空間數(shù)據(jù)的柵格與矢量自適應(yīng)可視化表達(dá)研究

解永青，李紹山，李紹穩(wěn)

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽省國土資源廳 國土資源信息中心，安徽 合肥 230001）

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）作為采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的計算機(jī)空間系統(tǒng)，在過去的幾十年里，已經(jīng)融入了社會生活的各個方面。特別是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展普及，基于Internet的WEBGIS更是讓GIS進(jìn)入千家萬戶，與空間數(shù)據(jù)的交互共享變的簡單。然而空間數(shù)據(jù)量大與網(wǎng)絡(luò)帶寬的不確定性卻使得GIS空間數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)效率不理想。目前，對于WEBGIS中空間數(shù)據(jù)的表達(dá)主要有兩種方式，分別是基于柵格的空間數(shù)據(jù)表達(dá)方式和基于矢量的空間數(shù)據(jù)表達(dá)方式。本文對這兩種空間數(shù)據(jù)表達(dá)方式進(jìn)行了闡述，通過實驗對這兩種表達(dá)方式進(jìn)行對比，重點(diǎn)探討矢量表達(dá)方式的可行性，指出其存在的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出一種空間數(shù)據(jù)的柵格與矢量混合的自適應(yīng)數(shù)據(jù)表達(dá)解決方案，來優(yōu)化空間信息的WEB數(shù)據(jù)表達(dá)。

1 空間數(shù)據(jù)表達(dá)方式

1.1 基于柵格的空間數(shù)據(jù)表達(dá)方式

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織?；跂鸥竦目臻g數(shù)據(jù)表達(dá)方式是目前各主流WEBGIS平臺通用的解決方案，它是一種瘦客戶端的解決方案，客戶端無需安裝任何額外的工具，只需要有能夠訪問WEB的瀏覽器，對于空間數(shù)據(jù)的操作完全由服務(wù)器端實現(xiàn)，服務(wù)器端根據(jù)客戶的請求提取空間數(shù)據(jù)對其進(jìn)行分析處理，最后利用渲染器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)渲染成圖片數(shù)據(jù)流，以柵格圖片的形式展現(xiàn)給用戶。柵格表達(dá)在實際的應(yīng)用中又分為兩種：瓦片式（Tile）和非瓦片式（non－Tile）。瓦片式是以所要請求的空間區(qū)域為基礎(chǔ)，將其劃分為若干等大小的小圖塊，稱這樣的小圖塊為瓦片，然后向服務(wù)器發(fā)送對各個瓦片的請求，服務(wù)器端對于每個瓦片請求都產(chǎn)生一張圖片。非瓦片式則不進(jìn)行劃分，而是用戶請求多大的區(qū)域，服務(wù)器端就直接對該請求區(qū)域進(jìn)行柵格渲染，最后只以一張圖片返回給客戶端。雖然多個瓦片使得服務(wù)器端需要處理的請求數(shù)增多，但是每個請求需要渲染的數(shù)據(jù)量卻變少了。同時對于客戶端地圖的漫游，瓦片方式每次只需對移動產(chǎn)生的新區(qū)域發(fā)送服務(wù)器端請求，而其他數(shù)據(jù)無需改變，這樣能大大降低服務(wù)器端請求次數(shù)，減小服務(wù)器負(fù)擔(dān)。而對于非瓦片式而言，即使是很小的改動也要求服務(wù)器重新渲染整個區(qū)域。因此瓦片方式更適應(yīng)WEBGIS應(yīng)用要求。

1.2 基于矢量的空間數(shù)據(jù)傳輸方式

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以記錄坐標(biāo)的方式盡可能精確地表示點(diǎn)、線和多邊形地理實體，可以用結(jié)構(gòu)化的文本描述現(xiàn)實世界的抽象。基于矢量的空間數(shù)據(jù)的表達(dá)方式可以大體分為2個階段，WEBGIS發(fā)展早期，GIS廠家利用ActiveX、Java Applet等技術(shù)手段提供基于瀏覽器的GIS插件，通過插件技術(shù)，客戶端與服務(wù)器之間利用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。然而它需要根據(jù)不同GIS平臺安裝不同的GIS插件，而且不同的GIS平臺有各自不同的矢量數(shù)據(jù)格式，這就阻礙了空間數(shù)據(jù)的共享交互。伴隨互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，瀏覽器開始支持基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）的文本格式的矢量圖形數(shù)據(jù)描述，如萬維網(wǎng)聯(lián)盟（World Wide Web Consortium，W3C）制定的可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphics，SVG）格式，微軟和Macromedia等提出的矢量標(biāo)記語言（Vector Markup Language，VML）。而作為下一代WEB標(biāo)準(zhǔn)的HTML5新增＜canvas＞元素直接支持矢量圖形繪制。這使得空間數(shù)據(jù)的矢量表達(dá)擺脫了對特定GIS平臺的依賴，因此，越來越多的人開始研究WEBGIS的矢量數(shù)據(jù)表達(dá)。

2 空間數(shù)據(jù)表達(dá)分析

2.1 柵格/矢量對比分析

本文在同一個系統(tǒng)環(huán)境下對基于上述兩種空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)表達(dá)方式在實際中的應(yīng)用進(jìn)行比較，主要比較在相同空間數(shù)據(jù)訪問量情況下，為產(chǎn)生相同的表達(dá)效果，這兩種方式服務(wù)器端為處理數(shù)據(jù)花費(fèi)的時間以及生成數(shù)據(jù)大小，分析它們的適用性。本文使用的空間數(shù)據(jù)來自金土工程，搭建WEBGIS平臺涉及開源組件Openlayers。它是用于WEBGIS客戶端的Javascript包，負(fù)責(zé)客戶端顯示相關(guān)功能。

首先對地圖進(jìn)行了瓦片劃分：

minX＝map.getMapBound（）.getMinX（）；

maxX＝map.getMapBound（）.getMaxX（）；

minY＝map.getMapBound（）.getMinY（）；

maxY＝map.getMapBound（）.getMaxY（）；

xNum＝y(tǒng)Num＝2（zoom－1）；

tileWidth＝map.getMapBound（）.getWidth（）/xNum；

tileHeight＝map.getMapBound（）.getHeight（）/yNum；

Tile（z，i，j）＝Tile（MapBound（tminX，tmaxX，tminY，tmaxY），ScreenBound（0，0，screenWidth，

screenHeight））；

＝Tile（MapBound（（minX＋i＊tileWidth），（minX＋i＊tileWidth＋tileWidth），（minY＋j＊tileHeight），

（minY＋j＊tileHeight＋tileHeight）），Screen－Bound（0，0，screenWidth，screenHeight））；

其中minX，maxX，minY，maxY表示地圖最小外包矩形的4個極值，xNum，yNum為相應(yīng)縮放級別（zoom）上x，y方向分段數(shù)，tileWidth，tileHeight表示每個瓦片的地圖寬度和高度，screenWidth，screenHeight表示映射到屏幕上顯示時的寬度和高度，Tile（z，i，j）表示縮放級別z的瓦片，對應(yīng)于X方向上的i段，Y方向上的j段。對不同縮放級別的每個空間瓦片分別進(jìn)行到柵格和矢量的轉(zhuǎn)化與輸出，記錄了從轉(zhuǎn)化開始到數(shù)據(jù)完全寫入輸出流的時間，即服務(wù)器端的處理時間和轉(zhuǎn)化生成的數(shù)據(jù)的大小。在柵格數(shù)據(jù)表示方式中，考慮了JPEG和PNG兩種主要的應(yīng)用于WEBGIS的圖片格式，其中JPEG格式可以根據(jù)需要設(shè)置其數(shù)據(jù)壓縮比例，其壓縮比越大圖像質(zhì)量就越差，在本文的實驗中，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)置圖像質(zhì)量（quantity）為0.9時，能達(dá)到和PNG格式相同的顯示效果。以下是對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的比較分析，圖表中1號線描述頂點(diǎn)數(shù)，2號線代表JPEG圖，3號線代表PNG圖，4號線代表SVG矢量。

從服務(wù)器處理時間對比圖中發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到相同的呈現(xiàn)效果，將空間數(shù)據(jù)渲染成JPEG圖片格式要比渲染成PNG格式所花費(fèi)的時間少，主要是2種圖片格式的內(nèi)部機(jī)制不同。對于矢量表達(dá)方式，當(dāng)縮放（zoom）值小，單個瓦片頂點(diǎn)數(shù)相對較多，頂點(diǎn)信息總量大，如圖1和圖3所示，與其它2種表達(dá)方式相比，矢量轉(zhuǎn)化時間上沒有明顯的優(yōu)勢，再比較它們的數(shù)據(jù)量，如圖2和圖4所示，可以看出JPEG和PNG渲染之間相差不多，而矢量表達(dá)的數(shù)據(jù)量卻遠(yuǎn)高于柵格方式幾倍，且其趨勢線與頂點(diǎn)數(shù)線呈現(xiàn)相同的波動。分析其原因，是因為矢量表達(dá)文本中的主要信息用來描述空間幾何，而空間中的面由線組成，線由點(diǎn)組成，所以它們的基本單位是點(diǎn)，可以說空間數(shù)據(jù)頂點(diǎn)數(shù)以及代表單個頂點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值長度決定著矢量文本的數(shù)據(jù)量，因此，空間頂點(diǎn)信息總量影響轉(zhuǎn)化結(jié)果數(shù)據(jù)量。在頂點(diǎn)信息總量大到一定范圍時，矢量方式在轉(zhuǎn)化時間上沒有明顯的優(yōu)勢，在轉(zhuǎn)化結(jié)果數(shù)據(jù)量上又明顯處于劣勢，表明了矢量表達(dá)方式在普適性上不如柵格表達(dá)方式。但是隨著空間信息點(diǎn)減少，信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)量在一定范圍內(nèi)時，如圖5、圖6、圖7和圖8所示，發(fā)現(xiàn)矢量表達(dá)方式的服務(wù)器處理時間開銷變小，數(shù)據(jù)量也降低，如zoom等于6時，矢量方式已經(jīng)明顯優(yōu)于柵格方式。根據(jù)縮放級別不同，對3種表達(dá)方式的生成時間和數(shù)據(jù)量進(jìn)行統(tǒng)計，如表1和表2所示，可以看出，頂點(diǎn)總信息量對柵格圖片和矢量文本表達(dá)方式在時間和數(shù)據(jù)量上都有影響。而數(shù)據(jù)結(jié)果也表明，矢量文本方式無論在時間上還是在數(shù)據(jù)量上都是隨頂點(diǎn)信息量浮動最大的，這又一次說明了其在普適性上不如柵格方式。

表2 平均生成數(shù)據(jù)量對比 /kb

圖1 服務(wù)器處理時間對比（zoom＝2）

2.2 混合數(shù)據(jù)表達(dá)

通過以上實驗的驗證分析，可以看出矢量轉(zhuǎn)化效率對于不同數(shù)據(jù)量的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)的波動很大，可以說在普適性方面矢量數(shù)據(jù)表達(dá)比柵格渲染差，因此，如果實際應(yīng)用中單個瓦片的空間數(shù)據(jù)量大，那么矢量數(shù)據(jù)表達(dá)就將成為制約系統(tǒng)效率的瓶頸。然而實驗分析數(shù)據(jù)表明，當(dāng)空間數(shù)據(jù)量在一定范圍內(nèi)時，矢量轉(zhuǎn)化又優(yōu)于柵格渲染，那么完全可以將二者結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，于是本文提出柵格和矢量自適應(yīng)混合數(shù)據(jù)表達(dá)模式，并基于此模式設(shè)計實現(xiàn)了基礎(chǔ)框架。圖9為此框架算法處理流程。

圖9 柵格/矢量算法處理流程

由于每個系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)不盡相同，坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)長度不同，區(qū)域頂點(diǎn)數(shù)不同，所以不同系統(tǒng)可根據(jù)自身情況預(yù)先進(jìn)行分析選取合適的限值，在本文所述系統(tǒng)中經(jīng)過分析得出頂點(diǎn)數(shù)在700以內(nèi)時啟用矢量數(shù)據(jù)表達(dá)在總體上要優(yōu)于柵格表達(dá)，如圖10所示即為柵格/矢量自適應(yīng)混合數(shù)據(jù)表達(dá)的結(jié)果，其中深色區(qū)域為矢量表達(dá)部分，淺色為PNG柵格表達(dá)部分，實驗表明混合模式確如上述實驗分析所示，能夠提高空間數(shù)據(jù)表達(dá)效率，同時在普適性上表現(xiàn)的更好。

圖10 柵格/矢量自適應(yīng)表達(dá)

3 結(jié)束語

本文對GIS空間數(shù)據(jù)的幾種表達(dá)方式進(jìn)行了探討，重點(diǎn)探討矢量數(shù)據(jù)表達(dá)方式的可行性，通過將它與柵格表達(dá)方式進(jìn)行對比，分析得出其在實際應(yīng)用中普適性上的不足，然而在空間數(shù)據(jù)滿足一定限度時，矢量數(shù)據(jù)模式卻要優(yōu)于柵格模式。在此基礎(chǔ)上，本文提出柵格/矢量自適應(yīng)混合數(shù)據(jù)表達(dá)方式，設(shè)計實現(xiàn)了柵格矢量混合數(shù)據(jù)表達(dá)基礎(chǔ)框架，實驗表明該方法對于提高GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表達(dá)有很好的效果。

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