移動終端GIS地圖數(shù)據(jù)模型研究

王　柯，王　騰，張文詩，馬宏斌

(1. 信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052； 2. 光藝微電子有限公司，美國加州 米爾皮塔斯 95035)

Research on the Data Model of Mobile Terminal GIS Map

WANG Ke，WANG Teng，ZHANG Wenshi，MA Hongbin

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移動終端GIS地圖數(shù)據(jù)模型研究

王柯1，王騰2，張文詩1，馬宏斌1

(1. 信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州 450052； 2. 光藝微電子有限公司，美國加州 米爾皮塔斯 95035)

Research on the Data Model of Mobile Terminal GIS Map

WANG Ke，WANG Teng，ZHANG Wenshi，MA Hongbin

摘要：介紹了移動終端GIS的應(yīng)用概況和發(fā)展前景；研究了移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型的相關(guān)知識，包括數(shù)據(jù)表達與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，設(shè)計了一種基于自定義瓦片格式的地圖數(shù)據(jù)模型；通過對數(shù)據(jù)管理和空間索引等內(nèi)容的研究，提出了一種改進的移動GIS空間索引結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理模式，并對其進行了比較和分析。該地圖數(shù)據(jù)模型可以為移動GIS地圖應(yīng)用提供高效、快速、準確的操作平臺和技術(shù)支持，具有較高的實用性和參考價值。

關(guān)鍵詞：移動終端；地圖數(shù)據(jù)模型；移動GIS；自定義瓦片；空間索引

一、引言

移動終端GIS是指運行于移動終端設(shè)備上的、具備PC版GIS部分功能的、擁有移動計算能力的地理信息系統(tǒng)。隨著嵌入式操作系統(tǒng)、移動智能終端、無線互聯(lián)網(wǎng)等軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，移動GIS逐漸具備了提供地理空間信息公共服務(wù)“4A”的能力，移動終端GIS應(yīng)用已經(jīng)成為GIS應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢[1]。

傳統(tǒng)GIS主要依托服務(wù)器端硬件和桌面開發(fā)平臺軟件的強大性能實現(xiàn)數(shù)字地圖的服務(wù)應(yīng)用，而移動GIS的服務(wù)指數(shù)主要取決于硬件配置和嵌入式操作系統(tǒng)性能[2]。面向移動終端的移動GIS地圖服務(wù)應(yīng)用逐漸得到普及，基于移動地圖的數(shù)據(jù)模型成為了研究熱點，相對于桌面GIS的靜態(tài)GIS和靜態(tài)地圖特性，移動GIS的動態(tài)GIS和動態(tài)地圖在數(shù)據(jù)模型上依托于移動式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模式，伴隨著移動式信息服務(wù)需求不斷增長，如何依托移動終端有限的平臺資源實現(xiàn)移動GIS地圖數(shù)據(jù)的有效存儲、高效檢索與快速應(yīng)用成為了一個亟待解決的問題[3]。

本文針對移動終端GIS地圖數(shù)據(jù)模型進行相關(guān)理論研究和技術(shù)探索，提出了一種實用、有效的移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型，設(shè)計了模型中的數(shù)據(jù)表達、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)存儲等理論框架，構(gòu)建了一種移動GIS地圖數(shù)據(jù)模式，設(shè)計了相關(guān)技術(shù)框架，可應(yīng)用于移動GIS地圖服務(wù)、移動式數(shù)據(jù)采集、路徑動態(tài)導(dǎo)航等領(lǐng)域。

二、移動終端GIS概述

移動終端GIS的描述有狹義與廣義之分。狹義上，移動終端GIS特指應(yīng)用于移動終端上的GIS，是一個客戶端即服務(wù)器端的應(yīng)用軟件；廣義上，移動終端GIS泛指客戶端為移動終端平臺的各種GIS，既可以是單純的應(yīng)用軟件，也可以是擁有客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)的應(yīng)用組件式平臺。移動終端GIS應(yīng)用平臺由3部分組成：操作系統(tǒng)(桌面系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng))、應(yīng)用平臺(移動終端和服務(wù)器硬件設(shè)備)和GIS軟件[4]，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1　移動終端GIS組成

三、移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型

移動終端GIS在應(yīng)用范疇上屬于移動GIS應(yīng)用，基于地圖的各種應(yīng)用，尤其是在地理空間信息服務(wù)方面，移動終端GIS應(yīng)用得到了普及[5]。移動終端硬件資源的有限性使得目前很多移動GIS地圖服務(wù)功能受到性能限制，這就需要設(shè)計出一種高效的移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型，以最大限度發(fā)揮移動終端GIS基于地圖服務(wù)的應(yīng)用。

1. 數(shù)據(jù)表達

移動GIS可基于多種地圖服務(wù)模式進行數(shù)據(jù)表達，本文主要研究基于自定義瓦片地圖的數(shù)據(jù)表達。作為移動GIS地圖表達的顯示格式，數(shù)據(jù)模型包含地理實體與地理實體間的拓撲關(guān)系。數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)組成，前者以點狀、線狀和面狀等幾何屬性加上描述語言表達地理要素，其單一要素的空間位置通過有序二維坐標值(x，y)進行描述，地理實體間的空間屬性由拓撲圖決定；后者以網(wǎng)格的形式規(guī)則描述地理實體，通過每個網(wǎng)格的屬性值表達地理空間數(shù)據(jù)，可根據(jù)網(wǎng)格行列號，結(jié)合地圖分辨率(行與列)得出當前柵格單元的實體數(shù)據(jù)[6]。如圖2所示，可逐行逐列順序表達數(shù)據(jù)柵格單元，數(shù)據(jù)柵格單元二維坐標值(x，y)的計算公式為

x=j×GRID_WIDTH+x0

(1)

y=i×GRID_HEIGHT+y0

(2)

圖2　數(shù)據(jù)柵格單元坐標計算

2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

自定義瓦片地圖數(shù)據(jù)采用分層分塊格式，地理實體依照分辨率按比例顯示，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：①點狀實體，設(shè)置網(wǎng)格坐標、幾何大小與顏色搭配等對應(yīng)屬性；②線狀實體，設(shè)置起始二維坐標、形狀等級與色調(diào)融合等對應(yīng)屬性；③面狀實體，設(shè)置組成線段二維坐標集、網(wǎng)格面特征列表與像素點區(qū)域色調(diào)等對應(yīng)屬性；④每一地理實體匹配瓦片層標識、網(wǎng)格坐標標識與分層比例標識等，使得對應(yīng)實體線或無規(guī)則多邊形中涵蓋的網(wǎng)格像素點依據(jù)對應(yīng)標識符有序組合；⑤每個地理實體可以添加對應(yīng)語義信息和幾何圖形信息，還可以關(guān)聯(lián)相關(guān)多媒體信息，添加的信息被賦予相應(yīng)地理屬性[7]。

在本文設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，瓦片層標識符FLayerID表示實體對象所處圖層；網(wǎng)格坐標標識符GridID表示空間實體坐標對應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)域；像素點標識符PixelID表示地理實體空間PolylineID；地理實體標識符SolidID表示地理實體的點狀、線狀與面狀等屬性；GA標識符表示地理實體的圖形特征，如幾何形狀、色調(diào)和線寬等；Dir表示面狀地體實體區(qū)域?qū)傩?內(nèi)/外)；SerialNO表示空間地理實體的構(gòu)成元素次序號；X、Y用于表示二維坐標值。采用此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對地圖數(shù)據(jù)的多尺度表達和高效存儲，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

3. 數(shù)據(jù)模型

移動終端GIS地圖應(yīng)用面向的主體為地理實體，這類實體的數(shù)據(jù)模型基于實體間的概念抽象與邏輯關(guān)系。有效的數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)機制既可以準確表達地理空間現(xiàn)象，又能提供完整的地理景觀[8]。針對移動終端的軟硬件特性，結(jié)合GIS地圖服務(wù)功能需求，本文提出了一種面向地圖應(yīng)用的移動GIS數(shù)據(jù)模型，此類數(shù)據(jù)模型主要針對移動數(shù)據(jù)庫而設(shè)計，便于實現(xiàn)基于移動終端GIS的地理空間分析功能與空間索引操作。

移動GIS數(shù)據(jù)模型中，每一地物都匹配對應(yīng)的基類，每一基類衍生出3種地物類別：點、線和面?；诿恳换?，可以面向不同應(yīng)用需求派生出功能各異的衍生類?；诘貓D數(shù)據(jù)的基類中，根據(jù)圖形操作的要求不同與邏輯關(guān)系的屬性不同，可將同一操作性質(zhì)和應(yīng)用屬性的基類封裝為同一圖層類，這類數(shù)據(jù)既具有地理實體物理屬性，也具有其邏輯屬性[9]。本文中的數(shù)據(jù)模型是基于數(shù)據(jù)圖層對地理實體進行操作的，具體運作程序如下：

1) 獲取數(shù)據(jù)圖層的對象集合，然后基于對應(yīng)數(shù)據(jù)圖層的指針，進行遍歷操作。

2) 依據(jù)圖層中實體對象的幾何分類，進行遍歷操作：對點實體集合進行遍歷操作，獲取對應(yīng)點對象；對線狀實體集合和面狀實體集合分別進行遍歷操作，獲取對應(yīng)指針對象，然后取得指針對象對應(yīng)的點集合規(guī)模、形狀、坐標等數(shù)據(jù)。

對于屬性相近或數(shù)據(jù)差異不大的數(shù)據(jù)圖層，移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型對其附帶了一個復(fù)合圖層，利用其自身包含的唯一標識ID，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)圖層的精確操作，從而避免了誤操作。在移動終端平臺上，GIS地圖數(shù)據(jù)模型采用SQLite數(shù)據(jù)庫進行圖層驅(qū)動，與地理實體相關(guān)聯(lián)的地圖屬性數(shù)據(jù)、圖形圖像數(shù)據(jù)等通過唯一身份標識符ID進行匹配，實現(xiàn)了對移動GIS地圖數(shù)據(jù)的高效讀取和快速顯示。移動GIS數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

四、移動GIS地圖數(shù)據(jù)模式

移動終端GIS地圖數(shù)據(jù)采用自定義瓦片金字塔模型，按照地理實體類別與屬性特征進行分層顯示，每一圖層依據(jù)分辨率級別匹配對應(yīng)參數(shù)。移動GIS地圖數(shù)據(jù)模式采用網(wǎng)格式布置，圖層數(shù)據(jù)在同一顯示級別中以網(wǎng)格形式存在，網(wǎng)格中的每一塊對應(yīng)著相應(yīng)的地理實體數(shù)據(jù)單元，每一個數(shù)據(jù)單元按分辨系數(shù)進行數(shù)據(jù)組織，以此實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的應(yīng)用功能和多級表達。

1. 數(shù)據(jù)管理

移動GIS地圖的數(shù)據(jù)管理主要基于瓦片金字塔模型進行操作。自定義瓦片地圖數(shù)據(jù)的管理模式采用類似于金字塔形狀的存儲格式，依據(jù)圖層數(shù)據(jù)的LOD(levelofdetail)級別進行地理空間實體的多重顯示和分層表達。本文中地圖數(shù)據(jù)管理采用的瓦片金字塔模型如圖5所示。

圖4　移動GIS數(shù)據(jù)模型

地圖數(shù)據(jù)文件在瓦片金字塔模型中主要以數(shù)據(jù)圖層的形式進行管理與組織，每一數(shù)據(jù)圖層根據(jù)地理實體的幾何屬性又劃分為點實體圖層、線實體圖層和面實體圖層等。不同圖層對應(yīng)不同實體對象，如點實體圖層對應(yīng)點狀對象，線實體圖層對應(yīng)線狀對象，面實體圖層對應(yīng)面狀對象，見表1。每一數(shù)據(jù)圖層又包含著對應(yīng)實體對象的幾何、屬性等特征數(shù)據(jù)，特別情況下還包含數(shù)據(jù)拓撲特征等，見表2。

圖5　瓦片數(shù)據(jù)金字塔模型

數(shù)據(jù)圖層類型實體對象類型點數(shù)據(jù)圖層(PointLayer)點狀對象(PointShape)線數(shù)據(jù)圖層(LineLayer)線狀對象(LineShape)面數(shù)據(jù)圖層(PolygonLayer)面狀對象(PolygonShape)

表2　實體對象數(shù)據(jù)內(nèi)容

2. 空間索引

移動終端GIS地圖數(shù)據(jù)采用網(wǎng)格化管理模式，其網(wǎng)格數(shù)據(jù)的空間索引與數(shù)據(jù)檢索等性能決定著移動GIS的整體應(yīng)用效果[10]。作為移動GIS的一項關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的空間索引性能取決于數(shù)據(jù)的空間索引結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)空間索引結(jié)構(gòu)對移動GIS應(yīng)用有很大的平臺局限性，不能有效滿足移動GIS地圖應(yīng)用的響應(yīng)速度要求。

移動GIS地圖數(shù)據(jù)采用網(wǎng)格索引，其特征是一個實體對象可能涉及數(shù)個單元網(wǎng)格，同時，一個單元網(wǎng)格也可能包含數(shù)個實體對象。對于這種數(shù)據(jù)的空間索引結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的網(wǎng)格索引結(jié)構(gòu)，如四叉樹結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)據(jù)的重復(fù)操作和記錄冗余，從而降低了數(shù)據(jù)索引的運行精確度，增加了硬件設(shè)備的工作量和能耗[11-12]。面向動態(tài)變化的地理實體數(shù)據(jù)應(yīng)用，本文提出了一種改進的動態(tài)四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對移動GIS地圖數(shù)據(jù)空間索引的高效率運行和低能耗操作。針對新增實體對象的空間索引，圖6驗證了動態(tài)四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)的高效率和低能耗等特征，虛線部分為新增實體對象。

動態(tài)四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)的具體算法如下：

1) 依據(jù)首個插入的實體對象，確定索引空間的中心點。

2) 對實體對象的MBR進行計算。

圖6　四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)舉例比較

3) 依據(jù)圖6獲取涵蓋新插入實體對象的所有葉子節(jié)點。

4)判斷步驟3)中葉子節(jié)點對應(yīng)的實體對象數(shù)是否超過閾值，如果超值，分兩種情況進行操作：

a. 如是開放邊界的節(jié)點，如圖6中的d節(jié)點，則需對該節(jié)點內(nèi)所有實體對象的MBR值進行計算，并分成4個新葉子節(jié)點。

b. 反之，如圖6中的e節(jié)點，其為非開放節(jié)點，則只需將其分解成4個葉子節(jié)點即可。

5) 對新出現(xiàn)的節(jié)點中涵蓋的實體對象進行重新計算。

6) 重復(fù)步驟1)—5)的操作。

五、結(jié)束語

移動終端GIS地圖在日常生活中逐漸得到普及，尤其是基于LBS的服務(wù)應(yīng)用，基于移動終端的移動GIS地圖應(yīng)用成為了GIS領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和應(yīng)用熱點。雖然移動終端硬件配置越來越強大，針對海量地理實體數(shù)據(jù)的應(yīng)用操作在一些領(lǐng)域還存在著制約因素，高效的移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型成為一個研究熱點和難點。本文提出了一種移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型，該模型在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)管理和空間索引等方面與傳統(tǒng)的移動GIS地圖數(shù)據(jù)模型有著明顯的不同，具有較高的技術(shù)參考價值和實際應(yīng)用前景。

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引文格式： 王柯，王騰，張文詩，等. 移動終端GIS地圖數(shù)據(jù)模型研究[J].測繪通報，2015(3)：53-57.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0074

作者簡介：王柯(1986—)，男，博士生，研究方向為戰(zhàn)場環(huán)境分析。E-mail:erqitadegushi007@163.com

收稿日期：2014-04-04

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)03-0053-05