在線電子地圖服務(wù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

李 哲， 姜占華+， 秦 俊， 余雪崗， 曲良東

(1.吉林大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130012；2.吉林大學(xué)符號計算與知識工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，吉林長春130012)

0 引 言

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)應(yīng)用涉及很廣，例如交通、軍事等許多領(lǐng)域，人們已經(jīng)不滿足單機(jī)操作的GIS系統(tǒng)，要求進(jìn)行信息的交流[1]。如何實(shí)現(xiàn)在線電子地圖傳輸，是實(shí)現(xiàn)GIS信息交流的核心問題之一。目前國內(nèi)外對在線電子地圖傳輸有一定研究成果，Buttenfield于2002年提出了一種傳輸單層矢量數(shù)據(jù)的方法，由于該方法只能處理簡單曲線，所以該方法局限性很大。Bisheng Yang于2005年提出了一種用于電子地圖數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ撍惴ǖ臅r間效率不高[2]。由于目前的研究，時間效率都不是很高，針對此問題筆者提出一種基于數(shù)據(jù)庫預(yù)處理的在線電子地圖傳輸方法。

1 在線電子地圖系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要包括兩部分：電子地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和多線程數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器。

(1)電子地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：將電子地圖以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)包括電子地圖圖元的經(jīng)緯度坐標(biāo)、圖元的屬性信息和圖元的標(biāo)注信息等。

(2)多線程數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器：接收和解析客戶端請求[3]，服務(wù)器根據(jù)請求從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)傳輸給客戶端。

1.2 電子地圖預(yù)處理

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電子地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)預(yù)處理的電子地圖是Mapinfo格式的電子地圖。這種格式的電子地圖是由多個透明的圖層疊加到一起的。每個圖層包含了整個電子地圖的一個不同方面。例如：第一個圖層包含國道，第二個圖層包含省道等等，把它們疊加到一起就形成一幅完整的電子地圖[4]。在創(chuàng)建圖層時，都要為其建立一張表，使表與電子地圖建立起聯(lián)系。每個表包含兩部分：地圖信息和屬性信息。

電子地圖預(yù)處理采用的數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2000。根據(jù)Mapinfo的MIF電子地圖公開格式，電子地圖的圖元數(shù)據(jù)信息包括：圖元的經(jīng)緯度坐標(biāo)、圖元的屬性(圖元的樣式、顏色等)、圖元標(biāo)注信息也就是圖元的名稱、圖元標(biāo)注信息的屬性(標(biāo)注的顏色、傾斜角等)。系統(tǒng)將整張電子地圖分成多個塊，每塊為300m*300m。將該塊內(nèi)的圖元數(shù)據(jù)信息提取出來，按照自定義協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制存儲到數(shù)據(jù)庫里。電子地圖數(shù)據(jù)按照協(xié)議存儲，服務(wù)器向客戶發(fā)送電子地圖數(shù)據(jù)時直接從數(shù)據(jù)庫里讀出數(shù)據(jù)傳輸給客戶，不需要再進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)化，節(jié)省處理時間。數(shù)據(jù)庫表字段定義如表1和表2所示。

表1 MapSummary(電子地圖塊集合)

表2 MapDataNum(電子地圖數(shù)據(jù)信息集合)

表1存儲的是電子地圖分塊的一些屬性信息。表2存儲的是電子地圖分塊內(nèi)的圖元數(shù)據(jù)信息，如果圖元僅有部分內(nèi)容在某一分塊內(nèi)，存儲的信息則只包括在該分塊內(nèi)的信息。電子地圖數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)庫里以二進(jìn)制形式存儲，這樣存儲的原因是：電子地圖數(shù)據(jù)里有些信息是無法以單字節(jié)形式存儲的，例如-10，在單字符存儲時顯示為問號。當(dāng)我們存入數(shù)據(jù)庫時，數(shù)據(jù)庫顯示為問號，從數(shù)據(jù)庫讀出來時如果不經(jīng)過轉(zhuǎn)化也就成了問號，而轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)需要花費(fèi)比較多的時間，所以選擇不進(jìn)行轉(zhuǎn)化而是將字符數(shù)組里的圖元信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制的形式直接存到數(shù)據(jù)庫里，這樣讀出來就以二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸而不會發(fā)生解析錯誤。

1.3 在線電子地圖傳輸協(xié)議

本協(xié)議基于TCP協(xié)議設(shè)計，因此，數(shù)據(jù)傳輸基本上認(rèn)為是可靠的了。在應(yīng)用層的協(xié)議設(shè)計過程中不再考慮可靠性問題。具體電子地圖傳輸協(xié)議如下所示：

type標(biāo)識，一個字節(jié)長，可以表示0～255，取3位數(shù)，個位、十位和百位賦予不同的含義。

type的個位：0表示一個圖層或地圖數(shù)據(jù)傳輸完畢；1表示傳輸數(shù)據(jù)類型為點(diǎn)圖元；2表示傳輸數(shù)據(jù)類型為直線圖元；3表示傳輸數(shù)據(jù)類型為折線圖元；4表示傳輸數(shù)據(jù)類型為區(qū)域圖元。

type的十位：0表示一個圖層傳完；1表示一個圖層正在傳送；2表示新傳一個圖層。

type的百位：0表示電子地圖傳完；1表示一個電子地圖正在傳送中；2表示新傳電子地圖。

len兩個字節(jié)長，數(shù)據(jù)長度，表示數(shù)據(jù)的總長度為trilen的長度+dataxy的長度+propertydata的長度。

trilen兩個字節(jié)長，屬性數(shù)據(jù)的長度。

dataxy四個字節(jié)長，表示坐標(biāo)，是由圖元的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化而得到的平面坐標(biāo)，可以有多個坐標(biāo)。

propertydata兩個字節(jié)長，表示屬性數(shù)據(jù)，例如圖元的名稱等。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的軟件平臺為：MapX控件、VisualStudio2005和SQL Server 2000。MapX提供快速、易用、功能強(qiáng)大的電子地圖化組件，只需要設(shè)計階段將MapX控件加載到Visual Studio 2005，就可以對其編程，操作方便、簡單[5]。

2.1 地圖數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

在VisualStudio2005里把MapX控件加載到項目里，這樣我們就可以調(diào)用MapX里的函數(shù)對電子地圖進(jìn)行操作。通過調(diào)用MapX函數(shù)可以讀出圖元數(shù)據(jù)信息，其中圖元的經(jīng)緯度坐標(biāo)需要轉(zhuǎn)化成平面坐標(biāo)，經(jīng)緯度坐標(biāo)為double類型，轉(zhuǎn)化成unsignedshort類型，減少了存儲數(shù)據(jù)量，可以提高傳輸效率[6]。將數(shù)據(jù)信息按照協(xié)議存儲到字符數(shù)組里，之后將字符數(shù)組存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制形式存儲數(shù)據(jù)庫里。

下面主要介紹電子地圖圖元數(shù)據(jù)信息提取存入數(shù)據(jù)庫的流程，如圖2所示：

(1)取出地圖起始點(diǎn)(xs,ys)和終點(diǎn)(xe,ye)經(jīng)緯度坐標(biāo)，令x1=xs，y1=ys。

(2)以(x1,y1)為起始點(diǎn)計算出大于x1且距x1為300m處的經(jīng)度坐標(biāo)設(shè)為x2，同理計算出緯度坐標(biāo)為y2，(x1,y1)、(x2,y2)就構(gòu)成了一個300m*300m的矩形，設(shè)為矩形A。

(3)選擇圖層，選擇矩形A區(qū)域內(nèi)的所有圖元，包括任何部分在區(qū)域內(nèi)的圖元，得到一個圖元集合。

(4)綁定數(shù)據(jù)源，使圖層與屬性數(shù)據(jù)庫建立一個索引關(guān)系，通過圖層里的圖元，就可以讀出圖元所對應(yīng)該的屬性信息。畫一個和矩形A一樣經(jīng)緯度的矩形圖元。

(5)從圖元集合中取出一個圖元，判斷是否為點(diǎn)圖元，如果不是，則求這個圖元與新畫矩形圖元的交集，并返回這個交集，其實(shí)是一個新圖元，如果是點(diǎn)圖元，什么也不操作。

(6)把由步驟(5)得到的圖元的數(shù)據(jù)信息按協(xié)議放到緩沖區(qū)里，經(jīng)緯度坐標(biāo)需要轉(zhuǎn)化成平面坐標(biāo)，并判斷圖元集合內(nèi)的全部圖元數(shù)據(jù)信息是否放到緩沖區(qū)里，如果不是則跳到步驟(5)。

(7)刪除在步驟(4)畫的矩形圖元。把緩沖區(qū)里的信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制形式，之后把相應(yīng)的信息存入數(shù)據(jù)庫里。

(8)x1=x2，x1是否大于xe，如果不大于則轉(zhuǎn)步驟(2)。

(9)y1=y2，y1是否大于ye，如果不大于則轉(zhuǎn)步驟(2)，否則結(jié)束。

圖2 地圖數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)流程

線圖元和區(qū)域圖元很有可能與新畫矩形圖元部分相交。如圖3所示，區(qū)域圖元A與矩形1和2都部分相交，如果矩形1存儲圖元A的信息，矩形2也存儲了圖元A的信息，圖元A的信息被重復(fù)存儲，有的區(qū)域圖元面積很大，可能跨越很多矩形塊，由于存在大量重復(fù)圖元信息，傳輸時間會加長，所以將圖元分割，只存儲圖元在矩形內(nèi)的部分。因此需要求圖元的交集，求圖元的交集調(diào)用MapX控件里函數(shù)。

[Feature=]OBJECT.IntersectFeatures(feature1[feature2])函數(shù)。此方法取Feature或Features對象和另一個Feature或Features對象的交集，返回的結(jié)果對象作為獨(dú)立的圖元。在求圖元交集時，遵循如下規(guī)則：

(1)如果區(qū)域重疊，則由此返回的圖元也是區(qū)域；

(2)區(qū)域覆蓋了線的一部分，則交集是由該區(qū)域覆蓋的線的一部分，返回的圖元為線圖元。

圖3 圖元相交

(3)如果兩個圖元相交于一點(diǎn)，如圖3中矩形圖元1和線圖元B，返回的圖元為線圖元，但是只有一組坐標(biāo)點(diǎn)，也就相交點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，線圖元至少有兩組坐標(biāo)點(diǎn)，這樣我們認(rèn)為這是一個非法圖元，對于這樣的圖元我們需要添加缺失的坐標(biāo)點(diǎn)[7]。對于只有一個交點(diǎn)的兩個圖元求交，如果返回線圖元則補(bǔ)齊一組和交點(diǎn)一樣的經(jīng)緯度坐標(biāo)，如果返回區(qū)域圖元則補(bǔ)齊3組和交點(diǎn)一樣的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

2.2 基于多線程的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)主要是從數(shù)據(jù)庫里讀出電子地圖的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，直接發(fā)送發(fā)客戶端。具體如圖4所示：

(1)由于電子地圖數(shù)據(jù)在傳送過程中要保證數(shù)據(jù)完整性，如果數(shù)據(jù)丟失客戶端將無法解析，所以采用TCP協(xié)議，這樣能保證數(shù)據(jù)的完整。首先創(chuàng)建SOCKET。

(2)當(dāng)客戶端連接服務(wù)器時，電子地圖服務(wù)器產(chǎn)生一個子線程，在子線程里打開數(shù)據(jù)庫。

(3)接收客戶端數(shù)據(jù)，按照協(xié)議解析數(shù)據(jù)。

(4)如果是初始化電子地圖，需要傳送81小塊電子地圖，也就是9大塊電子地圖，每一大塊電子地圖為900m*900m。根據(jù)客戶端傳送汽車坐標(biāo)來定位電子地圖塊號，再以這塊為中心，根據(jù)塊號來計算出它周圍的80塊的塊號，把這81塊地圖數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中取出傳送給客戶端以畫出電子地圖，這81塊的范圍為2700m*2700m。如果是更新電子地圖則同理算出9小塊地圖傳送給客戶端。之后跳到步驟(2)等待接收客戶端數(shù)據(jù)。

圖4 多線程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試環(huán)境

實(shí)驗環(huán)境的搭建主要有兩臺PC機(jī)，它們都安裝了Windows XP。硬件配置：CPU：Interl? Core?2 Dou CPU E7500，主頻：2.93GHz，內(nèi)存：2G。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)取時間測試

如表 3所示，第 2行到第 9行每一行表示 9塊面積300m*300m電子地圖(相當(dāng)于一塊900m*900m)的數(shù)據(jù)量、傳輸時間及由此得出的傳輸效率，第10行表示這8次傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量、總傳輸時間和平均傳輸效率。由于采用了基于數(shù)據(jù)庫預(yù)處理方法，傳輸時間主要集中在讀取數(shù)據(jù)庫表，所以數(shù)據(jù)庫的設(shè)計直接影響傳輸時間，而與電子地圖本身基本無關(guān)。

表3 預(yù)取時間測試結(jié)果

3.3 與目前在線地圖傳輸時間的比較

目前在線電子地圖傳輸主要有兩種方式：方法1，是把Mapinfo的.DAT格式電子地圖轉(zhuǎn)化為.MIF，.DAT電子地圖格式是不公開的，所以有些電子地圖信息我們是得不到的，而.MIF電子地圖格式是公開的，通過這種格式我們可以得到我們想要的一些電子地圖信息[8]。方法2，是直接從Mapinfo電子地圖里讀出圖元數(shù)據(jù)信息傳送給客戶端。如表4所示：對于這兩種方法我做了一下時間測試，這兩種方我提取圖元的數(shù)據(jù)信息是相同的，所以傳輸數(shù)據(jù)量是一樣的。第2行到第9行每一行表示地圖面積為900m*900m的數(shù)據(jù)量、傳輸時間及由此得出的傳輸效率，電子地圖經(jīng)緯度范圍與表3對應(yīng)行地圖的經(jīng)緯度范圍相同，因為表3把面積為900m*900m的地圖又分割成9塊，每塊面積為300m*300m，所以數(shù)據(jù)量是不同的，分割電子地圖調(diào)用求圖元交集函數(shù)時添加一些坐標(biāo)和產(chǎn)生一部分新圖元，數(shù)據(jù)量有所增加。由表3、表4比較可知，本文所寫的方法雖然存儲數(shù)據(jù)量有所增加，但其平均預(yù)取數(shù)據(jù)效率大約是方法1的700倍，是方法2的130倍。

表4 傳統(tǒng)方法預(yù)取時間測試結(jié)果

從實(shí)驗結(jié)果來看，與傳統(tǒng)方法相比較，該方法有更好的性能，更高的數(shù)據(jù)提取效率，在保證了傳輸?shù)膶?shí)時性的前提下，提高了在線電子地圖的傳輸效率。

4 結(jié)束語

本文提出的基于數(shù)據(jù)庫預(yù)處理的在線電子地圖數(shù)據(jù)庫存儲方法，與前人方法對比，時間效率有明顯提高，達(dá)到預(yù)期效果。該方法已經(jīng)在車載信息系統(tǒng)項目中獲得應(yīng)用，針對電子地圖的預(yù)處理和電子地圖傳輸達(dá)到良好的效果。隨著研究的深入，今后還將在以下幾方面做深入的研究：研究電子地圖坐標(biāo)系統(tǒng)，使經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化平面坐標(biāo)更精確；壓縮電子地圖數(shù)據(jù)等。

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