基于矢量瓦片的鐵路GIS空間分層表達(dá)技術(shù)

王雪影 王英杰 劉文斌 李聰旭

1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計算技術(shù)研究所，北京 100081

GIS制圖技術(shù)在空間數(shù)據(jù)信息化進(jìn)程中不斷提升，地圖制圖技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鐵路地理信息數(shù)字化需求不斷提升，鐵路GIS地圖追求更高效、更智能的要素可視化表達(dá)及應(yīng)用方式。引入矢量瓦片技術(shù)旨在提供一種更為靈活的矢量數(shù)據(jù)提取、Web前端渲染的方法，并建立鐵路地理信息圖形符號庫，結(jié)合可視化分層表達(dá)及應(yīng)用，最大程度利用鐵路GIS時空數(shù)據(jù)潛在價值、提升鐵路地理信息地圖繪制效率。

目前已有對矢量瓦片技術(shù)應(yīng)用于鐵路路網(wǎng)數(shù)據(jù)的初步探索，研究證明了其在解決數(shù)據(jù)可視化方面的可行性和高效性［1］。在鐵路地理信息數(shù)據(jù)制圖方面，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司于2020年發(fā)布了Q∕CR 776—2020《鐵路地理信息圖形符號》，進(jìn)一步明確了關(guān)于地理信息數(shù)據(jù)方面的制圖標(biāo)準(zhǔn)，但在GIS地圖的分層制圖方面還需進(jìn)一步研究。

鐵路GIS空間數(shù)據(jù)以時空信息為基礎(chǔ)，同時附帶大量屬性信息，因此高效提取其地理信息時空及語義特征、實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互至關(guān)重要［2-6］。當(dāng)前存在GIS圖層矢量數(shù)據(jù)樣式和屬性信息的可編輯性與交互性不足，不同顯示設(shè)備呈現(xiàn)清晰度不統(tǒng)一及分層表達(dá)渲染效率不高的問題。為解決當(dāng)前鐵路GIS空間分層表達(dá)技術(shù)存在的問題，本文提出將矢量瓦片技術(shù)引入鐵路GIS空間數(shù)據(jù)切片過程中，用以提高信息交互能力，提升切片清晰度及流暢度，增強(qiáng)分層表達(dá)渲染效果。研究鐵路各專業(yè)地理信息數(shù)據(jù)分層組織方式，建立鐵路要素符號庫系統(tǒng)，進(jìn)而實現(xiàn)鐵路GIS空間信息智能化表達(dá)，提升矢量數(shù)據(jù)分層表達(dá)性能［7］。

1 鐵路GIS空間數(shù)據(jù)

1.1 數(shù)據(jù)類型

鐵路GIS空間數(shù)據(jù)按圖形分為點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，分別表達(dá)車站、鐵路線、鐵路局管界等要素。部分圖形要素具有點(diǎn)選需求，以矢量數(shù)據(jù)存儲作為首選可視化技術(shù)。按功能分為地圖基礎(chǔ)底圖、專題展示、交互應(yīng)用等要素。地圖基礎(chǔ)底圖為靜態(tài)表達(dá)，適合以柵格數(shù)據(jù)存儲；專題數(shù)據(jù)以專題數(shù)據(jù)集的形式存儲，集成后綜合表達(dá)；涉及交互應(yīng)用的要素具有樣式及屬性提取、編輯等需求［8］。

1.2 數(shù)據(jù)特性

鐵路GIS空間數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的時空性、多源異構(gòu)性、專業(yè)性等特性。

鐵路GIS空間數(shù)據(jù)依據(jù)時間以及地理坐標(biāo)系獲取，使得鐵路要素具備時空特性，為空間數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)保障。原有技術(shù)無法滿足特定區(qū)域任意比例尺下縮放展示的功能，鐵路GIS空間表達(dá)突破了僅依照CAD圖紙進(jìn)行制圖的狀況，建立全局時空概念，增強(qiáng)空間變化能力，充分發(fā)揮時空屬性效能，為決策者提供更全面的時空維度信息。

鐵路GIS空間數(shù)據(jù)來源廣、類別多，既有關(guān)系型與非關(guān)系型數(shù)據(jù)，又有分布于各類平臺的離散型數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)多源異構(gòu)。數(shù)據(jù)類型與屬性信息尤為重要，符號庫與分層表達(dá)技術(shù)都依賴對矢量數(shù)據(jù)與屬性信息分類提取。鐵路線路、車站、周邊設(shè)備設(shè)施等空間數(shù)據(jù)具有大量描述性的屬性信息，其中鐵路要素依據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q∕CR 520—2016《鐵路地理信息分類與編碼》制定的鐵路空間要素編碼規(guī)則，將鐵路要素劃分為基礎(chǔ)、工務(wù)、供電、電務(wù)等專業(yè)，分為11個一級小類、28個二級小類、129個三級小類，制定劃分為帶有編碼屬性的鐵路空間數(shù)據(jù)，能夠為后期要素檢索、定位等提供唯一字段信息。

鐵路各專業(yè)數(shù)據(jù)內(nèi)容差異較大，涵蓋設(shè)計規(guī)劃期、建設(shè)施工期、竣工驗收期、運(yùn)營期等全生命周期。設(shè)計規(guī)劃期涉及橋梁、隧道、通信、信號、接觸網(wǎng)、供電等；運(yùn)營期涉及車務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、供電等專業(yè)。鐵路設(shè)備設(shè)施的空間數(shù)據(jù)表達(dá)依據(jù)各專業(yè)定向繪制，滿足鐵路不同階段全生命周期的業(yè)務(wù)需求。

2 矢量瓦片技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

矢量瓦片技術(shù)原理類似柵格切片，以構(gòu)建金字塔的方式切割矢量數(shù)據(jù)，只不過切割的不是柵格圖片，而是矢量數(shù)據(jù)的描述性文件［9］。

矢量數(shù)據(jù)圖層切片存儲形式可以呈現(xiàn)為：GeoJSON、TopoJSON、Mapbox Vector Tile及PBF。矢量瓦片中的瓦片以mvt格式存儲，每個瓦片為256×256像素尺寸相同的正方形區(qū)域，根據(jù)由行號、列號、層級號組成的瓦片號（x，y，z）唯一標(biāo)記矢量瓦片。其中x為瓦片的橫向索引，起始位置為最左邊，數(shù)值為0，向右加一遞增；y為瓦片的縱向索引，起始位置為最上邊，數(shù)值為0，向下加一遞增；z為地圖的級別，以Google為例，最上一級為0，向下依次遞增。

MapBox矢量瓦片幾何及屬性信息存儲為二進(jìn)制PDF格式文件，將其解析后可獲取矢量描述性文件。矢量要素點(diǎn)、線、面由經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)，并通過計算其所在瓦片號，獲取單個瓦片內(nèi)像素坐標(biāo)。因而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊精準(zhǔn)，生成圖形質(zhì)量好，能提升地圖信息檢索與網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，實現(xiàn)較好的鐵路空間數(shù)據(jù)表達(dá)效果。

矢量數(shù)據(jù)在服務(wù)器端完成切片，形成矢量瓦片，再傳輸至Mapbox GL，在客戶端進(jìn)行渲染表達(dá)。各互聯(lián)網(wǎng)地圖平臺（高德地圖、百度地圖等）使用不同矢量瓦片切圖工具制作的切片需要根據(jù)不同的規(guī)則進(jìn)行渲染才能顯示地圖。為實現(xiàn)矢量瓦片跨平臺的調(diào)用，可在服務(wù)器端與客戶端間建立用于重新編碼的微服務(wù)，將矢量瓦片格式轉(zhuǎn)換后再進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸流程。由于瓦片粒度小，信息接近無損，且前端可定制渲染樣式，數(shù)據(jù)交互更靈活、加載速度更快、存儲體積更小。矢量瓦片服務(wù)傳輸流程如圖1所示。

圖1 矢量瓦片服務(wù)傳輸流程示意

2.2 矢量四叉樹金字塔模型

目前存在多種對矢量數(shù)據(jù)按照矢量瓦片格式進(jìn)行切圖的工具，根本上都遵循了矢量四叉樹金字塔模型原理，如圖2所示。

圖2 四叉樹金字塔模型示意

矢量瓦片的預(yù)生成將地圖按照指定尺寸（多為256×256像素）和指定格式（GeoJSON、TopoJSON、PBF等）切成若干行和列的正方形圖片，得到的地圖切片一般也稱為瓦片。選取范圍需將全部GIS空間數(shù)據(jù)覆蓋，該范圍面即為第一層瓦片。切片過程由左上角開始對固定尺寸進(jìn)行切圖，每個瓦片尺寸大小相同。不同等級之間采用四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，圖層放大一層，則原始的1個瓦片等分成4個瓦片，每層的瓦片數(shù)量TileCount=4ZoomLevel，ZoomLevel表示縮放等級，每層總像素是上一層的4倍。這種四叉樹結(jié)構(gòu)有助于切圖和快速顯示。

2.3 鐵路要素矢量切片技術(shù)流程

首先，獲取鐵路GIS空間數(shù)據(jù)原始矢量文件，將其按鐵路專業(yè)分類后分別導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫形成包含鐵路要素屬性的矢量數(shù)據(jù)集，再參考現(xiàn)有鐵路要素配圖樣式文件及符號庫將矢量數(shù)據(jù)分層配圖［10］。其次，矢量瓦片的生成都遵循矢量四叉樹金字塔模型原理，依據(jù)分辨率劃分層級，且矢量數(shù)據(jù)具有宏觀至微觀任意比例尺下無極縮放的特性。常見的全國范圍鐵路示意圖通常制作為6級（1∶9 224 667.36）至18級（1∶2 257）切片緩存。切片后的矢量瓦片數(shù)據(jù)表格存儲在服務(wù)器端，生成的矢量瓦片文件（GeoJSON、TopoJSON、PBF等）按圖層等級存放在切片包中，建立基于OGC（Open Geospatial Consortium）標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)，并進(jìn)行發(fā)布。上述流程見圖3。

圖3 矢量瓦片技術(shù)流程

根據(jù)用戶交互時發(fā)出的請求，將覆蓋范圍內(nèi)的矢量瓦片發(fā)送給客戶端?？蛻舳税凑照{(diào)用規(guī)則加載地圖服務(wù)，疊加?xùn)鸥裼跋襁M(jìn)行展示，增加點(diǎn)選、框選后彈框顯示鐵路要素屬性等功能，并修改樣式文件實現(xiàn)前端渲染效果。以北京市高速鐵路專題圖為例，其渲染效果見圖4。

圖4 北京市高速鐵路專題圖

3 鐵路GIS空間分層表達(dá)技術(shù)

3.1 可視化需求

根據(jù)不同鐵路業(yè)務(wù)需求，用戶對可視化的需求方向及程度大不相同。各鐵路專業(yè)利用鐵路共享數(shù)據(jù)集集成各專業(yè)特有數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合、制圖展示。鐵路GIS空間數(shù)據(jù)圖層按照專題圖類別、鐵路各專業(yè)段設(shè)備設(shè)施、鐵路通用數(shù)據(jù)集等維度進(jìn)行組織與設(shè)計，使鐵路要素圖層具有可遷移性、通用性、專業(yè)性等優(yōu)勢。圖層根據(jù)不同比例尺進(jìn)行繪制，依據(jù)不同等級圖層的可視化需求進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，在比例尺連貫縮放的基礎(chǔ)上，每層所展示的要素種類、數(shù)量、樣式隨之改變，以業(yè)務(wù)需求驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.2 圖層表達(dá)技術(shù)

鐵路GIS空間數(shù)據(jù)通常按照鐵路專業(yè)、鐵路局、重要鐵路線等發(fā)布為不同地圖服務(wù)。常使用的鐵路地圖服務(wù)以發(fā)布WMS（Web Map Service）動態(tài)服務(wù)為主，并可實現(xiàn)客戶端編輯的WFS（Web Feature Service）服務(wù)。地圖服務(wù)基于圖層表達(dá)，6級（1∶9 224 667.36）至11級（1∶288 895.85）圖層通常展示線路、車站、鐵路局管界等鐵路主干數(shù)據(jù)，11級（1∶288 895.85）至18級（1∶2 257）圖層將橋梁、隧道、鐵軌、軌枕、設(shè)備設(shè)施等鐵路要素根據(jù)幾何特征、語義篩選并參考鐵路要素符號庫進(jìn)行分類表達(dá)。屬性信息利用SQL語句查詢后提取必要的屬性字段，使用Maplex等高級智能標(biāo)注拓展模塊繪制，并在組織圖層時進(jìn)行沖突檢測，并將關(guān)鍵圖層置于頂層，最大限度避免要素信息覆蓋?；贠GC標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)提供加載服務(wù)展示，獲取數(shù)據(jù)空間及屬性信息，根據(jù)屬性查詢要素等開發(fā)接口，高效地獲取關(guān)鍵鐵路要素信息，快速定位，綜合分析，實現(xiàn)鐵路專業(yè)人員查看鐵路網(wǎng)覆蓋情況、查詢并定位各專業(yè)設(shè)備設(shè)施、計算分析要素屬性、定制信息化模塊等功能。

鐵路專題圖有中長期鐵路線規(guī)劃示意圖、全國高速鐵路專題圖、全國貨運(yùn)車站專題圖、鐵路局專題圖、京滬高速鐵路專題圖等業(yè)務(wù)類型。其中包括全國高速鐵路線的單類要素專題圖，鐵路局的點(diǎn)線面、多專業(yè)結(jié)合的多類要素專題圖，需根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)制作、更新、維護(hù)要素數(shù)據(jù)集。對于鐵路GIS空間關(guān)鍵要素，例如電務(wù)段專題圖重點(diǎn)關(guān)注通信信號機(jī)，則制作一個信號機(jī)的獨(dú)立圖層，以圖層文件格式存儲，其攜帶的比例尺、符號系統(tǒng)、標(biāo)注能夠整體移植。對于相同地理坐標(biāo)系的不同專題圖（圖5），在圖層重構(gòu)時，鐵路各專業(yè)圖層有機(jī)組合、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)動態(tài)融合。

圖5 鐵路專業(yè)矢量數(shù)據(jù)示意圖

4 試驗與分析

以京滬高速鐵路為例，根據(jù)已有的各鐵路專業(yè)（工務(wù)、供電、通信、信號、房建等）設(shè)備設(shè)施矢量數(shù)據(jù)，制作應(yīng)用于京滬高速鐵路全線運(yùn)行維護(hù)階段的空間分層表達(dá)可視化地圖［11］。由于底圖影像僅用于展示鐵路周邊環(huán)境，不需要具備與用戶的交互能力，因此采用柵格瓦片技術(shù)將其切片，以圖片格式進(jìn)行存儲（圖6）。鐵路GIS空間數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的交互需求，如設(shè)備設(shè)施屬性信息定義展示、建立符號庫表達(dá)矢量數(shù)據(jù)、篩選要素分類表達(dá)、按業(yè)務(wù)需求調(diào)整渲染樣式，因此采用矢量瓦片技術(shù)，發(fā)布基于Mapbox矢量瓦片數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的切片服務(wù)，其空間坐標(biāo)系為WGS-84。SpatialServer（PGRestAPI）作為服務(wù)器端，建立矢量瓦片數(shù)據(jù)索引文件；Mapbox GL JS作為客戶端，調(diào)用矢量瓦片地圖服務(wù)，將矢量瓦片輸出至瀏覽器表達(dá)。

圖6 柵格瓦片存儲示意

4.1 交互性能分析

相較于只能對地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行一次渲染的柵格瓦片，矢量瓦片運(yùn)用相同的金字塔切片模型可以實現(xiàn)用戶對京滬高速鐵路線路、車站等矢量數(shù)據(jù)地圖樣式進(jìn)行動態(tài)修改，提升鐵路GIS空間數(shù)據(jù)定制化程度。矢量瓦片與柵格瓦片對比見表1。使用OpenLayers3、Leaflet等工具調(diào)用矢量切片服務(wù)，獲取以GeoJSON格式存儲的矢量切片數(shù)據(jù)，通過設(shè)置Layer的Style屬性即可進(jìn)行樣式編輯，實現(xiàn)了在矢量數(shù)據(jù)切片完成并緩存的基礎(chǔ)上，獲取GIS空間數(shù)據(jù)樣式更改權(quán)。

表1 矢量瓦片與柵格瓦片對比

4.2 查詢性能分析

矢量瓦片將幾何圖形數(shù)據(jù)和屬性信息生成在Feature屬性中，包含x，y坐標(biāo)及名稱等屬性信息。構(gòu)建存放圖形數(shù)據(jù)和屬性的數(shù)據(jù)模型有利于提升矢量數(shù)據(jù)的查詢效率。不同鐵路專業(yè)的地圖使用不同的數(shù)據(jù)模型。表格數(shù)據(jù)以矢量數(shù)據(jù)屬性信息存儲極大地增強(qiáng)了矢量數(shù)據(jù)查詢的信息范圍廣度，提升查詢結(jié)果廣泛性、準(zhǔn)確性。組合數(shù)據(jù)屬性查詢可進(jìn)一步融合屬性特征，明確搜索對象。

地圖圖層根據(jù)一定順序疊放，矢量數(shù)據(jù)圖層疊放至柵格影像底圖上，實現(xiàn)多種類數(shù)據(jù)疊加表達(dá)，有利于在較為簡潔、抽象的矢量數(shù)據(jù)表達(dá)的基礎(chǔ)上豐富周圍環(huán)境因素，增強(qiáng)場景表達(dá)（圖7）。對周圍環(huán)境建立更廣范圍內(nèi)的影像認(rèn)知，并結(jié)合設(shè)備設(shè)施屬性信息展示，有利于鐵路人員在鐵路運(yùn)行維護(hù)階段更全面地確認(rèn)各專業(yè)設(shè)備設(shè)施空間位置及情況。

圖7 京滬高速鐵路德禹特大橋工務(wù)段

5 結(jié)論

1）矢量瓦片技術(shù)應(yīng)用于鐵路專題圖提升了鐵路GIS空間數(shù)據(jù)利用率及加載速率，增強(qiáng)屬性信息應(yīng)用表達(dá)，地圖表達(dá)更流暢。

2）采用Mapbox GL JS在前端更改矢量數(shù)據(jù)樣式可以更高效地滿足地圖可視化需求，提升用戶體驗，增強(qiáng)互動性。

3）以京滬高速鐵路為例，實現(xiàn)了更加有效的建設(shè)期及維護(hù)期全線鐵路專業(yè)要素分層表達(dá)模式，為工務(wù)段提供了有利于鐵路、橋梁、隧道維修、養(yǎng)護(hù)工作的可視化鐵路專題地圖。

矢量切片技術(shù)應(yīng)用于鐵路GIS空間數(shù)據(jù)分層表達(dá)可實現(xiàn)更高效的地圖圖層表達(dá)及交互效果。今后將探索為鐵路全周期、各專業(yè)業(yè)務(wù)提供更智能的空間數(shù)據(jù)信息化表達(dá)效果、共享鐵路專題地圖服務(wù)以及定制時空要素信息化應(yīng)用技術(shù)。