部分拆離，這需要屬性值計(jì)算的功能，而SLD語(yǔ)言本身并沒(méi)有定義該功能，我們可以通過(guò)加入ogc擴(kuò)展引入四則運(yùn)算功能和功能函數(shù)。ogc擴(kuò)展屬于SLD官方擴(kuò)展，SLD解析器默認(rèn)進(jìn)行支持，可以滿(mǎn)足絕大部分計(jì)算需求。

對(duì)于水深點(diǎn)的整數(shù)和小數(shù)部分，由于位置不同，需要分別構(gòu)建文字符號(hào)標(biāo)簽〈TextSymbolizer〉，真正的賦值工作需要在〈Label〉標(biāo)簽中完成，因此計(jì)算功能也需要在此標(biāo)簽中進(jìn)行。

整數(shù)部分計(jì)算主要使用2個(gè)功能函數(shù)，將字段DEPTH屬性值利用功能函數(shù)floor（向下取整）得到Double型的整數(shù)部分，再用功能函數(shù)parseInt（Integer強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換）將其轉(zhuǎn)化為Integer型，以避免出現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)，即可得到整數(shù)部分。

小數(shù)部分使用了Mul（乘法）和Sub（減法）四則運(yùn)算，首先DEPTH與整數(shù)部分相減獲得實(shí)際小數(shù)值，然后將小數(shù)乘以10獲得小數(shù)部分?jǐn)?shù)值（floor型），再利用功能函數(shù)round（四舍五入，返回值為Integer，一定程度可以替代功能函數(shù)parseInt）將其轉(zhuǎn)化為Integer型，即可獲得整數(shù)部分。

對(duì)于小數(shù)部分的偏移，可以為其嵌套〈sld：DisplacementX〉和〈sld：DisplacementY〉標(biāo)簽分別對(duì)X方向和Y方向進(jìn)行按像素偏移。水深值在大于30 m和小于30 m時(shí)渲染規(guī)則并不相同，但涉及到的是依屬性值渲染相關(guān)內(nèi)容（如圖1），將實(shí)際渲染結(jié)果與海圖軟件渲染結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，擁有靈活嵌套的、具備四則運(yùn)算能力和豐富功能函數(shù)的SLD，可以滿(mǎn)足S-57海圖計(jì)算要求最高的水深圖層計(jì)算需求。

圖1 水深點(diǎn)渲染效果對(duì)比

海圖屬性值運(yùn)算方法總結(jié)如下：同一字段屬性值的整數(shù)與小數(shù)顯示規(guī)則不同時(shí)，可利用SLD符號(hào)可疊加特性構(gòu)建2個(gè)符號(hào)層，分別進(jìn)行取整數(shù)和取小數(shù)運(yùn)算，再進(jìn)行相關(guān)樣式規(guī)則的編寫(xiě)；同一符號(hào)層中可利用四則運(yùn)算和數(shù)學(xué)功能函數(shù)進(jìn)行嵌套組合，完成運(yùn)算需求。通過(guò)對(duì)其他需要屬性運(yùn)算的S-57海圖圖層進(jìn)行實(shí)際渲染檢驗(yàn)表明，以上運(yùn)算方法對(duì)S-57海圖渲染規(guī)則具有良好的適用性。

2.2 復(fù)雜線(xiàn)型渲染

S-57海圖中很多線(xiàn)圖層和面圖層的邊線(xiàn)是由2種或3種圖形按一定規(guī)則構(gòu)成的，線(xiàn)型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。海底電纜線(xiàn)圖層（CBLSUB_line）是一個(gè)典型的由3種圖形構(gòu)成的線(xiàn)圖層，其海圖軟件渲染效果如圖3c所示。

SLD可以利用〈GraphicStroke〉標(biāo)簽定義位圖格式的線(xiàn)型，但只能使用單一圖片，如果圖片沿線(xiàn)條路徑方向上的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)造成直線(xiàn)在彎曲處有明顯斷裂，如圖3a所示，電纜線(xiàn)單張節(jié)點(diǎn)圖片長(zhǎng)達(dá)85 px，在彎曲處按切線(xiàn)進(jìn)行渲染，造成線(xiàn)段不連貫。為了保證線(xiàn)型的平滑連貫，本文將大節(jié)點(diǎn)拆分，將每個(gè)小圖形皆當(dāng)作一個(gè)小節(jié)點(diǎn)，然后利用SLD符號(hào)層的可疊加性按插空的方式進(jìn)行疊加。

對(duì)海底電纜線(xiàn)圖層而言，一個(gè)大節(jié)點(diǎn)中擁有5個(gè)小節(jié)點(diǎn)，因此將其分為5條線(xiàn)的疊加，方法如下：對(duì)于第n條線(xiàn)，通過(guò)〈OnlineResource〉引入該線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)圖片，利用〈CssParameter name="stroke-dasharray"〉XnLXn〈 CssParameter 〉和 〈CssParameter name="strokedashoffset"〉Yn〈 CssParameter 〉標(biāo)簽控制筆繪長(zhǎng)度和偏移量，其中Xn為當(dāng)前小節(jié)點(diǎn)圖片的像素長(zhǎng)度，L為大節(jié)點(diǎn)像素長(zhǎng)度，Yn為第n個(gè)小節(jié)點(diǎn)筆觸起點(diǎn)相對(duì)大節(jié)點(diǎn)末端的左偏移量，如圖2所示。

圖2 SLD多線(xiàn)疊加示意圖

按照上述方法構(gòu)建5個(gè)〈LineSymbolizer〉，在同一規(guī)則〈Rule〉中進(jìn)行疊加，效果如圖3b所示。由渲染效果對(duì)比可以看出，使用SLD 5線(xiàn)疊加方式渲染的電纜線(xiàn)自然平滑，可以滿(mǎn)足S-57海圖電纜線(xiàn)圖層的渲染需求。

圖3 電纜線(xiàn)渲染效果對(duì)比

復(fù)雜線(xiàn)型渲染方法如下：首先將線(xiàn)要素進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，找出最大重復(fù)節(jié)點(diǎn)，判斷節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度是否大于20 像素。如果小于20像素，則進(jìn)行單線(xiàn)渲染，如果大于20像素則將該大節(jié)點(diǎn)拆分為n個(gè)小節(jié)點(diǎn)（n為大節(jié)點(diǎn)所包含的小節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)），利用n線(xiàn)疊加的方式進(jìn)行渲染。大量實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)S-57海圖的SLD渲染具有普適性。

2.3 依屬性值渲染

S-57海圖中許多圖層的渲染需要依照某一個(gè)或幾個(gè)字段的屬性值的取值范圍分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)的樣式渲染。以深度范圍面圖層（DEPARE_polygon）為例，有2個(gè)字段DRVAL1和DRVAL2，分別代表該面元素的最大和最小水深，需要根據(jù)水深規(guī)則分別渲染不同的顏色，如表2所示。

表2 深度范圍圖層渲染規(guī)則

使用SLD的屬性值過(guò)濾（ogc：Filter）功能、SLD比較運(yùn)算（Comparison Operators）和邏輯運(yùn)算（Logical Operators）功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)字段或幾個(gè)字段取值的篩選過(guò)濾。例如對(duì)于第一條水深規(guī)則，可以構(gòu)建2個(gè)〈ogc：PropertyIsEqualTo〉（屬性等于）標(biāo)簽，分別構(gòu)建“DRVAL1=1”和“DRVAL2=-5”2個(gè)條件，然后利用〈ogc：And〉（且）標(biāo)簽將2條件進(jìn)行連接，對(duì)于第5條大于等于條件可使用〈ogc：PropertyIsGreaterT hanOrEqualTo〉（屬性大于等于）標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)。每一條水深規(guī)則分別用一個(gè)〈Rule〉標(biāo)簽包裹，最后將所有〈Rule〉按順序疊放即可實(shí)現(xiàn)依屬性值渲染，對(duì)比效果如圖4所示。

圖4 水深范圍渲染效果對(duì)比

依屬性值渲染方法如下：為每一個(gè)屬性值范圍構(gòu)建一個(gè)規(guī)則標(biāo)簽，分別在每個(gè)規(guī)則標(biāo)簽中利用SLD的過(guò)濾功能和比較運(yùn)算的靈活嵌套來(lái)確定該規(guī)則標(biāo)簽的屬性值范圍，最后將所有規(guī)則標(biāo)簽進(jìn)行疊加。實(shí)驗(yàn)表明，該方法滿(mǎn)足S-57海圖的渲染需要。

2.4 綜合效果預(yù)覽

解決了屬性值運(yùn)算渲染、復(fù)雜線(xiàn)型渲染和依屬性值渲染3個(gè)問(wèn)題之后，可以滿(mǎn)足SLD的S-57電子海圖符號(hào)化渲染需要。為了展示SLD海圖渲染的整體效果，圖層渲染后可利用GeoServer將同一海圖文件的圖層合并為一個(gè)圖層組并進(jìn)行切片預(yù)覽。鼠標(biāo)點(diǎn)擊可查詢(xún)海圖要素屬性值，整體效果如圖5所示。

圖5 GeoServer預(yù)覽效果

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)S-57海圖在WebGIS符號(hào)化方面缺少簡(jiǎn)單通用的渲染方法的問(wèn)題，提出利用SLD進(jìn)行海圖渲染，并進(jìn)行適用性分析，討論S-57海圖的屬性值運(yùn)算渲染、復(fù)雜線(xiàn)型渲染和依屬性渲染問(wèn)題，提出對(duì)應(yīng)的SLD編寫(xiě)方法。通過(guò)實(shí)際渲染效果對(duì)比分析表明，所給方法可以滿(mǎn)足S-57海圖的渲染需求，并具有良好的渲染效果，為基于S-57海圖的WebGIS符號(hào)渲染提供了一種簡(jiǎn)單通用的解決方法，為基于S-57電子海圖的海洋GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了底圖基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)

[1] 徐建設(shè),史保勇．基于電子海圖的船舶航線(xiàn)顯示與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．地理空間信息,2008,6(4)：46-48

[2] 廖國(guó)祥,熊德琪,翟偉康,等．基于WebGIS的海上溢油應(yīng)急信息系統(tǒng)的構(gòu)建[J]．計(jì)算機(jī)工程,2007,33(12)：272-274

[3] 姜鳳輝,李樹(shù)軍,王臻．現(xiàn)代海圖符號(hào)研究[J]．測(cè)繪工程,2010(4)：16-18

[4] 杜國(guó)駿．基于Android的瓦片式電子海圖系統(tǒng)的研究[D]．大連：大連海事大學(xué),2013

[5] 王曉．基于Html5的矢量地圖發(fā)布關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．南京：南京師范大學(xué),2011

[6] 陶陶,閭國(guó)年,張書(shū)亮,等．GIS地圖符號(hào)共享研究進(jìn)展與展望[J]．中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào),2007,12(8)：1 326-1 332

[7] 周玉科,周成虎,馬廷,等．?dāng)?shù)字地圖要素樣式結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)表達(dá)研究與實(shí)現(xiàn)[J]．地理與地理信息科學(xué),2012,28(3)：7-10

[8] Rautenbach V,Coetzee S,Iwaniak A．Orchestrating OGC Web Services to Produce Thematic Maps in a Spatial Information Infrastructure[J]．Computers, Environment and Urban Systems, 2013(37)：107-120

[9] Over M,Schilling A,Neubauer S,et al．Generating Webbased 3D City Models from OpenStreetMap：The Current Cituation in Germany[J]．Computers, Environment and Urban Systems,2010,34(6)：496-507

P208

B

1672-4623（2016）04-0062-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.021

劉天堯，碩士，研究方向?yàn)閃ebGIS應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。

2015-01-16。

項(xiàng)目來(lái)源：工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)目（201212）。（*為通訊作者）