顧及約束的交互式熱力圖服務(wù)研究與應(yīng)用

吳瑞龍，王明省，何華貴，張鵬程，林 鴻，龔 磊

（1.武漢市自然資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014；2.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

目前關(guān)于熱力圖研究多側(cè)重于熱力圖的前端渲染和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，依賴于前端的交互信息，如前端的屏幕顯示范圍或者前端的地圖縮放級(jí)別，這些研究都是基于靜態(tài)專題圖，利用現(xiàn)有GIS 服務(wù)器制作專題熱力圖，然后發(fā)布為地圖服務(wù)，服務(wù)端的處理一般只是依賴于屬性的查詢過濾，將查詢后的數(shù)據(jù)一次性返回渲染，沒有做聚合的處理來壓縮數(shù)據(jù)，熱力圖的渲染效率還比較低下[1-15]；另外，現(xiàn)有研究更多是基于無約束條件的熱力圖，針對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)，較少考慮時(shí)空約束條件下交互式的實(shí)時(shí)生成熱力圖的研究，不能滿足用戶特定需求[16]，難以通過服務(wù)的形式提供交互式的實(shí)時(shí)生成熱力圖，比如針對(duì)用戶感興趣的某個(gè)特定時(shí)間段，特定時(shí)間區(qū)域，不能實(shí)時(shí)的生成熱力圖。

為此，本文提供一種顧及約束的交互式熱力圖生成方法，該方法允許在給定約束條件下對(duì)空間點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)篩選，并利用距離容差和DBSCAN 聚類算法按照其空間分布進(jìn)行聚合，達(dá)到快速生成熱力圖的目的，同時(shí)設(shè)計(jì)了交互式熱力圖服務(wù)的RESTful 接口，能夠有效滿足交互式熱力圖服務(wù)的需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 總體技術(shù)方案

本文技術(shù)方案采用B∕S 模式架構(gòu)，統(tǒng)一了客戶端熱力圖服務(wù)訪問的請(qǐng)求。服務(wù)端根據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算并返回?zé)崃D計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)熱力圖可視化和計(jì)算的前后端分離。

1）由客戶端發(fā)起帶約束條件的熱力圖服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)端對(duì)約束條件進(jìn)行解析，包括空間約束和非空間約束，服務(wù)端按照約束條件對(duì)空間點(diǎn)要素進(jìn)行初步篩選過濾。

2）對(duì)空間位置較近或重疊的點(diǎn)要素按給定的距離容差去重并累加權(quán)重，再利用DBSCAN密度聚類算法進(jìn)行空間聚類，計(jì)算相同類簇樣本集的幾何重心位置和權(quán)重。

3）將結(jié)果合并轉(zhuǎn)換為GeoJSON 格式數(shù)據(jù)，返回給前端框架如OpenLayers、Leaflet 進(jìn)行加載渲染實(shí)時(shí)生成熱力圖?？傮w技術(shù)方案流程如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)方案流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 按照距離容差合并

根據(jù)地理學(xué)第一定律，空間地物之間的相關(guān)性與地理位置距離有關(guān)，地理位置較近的相關(guān)性越大，反之相關(guān)性越小，因此對(duì)于地理空間樣本點(diǎn)距離較近或重疊的情況，本文首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)按照給定的距離容差進(jìn)行合并，累加其權(quán)重，在服務(wù)端通過距離容差對(duì)空間位置較近或重疊的數(shù)據(jù)進(jìn)行排除，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的一次性過濾，排除部分?jǐn)?shù)據(jù)干擾，減少了數(shù)據(jù)計(jì)算量，有效提高計(jì)算效率。具體計(jì)算方法如表1所示。

表1 按照距離容差合并算法描述

2.2 DBSCAN空間聚類

DBSCAN 是一種基于密度的空間聚類算法，可以按照空間距離對(duì)點(diǎn)樣本進(jìn)行聚類，該算法能夠發(fā)現(xiàn)任意形狀點(diǎn)簇，聚類速度快，同時(shí)也表達(dá)了空間點(diǎn)的聚集程度，適合用于本文的實(shí)時(shí)熱力圖可視化表達(dá)，該算法主要涉及2 個(gè)參數(shù)：一是領(lǐng)域半徑Eps，該參數(shù)作為類簇搜索的距離依據(jù)，通過初始中心點(diǎn)按照鄰域半徑進(jìn)行判斷，形成一個(gè)類簇的閉包；另一個(gè)是MinPts，該值作為聚類的密度約束，是在給定點(diǎn)鄰域內(nèi)的最少點(diǎn)個(gè)數(shù)。結(jié)合總體技術(shù)路線，本文后端服務(wù)基于DBSCAN 聚類的處理流程如圖2 所示。

圖2 服務(wù)端空間聚類處理流程圖

2.3 相同類簇計(jì)算地理重心及權(quán)重

2.4 交互式熱力圖服務(wù)接口設(shè)計(jì)

基于以上技術(shù)路線，本文參照標(biāo)準(zhǔn)WMS 規(guī)范設(shè)計(jì)了交互式熱力圖服務(wù)HMS規(guī)范，服務(wù)返回結(jié)果集使用GeoJSON格式，滿足地理信息服務(wù)數(shù)據(jù)交換與共享的需要，可適用于主流的WebGIS 前端渲染框架，詳細(xì)定義如表2、3所示。

表2 熱力圖服務(wù)HMS規(guī)范列表

熱力圖服務(wù)請(qǐng)求示例如下：

http:∕∕localhost∕mapserver∕HMS?VERSION=1.0&REQUEST=GetHeatMap&LAYER=’SSDJ’&PROPERTY-NAME=name&SQL_FILTER=” name='Blaine'” &SPATIAL_FILTER=‘Polygon((3 1,4 4,2 4,3 1))’

表3 GetHeatmap操作請(qǐng)求方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)列表

3 應(yīng)用案例

商事登記主體數(shù)量一定程度體現(xiàn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的高低，通過對(duì)商事登記主體的大數(shù)據(jù)挖掘分析，有助于了解地區(qū)經(jīng)濟(jì)的活躍情況和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，如何直觀動(dòng)態(tài)地對(duì)產(chǎn)業(yè)分布現(xiàn)狀進(jìn)行可視化表達(dá)有著重要意義。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于廣州市政府?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)一開放平臺(tái)，共約10萬條，數(shù)據(jù)格式為CSV，通過脫敏清洗處理后包含的字段有：注冊(cè)號(hào)、名稱、主營(yíng)項(xiàng)目類別、經(jīng)營(yíng)范圍、成立日期等，使用高德地圖地理編碼Web 服務(wù)API，利用名稱字段將其轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)落圖，數(shù)據(jù)源部分示例如表4 所示，全部數(shù)據(jù)落圖效果如圖3所示。

表4 商事登記主體數(shù)據(jù)部分樣例

圖3 商事登記主體落圖示意圖

本文應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)基于Windows10 環(huán)境，前端使用OpenLayers3 框架，后臺(tái)開發(fā)及算法實(shí)現(xiàn)基于Java JDK1.8 版本，熱力圖服務(wù)HMS 實(shí)現(xiàn)基于Vert.x 的Http模塊，空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算使用開源數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL和PostGIS插件。系統(tǒng)以B∕S架構(gòu)模式開發(fā)，支持主流瀏覽器訪問，系統(tǒng)部分截圖如圖4 所示。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

圖4 部分系統(tǒng)截圖

1）按照給定空間范圍實(shí)時(shí)顯示熱力圖，包括任意拉框范圍、矩形范圍、圓形范圍。

2）按照給定屬性條件實(shí)時(shí)顯示熱力圖，包括商事登記主體的主營(yíng)項(xiàng)目類別，經(jīng)營(yíng)范圍類型，成立日期等。

3）熱力圖樣式設(shè)置，包括熱力圖半徑大小調(diào)整和顏色設(shè)置。

4 結(jié) 語

本文從實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，在顧及約束條件下服務(wù)端對(duì)空間點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)篩選并根據(jù)距離容差進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)一次過濾；基于DBSCAN 的空間聚類算法，按照樣本數(shù)據(jù)的空間密度聚類，實(shí)現(xiàn)二次過濾，同時(shí)計(jì)算同一類簇的重心坐標(biāo)和權(quán)重值，既保留了樣本數(shù)據(jù)的聚集程度信息，表達(dá)了其空間分布情況，又減少了數(shù)據(jù)的計(jì)算量，提高了計(jì)算效率，達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成熱力圖的目的，最后以服務(wù)的形式給出交互式熱力圖服務(wù)接口設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)踐表明，本文方法能夠高效、準(zhǔn)確地滿足約束條件下交互式熱力圖服務(wù)需求，有一定的適用性和通用性，同時(shí)本文研究還存在不足，如對(duì)于DBSACN參數(shù)的選取，后續(xù)將進(jìn)一步研究改進(jìn)。