分類(lèi)別多尺度數(shù)據(jù)顯示方法初探

魏金明，趙向陽(yáng)，張濤

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

1 引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)的生成和獲取日益簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量激增，人類(lèi)正逐步進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。一個(gè)新的轉(zhuǎn)變正在進(jìn)行，大數(shù)據(jù)將成為企業(yè)、社會(huì)和國(guó)家層面重要的戰(zhàn)略資源；數(shù)據(jù)成為有價(jià)值的公司資產(chǎn)、重要的經(jīng)濟(jì)投入和新型商業(yè)模式的基石[1]。測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)的重要組成部分，人類(lèi)活動(dòng)中80%以上的信息與地理空間位置有關(guān)系；大數(shù)據(jù)熱力圖常依托于地理位置信息進(jìn)行展示。隨著國(guó)家自然資源部的成立和省、市級(jí)自然資源行政管理部門(mén)的設(shè)立，測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)有了更加廣泛的外延。

測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)包括時(shí)空傳感器數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，具有數(shù)據(jù)范圍廣、數(shù)據(jù)源多、數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜多樣的特性[2]。如何對(duì)多源、類(lèi)型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量巨大的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織和管理，使其能快速顯示瀏覽，成為許多專(zhuān)家的研究方向。如余前佳等研究了自然資源部國(guó)家級(jí)云數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理情況[3]；暢玉潔研究了大數(shù)據(jù)時(shí)代下的數(shù)據(jù)可視化方法[4]；占軍等研究了如何用oracle數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)展示水利普查數(shù)據(jù)[5]；梅樹(shù)紅研究了大數(shù)據(jù)時(shí)代測(cè)繪地理信息檔案資源的建設(shè)與應(yīng)用[6]等。專(zhuān)家們的研究多使用一種平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與顯示，未能統(tǒng)籌考慮數(shù)據(jù)的多軟件平臺(tái)顯示策略。

針對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜多樣的特性，研究各類(lèi)別數(shù)據(jù)最優(yōu)的顯示軟件；針對(duì)數(shù)據(jù)范圍廣數(shù)據(jù)量大時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽慢、顯示重疊的現(xiàn)象，分尺度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合取舍，形成多尺度分層地圖。本文以濟(jì)南市勘測(cè)院現(xiàn)有的勘測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，創(chuàng)建數(shù)據(jù)顯示庫(kù)表，將各類(lèi)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式、最優(yōu)顯示軟件、最佳顯示尺度、顯示符號(hào)等信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)；根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的信息，生成分類(lèi)別多尺度地圖圖層和顯示配置文件；研發(fā)勘測(cè)資源一張圖平臺(tái)，以顯示配置文件驅(qū)動(dòng)地圖圖層分尺度顯示，列出幾類(lèi)主要數(shù)據(jù)顯示序列，達(dá)到二維、三維、多媒體數(shù)據(jù)的快速、關(guān)聯(lián)性瀏覽。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是指對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用系統(tǒng)，有效存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足用戶(hù)信息要求和處理要求[7]。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)等多個(gè)階段。本文主要介紹數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇和庫(kù)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)選擇

當(dāng)前常用的商用數(shù)據(jù)庫(kù)包括SQLServer、Oracle、DB2等，其對(duì)比情況如表1所示。

常用商用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比表 表1

鑒于測(cè)繪地理信息大數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量巨大，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)難以有效支持，因此選用的商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)僅存放主要的基本數(shù)據(jù)。從表1的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)雖然價(jià)格貴，管理復(fù)雜；但其性能穩(wěn)定，安全級(jí)別高，開(kāi)發(fā)易；同時(shí)考慮對(duì)空間數(shù)據(jù)的支持，選用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)。

2.2 庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括顯示庫(kù)表和基本數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)。顯示庫(kù)表結(jié)構(gòu)如表2所示。

顯示庫(kù)表記錄各類(lèi)數(shù)據(jù)的顯示信息，用于生成顯示圖層和顯示配置文件。其中，“最佳顯示尺度”屬性值的填寫(xiě)規(guī)則為：“最小尺度-最大尺度”，僅有最小尺度填寫(xiě)“最小尺度-”，僅有最大尺度填寫(xiě)“-最大尺度”。

基本數(shù)據(jù)庫(kù)表在保留原數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加“顯示尺度”“生存周期”兩個(gè)屬性字段，用于記錄數(shù)據(jù)的尺度特性和時(shí)間特性。“顯示尺度”“生存周期”屬性值的填寫(xiě)規(guī)則如“最佳顯示尺度”。

顯示庫(kù)表結(jié)構(gòu) 表2

3 數(shù)據(jù)處理

合理組織原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理流程，生成可快速瀏覽的分類(lèi)別多尺度地圖。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1數(shù)據(jù)處理流程圖

3.1 數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)

保留原始數(shù)據(jù)，作為最初版本進(jìn)行備份。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)據(jù)綜合取舍、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)顯示設(shè)置等處理后重新存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)分類(lèi)是將數(shù)據(jù)劃分為不同的類(lèi)別，一個(gè)類(lèi)別對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示圖層，一個(gè)原始數(shù)據(jù)可能生成不同的類(lèi)別。數(shù)據(jù)綜合取舍是對(duì)某類(lèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化LOD(Level of Detail)思想[8]，利用合并、取舍等縮編方法，在不同尺度下顯示不同的要素，用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖層的多尺度顯示。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是將空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，包括圖屬關(guān)聯(lián)、圖檔關(guān)聯(lián)等，通過(guò)添加外鍵的方式實(shí)現(xiàn)空間圖形與屬性、文檔、影音等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)顯示設(shè)置是通過(guò)學(xué)習(xí)、調(diào)研、測(cè)試等方法，列出某類(lèi)數(shù)據(jù)的最優(yōu)顯示軟件、最佳顯示尺度、顯示符號(hào)庫(kù)等信息，并將其寫(xiě)入數(shù)據(jù)顯示庫(kù)表，用于生成顯示圖層和顯示配置文件。數(shù)據(jù)處理是開(kāi)放的過(guò)程，既可增加數(shù)據(jù)類(lèi)別，也包括對(duì)現(xiàn)有類(lèi)別的再處理。

將處理后數(shù)據(jù)分為主要數(shù)據(jù)和一般數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)作為基本數(shù)據(jù)存放于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，一般數(shù)據(jù)按原有存儲(chǔ)方式存放。為數(shù)據(jù)顯示需要，將數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)顯示的主序列，非空間數(shù)據(jù)作為關(guān)聯(lián)信息與空間圖形相掛接。為將不同類(lèi)別的多源數(shù)據(jù)在同一幅地圖內(nèi)顯示，空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)前需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，統(tǒng)一為CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

3.2 顯示圖層

存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)通過(guò)符號(hào)化、圖層化等處理，生成顯示圖層。同一類(lèi)數(shù)據(jù)，用不同軟件顯示時(shí)需要不同的符號(hào)庫(kù)，可生成不同的圖層文件。本文以ArcGIS軟件的符號(hào)庫(kù)和圖層文件為例進(jìn)行介紹。

ArcGIS符號(hào)庫(kù)內(nèi)包含點(diǎn)狀符號(hào)、線(xiàn)狀符號(hào)、面狀符號(hào)。點(diǎn)狀符號(hào)包括簡(jiǎn)單符號(hào)、字符符號(hào)、箭頭符號(hào)、圖片符號(hào)、三維符號(hào)、三維簡(jiǎn)單符號(hào)、三維字符符號(hào)；線(xiàn)狀符號(hào)包括實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)、制圖線(xiàn)、點(diǎn)符號(hào)線(xiàn)、圖片組合線(xiàn)、三維實(shí)線(xiàn)、三維填充線(xiàn)；面狀符號(hào)包括單色填充、漸變色填充、制圖線(xiàn)填充、點(diǎn)狀符號(hào)填充、圖片填充、三維圖形填充。ArcGIS軟件提供了樣式管理器(StyleManager)創(chuàng)建符號(hào)庫(kù)，為顯示需要，創(chuàng)建了基礎(chǔ)地理信息符號(hào)庫(kù)、土地利用類(lèi)別符號(hào)庫(kù)、管線(xiàn)符號(hào)庫(kù)、人防符號(hào)庫(kù)、國(guó)情普查符號(hào)庫(kù)等多項(xiàng)專(zhuān)用自定義符號(hào)庫(kù)。

ArcGIS圖層文件的數(shù)據(jù)格式為L(zhǎng)YR，存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)顯示的相關(guān)屬性，包括名稱(chēng)、數(shù)據(jù)、符號(hào)化、標(biāo)注、顯示比例尺范圍、表格關(guān)聯(lián)等。利用數(shù)據(jù)顯示庫(kù)表內(nèi)記錄的顯示信息，可通過(guò)顯示軟件調(diào)用顯示符號(hào)庫(kù)自動(dòng)生成顯示圖層。同一類(lèi)數(shù)據(jù)可生成多尺度的多條顯示圖層。

3.3 分類(lèi)別多尺度地圖

對(duì)顯示圖層進(jìn)行尺度組合、信息標(biāo)注、顯示驅(qū)動(dòng)等處理，生成多尺度專(zhuān)題地圖和顯示驅(qū)動(dòng)配置文件，進(jìn)而建立分類(lèi)別多尺度地圖序列。尺度組合是將顯示圖層按顯示尺度進(jìn)行組合，形成全尺度顯示圖層；信息標(biāo)注是將重要注記標(biāo)注在專(zhuān)題地圖上；顯示驅(qū)動(dòng)是生成某系列專(zhuān)題地圖的顯示驅(qū)動(dòng)配置文件，用于顯示時(shí)調(diào)用不同的顯示軟件和顯示圖層。

一幅專(zhuān)題地圖由多個(gè)全尺度顯示圖層組成，在圖層組合過(guò)程中，通過(guò)軟件自帶的符號(hào)、注記壓蓋處理工具可自動(dòng)消除地圖顯示時(shí)的壓蓋現(xiàn)象，但為了地圖顯示簡(jiǎn)潔、美觀，仍需對(duì)其進(jìn)行人工處理，進(jìn)而優(yōu)化顯示圖層。

4 數(shù)據(jù)顯示

研發(fā)勘測(cè)資源一張圖平臺(tái)，編寫(xiě)數(shù)據(jù)顯示程序，以顯示配置文件為驅(qū)動(dòng)，調(diào)用不同的顯示軟件、顯示圖層，分系列顯示各類(lèi)數(shù)據(jù)。

4.1 數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)

數(shù)據(jù)顯示配置文件以xml格式存放，記錄了顯示軟件、顯示尺度、顯示地圖、顯示范圍等顯示信息。數(shù)據(jù)顯示時(shí)，根據(jù)配置文件，調(diào)用顯示軟件和顯示地圖，顯示范圍和顯示尺度變化時(shí)，與顯示配置文件對(duì)比，觸動(dòng)變化條件后，重新選擇顯示軟件和顯示地圖。具體的數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)算法如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)算法

4.2 數(shù)據(jù)顯示系列

一張圖平臺(tái)內(nèi)提供了多項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示系列，本文以影像圖系列、電子地圖系列、國(guó)情覆蓋系列、經(jīng)濟(jì)普查系列為例介紹其顯示策略。

勘測(cè)資源一張圖平臺(tái)內(nèi)展示的是濟(jì)南全市域數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)的最小尺度比例尺都設(shè)定為 1∶1 000 000～1∶600 000。影像圖系列分為16個(gè)尺度，最大尺度比例尺設(shè)定為大于 1∶2 000并顯示實(shí)景三維模型，其他尺度顯示正射影像圖。電子地圖系列分為12個(gè)尺度，最大尺度比例尺設(shè)定為大于 1∶1 000并顯示真三維模型，其他尺度顯示線(xiàn)劃電子地圖。國(guó)情覆蓋系列分為8個(gè)尺度，最大尺度比例尺設(shè)定為大于 1∶2 000并顯示最細(xì)化的國(guó)情覆蓋數(shù)據(jù)，其他尺度顯示綜合取舍后的國(guó)情覆蓋數(shù)據(jù)。經(jīng)濟(jì)普查系列以行政區(qū)劃級(jí)別分為“市-區(qū)-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-村”4個(gè)尺度，最大尺度比例尺設(shè)定為大于 1∶5 000，各尺度顯示該行政區(qū)劃級(jí)別下的經(jīng)濟(jì)普查統(tǒng)計(jì)信息，以分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖表的方式展示。

4.3 地圖服務(wù)顯示和關(guān)聯(lián)信息查看

對(duì)于僅需要查看瀏覽的普通用戶(hù)，平臺(tái)發(fā)布了OGC標(biāo)準(zhǔn)下的WMTS(Web Map Tile Service)地圖服務(wù)，搭建了瀏覽網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化快速顯示。采用瀏覽網(wǎng)站的方式顯示數(shù)據(jù)，僅需要輸入網(wǎng)站網(wǎng)址，無(wú)須對(duì)顯示軟件進(jìn)行要求。網(wǎng)站左側(cè)提供了地圖列表并可控制其是否顯示，地圖瀏覽視窗占據(jù)大幅界面并提供了放大、縮小、平移、量測(cè)、標(biāo)注等基本工具。

對(duì)于專(zhuān)業(yè)用戶(hù)，可用顯示軟件瀏覽分類(lèi)別多尺度地圖，還可查看數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)信息。數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)信息既包括屬性信息，也包括相關(guān)的文檔、語(yǔ)音、視頻等多媒體信息。數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過(guò)“宗地類(lèi)不動(dòng)產(chǎn)登記數(shù)據(jù)整合方法初探”文章內(nèi)提到的圖屬關(guān)聯(lián)、圖文一體化等方法在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)[9]。另外，專(zhuān)業(yè)用戶(hù)可根據(jù)需要查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)相關(guān)信息，同時(shí)可組織、管理時(shí)空一體化數(shù)據(jù)與多尺度顯示圖層。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)數(shù)據(jù)范圍廣、數(shù)據(jù)源多、類(lèi)型復(fù)雜的濟(jì)南市勘測(cè)數(shù)據(jù)，在保留原始數(shù)據(jù)版本的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)據(jù)綜合取舍、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)顯示設(shè)置等方法生成顯示圖層并將最優(yōu)顯示軟件、最佳顯示尺度、顯示符號(hào)等信息寫(xiě)入顯示庫(kù)表；通過(guò)尺度組合、信息標(biāo)注、顯示驅(qū)動(dòng)等方法生成分類(lèi)別多尺度地圖和顯示配置文件；通過(guò)圖屬關(guān)聯(lián)、圖文一體化等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)屬性、關(guān)聯(lián)文檔、語(yǔ)音、視頻等信息的鏈接。研發(fā)勘測(cè)資源一張圖平臺(tái)，解決了尺度改變時(shí)顯示軟件切換和范圍改變時(shí)接邊處多源數(shù)據(jù)調(diào)用問(wèn)題，針對(duì)專(zhuān)業(yè)用戶(hù)和普通用戶(hù)提供了平臺(tái)驅(qū)動(dòng)顯示和網(wǎng)頁(yè)地圖服務(wù)顯示兩種顯示方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速顯示，進(jìn)而達(dá)到二維、三維、多媒體數(shù)據(jù)的快速、關(guān)聯(lián)性查看的目的。與傳統(tǒng)顯示方法相比，可自動(dòng)選擇最優(yōu)顯示軟件，規(guī)范了各類(lèi)數(shù)據(jù)顯示序列，能更好地展示和利用數(shù)據(jù)。

平臺(tái)在使用過(guò)程中，可很好地將當(dāng)前收集到的勘測(cè)數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行顯示。平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中預(yù)留了擴(kuò)展接口，可新增數(shù)據(jù)顯示類(lèi)型。下一步，將重點(diǎn)研究大數(shù)據(jù)熱點(diǎn)圖顯示模式，將其與專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輔助決策的目的。