基于矢量瓦片的電子地圖顯示范圍控制方法

王文杰，申傳慶，張 哲，王麗惠

（1.自然資源部陜西基礎(chǔ)地理信息中心，陜西 西安 710054；2.自然資源部第一地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

目前，地圖服務(wù)的種類一般包括瓦片地圖服務(wù)WMTS（web map tile service），動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)WMS（web map service），要素地圖服務(wù)WFS（web feature service）等幾種類型，不同服務(wù)在前端顯示的技術(shù)有所不同。其中瓦片地圖服務(wù)又稱緩存地圖服務(wù)，地圖緩存是通過(guò)預(yù)先制作完成的不同比例尺級(jí)別的地圖分塊圖像（瓦片）進(jìn)行分發(fā)，是實(shí)現(xiàn)地圖使用的一種非常有效的方法。但其在地圖顯示時(shí)，按空間范圍進(jìn)行顯示控制比較困難；動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)與瓦片地圖服務(wù)使用方式類似，二者的主要區(qū)別是動(dòng)態(tài)地圖的圖層內(nèi)容可以指定，但該方法是在服務(wù)端渲染，因性能原因應(yīng)用較少[1-3]。要素地圖服務(wù)則可以通過(guò)屬性、空間范圍等參數(shù)篩選需要顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)過(guò)濾效率較低，且需要前端自定義渲染，主要用于數(shù)據(jù)檢索方面。文獻(xiàn)[4]針對(duì)ArcGIS 的動(dòng)態(tài)服務(wù)提出了一種圖像處理的方式實(shí)現(xiàn)范圍控制，顯示效果較好，但對(duì)瓦片服務(wù)的控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]對(duì)瓦片服務(wù)請(qǐng)求返回的圖片進(jìn)行相交判斷，實(shí)時(shí)裁切達(dá)到范圍顯示控制，但是由于計(jì)算量較大，影響了地圖顯示的效率。文獻(xiàn)[6]嘗試了基于Html5 頁(yè)面CSS不規(guī)則遮罩的控制方法，該方法性能因遮罩范圍的坐標(biāo)復(fù)雜度而受到限制。文獻(xiàn)[7]利用ArcGIS Server SOE 和種子填充算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ArcGIS 地圖服務(wù)的定制范圍和圖層類別的顯示控制，但只能服務(wù)于Arc-GIS 動(dòng)態(tài)圖層服務(wù)，操作復(fù)雜且容易導(dǎo)致地圖服務(wù)異常。從前面列舉的文獻(xiàn)可以看出，對(duì)電子地圖顯示范圍控制多是基于傳統(tǒng)柵格地圖，隨著矢量瓦片地圖逐步成為地圖服務(wù)應(yīng)用的熱點(diǎn)，本文主要研究基于矢量瓦片的電子地圖顯示范圍控制方法。

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 矢量瓦片地圖技術(shù)

矢量瓦片地圖是一種基于四叉樹金字塔模型，將矢量數(shù)據(jù)按地理格網(wǎng)進(jìn)行分割形成瓦片數(shù)據(jù)，客戶端根據(jù)地圖顯示范圍從服務(wù)器獲取相應(yīng)的瓦片，通過(guò)指定樣式在客戶端實(shí)現(xiàn)地圖的實(shí)時(shí)繪制[1]。針對(duì)矢量瓦片技術(shù)，Mapbox 公司制定的矢量瓦片規(guī)范（Mapbox Vector Tile Specification）已經(jīng)被眾多公司和組織所采用，它是一種節(jié)省存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)編碼方式，能夠在客戶端高效渲染或查詢要素信息。

Mapbox地圖渲染樣式規(guī)范定義了一套地圖所呈現(xiàn)的視覺(jué)外觀配置方法，內(nèi)容包括繪制數(shù)據(jù)源、過(guò)濾器、圖層樣式、字體等內(nèi)容。其中對(duì)矢量圖層的渲染，首先定義ID，引用一個(gè)瓦片數(shù)據(jù)源（source），指定的要素內(nèi)容（source-layer），并可對(duì)source-layer 內(nèi)容進(jìn)行過(guò)濾（filter），然后定義要素渲染的具體參數(shù)（paint）。

1.2 技術(shù)原理

基于矢量瓦片技術(shù)，研究一種只發(fā)布一套地圖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該地圖內(nèi)任意區(qū)域單獨(dú)顯示的技術(shù)方法，尤其適用于按多級(jí)行政區(qū)劃顯示地圖的應(yīng)用中。在發(fā)布完一幅全域地圖后，當(dāng)需要單獨(dú)顯示其中某一子域范圍內(nèi)地圖時(shí)，只需要從全域地圖中選取子域地圖進(jìn)行展示，而無(wú)需再對(duì)子域單獨(dú)發(fā)布一個(gè)的地圖。

矢量瓦片是一種在客戶端進(jìn)行渲染的新型矢量地圖服務(wù)，支持地圖樣式的靈活配置，基于此特性，對(duì)需要按范圍控制顯示的矢量數(shù)據(jù)，可通過(guò)前端數(shù)據(jù)過(guò)濾的方式對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示范圍的控制。首先按最小空間單元分割并賦予范圍屬性值，然后進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)瓦片，在發(fā)布為矢量瓦片服務(wù)后，客戶端進(jìn)行地圖渲染時(shí)可對(duì)矢量瓦片按空間范圍屬性標(biāo)識(shí)進(jìn)行過(guò)濾，從而實(shí)現(xiàn)地圖顯示范圍的控制。

矢量瓦片地圖顯示范圍控制的實(shí)現(xiàn)流程總體分為兩步，一是在矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理與瓦片時(shí)，在矢量數(shù)據(jù)屬性中增加區(qū)域標(biāo)識(shí)碼；二是對(duì)地圖服務(wù)調(diào)用時(shí)，在服務(wù)訪問(wèn)參數(shù)中設(shè)置區(qū)域標(biāo)識(shí)碼參數(shù)，在返回的矢量瓦片樣式文件中自動(dòng)添加區(qū)域標(biāo)識(shí)碼過(guò)濾配置，從而在地圖展示時(shí)可實(shí)現(xiàn)按區(qū)域進(jìn)行地圖展示。

1.3 矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，首先將矢量數(shù)據(jù)按最小區(qū)域單元（如行政區(qū)劃中的村界）進(jìn)行分割，然后根據(jù)數(shù)據(jù)所在的空間區(qū)域?qū)?shù)據(jù)添加區(qū)域代碼屬性（如賦予數(shù)據(jù)所屬行政區(qū)劃中村的代碼值），如果需要按多級(jí)空間范圍展示，可對(duì)矢量數(shù)據(jù)添加多個(gè)級(jí)別的空間區(qū)域代碼屬性（如行政區(qū)劃中村所在的鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼、區(qū)縣代碼等）。由于矢量瓦片本身會(huì)對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，因此按區(qū)域?qū)κ噶繑?shù)據(jù)進(jìn)行分割，不影響數(shù)據(jù)內(nèi)容的準(zhǔn)確性。

全域范圍P包含子域P1、P2、P3，矢量線要素A包含在全域P中，同時(shí)分布在子域P1、P2、P3中，P為一級(jí)區(qū)域，P1、P2、P3為二級(jí)區(qū)域。在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，在P1、P2、P3的邊界處對(duì)A進(jìn)行斷開處理，得到A的子集a1、a2、a3。對(duì)a1、a2、a3添加1級(jí)區(qū)域?qū)傩訪1，并賦值為P；對(duì)a1、a2、a3添加2 級(jí)區(qū)域?qū)傩訪2，根據(jù)其所處的2 級(jí)空間區(qū)域，分別賦值為P1、P2、P3,屬性設(shè)置結(jié)果如表1所示。

表1 矢量數(shù)據(jù)屬性賦值

圖1 與表1 表示了空間區(qū)域劃分為兩級(jí)的情況，如果P1、P2、P3繼續(xù)分割為更小的子域，則需要對(duì)a1、a2、a3按更小子域的邊界進(jìn)行分割，同時(shí)增加新的子域?qū)傩訪n，屬性賦值以此類推。

圖1 矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.4 數(shù)據(jù)切片與服務(wù)發(fā)布

對(duì)完成預(yù)處理的矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)切片,并將區(qū)域?qū)傩裕ㄈ?.2 屬性L1、L2）輸出到矢量瓦片中，然后發(fā)布為矢量瓦片服務(wù)。目前常用的矢量數(shù)據(jù)瓦片的商業(yè)工具有ESRI公司的ArcGIS Pro和北京超圖地理信息技術(shù)有限公司的SuperMap iDesktop等，開源工 具 有Geoserver、Mapbox、TileStache、Mapnik 等，各種軟件對(duì)矢量數(shù)據(jù)瓦片的包裝格式各不相同，但底層實(shí)現(xiàn)都是PBF（google protocol buffers）格式。對(duì)矢量瓦片地圖服務(wù)發(fā)布支持的軟件有ArcGIS Portal、SuperMap IServer、GeoServer、Mapbox等。

1.5 地圖訪問(wèn)

發(fā)布完成的矢量瓦片地圖，先配置地圖樣式，然后通過(guò)Web API進(jìn)行調(diào)用?；谑噶客咂碾娮拥貓D顯示范圍控制是渲染時(shí)通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)過(guò)濾條件實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)過(guò)濾條件在地圖渲染時(shí)的樣式文件中進(jìn)行配置，由客戶端指定。

如表2 所示，過(guò)濾條件以鍵值對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行表示。filter為過(guò)濾標(biāo)識(shí)，其值為一個(gè)數(shù)組對(duì)象。

表2 顯示范圍過(guò)濾條件配置

2 實(shí)驗(yàn)與分析

在實(shí)際應(yīng)用中，按行政區(qū)劃對(duì)地圖進(jìn)行顯示，是電子地圖顯示范圍過(guò)濾最常見(jiàn)的一種應(yīng)用場(chǎng)景。按本文所述技術(shù)原理，以安康市綜合電子地圖為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用GeoServer制作并發(fā)布矢量瓦片地圖服務(wù)，對(duì)安康市綜合電子地圖進(jìn)行控制顯示范圍實(shí)驗(yàn)。

在發(fā)布完成矢量瓦片地圖服務(wù)之后，默認(rèn)展示地圖為安康市全域地圖，如圖1 所示。樣式中數(shù)據(jù)過(guò)濾配置為filter:["all",["in","CITYCODE","610900"]]，其中CITYCODE為市級(jí)區(qū)劃代碼的屬性名，610900為安康市區(qū)劃代碼值。

當(dāng)只顯示安康市一個(gè)子域旬陽(yáng)市（縣級(jí)市）的地圖時(shí)，數(shù)據(jù)過(guò)濾配置為filter: ["all", ["in", "COUNTYCODE", "610928"]]，其中COUNTYCODE 為縣級(jí)區(qū)劃代碼的屬性名，610928 為旬陽(yáng)市（縣級(jí)市）的區(qū)劃代碼值。

當(dāng)同時(shí)顯示安康市內(nèi)2 個(gè)子域?qū)庩兛h與旬陽(yáng)市的地圖時(shí)， 數(shù)據(jù)過(guò)濾配置為filter: ["all", ["in", "COUNTYCODE","610928","610922"]，其中，610928為旬陽(yáng)市（縣級(jí)市）的區(qū)劃代碼值，610922為寧陜縣的區(qū)劃代碼值。如需顯示2個(gè)以上子域，配置與此類似。

當(dāng)不顯示安康市內(nèi)子域旬陽(yáng)市的地圖時(shí)，數(shù)據(jù)過(guò)濾配置為filter: ["none", ["in", "COUNTYCODE", "610928"]]，其中，610928 為旬陽(yáng)市（縣級(jí)市）的區(qū)劃代碼值。如需不顯示2個(gè)以上子域，配置與此類似。

傳統(tǒng)的地圖服務(wù)應(yīng)用中，如果需要按范圍顯示地圖，則是將數(shù)據(jù)預(yù)先按范圍進(jìn)行裁切，然后發(fā)布為多個(gè)地圖服務(wù)，這顯然是一種數(shù)據(jù)體不同，其他操作與配置基本相同的服務(wù)提供方式，這種方式對(duì)服務(wù)發(fā)布與管理的壓力較大。如上述實(shí)驗(yàn)中的4 種地圖范圍場(chǎng)景，傳統(tǒng)地圖服務(wù)需要發(fā)布4 個(gè)單獨(dú)的服務(wù)，而通過(guò)設(shè)置過(guò)濾條件的矢量瓦片地圖只需發(fā)布一個(gè)服務(wù)即可實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文方法是在客戶端通過(guò)數(shù)據(jù)過(guò)濾方式實(shí)現(xiàn)電子地圖按范圍顯示，發(fā)布一套地圖可支持多種顯示范圍。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，在地理信息服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)能夠滿足地圖按范圍顯示的需求，但這種機(jī)制并沒(méi)有從數(shù)據(jù)源頭對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行控制，如果涉及按空間范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)安全控制時(shí)，該方法有不足之處。由于矢量瓦片數(shù)據(jù)是一種可編輯的數(shù)據(jù)，討論在服務(wù)端直接對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容按空間范圍進(jìn)行過(guò)濾時(shí)，可以進(jìn)一步拓展矢量瓦片服務(wù)按范圍展示的應(yīng)用場(chǎng)景。