基于矢量瓦片的交互式警用電子地圖在線制圖與服務系統(tǒng)研究

■ 文/公安部第一研究所 王超

北京中盾安全技術開發(fā)公司 李佩虎

呼和浩特市公共安全大數(shù)據(jù)應用實驗室 王德清

呼和浩特市公安局科技信息化支隊 張健

關鍵字：PGIS 矢量瓦片 地圖樣式 個性化在線制圖

1 引言

隨著PGIS平臺的推廣、普及與應用，地理信息及電子地圖已被廣泛應用于指揮調度、警情分析、巡防勤務、社區(qū)警務等各類公安業(yè)務領域，成為公安信息化工作不可或缺的一部分。隨著應用的不斷深入，各應用場景對電子地圖可視化效果的差異化需求也越來越明顯。目前，PGIS平臺采用基于柵格瓦片的預渲染技術來提供警用電子地圖的瀏覽服務，數(shù)據(jù)量大，在地圖瀏覽、查詢、分析等應用中需要的時間較長，效率較低，地圖樣式單一，無法實現(xiàn)按需設置的地圖可視化顯示效果，難以滿足實戰(zhàn)業(yè)務部門在業(yè)務開展過程中提出的在線交互制圖需求。

特別是隨著公安“四項建設”的推進，公安警務工作對于移動端地圖的應用場景越來越多。移動端具有存儲有限、對數(shù)據(jù)量要求高的特點，對于網(wǎng)絡傳輸量和傳輸速度有較高的要求。同時，高分大屏在公安指揮中心、交警指揮中心、應急指揮等場景中的應用日益廣泛，由于PGIS柵格瓦片地圖預渲染的特點，導致其在高分大屏的應用存在諸多問題。因此，尋找一種既能有瓦片地圖分片訪問優(yōu)勢、同時又可以實現(xiàn)矢量地圖動態(tài)渲染的技術，是未來PGIS地圖發(fā)展的一個方向。

2 研究現(xiàn)狀

近年來，為解決柵格瓦片顯示效果單一、無法交互的問題，國內外學者通過大量探索與研究，提出許多切實可行的技術思路與方法。楊梅等提出一種用于大規(guī)模矢量數(shù)據(jù)調度的策略，引入基于"金字塔"思想的數(shù)據(jù)調度和工作空間的服務配置技術，采用WFS服務的方式調度數(shù)據(jù)，將GML數(shù)據(jù)解析為坐標數(shù)據(jù)進行展示。孫璐等提出一種面向服務器制圖可視化的矢量數(shù)據(jù)多尺度組織方法。基于矢量數(shù)據(jù)瓦片化思想，將矢量數(shù)據(jù)按照全球地理空間金字塔索引模型劃分為層次化瓦片數(shù)據(jù)，將服務器制圖可視化處理中對數(shù)據(jù)圖層的空間查詢操作，轉化為對瓦片數(shù)據(jù)的讀取操作。這種方案是谷歌柵格瓦片技術的一種延伸，將用于傳輸?shù)氖噶繑?shù)據(jù)切分成小的數(shù)據(jù)單元進行傳輸，每個數(shù)據(jù)單元只包含一定范圍內的要素信息，瓦片攜帶的是用于繪制的數(shù)據(jù)，而不是已經繪制出的固定樣式的圖片，從而實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的瓦片化，使數(shù)據(jù)的請求和傳輸變得更加高效，在客戶端進行更快、更靈活的渲染。

實現(xiàn)基于矢量瓦片的地圖服務，首先需要完成矢量數(shù)據(jù)的瓦片化處理。王亞平等提出一種基于開源軟件的矢量瓦片生成方法，為矢量瓦片的構建提供了可行的技術參考。在矢量瓦片的數(shù)據(jù)格式與組織方法方面，目前并沒有明確的格式標準和體系標準，但已經有了一些探索和實際應用的成果。孫晨龍等針對當前矢量數(shù)據(jù)組織方法在顯示效率和效果方面存在的不足,提出一種基于矢量瓦片的矢量數(shù)據(jù)組織方法，此外還有GeoJSON、PBF、SVTiles等開源及商用的矢量瓦片數(shù)據(jù)格式定義參考。

在上述理論與技術研究的基礎上，研究人員進一步開展了基于矢量瓦片的原型系統(tǒng)研究與開發(fā)。周婷通過自行搭建矢量瓦片服務器，按照瓦片地圖金字塔模型切割并緩存地圖數(shù)據(jù)，完成矢量地圖的渲染工作，基于地圖功能的基本實現(xiàn)，以用戶軌跡數(shù)據(jù)和手機通話記錄數(shù)據(jù)為例，在矢量地圖上分別采用網(wǎng)眼和動態(tài)弧線的方式進行了可視化呈現(xiàn)。朱秀麗等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)對矢量瓦片的實時渲染。周強等、何猛等還將矢量瓦片技術應用到移動端地圖中，提出了移動地圖中矢量瓦片的組織方法，討論了移動終端瓦片技術的應用模式及其業(yè)務發(fā)展的主要制約因素。

當前研究成果表明，矢量瓦片技術克服了傳統(tǒng)柵格瓦片的缺陷，在交互性、渲染效果、動態(tài)制圖及實時屬性查詢等方面具有很大的優(yōu)勢和應用價值。本文在綜合分析當前研究成果的基礎上，采用矢量瓦片技術，將警務空間矢量數(shù)據(jù)與瓦片化的多分辨率“金字塔”數(shù)據(jù)組織模型結合起來，利用前端實時渲染技術，研究開發(fā)了交互式警用電子地圖在線制圖與服務系統(tǒng)，并成功應用于呼和浩特市“平安首府”項目中，為各警種警務空間數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)提供了有效支撐。

3 基于“金字塔”模型的矢量瓦片數(shù)據(jù)處理與組織

“金字塔”模型是當前使用最廣泛的多尺度瓦片數(shù)據(jù)組織模型。其主要原理是將空間區(qū)域進行不同尺度的劃分，每個尺度上形成一系列彼此相接、無縫覆蓋的空間瓦片區(qū)域。不同尺度的瓦片數(shù)目規(guī)模按尺度大小呈等比級數(shù)增長，狀若“金字塔”，因此稱之為“金字塔”模型。

3.1 多尺度矢量圖層數(shù)據(jù)預處理

矢量地圖采用前端實時繪圖模式完成地圖渲染，在服務器端的緩存數(shù)據(jù)為原始的矢量數(shù)據(jù)集。緩存之前需要作數(shù)據(jù)分層處理，即將同類型的需要協(xié)同展示的數(shù)據(jù)分配在一個圖層中。理論上講，可以直接使用警用基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、警用專用地理信息數(shù)據(jù)庫及公共地理信息數(shù)據(jù)庫中的圖層劃分。但考慮到“三庫”中的圖層劃分是以數(shù)據(jù)管理為目的的，而動態(tài)數(shù)據(jù)處理是以地圖繪制、展示和應用為目的，因此需要對圖層劃分進行一定的調整，形成新的圖層數(shù)據(jù)。調整方式主要有以下三種：

（1）圖層剔除。將“三庫”中一些在一般繪圖中不需要的圖層剔除，不進行矢量數(shù)據(jù)整理。如高程點、等高線、土地覆蓋、注記、動態(tài)目標等。

（2）圖層拆分。對“三庫”中部分承載內容較多，各種類型要素表達方式相差較大的圖層進行拆分，盡量做到同一圖層中的數(shù)據(jù)表達方式一致。如各類場所、管理設施、管線等。

（3）圖層合并。“三庫”中圖層分類比較細，圖層數(shù)量較多，為減少客戶端繪圖時的數(shù)據(jù)獲取次數(shù)，提供地圖繪制效率，需要結合各業(yè)務地圖繪制需求，對“三庫”中的部分圖層進行合并操作。

根據(jù)以上原則，將基礎地理信息數(shù)據(jù)劃分為：行政區(qū)劃、交通、水系、居民地及設施、管線等圖層。將警用公共信息數(shù)據(jù)劃分為交通、場所、單位信息、門牌、警用管理分區(qū)、水系、基礎設施等。

矢量瓦片采用分層分級的技術路線和金字塔數(shù)據(jù)組織方式，在瓦片制作時需要考慮不同比例尺下的瓦片制作級別問題。大比例尺矢量數(shù)據(jù)在的直接繪制會給前端帶來巨大的壓力，需要對不同比例尺制作不同級別的瓦片數(shù)據(jù)。概括前，應盡量選擇比例尺恰當?shù)脑紨?shù)據(jù)，以減少概括的工作量，參考如表1。

表1 矢量地圖切片級別參照表

在對圖層進行概括時遵循以下原則與基本規(guī)律：保持事物分布特點；反映事物密度對比；既尊重指標又靈活掌握；制圖對象的密度越大，其選取標準越高，反之亦然；遵循從主到次、從大到小的順序原則進行選取，以使地圖保持原來區(qū)域的基本面貌；在保持各密度去之間具有最小辨認系數(shù)的前提下，保持各區(qū)域間的密度對比關系。

在對要素進行概括時，主要表現(xiàn)在對復雜地理要素的簡化處理。對于點要素的處理，根據(jù)點要素的優(yōu)先級別，通過抽稀和分級顯示的方法處理。對于線狀要素，在要素整體相似性、一致性和精確性的基本要求下，采用目前公認的矢量線要素簡化經典算法Douglas-Peucker（D-P算法）對線要素逐比例尺進行抽稀和化簡處理。針對面要素，隨著比例尺級別的縮小，面積較小的圖斑在地圖上顯示時無法表達地理要素信息，根據(jù)顯示級別處理掉面積較小的圖斑。

3.2 矢量瓦片構建

為了與PGIS柵格瓦片兼容，參照PGIS柵格瓦片構建規(guī)則，某一級別下，矢量瓦片個數(shù)、瓦片地面分辨率、顯示比例尺和矢量數(shù)據(jù)源比例尺見表2。

表2 各級地圖矢量瓦片特征表

根據(jù)與PGIS原有的柵格瓦片兼容的原則，按照PGIS切片規(guī)則逐比例尺逐層的對矢量數(shù)據(jù)進行分割，形成矢量瓦片數(shù)據(jù)。矢量瓦片數(shù)據(jù)遵循以下標準：采用CGCS2000國家大地坐標系；切圖原點為（-180，90），向東向南逐漸遞增；地圖分級1-20，根據(jù)實際應用需要可以繼續(xù)擴展。某級單個瓦片的所表示地面范圍的大小：

其中：Sn表示單個矢量瓦片所代表的地面范圍的大小，單位為m2；96為PGIS柵格瓦片像素密度；0.0254為米到英寸的轉換系數(shù)；256*0.0254/（96*地圖顯示比例）為某一級矢量瓦片的寬度，單位為m；地圖顯示比例可以根據(jù)地圖級別從表2中獲得。

切圖時，根據(jù)“金字塔”模型，首先通過地圖數(shù)據(jù)源的坐標范圍，確定1-20級各級矢量切片的行列號；然后計算出每一級切片下每個瓦片的坐標范圍；最后根據(jù)各級地圖所包含的圖層和圖層中要素的顯示級別，結合各瓦片的坐標范圍生成選定格式的矢量瓦片數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)組織與存儲

目前主流的矢量空間數(shù)據(jù)交換格式分為基于XML（可擴展標記語言）的地理空間數(shù)據(jù)交換格式（如SVG、GML、KML）和基于JSON（JavaScript對象表示法）的輕量級地理空間數(shù)據(jù)交換格式（如GeoJSON、TopoJSON）兩種?；赬ML的數(shù)據(jù)交換格式在面對數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結構復雜的情況時，會存在大量的數(shù)據(jù)冗余，進而影響數(shù)據(jù)的存儲和網(wǎng)絡傳輸效率，同時解析時在瀏覽器端還會存在一定的兼容性問題。GeoJSON作為一種基于JSON的數(shù)據(jù)交換格式，遵循OGC簡單要素規(guī)范，可以對地理要素進行編碼，具有易讀性強、擴展新高和通用性強的特點，有利于地理數(shù)據(jù)的傳輸。結合PGIS數(shù)據(jù)的特點和主流數(shù)據(jù)交換格式的特點，采用GeoJSON格式進行數(shù)據(jù)的承載。

每個矢量瓦片包含若干個圖層，每個圖層由若干個點、線、面等地理實體的集合組成，每個實體集合由若干個地理實體組成，每個地理實體包含有實體的位置信息和屬性信息。一個矢量瓦片就是一個GeoJSON文件（如圖1所示），包含所有落在該瓦片范圍內實體（點、線、面）的位置信息和屬性信息。位置信息包括要素的類別和實際地理位置信息。屬性信息以鍵值對的（key-value）的方式存儲，主要包括屬性名稱和級別兩個屬性。GeoJSON字符串如下：

{"features"：[{"geometry"：{"coordinates"：[],"type"："Lin eString"},"properties"：{},"type"："Feature"}],"type"："Feature Collection"}

其中，features是一個字符串數(shù)組，包括一個瓦片中所有地理實體的位置信息和屬性信息，每一個元素代表一個地理實體；coordinates是由coordinate構成的數(shù)組，表示一個地理實體的位置信息，數(shù)組元素結構由幾何類型來確定；type為地理要素類型，"Point", "MultiPoint"，"LineString"，"MultiLineString"，"Polygon"，"MultiPolygon"，"GeometryCollection"，"Feature"，或者"FeatureCollection"；properties是由地理要素屬性集合構成的一個對象。

圖1 矢量瓦片示例圖

地圖樣式采用JSON格式的配置文件進行存儲，以配置文件的方式獨立于矢量瓦片單獨存在。通過這樣的方式，可以在不改變矢量瓦片的條件下對樣式屬性信息進行修改，進而實現(xiàn)要素樣式信息的交互性。矢量瓦片的組織結構如圖1所示。

圖2 矢量瓦片組織結構模型

矢量瓦片在服務器中以GeoJSON文件格式存儲，數(shù)據(jù)文件分為三層，Z/X/Y/*.geojson(Z：地圖級別，X：列號，Y：行號)，地圖樣式文件采用JSON格式以配置文件的方式單獨存儲。通過建立瓦片金字塔，確定任意瓦片的邏輯索引和矢量數(shù)據(jù)多尺度組織的邏輯索引之間的映射?？蛻舳嗽诶L制時，根據(jù)瓦片索引直接讀取矢量瓦片進行繪制，不再依賴于原始數(shù)據(jù)。

4 基于樣式描述的交互制圖與動態(tài)渲染

與柵格瓦片的預渲染機制不同，矢量瓦片技術通過調用原始數(shù)據(jù)采用實時渲染的機制。當用戶在前端進行地圖操作時，矢量瓦片可以根據(jù)樣式配置在前端進行實時渲染，提升用戶的交互性和靈活性。

圖3 矢量地圖數(shù)據(jù)組織形式

圖3 矢量地圖數(shù)據(jù)組織形式

根據(jù)矢量地圖數(shù)據(jù)組織形式（圖3），每個地圖對象由多個圖層組成。每個圖層包含一個數(shù)據(jù)源和一個JSON格式的樣式文件，然后將所有圖層的樣式文件整合為一個統(tǒng)一的地圖樣式配置文件。樣式文件用以控制每個圖層的展示樣式。通過動態(tài)修改樣式文件，實現(xiàn)不同風格地圖的在線制作。根據(jù)拓撲結構的不同，樣式又分為點、線和面樣式。各類樣式屬性見圖4。

圖4 樣式屬性

通過可視化的樣式編輯頁面，對樣式屬性進行動態(tài)修改，實現(xiàn)樣式文件的在線動態(tài)編輯。然后采用oPenlayers開源引擎，調用編輯后的樣式文件，由瀏覽器負責進行矢量地圖渲染，進而實現(xiàn)對矢量地圖的實施渲染。

5 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

本文構建一套交互式警用電子地圖在線制圖與服務系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用矢量瓦片技術，將警務空間矢量數(shù)據(jù)與瓦片化的多分辨率金字塔結構數(shù)據(jù)緩存結合起來，利用前端實時渲染技術，提供個性化的地圖定制服務，在交互性、渲染效果、動態(tài)制圖及實時屬性查詢等方面具有很大的優(yōu)勢，為各警種警務空間數(shù)據(jù)可視化和個性化定制提供有效支撐。系統(tǒng)界面(見后頁)。

為了和PGIS互相兼容，互為服務，系統(tǒng)參照《警用地理信息系統(tǒng)基礎地圖選用技術要求》《警用地理信息數(shù)據(jù)分層及命名規(guī)則》《警用地理信息屬性數(shù)據(jù)結構》《警用地理信息瓦片地圖規(guī)范》等標準規(guī)范對數(shù)據(jù)進行存儲與管理。系統(tǒng)在提供PGIS原有的柵格地圖服務的同時，提供六套不同風格的矢量地圖模板。用戶可以基于系統(tǒng)提供的六套模板（湛藍簡潔地圖、深黑湛藍地圖、簡約地圖、深黑簡約地圖、全市路網(wǎng)圖、主城區(qū)路網(wǎng)圖），在線進行個性化地圖的定制服務，定制后的樣式通過定制服務可同步到地圖樣式數(shù)據(jù)中，用戶可以直接發(fā)布并使用定制好的地圖解決方案。地圖定制化效果如圖6。

圖5 動態(tài)矢量地圖展示系統(tǒng)

圖6 在線個性化定制效果

通過這種方式，可實現(xiàn)一種所見即所得的地圖配置形式，避免了傳統(tǒng)web地圖每次展示細節(jié)的調整均需要專業(yè)人員進行配圖、編譯和發(fā)布的過程，明顯提高了個性化定制與服務水平。

6 結束語

矢量瓦片技術采用“金字塔”模型和高效的切片存儲格式，可以在前端按需靈活繪制、渲染并展示，并且能進行地圖樣式的靈活配置，能夠有效解決柵格瓦片地圖存在的切圖體積過大、切圖效率低、地圖樣式單一、對高分屏支持不足的問題，為今后PGIS平臺的升級和發(fā)展提供有益經驗。