韓成哲，劉福強

（1.92493部隊，遼寧葫蘆島，125000；2.海軍裝備研究院，北京，100036）

靶場GIS系統(tǒng)電子地圖顯示方法分析

韓成哲1，劉福強2

（1.92493部隊，遼寧葫蘆島，125000；2.海軍裝備研究院，北京，100036）

在資源固定的硬件平臺上，如何提高電子地圖的顯示速度是GIS研究新課題。本文從靶場指揮顯示需求角度出發(fā)，針對靶場指揮顯示系統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)存儲與管理方法、地圖縮放和漫游過程的數(shù)據(jù)調度方法作了詳細研究，提出了靶場GIS系統(tǒng)電子地圖快速顯示解決方案。

靶場；數(shù)據(jù)調度；空間數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)壓縮

0 引言

隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)以及GIS技術的迅猛發(fā)展，GIS系統(tǒng)中的電子地圖實時顯示技術在航空航天、智能交通等諸多領域得到了廣泛應用，并成為GIS領域研究的新熱點。電子地圖顯示的實時性是用戶體驗感優(yōu)良程度的直接體現(xiàn)，也是衡量GIS產(chǎn)品實際使用性能的重要指標。在GIS系統(tǒng)硬件環(huán)境確定的情況下，如何提升系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量的地理信息進行調度與管理能力，是GIS系統(tǒng)實時顯示技術研究的熱點。

信息化靶場的建設目標實現(xiàn)靶場資源管理和試驗指揮決策的精確化、智能化。為滿足靶場地理環(huán)境的數(shù)字化、靶場資源的可視化、試驗組織保障的精確化以及試驗指揮決策的智能化要求，指揮顯示系統(tǒng)必須為靶場各類用戶實時快速地提供靶場相關資源的所在位置、數(shù)量、類別、狀況等信息，將靶場各類資源的保障和管理透明、準確地顯示在電子地圖上，滿足武備試驗組織和指揮決策更加科學、準確和迅速的要求。本文圍繞靶場GIS數(shù)據(jù)的存儲與管理、GIS數(shù)據(jù)的調度方法等開展研究，提出在靶場GIS數(shù)據(jù)與各類試驗信息在縮放與漫游操作中，實時快速顯示的解決方案，滿足靶場試驗信息顯示需求。

1 靶場GIS數(shù)據(jù)的存儲與管理方法

靶場試驗系統(tǒng)構成復雜，相關地理信息來源廣泛、要素復雜且數(shù)據(jù)量龐大，在試驗組織實施過程中，試驗指揮顯示系統(tǒng)如何滿足全系統(tǒng)用戶對相關空間信息的顯示需求，是靶場試驗指揮顯示系統(tǒng)能力的難點問題?？茖W高效地存儲和管理海量的靶場地理空間數(shù)據(jù)，提高靶場GIS系統(tǒng)存儲空間利用效率，滿足信息訪問的實時性要求，是解決指揮顯示系統(tǒng)實時快速進行試驗態(tài)勢顯示的關鍵技術之一。

1.1 分塊處理靶場空間數(shù)據(jù)

在靶場指揮顯示系統(tǒng)內存容量一定的情況下，執(zhí)行地圖顯示操作時，將全部地圖的數(shù)據(jù)讀入內存的處理方式將占用系統(tǒng)的大量內存，隨著靶場GIS信息量越來越龐大的情況下，該方式將難以滿足系統(tǒng)運行流暢的需要。因此，必須對靶場試驗區(qū)域內的地圖數(shù)據(jù)進行分塊處理，盡可能地遵循只讀取屏幕顯示區(qū)域涉及的地圖信息這一原則；另一方面，當執(zhí)行地圖縮放操作時，不同的縮放級別對應著不同的地物細節(jié)，借助層次細節(jié)模型的思想，對地理實體進行數(shù)據(jù)分級組織，構建一組不同詳細程度的數(shù)據(jù)模型，每次操作只顯示當前縮放級別對應的數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)分塊、分級的數(shù)據(jù)組織方式，可有效地減小數(shù)據(jù)讀取量，從而提高地圖顯示速度。

1.2 對靶場空間數(shù)據(jù)進行壓縮處理

在靶場GIS系統(tǒng)設計中，必須充分考慮靶場試驗區(qū)域廣闊、地理環(huán)境復雜的特性，并且由于靶場試驗所需地理信息數(shù)據(jù)的精度高，使得相同面積下靶場使用的地理信息的數(shù)據(jù)量更大。為滿足靶場GIS系統(tǒng)海量地理信息數(shù)據(jù)存儲要求，必須對靶場地理信息數(shù)據(jù)進行壓縮處理。

目前，在GIS研究領域中，對地理信息數(shù)據(jù)的壓縮技術較為成熟。當前，主流壓縮方法有：針對地圖數(shù)據(jù)進行壓縮的道格拉斯——普克法、垂距法、基于小波技術的壓縮方法，以及針對柵格數(shù)據(jù)進行壓縮的雙線性內插值法、最鄰近插值法、GIF層次壓縮算法和JPEG層次壓縮算法等。以上壓縮算法均為成熟的壓縮技術，可直接應用于靶場GIS系統(tǒng)的設計中。

2 GIS系統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)調度

在GIS系統(tǒng)硬件環(huán)境設計完成，軟件設計人員將確定系統(tǒng)地圖繪制所采用算法后，GIS系統(tǒng)的地理信息數(shù)據(jù)調度的作用是提高系統(tǒng)組織和調度信息的效率，GIS數(shù)據(jù)調度算法科學與高效程度將決定系統(tǒng)完成地圖顯示所需時間長短的關鍵。GIS數(shù)據(jù)調度方法主要是數(shù)據(jù)何時讀取、怎樣讀取以及數(shù)據(jù)處理策略的問題。當前，GIS數(shù)據(jù)調度技術應用較為成熟，在GIS系統(tǒng)設計中大多將緩存技術和多線程技術相結合使用，以完成系統(tǒng)對地圖數(shù)據(jù)的組織和調度。

2.1 數(shù)據(jù)預加載緩存技術

目前，較為流行的緩存技術主要有：空間數(shù)據(jù)預取算法及快速訪問技術，根據(jù)WebGIS信息被訪問的頻率提出的預測模型，切片緩存技術，以及地圖快速漫游的雙緩存策略，基于多任務的多緩存技術等。本文重點研究數(shù)據(jù)預加載技術在靶場GIS系統(tǒng)中進行地圖縮放、漫游過程中的數(shù)據(jù)調度應用。GIS系統(tǒng)根據(jù)當前屏幕中顯示內容，預斷接下來可能被訪問到的地理信息內容，在用戶開始操作之前，應用多線程技術進行預先讀取，減少用戶對地圖操作產(chǎn)生的時間延遲，盡可能滿足用戶對系統(tǒng)顯示的實時性要求。GIS系統(tǒng)預加載算法設計時，應主要考慮用戶操作過程中，視點的移動速度、方向、加速度、地理信息數(shù)據(jù)量、顯示屏幕刷新率，以及系統(tǒng)內存容量。

2.2 多線程技術的雙緩存策略

在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，在對數(shù)據(jù)進行讀取顯示時，從內存直接讀取數(shù)據(jù)到顯存進行顯示的速度明顯要比從磁盤讀取數(shù)據(jù)到顯存進行顯示的速度較快得多，尤其是在信息量較大的情況下。若要完成對GIS系統(tǒng)中大量地理信息數(shù)據(jù)預先從磁盤讀取到內存中，系統(tǒng)內存中應保留足夠的緩沖空間。雙緩存機制是結合數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分塊的特點，在內存中建立一個緩沖區(qū)，作為裝載高程及紋理數(shù)據(jù)的二級緩存，當數(shù)據(jù)調度服務中心接收到請求的數(shù)據(jù)的存儲信息后，從緩存管理器中查詢地形數(shù)據(jù)是否在緩存區(qū)中，如在緩存區(qū)中，則直接發(fā)送給地形可視化系統(tǒng)；否則從磁盤中讀入相應的數(shù)據(jù)放入緩存，再發(fā)送到可視化系統(tǒng)。為了保證GIS系統(tǒng)在顯示場景繪制過程中的穩(wěn)定性和連貫性要求，避免顯示畫面出現(xiàn)停頓現(xiàn)象，在系統(tǒng)設計中多采用多線程技術。

當前，GIS系統(tǒng)設計中大多將多線程技術和緩存技術配合使用，實現(xiàn)對GIS地理信息數(shù)據(jù)的調度與顯示處理?；诙嗑€程技術的雙緩存策略就是一種典型的用于地圖漫游的數(shù)據(jù)調度方法，它較好地解決了漫游中出現(xiàn)的屏幕閃爍問題。以下將針對靶場GIS系統(tǒng)在進行地圖縮放和漫游時采用的數(shù)據(jù)調度方法及調度過程進行研究。

3 靶場GIS地圖縮放與漫游數(shù)據(jù)調度

3.1 靶場GIS地圖縮放數(shù)據(jù)調度

首先，對靶場指揮顯示系統(tǒng)中使用的地圖數(shù)據(jù)按照金字塔型存儲結構進行存儲。在靶場GIS系統(tǒng)對地圖進行縮放操作時，依據(jù)所需完成的縮放倍數(shù),從系統(tǒng)存儲中將相應等級的地圖數(shù)據(jù)讀入內存進行處理并顯示即可。在靶場GIS地圖數(shù)據(jù)組織調度設計中，我們采用數(shù)據(jù)預加載和漸進顯示相結合的方法實現(xiàn)。

3.1.1 數(shù)據(jù)預加載

數(shù)據(jù)預加載是指在執(zhí)行縮放操作前，系統(tǒng)根據(jù)可視區(qū)域內顯示的地圖信息等級，將與其相鄰的多個等級的地圖數(shù)據(jù)讀取并存儲于內存，作為緩存數(shù)據(jù)，可大幅減少由于系統(tǒng)要從外部存儲設備讀取所需地圖數(shù)據(jù)時浪費的大量時間，提高整個系統(tǒng)進行地圖縮放操作的效率，滿足用戶對地圖縮放操作過程中顯示的實時性和流暢性要求。數(shù)據(jù)預加載的方法簡單易行且效果明顯，可直接應用于靶場GIS地圖數(shù)據(jù)組織調度的設計中。

3.1.2 漸進顯示

在靶場GIS系統(tǒng)中采用漸進顯示技術的主要目的，是解決系統(tǒng)在對地圖數(shù)據(jù)進行顯示的過程中可能出現(xiàn)的延遲問題。系統(tǒng)操作人員執(zhí)行地圖縮放操作后，系統(tǒng)首先將對操作所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量進行判斷。當數(shù)據(jù)量較大時，系統(tǒng)將無法滿足用戶對快速繪制地圖并實時顯示的要求，導致系統(tǒng)顯示延遲。為保證系統(tǒng)顯示的流暢性，我們對擬顯示的圖像采用算法進行抽點處理，重新生成一幅較低質量的圖像進行替代后，快速顯示出來。與此同時，系統(tǒng)將在后臺對操作所需數(shù)據(jù)進行處理，處理完結后由系統(tǒng)完成刷新并重新顯示。因此，GIS用戶在操作過程中，將產(chǎn)生漸進顯示的視覺效果。通過該處理方法，可在一定程度上緩解因操作人員頻繁進行縮放操作時，帶給系統(tǒng)顯示畫面的停頓感，減小了用戶的視覺延遲效果，確保靶場指揮顯

示系統(tǒng)GIS地圖顯示實時性和流暢性。

3.2 靶場GIS地圖漫游數(shù)據(jù)調度

在靶場GIS系統(tǒng)中，地圖漫游速度及平滑程度是靶場GIS系統(tǒng)顯示能力的重要技術指標。當前，GIS系統(tǒng)在地圖漫游調度設計中，大多采用多線程技術以消除漫游時可能產(chǎn)生的屏幕閃爍和畫面停頓不連續(xù)的問題。以下，主要討論采用雙緩存策略實現(xiàn)靶場GIS系統(tǒng)地圖漫游數(shù)據(jù)調度設計。

靶場GIS系統(tǒng)運行時，首先在系統(tǒng)內存中開辟兩塊緩存空間，專門用于存放繪制好的地理信息數(shù)據(jù)，我們將其定義為前臺緩存和后臺緩存，緩存的大小應遠超實際屏幕地理信息數(shù)據(jù)量。當靶場指揮操作人員進行地圖漫游操作時，靶場GIS系統(tǒng)啟動前臺線程，組織所需地理信息數(shù)據(jù),將其繪制完成并存儲在前臺緩存中。在系統(tǒng)進行漫游操作過程中，若實際屏幕的中心位置偏離預先設置的觸發(fā)邊界，系統(tǒng)將立即啟動后臺線程，以新的地理位置為中心組織對應的地理信息數(shù)據(jù)，完成地圖繪制并存儲在后臺緩存中。當屏幕中心移動到切換邊界時，系統(tǒng)將后臺緩存中繪制好的圖像拷貝到屏幕的顯示緩存中，同時完成前后臺緩存的切換。循環(huán)往復，屏幕總是顯示已繪制好的地圖畫面。采用多線程的數(shù)據(jù)調度能有效提高靶場GIS系統(tǒng)在地圖漫游操作時，屏幕顯示畫面的實時性和地圖漫游顯示的平滑程度。

4 結束語

本文主要介紹了如何在靶場指揮顯示系統(tǒng)中快速顯示電子地圖的典型方法，并對靶場GIS系統(tǒng)中的電子地圖縮放和漫游的數(shù)據(jù)調度方法做了詳細研究，可推廣應用于靶場指揮顯示系統(tǒng)建設中，滿足靶場在試驗過程中實時有效進行數(shù)據(jù)調度，并對電子地圖進行快速操作的要求，為靶場首長機關對試驗的實時、科學指揮的提供決策支撐。

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韓成哲，男（1972-），碩士，高級工程師，主要研究方向靶場試驗指揮顯示應用。

Research of Method on Electronic Map Display on Range GIS System

Han Chengzhe1，Liu Fuqiang2
（1.PLA，No.92493 Troop, Liaoning huludao 125000,China；2.Naval Academy of Armament,Beijing，100036）

How to enhance the display speed of the electronic map on a fixed platform is a new problem for the GIS study.Aiming at the command and display requirement of the range,the GIS data storage and manage, and the data schedule of the map zoom and ramble are studied.The electronic map speediness display of the range GIS system is solved.

range；data schedule；spatial data；data compression