矢量PDF地圖數(shù)據(jù)量控制方法研究

胡浩杰，張順喜，龐鵬

（78125部隊，成都 610000）

PDF地圖以其便于使用，數(shù)據(jù)量小的特點，在地圖產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)共享傳輸方面得到了廣泛的應(yīng)用。PDF地圖可分為矢量PDF地圖和柵格PDF地圖。柵格PDF地圖由柵格地圖通過PDF轉(zhuǎn)換軟件生成，制圖簡單，容易制作成專題圖集是其優(yōu)點。但因其數(shù)據(jù)量較大，不利于網(wǎng)絡(luò)共享，在數(shù)據(jù)量方面同圖片格式相比沒有優(yōu)勢。矢量PDF地圖是由矢量元素組成的PDF格式的電子地圖。矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量受地圖元素數(shù)量和矢量元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響很大，通過優(yōu)化矢量PDF地圖的編碼結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)量可以比柵格PDF地圖的數(shù)據(jù)量小很多。本文主要討論通過改進(jìn)矢量PDF地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少矢量PDF地圖數(shù)據(jù)量的方法。

1 矢量PDF地圖制圖方法分析

制作矢量PDF地圖有2種方法，一是采用PDF轉(zhuǎn)換軟件生成；二是采用直接編寫PDF文檔編碼的方法生成[1]。

第一種方法是首先利用成熟的地理信息系統(tǒng)（或?qū)I(yè)制圖系統(tǒng)），由數(shù)字地圖數(shù)據(jù)生成EPS出版地圖數(shù)據(jù)，再利用PDF轉(zhuǎn)換軟件（如PDF打印機、Adobe Acrobt等）生成矢量PDF地圖，如圖1所示。這種方法優(yōu)點是簡單易操作，是目前生成矢量PDF地圖最簡單的方法。缺點是數(shù)據(jù)量太大，和柵格PDF地圖相比并沒有優(yōu)勢。因為制作的矢量PDF地圖沒有根據(jù)地圖特點設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其所有的地圖符號都被拆散為簡單圖元（直線、貝賽爾曲線、矩形）來存儲。導(dǎo)致矢量PDF地圖中存在大量的冗余數(shù)據(jù)，輸出的矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量并不比柵格PDF地圖的數(shù)據(jù)量小。并且由于地圖元素數(shù)量巨大，導(dǎo)致PDF地圖打開速度慢。這些缺點大大限制了矢量PDF地圖的使用，導(dǎo)致目前矢量PDF地圖的使用遠(yuǎn)不如柵格PDF地圖。

圖1 使用EPS地圖數(shù)據(jù)制作矢量PDF地圖流程

第二種方法是開發(fā)矢量PDF地圖制圖系統(tǒng)并直接輸出矢量PDF地圖成果。Adobe公司公開了PDF文檔的編碼規(guī)則。因此可以結(jié)合地圖數(shù)據(jù)的特點，結(jié)合PDF文檔的編碼規(guī)則，重新設(shè)計矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸出優(yōu)化的矢量PDF地圖，如圖2所示。用這種方法制作的矢量PDF地圖的編碼結(jié)構(gòu)緊湊，數(shù)據(jù)量小，冗余數(shù)據(jù)少，地圖打開速度快，對系統(tǒng)資源的占用更少。缺點在于目前沒有成熟的專業(yè)制圖軟件，但顯然采用第2種方法生成的矢量PDF地圖優(yōu)勢更明顯。

圖2 編寫PDF編碼輸出矢量PDF地圖流程

下面重點討論通過控制矢量PDF地圖數(shù)據(jù)精度、去除無用的冗余點，減少矢量PDF地圖數(shù)據(jù)量的幾種方法。

2 減少矢量PDF地圖數(shù)據(jù)量的幾種方法

2.1 控制矢量PDF地圖的坐標(biāo)位數(shù)

PDF格式是一種數(shù)據(jù)交換格式，相同的信息量而數(shù)據(jù)量更小的產(chǎn)品就能在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息快速共享中獲得更大的優(yōu)勢。因此減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量是矢量PDF地圖制圖的不懈追求。矢量PDF地圖編碼主要由地圖元素的狀態(tài)數(shù)據(jù)（顏色、線寬、線型等）、定位點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和文字?jǐn)?shù)據(jù)組成。而這3種數(shù)據(jù)中，坐標(biāo)數(shù)據(jù)一般占比八成以上。通過減少矢量PDF地圖中存儲的大量定位點坐標(biāo)的坐標(biāo)位數(shù)可以顯著減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量。但是相對應(yīng)的，減少定位點的坐標(biāo)位數(shù)會降低矢量PDF地圖元素的精度。因此有必要研究如何控制這個度。

為了保證數(shù)字地圖的精度，其坐標(biāo)數(shù)據(jù)的位數(shù)是很多的，一般能達(dá)到8位至10位甚至更多。

當(dāng)前一般矢量地圖會采用分級顯示的方式，隨著地圖的放大，地圖會載入更大比例尺的地圖數(shù)據(jù)，從而使顯示的地圖要素更詳細(xì)。因此對其存儲的地圖數(shù)據(jù)會有比較大的精度要求。但因為PDF格式的特點，矢量PDF地圖不是這樣顯示的。

矢量PDF地圖是固定比例尺的地圖，實際上是類似柵格地圖的顯示樣式，其放大后的樣式如圖3所示。在地圖放大以后，地圖符號會變大，線寬會變大，就像一張印刷品上的內(nèi)容放大了，但是地圖符號仍然是平滑的。而一般柵格地圖在放大后，圖像會變得粗糙，會出現(xiàn)明顯的馬賽克現(xiàn)象，如圖4所示。

圖3 矢量PDF地圖放大12倍后

圖4 柵格地圖放大12倍后

PDF格式是一種便捷的快速瀏覽的交換格式，有4個特點。一是追求能用最小的數(shù)據(jù)量交換最多的信息量，為了這個目的，PDF格式是一種自帶壓縮的格式，對文本的壓縮率特別大。二是最有利于打印和印刷。無論怎么放大縮小，頁面元素的相對位置都不會變。這是實現(xiàn)印刷和打印的“所見即所得”要求的最好方法。三是最便于用戶使用，特別強調(diào)不需要任何培訓(xùn)，不需要閱讀說明書。而無處不在的PDF閱讀器已經(jīng)成為了人們電腦上的必裝軟件，而且其可以完美跨手機、平板等多平臺使用，使PDF地圖的使用非常便捷。四是矢量元素的這種放大而不粗糙的顯示方式使矢量PDF地圖無論放大多少倍，其地圖元素的顯示都是光滑的，清楚的，真正實現(xiàn)了“看不清就放大了看”。

根據(jù)對矢量PDF地圖顯示機制的分析，其地圖元素的顯示精度并不會隨著地圖的放大而提高，而是隨著地圖的放大而放大。因此，放大矢量PDF地圖的主要目的是看得更清楚而不是看得更詳細(xì)。既然矢量PDF地圖使用了類似于柵格地圖的使用習(xí)慣，那么其存儲的地圖數(shù)據(jù)就沒有必要存儲那么多位數(shù)，因為即使是放大再多也看不到更加詳細(xì)的地圖元素。精度過高，小數(shù)點后位數(shù)過多的數(shù)據(jù)就成為了冗余的數(shù)據(jù)。因此可以通過減少矢量PDF地圖元素坐標(biāo)的位數(shù)來大大減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量。這種方法會在一定程度上降低矢量PDF地圖元素的坐標(biāo)精度，但是降低的精度是可以忍受的，而減少的矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量是顯著的。

下一個問題是如何確定矢量PDF地圖元素坐標(biāo)的位數(shù)。既然矢量PDF地圖采用了類似柵格地圖的顯示方式，因此其數(shù)據(jù)精度也可以參照柵格地圖的數(shù)據(jù)精度來確定。紙質(zhì)地圖的精度標(biāo)準(zhǔn)一般為0.1 mm。根據(jù)Adobe公司公開的描述PDF文檔編碼機制的《PDF Reference》規(guī)定，矢量PDF地圖的默認(rèn)坐標(biāo)尺寸為1/72英寸（1英寸等于2.54 cm）[2]，約0.353 mm。0.1 mm轉(zhuǎn)為PDF坐標(biāo)系為0.283。因此可將矢量PDF地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)精度確定為0.1個PDF坐標(biāo)，即所有矢量PDF地圖數(shù)據(jù)均保留1位小數(shù)。精度為0.035 mm，即可滿足矢量PDF地圖在放大到280%以后仍然有0.1 mm的精度。

2.2 移動原點的方法減少地圖數(shù)據(jù)量

在矢量地圖數(shù)據(jù)中，地圖數(shù)據(jù)為了空間統(tǒng)一，地圖坐標(biāo)的原點（0，0）點大都不在地圖所在范圍內(nèi)。那么每個地圖坐標(biāo)的位數(shù)可能比較多。根據(jù)《PDF Reference》規(guī)定，PDF頁面坐標(biāo)可以是正數(shù)，也可以是負(fù)數(shù)，而且頁面可以從任意坐標(biāo)開始顯示，不必要從原點（0，0）點開始顯示。因此如果直接將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為PDF地圖坐標(biāo)，也能夠正確顯示，但是作為矢量PDF地圖數(shù)據(jù)這樣存儲會增大矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量。例如一幅長1 m，寬0.5 m的地圖A，左下角坐標(biāo)為（35000，35000），右上角坐標(biāo)為（36000，35500），數(shù)據(jù)單位為mm。那么整幅地圖的地圖坐標(biāo)都是5位有效數(shù)字。為減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量，將所有地圖坐標(biāo)進(jìn)行平移，目的是將地圖坐標(biāo)的原點（0，0）點移動到地圖范圍內(nèi)。這樣在坐標(biāo)原點附近的地圖坐標(biāo)就只有1位，地圖坐標(biāo)位數(shù)也可以達(dá)到最低。

現(xiàn)在需要確定原點的位置。如圖5所示，在一幅地圖中，原點可以放在地圖的4個角（A、B、C、D），也可以放在地圖的幾何中心（E）。PDF文檔頁面的坐標(biāo)正方向和地圖平面直角坐標(biāo)網(wǎng)的坐標(biāo)方向相同，都是向右為正，向上為正。那么原點在B、C、D會導(dǎo)致地圖坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，而且因為負(fù)值的存儲較正值多一位，因此B、C、D3點和A點比較顯然不具有優(yōu)勢，被淘汰。E點在地圖正中心，好處是地圖坐標(biāo)在0值周邊的地圖坐標(biāo)會比A點多。但是同樣也會出現(xiàn)負(fù)數(shù)，因此也不一定比A點好。因此原點可以選擇A點也可以選擇E點。

圖5 可能的原點位置

但是地圖坐標(biāo)在PDF文檔頁面上一般并不是平均分布的，因此最佳點并不一定在這些點上。如果把所有地圖坐標(biāo)考慮進(jìn)來計算最佳點的計算過于復(fù)雜，會大大增加地圖的生產(chǎn)時間，因此一般直接規(guī)定使用A點或者E點就可以了，一般為了便于計算選擇A點。

研究約定原點選擇在A點，以前面的地圖A為例。轉(zhuǎn)換為PDF坐標(biāo)為，左下角（99213，99213），右上角（102047，100630）。將其左下角移動至（0，0）點，其右上角為（2834，1417），移動后所有地圖坐標(biāo)均減去99213點。這樣移動以后，地圖中很多坐標(biāo)值的位數(shù)都減少了，在左下角原點（0，0）點附近，坐標(biāo)位數(shù)從4位減少為最少1位。最大坐標(biāo)位數(shù)（右上角）從6位減少為4位。

2.3 刪除折線中的無效點

在矢量PDF地圖中，點狀符號數(shù)據(jù)只占地圖數(shù)據(jù)的很少一部分。使用曲線的線狀與面狀符號也很少。地圖數(shù)據(jù)中70%左右的數(shù)據(jù)量是在記錄折線上的點。因此，去除折線上的冗余點可以明顯減少矢量PDF地圖數(shù)據(jù)量。但是一定要注意把握好度，去掉有意義的點會承受地圖精度降低的后果。

2.3.1 去除無意義的冗余點

這是一種尋找去掉冗余點位的方法，其特點和要求是去掉的必須是完全無意義的點位。

一是去除折線上的重疊點，也就是坐標(biāo)完全相同的點。有些地圖數(shù)據(jù)的精度很高，其有些折線上的2個相鄰的定位點相隔很近，從坐標(biāo)數(shù)據(jù)來看有細(xì)微差別但是按照前面所述的在轉(zhuǎn)為矢量PDF地圖坐標(biāo)后，只保留了小數(shù)點后1位，有些點就重疊到了一起。例如點D0（1.01，1.01），D1（1.02，1.02）。轉(zhuǎn)為PDF后為P0（2.9，2.9），P1（2.9，2.9）。2個點就重疊到了一起，這2個點就可以去掉1個。在實際應(yīng)用中，這樣的點總是存在的，而且因為是完全相同的重疊點，可以放心去掉。

二是去除沒有拐彎的折線上的點。在地圖數(shù)據(jù)中，有些折線本身拐彎就比較小，在轉(zhuǎn)為矢量PDF地圖坐標(biāo)后，由于坐標(biāo)位數(shù)的減少，有的折線上的點會出現(xiàn)不拐彎的現(xiàn)象。如點P0（0.388，0.388）、P1（0.777，0.387）、P3（1.165，0.388），3個點之間的角度本來就很小，在轉(zhuǎn)為PDF坐標(biāo)并保留一位小數(shù)后就成為了P0（1.1，1.1）、P1（2.2，1.1）、P2（3.3，1.1）。這時候，P1點就是直線（P0，P2）上的一個點，P1點可以直接去除掉。

去掉這樣無意義的重復(fù)點，不僅可以減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量，還因為減少了矢量PDF地圖元素的數(shù)量，會在一定程度上加快矢量PDF地圖的打開速度。

2.3.2 可能會降低精度的去除定位點的方法

一是去除距離過近的點。為減少數(shù)據(jù)量，兩點之間的距離可以用橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的變化值的和來比較。如有相鄰兩點坐標(biāo)為P1（x1，y1），P2（x2，y2），其距離可以用公式L=（x2-x1）+（y2-y1）來確定。這里需要確定一個值，如0.2，那么當(dāng)L小于0.2時，P2點就可以去掉了。

二是去除拐彎特別小的中間點。例如折線上有3個點，P1、P2、P3。如果P2點距離P1到P3的連線距離小，則P2點可以去掉。

這2種方法可能會在一定程度上降低矢量PDF地圖元素坐標(biāo)的精度，而且有時候會對地圖符號的形狀產(chǎn)生較明顯影響。他們的使用價值主要在對地圖精度要求不高的時候使用，而一般情況下慎用。

3 實驗效果

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

通過實驗，證明通過優(yōu)化矢量PDF地圖的編碼結(jié)構(gòu)、控制坐標(biāo)精度，可以大大減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量。

3.2 實驗方法

數(shù)據(jù)源：以20幅1∶100萬數(shù)字地圖數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。

實驗過程：①使用通用地理信息系統(tǒng)生成EPS出版地圖數(shù)據(jù)；②使用通用地理信息系統(tǒng)生成柵格地圖（jpeg格式）；③以第一步生成的EPS出版地圖數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，使用Adobe Acrobat生成矢量PDF地圖；④利用自行研發(fā)的實驗系統(tǒng)，重新優(yōu)化矢量PDF地圖編碼結(jié)構(gòu)，生成矢量PDF地圖。執(zhí)行控制矢量PDF地圖坐標(biāo)精度為0.1個PDF坐標(biāo)，將地圖原點移動到地圖左下角，刪除折線上無意義的冗余點的優(yōu)化，不執(zhí)行可能會降低坐標(biāo)精度的優(yōu)化方法。

3.3 實驗結(jié)果

表1中顯示了由10幅數(shù)字地圖生成的數(shù)字地圖、EPS出版地圖、柵格地圖、通過EPS生成的矢量PDF地圖和優(yōu)化編碼生成的矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量。在最后一行“總計”中，統(tǒng)計了全部20幅圖的總和數(shù)據(jù)。

3.4 實驗結(jié)論

從實驗得出的表1中可以分析出以下結(jié)論：

表1 各類地圖成果數(shù)據(jù)量比較圖 MB

（1）EPS出版數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大大多于其他格式，一般只用于印刷出版，不作為電子地圖使用。

（2）柵格地圖使用了jpeg這種高壓縮格式，數(shù)據(jù)量較小，是網(wǎng)絡(luò)上使用的最多的格式。

（3）矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量較EPS出版數(shù)據(jù)低很多。因為PDF文檔是一種壓縮格式，默認(rèn)使用zip格式壓縮，好處是基本不影響矢量PDF地圖的打開數(shù)據(jù)。而矢量PDF地圖是由文本或者二進(jìn)制編碼構(gòu)成，壓縮率非常高。

（4）利用EPS出版數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而成的矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量與柵格地圖相比較并無優(yōu)勢。但是因其制作流程較柵格地圖復(fù)雜，因而限制其在網(wǎng)絡(luò)傳播方面的使用。

（5）在優(yōu)化編碼結(jié)構(gòu)以及控制坐標(biāo)精度后，矢量PDF的數(shù)據(jù)量可以大大低于柵格地圖，其數(shù)據(jù)量只有柵格地圖的4.63%～7.6%，平均6.1%。表明制作專業(yè)矢量PDF地圖系統(tǒng)是必要的，矢量PDF地圖在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的前景是光明的。

4 結(jié)論

本文采用直接編寫PDF文檔編碼的方法輸出矢量PDF地圖。這種方法雖然較使用現(xiàn)成的PDF文檔轉(zhuǎn)換軟件困難，但是能夠充分發(fā)揮地圖的特點，靈活設(shè)計矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最大程度上減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量。本文提出了幾種通過控制矢量PDF地圖元素坐標(biāo)精度減少數(shù)據(jù)量的方法。實驗證明，這些方法都可以大大減少矢量PDF地圖的數(shù)據(jù)量。