基于Mapbox的矢量瓦片地圖制圖介紹

□ 解 冰包玲玲關(guān) 穎

（1.黑龍江第三測(cè)繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150000;2.北京星球時(shí)空科技有限公司，北京 100101）

0.引言

網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)是近年來通過國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)提供的一種主流地理信息服務(wù)模式[1]。瓦片地圖技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)時(shí)代的主流技術(shù)。早期的柵格瓦片地圖在地理信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)調(diào)度上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，基于金字塔模型緩存數(shù)據(jù)，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高數(shù)據(jù)調(diào)度速度[2]。但柵格瓦片在空間分析及前端交互等方面不能夠完全滿足用戶需求。因此，互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)領(lǐng)域引深出了矢量瓦片技術(shù)，矢量瓦片是一種高性能的格式，在設(shè)置樣式、輸出格式及交互方面更加靈活。

總部位于美國(guó)的Mapbox公司基于Google ProtocolBuffers制定的開源矢量瓦片數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，MAPBOXVECTORTILESPECIFICATION是目前較為通用的矢量瓦片數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，已被多個(gè)公司和組織采用[3]?；贛apbox技術(shù)機(jī)制和體制搭建矢量瓦片服務(wù)框架，在數(shù)據(jù)請(qǐng)求及傳輸方面可以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸量，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)地圖的響應(yīng)速度，同時(shí)客戶端能夠更快、更靈活地渲染[4]?；陂_源技術(shù)的Mapbox技術(shù)體制可以方便地實(shí)現(xiàn)本地化部署，解決面向?qū)ο蟮男袠I(yè)內(nèi)部地圖服務(wù)，滿足各行業(yè)內(nèi)部位置服務(wù)、信息管理需求，確保數(shù)據(jù)資源保密的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的價(jià)值。

1.Mapbox矢量地圖技術(shù)

Mapbox提供了一個(gè)強(qiáng)大的在線地圖制作環(huán)境，包含大量的地圖制圖工具，從細(xì)粒度對(duì)象到粗粒度對(duì)象所涉及領(lǐng)域很廣。用戶可申請(qǐng)賬戶線上制圖，也可下載安裝相關(guān)工具本地部署。Mapbox 矢量瓦片默認(rèn)的大地坐標(biāo)系為WGS-84，投影方式為球面墨卡托（WebMercator），瓦片編號(hào)采用 Google瓦片方案[5]。因此，Mapbox矢量瓦片的大地坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系和瓦片坐標(biāo)系與Google柵格瓦片一致。各縮放級(jí)別下瓦片的數(shù)量和單個(gè)瓦片代表的空間大小相同。矢量瓦片的數(shù)據(jù)組織參照柵格瓦片的數(shù)據(jù)組織模型，構(gòu)建金字塔模型。

1.1 瓦片數(shù)據(jù)組織方法

Mapbox矢量瓦片數(shù)據(jù)采用分包組織方法進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，矢量數(shù)據(jù)分包切片有助于數(shù)據(jù)管理，通過建立相應(yīng)地?cái)?shù)據(jù)索引，能夠?qū)崿F(xiàn)所需數(shù)據(jù)更好、更快、更有效地調(diào)度，提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染速度，大大減小了無效數(shù)據(jù)的傳輸，有效地解決矢量數(shù)據(jù)的多尺度、大存儲(chǔ)、多形態(tài)等問題。

數(shù)據(jù)組織可分為3個(gè)層次：（1）分級(jí)劃分規(guī)則的確定。（2）地圖表達(dá)范圍內(nèi)的瓦片數(shù)據(jù)集組織模型。（3）單個(gè)瓦片內(nèi)要素的組織模型[4]。為減小數(shù)據(jù)量，根據(jù)數(shù)據(jù)精度及渲染要求，合理設(shè)置分級(jí)數(shù)據(jù)組織包，矢量數(shù)據(jù)渲染過程中低級(jí)別至高級(jí)別過渡時(shí)會(huì)逐級(jí)增加必要要素，直至顯示所需的全部要素為止，需要將數(shù)據(jù)分級(jí)劃分組織，低級(jí)別數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行簡(jiǎn)化處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)合理規(guī)范化的組織方式。

瓦片數(shù)據(jù)集組織模型可通過自定義矢量瓦片的大地坐標(biāo)系、投影方式和瓦片編號(hào)方案實(shí)現(xiàn)任意精度、任意空間位置與矢量瓦片的對(duì)應(yīng)關(guān)系[6]。單個(gè)矢量瓦片主要存儲(chǔ)多個(gè)GeoJSON格式圖層，對(duì)應(yīng)圖層內(nèi)部包含其屬性信息、幾何信息。每塊矢量瓦片至少要包含一個(gè)圖層，每個(gè)圖層至少要包含一條要素信息[4]。

1.2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法

Mapbox數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)是一款應(yīng)有安全型的輕型數(shù)據(jù)庫(kù)，遵守ACID的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，它是一個(gè)嵌入式庫(kù)，是一個(gè)實(shí)現(xiàn)零配置、無服務(wù)端和事務(wù)功能的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，在廣泛領(lǐng)域被應(yīng)用[7]。采用 SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)是因?yàn)槠渲С?Windows、Linux等多種主流的操作系統(tǒng)，占用的內(nèi)存非常少，同時(shí)能夠跟多種程序語言相結(jié)合，處理速度也非?？?。Mapbox公司制定了一種公開的瓦片管理和存儲(chǔ)規(guī)范—MBTiles[4]。MBTiles規(guī)定將生成的瓦片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成一個(gè)MBTiles文件，即一個(gè)瓦片數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的集約化[5]。

1.3.地圖渲染方法

Mapbox提供了瀏覽器渲染引擎（MapboxGL JS）和移動(dòng)終端渲染引擎(MapboxGLNative)[8]。Mapbox前端渲染通過MapboxGLJS實(shí)現(xiàn)，MapboxGLJS是一個(gè)JavaScript庫(kù)，使用Web GL渲染交互式矢量瓦片地圖和柵格瓦片地圖，渲染性能高。它能夠解析各種來源的矢量數(shù)據(jù)，然后在客戶端實(shí)時(shí)渲染生成帶有幾何圖形、文字標(biāo)注、圖示符號(hào)3D場(chǎng)景地圖[9]。MapboxGLJS能夠渲染大數(shù)據(jù)量的地圖要素，擁有流暢的交互以及動(dòng)畫效果，可以顯示立體地圖，是一款十分優(yōu)秀的WebGIS開發(fā)框架[10]。

2.結(jié)束語

本文針對(duì)矢量地圖技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，Mapbox是個(gè)性化的地圖載體，具有高效率、多樣性等特點(diǎn)，未來在大數(shù)據(jù)處理上會(huì)有更加突出的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)樣式配置文件優(yōu)化、操作簡(jiǎn)單化。

圖1 基于Mapbox地形圖示例

基于Mapbox矢量瓦片制圖系統(tǒng)可支持多類型地圖制圖，例如導(dǎo)航圖、地形圖、海航圖等的制作。實(shí)踐證明，Mapbox技術(shù)可滿足對(duì)于樣式、符號(hào)要求較低的導(dǎo)航圖類型地圖的制作，但是對(duì)于地形圖這種比較復(fù)雜的地圖來說，其現(xiàn)有技術(shù)存在一定的不足。圖1為地形圖配制效果，在制圖過程中對(duì)于簡(jiǎn)單類型的圖式符號(hào)能夠滿足制圖要求，但對(duì)于復(fù)雜符號(hào)的表達(dá)暫不能實(shí)現(xiàn)。例如地形圖中注記顯示、干溝顯示、面填充被分割、等高線注記顯示、電力線顯示、隧道顯示都存在不同程度的不適應(yīng)性。

針對(duì)上述問題，可充分利用Mapbox的開源特性，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集方法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和二次開發(fā)，通過算法、軟件優(yōu)化等技術(shù)層面解決樣式配置問題，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、標(biāo)準(zhǔn)化的多重地圖表達(dá)，滿足地圖多樣化顯示，樣式配置更加靈活多樣的需求。

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【10】何猛，蔡忠亮，任福.移動(dòng)地圖中的矢量瓦片組織方法研究[J].測(cè)繪地理信息，2015，40(2)：74-76．