矢量切片地圖技術(shù)在省級(jí)電網(wǎng)GIS平臺(tái)的工程應(yīng)用

余文輝 吳爭榮 鐘華贊 包新曄

摘要：隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，矢量切片電子地圖作為一種新興的互聯(lián)網(wǎng)電子地圖服務(wù)方式，相比傳統(tǒng)的柵格切片地圖具有數(shù)據(jù)輕量、高清顯示、快速反應(yīng)、高效更新等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)詳細(xì)介紹了海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)使用ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn)電子地圖管理、矢量切片制作和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)發(fā)布的工程應(yīng)用情況。首先對比分析了柵格切片與矢量切片的差異，其次闡述了海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)的總體架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)了商用ArcGIS管理電子地圖、自研電網(wǎng)GIS平臺(tái)管理電網(wǎng)的創(chuàng)新思路，然后重點(diǎn)介紹了矢量切片地圖生產(chǎn)和發(fā)布的整個(gè)處理流程，包括使用ArcGIS Pro制作矢量切片、ArcGIS Server發(fā)布矢量切片、通過開源MapBox JavaScript API顯示矢量地圖切片和矢量電網(wǎng)切片，成功支撐了生產(chǎn)、營銷、數(shù)字電網(wǎng)等業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的開展。

關(guān)鍵詞：矢量切片;海南電網(wǎng);GIS平臺(tái)

0 引言

隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，地圖服務(wù)技術(shù)得到快速提高，谷歌地圖、百度地圖、高德地圖、騰訊地圖等在線地圖服務(wù)相繼出現(xiàn)，這些服務(wù)均采用將矢量數(shù)據(jù)柵格化分塊處理的方式，利用金字塔模型在服務(wù)器端緩存多分辨率的柵格切片數(shù)據(jù)，通過客戶端發(fā)送地圖請求范圍以及服務(wù)器端返回請求數(shù)據(jù)完成網(wǎng)絡(luò)傳輸。但是由于柵格切片的本質(zhì)是圖片，客戶端獲取圖片后無法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯分析，地圖的交互式操作能力弱，地理空間分析的能力不強(qiáng)，難以滿足復(fù)雜的地理空間信息分析需求。

矢量切片電子地圖作為一種新興的互聯(lián)網(wǎng)電子地圖服務(wù)方式，在保持矢量數(shù)據(jù)精度高、制圖交互性好、分析能力強(qiáng)等特性的同時(shí)，可保證數(shù)據(jù)的快速調(diào)度與傳輸，相比傳統(tǒng)的柵格切片地圖具有數(shù)據(jù)輕量、高清顯示、快速反應(yīng)、高效更新等諸多優(yōu)點(diǎn)，在手機(jī)導(dǎo)航等個(gè)人應(yīng)用方面取得了成功。

海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)自2013年開始建設(shè)，基于自主研發(fā)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全省輸電線路、配電線路和低壓線路的空間位置和拓?fù)涔芾?。本著“為我所用”的策略，海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)使用ESRI公司的ArcGIS軟件進(jìn)行背景電子地圖和衛(wèi)星影像的管理和數(shù)據(jù)發(fā)布，較好發(fā)揮了商用軟件的成熟功能優(yōu)勢，同時(shí)又通過自主研發(fā)圖形化電網(wǎng)模型管理、動(dòng)態(tài)拓?fù)浞治龅群诵募夹g(shù)，支撐了停電模擬和影響用戶自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、配網(wǎng)搶修指揮、配電自動(dòng)化圖模管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

在2018年以前，海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)一直使用柵格切片發(fā)布電子地圖，每次地圖更新后，都需要經(jīng)過近兩周的時(shí)間才能完成切片數(shù)據(jù)文件的更新，周期較長。自2019年初開始，海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)開展了矢量切片的轉(zhuǎn)換工程，歷時(shí)3個(gè)月的技術(shù)攻關(guān)，完成了矢量切片服務(wù)體系的搭建和矢量切片地圖的制作，達(dá)到了預(yù)定的工程目標(biāo)。本文即對采用ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn)電子地圖管理、矢量切片制作和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)發(fā)布的工程應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)。

1 矢量切片技術(shù)概述

1.1 ? ?地理空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式

地理空間數(shù)據(jù)最常見的空間數(shù)據(jù)組織方式是柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。在柵格數(shù)據(jù)模型中，地理被描述為一個(gè)網(wǎng)格單元格，其中每個(gè)單元格有一個(gè)值用于表示占有該單元格所代表空間的特征，柵格數(shù)據(jù)除了用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析，也可用于任何格式數(shù)據(jù)的可視化。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，常用于空間分析和地表模擬，顯示簡單方便，但是數(shù)據(jù)量大，投影轉(zhuǎn)換復(fù)雜。矢量數(shù)據(jù)是利用點(diǎn)線面的形式來表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界。矢量數(shù)據(jù)由給定坐標(biāo)的點(diǎn)構(gòu)成。點(diǎn)可以連接成線，線可以連接成多邊形，我們可以通過這3種結(jié)構(gòu)來表示任何一種地理特征。矢量數(shù)據(jù)可用于數(shù)據(jù)分析和可視化，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，數(shù)據(jù)量小，常用于網(wǎng)絡(luò)傳輸和檢索分析，圖形顯示的質(zhì)量高，精度準(zhǔn)確，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間關(guān)系復(fù)雜。

利用金字塔切片技術(shù)進(jìn)行柵格切片是大多數(shù)GIS地圖形成地圖底圖的主流方式，其原理是以四叉樹金字塔模型直接切割地圖圖片，最終表現(xiàn)為金字塔分層的256 px×256 px的PNG圖片或相應(yīng)的基于圖片的壓縮包格式。但是柵格切片的本質(zhì)是圖像，用戶不僅無法在前端更改其顯示樣式，也無法進(jìn)行空間分析和交互操作，前端只是實(shí)現(xiàn)了用戶請求區(qū)域圖像的柵格切片簡單拼接，在制作和存儲(chǔ)柵格切片時(shí)需要很大的內(nèi)存和時(shí)間開銷。

1.2 ? ?矢量切片技術(shù)

矢量切片原理同樣是基于四叉樹金字塔模型，不過切割的不再是柵格圖片，而是矢量數(shù)據(jù)的描述性文件，存儲(chǔ)的是投影范圍內(nèi)所屬的幾何信息和屬性信息，最終客戶端根據(jù)地圖顯示范圍從服務(wù)器獲取相應(yīng)的矢量信息，通過讀取圖層的樣式文件在客戶端實(shí)現(xiàn)地圖的實(shí)時(shí)繪制。

矢量切片一般是由矢量數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)塊，用戶只需要請求當(dāng)前視野內(nèi)的內(nèi)容，不需要顯示視野外的無用數(shù)據(jù)，同時(shí)矢量切片還包含了繪制所需要的全部信息，所以客戶端可以對矢量切片進(jìn)一步操作而無需與服務(wù)端進(jìn)行交互，可以在客戶端高效快速地進(jìn)行定制多樣化地圖、添加屬性標(biāo)簽、數(shù)據(jù)二次投影、數(shù)據(jù)空間分析等操作。矢量切片技術(shù)集合了矢量數(shù)據(jù)和柵格切片的雙重特點(diǎn)，有如下優(yōu)勢：

（1）樣式靈活，用戶可以在客戶端定制或改變矢量切片的地圖樣式，實(shí)現(xiàn)了地圖樣式與數(shù)據(jù)源的分離。

（2）數(shù)據(jù)輕量，對原始矢量數(shù)據(jù)重新編碼進(jìn)行切分，數(shù)據(jù)信息損失小，數(shù)據(jù)體積小，支持高清無極縮放，只返回請求范圍的相應(yīng)地圖級(jí)別的數(shù)據(jù)。

（3）快速反應(yīng)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)變化后，數(shù)據(jù)快速更新，在客戶端以最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染。

（4）高清顯示，在不同的顯示設(shè)備上均可以以統(tǒng)一清晰的效果呈現(xiàn)。

2 矢量切片在電網(wǎng)GIS平臺(tái)中的應(yīng)用

海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)依托GIS技術(shù)和高體驗(yàn)的可視化技術(shù)，統(tǒng)一管理、維護(hù)電網(wǎng)空間、拓?fù)浼跋嚓P(guān)地理信息，遵循面向服務(wù)架構(gòu)，為各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供平臺(tái)級(jí)高效的多維度空間數(shù)據(jù)管理、可視化、空間拓?fù)浞治黾跋嚓P(guān)專題集成應(yīng)用的公共服務(wù)，助力電網(wǎng)可視化水平不斷提升。

海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，采用商用ArcGIS管理電子地圖，電網(wǎng)GIS平臺(tái)管理電網(wǎng)的思路，按照數(shù)據(jù)訪問層、應(yīng)用邏輯層、應(yīng)用服務(wù)和應(yīng)用展現(xiàn)層進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，采取面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行應(yīng)用組件開發(fā)、基于SOA設(shè)計(jì)思想進(jìn)行服務(wù)分層，利用基于緩存、地圖切片、群集等高性能技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用服務(wù)器設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)實(shí)用性和先進(jìn)性并重的電網(wǎng)GIS平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

ArcGIS平臺(tái)軟件作為海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)的支撐軟件，采用松耦合的方式，為海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)提供運(yùn)行與系統(tǒng)應(yīng)用集成環(huán)境。海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)只保留必要、特定的功能模塊，借助于ArcGIS平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)如切片地圖管理功能，其他功能模塊都不依賴于ArcGIS。

3 基于ArcGIS的矢量切片方案

3.1 ? ?矢量切片工具概述

國內(nèi)外矢量地圖切片的工具包括ESRI公司的ArcGIS、微軟的Map Cruncher和北京超圖地理信息技術(shù)有限公司的Super Map等，開源工具包括Geoserver、Mapbox、TileStache、Mapnik等。

ArcGIS是由美國環(huán)境系統(tǒng)研究推出的GIS方面軟件的總稱，是一個(gè)可根據(jù)需要增加或者減少的完善的GIS平臺(tái)。ArcGIS給出了COM、.NET和C++的API，可用于二次開發(fā)。目前，ArcGIS平臺(tái)已經(jīng)形成了一套完整的從生產(chǎn)、發(fā)布到使用的矢量切片路線方案。ArcGIS Pro加載外部的Shap file、mxd、Geo Database等地圖數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建索引、切片過程，然后壓縮成.vtpk格式文件，發(fā)布到Portal for ArcGIS，提供給用戶使用，用戶可以通過Web API來調(diào)用，通過提供特定的類來使用矢量切片服務(wù)，Web API提供了對矢量地圖切片的支持。ArcGIS平臺(tái)矢量切片制作和發(fā)布流程如圖2所示。

3.2 ? ?電子地圖矢量切片和存儲(chǔ)

海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)中涉及的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括全省范圍內(nèi)各個(gè)比例尺的電子地圖、遙感影像、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等，不僅數(shù)量龐大，而且還會(huì)以一定的速度增長。電網(wǎng)GIS平臺(tái)充分發(fā)揮了ArcGIS平臺(tái)軟件對海量基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的切片、存儲(chǔ)和管理優(yōu)勢。

海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)的電子地圖數(shù)據(jù)，使用ArcGIS制作并發(fā)布矢量切片。地圖金字塔模型是GIS應(yīng)用中最為常用的地圖數(shù)據(jù)組織模型，在保持不變的地理空間范圍內(nèi)，從金字塔頂層向下，其分辨率逐級(jí)上升。矢量切片金字塔模型如圖3所示，金字塔按四叉樹剖分規(guī)則進(jìn)行地圖劃分，將上層的切片均勻分裂為四象限，依次遞增構(gòu)建。

海南電網(wǎng)GIS平臺(tái)電子地圖切片以金字塔頂層為第0層并向底部逐級(jí)遞增，切片級(jí)別為L0～L19級(jí)，部分級(jí)別的切片文件數(shù)量和總存儲(chǔ)空間大小如表1所示。

采用ArcGIS矢量地圖切片技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)訪問性能，預(yù)生成規(guī)矩的切片地圖存儲(chǔ)于硬盤目錄下，地圖以鏈接圖片的方式快速定制。服務(wù)器根據(jù)客戶端瀏覽地圖請求時(shí)的比例參數(shù)，返回不同分割下的切片，然后在客戶端實(shí)現(xiàn)地圖的實(shí)時(shí)繪制，這種切片地圖處理模式在請求及響應(yīng)的速度方面有著非常明顯的優(yōu)勢，極大程度降低了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的壓力。

切片以后的海量數(shù)據(jù)通過ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，主要有3種實(shí)現(xiàn)策略，即分塊策略、LOD（金字塔）模型及外存模型。其中，分塊策略主要是將原始數(shù)據(jù)分割成若干大小一定的規(guī)則塊狀數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)可以一塊一塊地處理數(shù)據(jù);LOD模型采用對同一個(gè)數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)使用具有不同細(xì)節(jié)的描述方法得到一組模型，供分析、繪制時(shí)選擇使用，這樣在進(jìn)行宏觀的場景觀察時(shí)，僅僅需要將比較粗略的數(shù)據(jù)模型讀入內(nèi)存即可;外存模型則主要考慮按需讀取，只將當(dāng)前必須處理的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存。

3.3 ? ?矢量切片在電網(wǎng)GIS平臺(tái)中的展現(xiàn)

電網(wǎng)GIS平臺(tái)的WebGIS應(yīng)用框架基于開源的MapBox JavaScript API，采用矢量圖形傳輸?shù)目蛻舳虽秩炯夹g(shù)，在客戶端進(jìn)行電網(wǎng)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的渲染、高亮、閃爍以及其他動(dòng)態(tài)效果，并且在客戶端完成大部分人機(jī)交互，如距離量測、面積量測、要素統(tǒng)計(jì)、空間分析等操作，提供良好的用戶體驗(yàn)，并且成功支撐了生產(chǎn)、營銷、數(shù)字電網(wǎng)等業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的開展。圖4是經(jīng)過ArcGIS切片處理以后的海南電網(wǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)在WebGIS中的展現(xiàn)。

4 結(jié)語

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和地圖制圖技術(shù)的高速發(fā)展背景下，矢量切片作為一種新的地圖展示控制方式，融合了電子地圖和工作數(shù)據(jù)，擴(kuò)展了底圖的交互性，可以讓用戶自定義修改地圖樣式，根據(jù)需要進(jìn)行智能制圖并展示在基礎(chǔ)地圖上?；贏rcGIS制作發(fā)布的矢量切片地圖具有樣式靈活、數(shù)據(jù)輕量、快速反應(yīng)、高清顯示等諸多優(yōu)點(diǎn)，提高了地圖的可讀性，可以滿足不同人員的使用需求，成功實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)GIS平臺(tái)相結(jié)合，為電網(wǎng)GIS平臺(tái)提供切片地圖管理支撐服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 方林彬.基于ArcGIS的電子地圖快速制圖方法研究[J].城市勘測，2018（4）：59-63.

[2] 胡振彪，趙軍，韓磊，等.矢量電子地圖瓦片制作性能評(píng)估與應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2019（8）：1-9.

[3] 馮威丁.基于Hybrid App的矢量切片數(shù)據(jù)快速顯示研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（14）：193-194.

[4] 翁世杰，朱雪堅(jiān)，黃婷，等.基于Mapbox矢量切片在線配圖平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地理信息世界，2018（4）：64-68.

[5] 李偉.基于3S技術(shù)的電網(wǎng)專題地圖矢量化的應(yīng)用[J].現(xiàn)代信息科技，2018（11）：39-41.

[6] 張揚(yáng)，梁轉(zhuǎn)信，孫杰，等.基于矢量切片的河南省地震構(gòu)造查詢系統(tǒng)[J].地震地磁觀測與研究，2018（4）：193-199.

[7] 馬炅妤，李平，周啟，等.WebGL在線動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)框架設(shè)計(jì)[J].測繪通報(bào)，2019（1）：118-122.

[8] 曾濤，劉麗.基于GIS的電子地圖制作方法研究[J].建材與裝飾，2018（6）：300-301.

[9] 張曉曉，龐婷.兼容多GIS平臺(tái)的瓦片生成引擎關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，31（29）：229-230.

[10] 李飛，黃琦，紀(jì)元，等.輸配電地理信息系統(tǒng)平臺(tái)圖形瀏覽服務(wù)的實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2017，41（11）：99-105.

收稿日期：2020-01-15

作者簡介：余文輝（1968—），男，廣東廣州人，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，研究方向：生產(chǎn)設(shè)備管理及生產(chǎn)信息化管理。