廖 明，廖明偉，錢新林

(1.江西省基礎(chǔ)地理信息中心，江西南昌330046;2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢430079;3.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079)

一、引 言

地理信息規(guī)模化公眾應(yīng)用是地理信息產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的必要前提和必然趨勢。天地圖作為面向大眾的互聯(lián)網(wǎng)地理信息公共平臺(tái)，快速擴(kuò)展其社會(huì)化應(yīng)用是目前的工作要點(diǎn)之一。在Web2.0的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，用戶參與創(chuàng)建已經(jīng)是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用流行的最大推動(dòng)力，微博、社交網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)靡就是最好的例證。手持智能設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦)的普及，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)(3G、4G)的迅猛發(fā)展，更是讓用戶能隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。一個(gè)發(fā)展趨勢是：地理信息從部門與部門之間共建共享，擴(kuò)展到公眾之間的信息共享;讓公眾在使用地圖瀏覽和要素查詢的同時(shí)，還能參與天地圖的地理信息數(shù)據(jù)創(chuàng)建，從而激發(fā)用戶熱情以推動(dòng)天地圖的流行;用公眾頭腦中豐富而及時(shí)的地理知識(shí)來彌補(bǔ)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫更新速度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性缺少的缺陷;改變公共版數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)模式，將測繪專業(yè)人員從“作者”變?yōu)椤熬庉嫛薄獜囊詳?shù)據(jù)生產(chǎn)為主，轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟剡M(jìn)行地理信息的匯總、審核、挖掘工作。

當(dāng)代GIS從系統(tǒng)演變?yōu)榉?wù)，云計(jì)算技術(shù)的提出，使Web Service平臺(tái)可方便地實(shí)現(xiàn)與包括智能手機(jī)在內(nèi)的傳感器網(wǎng)相連［1］。云計(jì)算方案解決了服務(wù)端計(jì)算和存儲(chǔ)能力的問題，然而網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和客戶端性能的限制依然存在。目前天地圖提供的主要是基于柵格瓦片的地圖服務(wù)和影像服務(wù)。柵格技術(shù)簡單成熟，能快速響應(yīng)可視化，但呈現(xiàn)出很大的局限性，在高交互性環(huán)境［2］、Web 制圖［3］、自發(fā)地理信息(VGI)［4］等很多應(yīng)用環(huán)境中并不適合。而天地圖目前提供的Web要素服務(wù)主要執(zhí)行OGC WFS規(guī)范，缺乏類似瓦片數(shù)據(jù)的分級(jí)分片機(jī)制［5］，隨著全省數(shù)據(jù)的建庫拼接與實(shí)體化，大區(qū)域矢量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸以及在客戶端(瀏覽器、移動(dòng)設(shè)備)交互的性能難以提供良好的用戶體驗(yàn)。天地圖·江西手機(jī)版即將推出，移動(dòng)手持設(shè)備環(huán)境中的無線網(wǎng)絡(luò)速度、硬件繪圖性能、顯示屏幕的大小比普通互聯(lián)網(wǎng)用戶的條件更加受限，類似的矛盾將更加突出。本文提出了一種多尺度Web要素服務(wù)，其具備類似柵格瓦片分級(jí)分片的數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)，滿足全省大區(qū)域矢量數(shù)據(jù)的在線瀏覽請求的快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)又彌補(bǔ)了柵格瓦片的靜態(tài)缺陷，允許用戶以矢量數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行符號(hào)的個(gè)性化定制，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行在線編輯維護(hù)。

二、多尺度Web要素服務(wù)

1.數(shù)據(jù)庫要素集特點(diǎn)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，地理空間數(shù)據(jù)庫由多幅文件數(shù)據(jù)通過無縫拼接、拓?fù)錂z查等處理而生成，其特點(diǎn)有：①數(shù)據(jù)集總量很大，覆蓋的區(qū)域范圍可以很廣;②存在橫跨大區(qū)域的大幾何要素，這種要素所含頂點(diǎn)數(shù)很多。例如1∶10 000江西省地級(jí)市界數(shù)據(jù)，總頂點(diǎn)數(shù)為300多萬，其中表示地級(jí)市行政區(qū)的一個(gè)多邊形對象，頂點(diǎn)數(shù)少則有10萬，多則有40萬。全球高分辨率海岸線數(shù)據(jù)(GSHHS)，其頂點(diǎn)總數(shù)為1000萬級(jí)別，最大的多邊形頂點(diǎn)數(shù)達(dá)100萬級(jí)別。無限的數(shù)據(jù)集的增長與有限的硬件性能之間永遠(yuǎn)存在矛盾，這一矛盾在新地理信息時(shí)代［6］Web2.0環(huán)境中表現(xiàn)得更加明顯。例如在VGI應(yīng)用中，地理要素的幾何對象隨著持續(xù)性的多用戶分布式編輯變得愈加詳細(xì)而復(fù)雜［1］，細(xì)節(jié)豐富程度具有不斷增加的趨勢。由于圖面表達(dá)、渲染性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南拗?，整個(gè)數(shù)據(jù)集的一次性提供，甚至是單個(gè)大要素的一次性提供，將難以支持用戶高交互性體驗(yàn)。有必要讓用戶根據(jù)自己的可視化條件來調(diào)整服務(wù)請求所返回的要素結(jié)果集大小。

2.用戶可視化條件

從用戶可視化條件和需求來看：①當(dāng)前屏幕的可視范圍一般在一個(gè)窗口范圍中，范圍之外的不可見要素一般并不是用戶在當(dāng)前視圖下所關(guān)心的內(nèi)容;②用戶的眼中沒有比例尺的概念，隨著視點(diǎn)向地面的靠近，觀察者希望看到逐漸清晰的地表細(xì)節(jié);反之，隨著視點(diǎn)的遠(yuǎn)離，將會(huì)看到不斷抽象的地形表面，這是人用眼睛觀察時(shí)的自然規(guī)律。在柵格化輸出的顯示設(shè)備中，隨著顯示比例尺的縮小，原來分離的頂點(diǎn)在屏幕上的間距將縮小，當(dāng)其間距低于屏幕分辨率時(shí)，人眼將不能區(qū)分，重合的多點(diǎn)顯示將失去意義;③用戶希望能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和瀏覽器端的軟硬件性能來自定義調(diào)整返回?cái)?shù)據(jù)集的大小。圖形渲染性能好、網(wǎng)速快的客戶端環(huán)境，可以返回細(xì)節(jié)更為詳細(xì)的要素集;反之則可以選擇適當(dāng)犧牲細(xì)節(jié)程度來保證執(zhí)行性能。

3.尺度參數(shù)定義

多尺度表達(dá)的Web要素服務(wù)中需要定義與尺度相關(guān)的請求參數(shù)。在GIS相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用中，尺度一般有3種含義［7］。在制圖中的尺度意義為比例尺。對于數(shù)據(jù)集，尺度的意義指數(shù)據(jù)區(qū)域的范圍(Extent)和數(shù)據(jù)的分辨率(Resolution)。矢量數(shù)據(jù)的分辨率定義則有較多含義，尤其是對于面狀區(qū)域。一般有4種形式：邊界線最小寬度、邊界線頂點(diǎn)采樣密度、區(qū)域內(nèi)同質(zhì)性變化限值、區(qū)域面積尺寸。

本文選擇3個(gè)與尺度相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)，便于用戶根據(jù)自身可視化條件進(jìn)行服務(wù)請求。

1)EXT(Extent)，表示用戶興趣區(qū)域范圍的最小外接矩形。例如，實(shí)際應(yīng)用中可表示為用戶當(dāng)前屏幕可視范圍映射的地面區(qū)域。

2)RES(Resolution)，表示用戶可容忍的數(shù)據(jù)分辨率。例如，某個(gè)顯示比例尺下屏幕分辨率對應(yīng)的地面距離。

3)VNUM(Vertice Number)，表示返回結(jié)果集的頂點(diǎn)數(shù)上限值。因?yàn)榇髱缀我氐拇嬖冢氐臄?shù)目難以作為數(shù)據(jù)集大小的衡量指標(biāo)。對于某一種幾何類型要素，頂點(diǎn)數(shù)目可較為直接地反映要素集的大小，以及客戶端圖形渲染的需求。

三、服務(wù)實(shí)現(xiàn)方案

1.方案分析

數(shù)據(jù)集尺度包括范圍與分辨率兩方面，因此多尺度表達(dá)主要表現(xiàn)為截窗查詢和多分辨率查詢。目前，地理數(shù)據(jù)庫能夠利用空間索引高性能地處理海量幾何數(shù)據(jù)集的截窗查詢。但從用戶視角和數(shù)據(jù)冗余處理出發(fā)，在保證要素滿屏可視化的條件下，可分為Intersect操作和Clip操作。兩者區(qū)別在于跨窗口邊界處要素的處理方式，Intersect方式將與邊界有交集的要素整個(gè)部分都選入結(jié)果集(如圖1(b)所示。通過前面分析可知，當(dāng)存在大幾何要素只有小部分在窗口范圍內(nèi)的情形時(shí)，要素在外部的頂點(diǎn)嚴(yán)重多余的。Clip方式用窗口矩形對邊界要素進(jìn)行裁切，避免了上述問題，但是會(huì)產(chǎn)生語義上的變化。如文獻(xiàn)［8］中所述，一個(gè)幾何對象被分割成了多個(gè);而且對于多邊形對象，邊界要素不利于進(jìn)行頂點(diǎn)編輯，因?yàn)榇翱谶吔缇€部分成為了多邊形的邊線，而它并不是原始邊，不宜參與編輯，如圖1(c)粗黑線所示?？傊?，缺乏對查詢結(jié)果集進(jìn)行綜合與簡化的細(xì)粒度控制，需要多尺度表達(dá)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來改進(jìn)。

圖1 窗口與采樣查詢

2.多尺度表達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

多尺度表達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DBLG-tree采用DP算法構(gòu)建，保存頂點(diǎn)與基線的偏移量，將線頂點(diǎn)由線性存儲(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)闃湫谓Y(jié)構(gòu)存儲(chǔ)(如圖2所示)。

圖2 線的DBLG-tree表示

DBLG-tree具備以下優(yōu)點(diǎn)：①支持要素的多尺度表達(dá)的結(jié)構(gòu);②支持大幾何對象的低冗余的截窗查詢，查詢結(jié)果如圖1(a)所示;③支持幾何對象編輯;④能通過算法自動(dòng)同步重構(gòu)幾何對象的多尺度結(jié)構(gòu)，保證編輯后多尺度表達(dá)的一致性;⑤支持大幾何對象的局部多尺度重構(gòu)，而不僅僅是整體重構(gòu);⑥能保持要素拓?fù)浜驼Z義信息。

3.頂點(diǎn)數(shù)量控制

從用戶的視角來看，范圍、分辨率和頂點(diǎn)數(shù)3者是具有內(nèi)在相關(guān)性的。頂點(diǎn)數(shù)與范圍、分辨率成正比關(guān)系。頂點(diǎn)數(shù)與客戶端執(zhí)行性能直接相關(guān)，在既定范圍和分辨率條件下，頂點(diǎn)數(shù)超標(biāo)時(shí)，需要對次要對象進(jìn)行舍棄。流程見圖3，定義原始要素集為S，過程要素集為S'，單個(gè)要素的幾何對象為g，查詢范圍為EXT，分辨率為RES，頂點(diǎn)數(shù)上限為VNUM。

在要素取舍時(shí)，可依據(jù)重要性對幾何對象進(jìn)行排序，然后實(shí)行末位淘汰制?？紤]制圖綜合的精化原則，在結(jié)果集中選擇出重要的幾何對象，同時(shí)控制結(jié)果集大小與對象分布的均勻性。可采用頂點(diǎn)直方圖選擇算法［1］。

圖3 多尺度要素服務(wù)實(shí)現(xiàn)方案流程

四、原型系統(tǒng)

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為“全球高分辨率海岸線數(shù)據(jù)”(GSHHS)，數(shù)據(jù)集頂點(diǎn)總數(shù)為10348493，最大頂點(diǎn)數(shù)多邊形(亞歐大陸海岸線)頂點(diǎn)數(shù)為1 181 126。計(jì)算機(jī)硬件配置：Intel CORE i3 2.53GHz處理器，4GB DDR3 1067 MHz內(nèi)存，Nvidia Geforce 310Mx顯卡(512 M顯存)。系統(tǒng)架構(gòu)見圖4(圖中方框內(nèi)右下角的斜體部分為該模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù))。服務(wù)器端使用Java Servlet實(shí)現(xiàn)GetFeatureWithScale接口，用Apache-Tomcat進(jìn)行發(fā)布。服務(wù)器與瀏覽器之間的通信使用AJAX異步請求，一個(gè)請求實(shí)例為

其中，EXT參數(shù)值為SVG窗口在當(dāng)前視圖下對應(yīng)的地理坐標(biāo)值;RES參數(shù)值為屏幕1個(gè)像素分辨率在當(dāng)前顯示比例尺下對應(yīng)的實(shí)際地面長度;VNUM參數(shù)值為輸出結(jié)果集的頂點(diǎn)數(shù)上限。

瀏覽器端通過JavaScript腳本將JSON編碼解析成SVG文檔，對二維矢量圖形進(jìn)行可視化;JavaS-cript代碼完成SVG消息事件相應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)用戶交互(視窗縮放、平移、結(jié)點(diǎn)編輯等);底圖調(diào)用天地圖提供的Web地圖服務(wù)或Web柵格服務(wù)進(jìn)行匹配，以方便驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的可視化效果。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.可視化效果

在視圖縮放過程中，將針對不同的范圍尺度的請求數(shù)據(jù)，其可視化效果如圖5所示。該組圖依次為亞歐大陸海岸線在世界范圍尺度、國家范圍尺度、地區(qū)范圍尺度的效果，直至能清楚辨析海岸線細(xì)節(jié)的尺度時(shí)，進(jìn)入多邊形頂點(diǎn)編輯狀態(tài)(如圖5(d)所示)。

圖5 亞歐大陸海岸線的各個(gè)尺度

在視圖移屏過程中(如圖6所示)，視圖從View1位置移動(dòng)到View2位置。在移動(dòng)的過程中，黑實(shí)線區(qū)域仍然會(huì)有簡化的圖形填充;移屏結(jié)束后，該區(qū)域的細(xì)節(jié)部分再進(jìn)行補(bǔ)充，與漸進(jìn)傳輸效果類似。在整個(gè)移屏過程中，視窗內(nèi)將不會(huì)出現(xiàn)空白區(qū)域，給用戶較好的交互體驗(yàn)。

圖6 移屏補(bǔ)償效果

3.執(zhí)行性能

在試驗(yàn)中，屏幕窗口大小為1280×768像素，頂點(diǎn)上限數(shù)20 000，分辨率為屏幕1個(gè)像素(使用時(shí)根據(jù)顯示比例尺換算成數(shù)據(jù)集坐標(biāo)單位的距離)。在對SVG視圖進(jìn)行縮放時(shí)，Servlet執(zhí)行時(shí)間隨窗口面積(請求的數(shù)據(jù)范圍)而變化，變化的趨勢如圖7所示?？梢?，隨著窗口范圍的擴(kuò)大，該方案在服務(wù)器端的執(zhí)行時(shí)間持續(xù)下降且漸趨平穩(wěn)?？烧J(rèn)為該方案的執(zhí)行性能具備與范圍尺度無關(guān)的特性，執(zhí)行的絕對時(shí)間在10 ms級(jí)別。

圖7 Servlet執(zhí)行時(shí)間和范圍尺度的相關(guān)性

在瀏覽器端，F(xiàn)irefox、Safari、Chrome、IE9 目前都對SVG提供原生支持。Firefox由于SVG渲染效率太低，無法交互使用;Safari、Chrome、IE9瀏覽器對SVG渲染性能較好。試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明：頂點(diǎn)數(shù)限制在20 000個(gè)點(diǎn)以內(nèi)，Chrome瀏覽器端的SVG的繪制時(shí)間約為1 s左右。文獻(xiàn)［9］中對 SVG、Flash、Canvas等幾種Web矢量繪圖技術(shù)在瀏覽器中的繪圖性能評(píng)估顯示，在其他條件相同的情況下，不同的瀏覽器其繪圖時(shí)間差距能達(dá)到5倍。而這種差異性只是用戶可視化條件差異的組成因素之一，這也從一個(gè)方面印證了用戶在多尺度Web要素服務(wù)請求中根據(jù)自身?xiàng)l件定制頂點(diǎn)數(shù)、控制要素集大小的必要性。

五、結(jié)束語

擴(kuò)展天地圖應(yīng)用領(lǐng)域，為Web2.0環(huán)境下基于矢量數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)服務(wù)支持。從允許用戶根據(jù)可視化條件定制數(shù)據(jù)集大小的需求出發(fā)，定義了多尺度Web要素服務(wù)，以及與尺度相關(guān)的3個(gè)基本參數(shù)(范圍、分辨率、頂點(diǎn)數(shù))。從數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)集的特性和Web應(yīng)用需求出發(fā)，分析了支持多尺度表達(dá)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本條件和要求?；诙喑叨缺磉_(dá)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給出Web要素服務(wù)的一種實(shí)現(xiàn)方案。使用Java Servlet、Ajax和SVG開發(fā)了原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過請求多尺度Web要素服務(wù)提供的數(shù)據(jù)集，支持了矢量Web地圖可視化和頂點(diǎn)編輯應(yīng)用。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示該方案在服務(wù)器端的執(zhí)行性能具有與尺度無關(guān)的優(yōu)良特性。同時(shí)用戶通過對頂點(diǎn)數(shù)的定制，可在不同的可視化條件下實(shí)現(xiàn)及時(shí)的操作響應(yīng)和良好的交互體驗(yàn)。

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