楊 帆，張令奎，梁發(fā)宏，張小靜

(西安測繪總站，陜西 西安710054)

在Google公司推出瓦片式互聯(lián)網(wǎng)地圖前，Web-GIS產(chǎn)品大都采用實時地圖服務(wù)模式，客戶端發(fā)送一次地圖瀏覽請求，服務(wù)器根據(jù)請求實時生成一張圖片，時間長、效率低、出圖慢［1］。瓦片式地圖服務(wù)是當前在互聯(lián)網(wǎng)上提供公共電子地圖服務(wù)采用最廣泛的服務(wù)模式(如Google Maps、百度地圖等)，當用戶請求某一范圍的地圖時，服務(wù)器只需將預(yù)先生成的相應(yīng)的地圖瓦片數(shù)據(jù)返回給用戶即可［1］。由于圖片無需實時生成，大大減輕了服務(wù)器的負擔［2］，并縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間，進而大大提高了地圖發(fā)布、顯示和瀏覽的速度效率，極大地改進了客戶端和服務(wù)器端的交互效率［3］。

瓦片地圖自動渲染是指瓦片地圖的預(yù)生成，即基于多比例尺矢量基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，按照一定的渲染規(guī)則，利用軟件工具實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)可視化，并按照指定尺寸和指定格式切成若干行及列的圖片的過程。傳統(tǒng)的出版地圖生產(chǎn)過程周期長、效率低，地圖縮編綜合耗時間、費體力。制圖進入數(shù)字化時代以后，整個生產(chǎn)的工藝流程發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變［4］。系列比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫逐步建立完善，地圖出版可以在地圖數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上完成，但成圖自動化程度不高，都是計算機輔助人機交互操作實現(xiàn)，在數(shù)據(jù)的聯(lián)動更新上也受到制約。網(wǎng)絡(luò)地圖要求比例尺跨度大、覆蓋范圍廣、現(xiàn)勢性好，對瓦片地圖的生產(chǎn)更新效率提出了非常高的要求，因此，多級瓦片地圖自動渲染技術(shù)的研究應(yīng)用是當前的重要課題。本文研究的多級瓦片地圖自動渲染規(guī)則在不同區(qū)域?qū)Ш綀D瓦片試生產(chǎn)中得到了驗證，取得了較好效果。

一、分級瓦片地圖原理及制作方法

1．瓦片金字塔原理

瓦片金字塔模型是一種多分辨率層次模型［1］，從瓦片金字塔的頂層到底層，分辨率越來越高，但表示的地理范圍不變［3］，如圖1所示。

圖1 瓦片金字塔示意圖

金字塔的每層分別對應(yīng)某個比例尺的數(shù)據(jù)集，每一個比例尺的數(shù)據(jù)集可以對應(yīng)一層或多層的金字塔地圖瓦片。最頂層的地圖比例尺最小，最底層的地圖比例尺最大，從頂?shù)降讓Φ匚锏拿枋鲈絹碓皆敿殹Ｃ繉油咂瑢?yīng)相應(yīng)的瓦片級別，頂層為0級，向下級數(shù)遞增。顯示地圖時按照顯示比例尺調(diào)用不同級別的瓦片。瓦片按一定的命名規(guī)則和組織方式存儲在服務(wù)器的目錄系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，形成金字塔模型的靜態(tài)地圖緩存。地圖瓦片是柵格圖像，并不具備坐標信息。但是切片運用了相關(guān)切片算法之后，瓦片的行列號隱含了瓦片的角點坐標。

可以根據(jù)瓦片的行列號推算出其覆蓋的地理坐標及投影坐標范圍，也可以通過像素坐標計算出具體定位的位置。反之也能根據(jù)顯示比例尺和地理經(jīng)緯度坐標推算出在一定層級中瓦片的行列號。

2．瓦片地圖制作流程

基于多比例尺矢量基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫制作瓦片地圖的流程如圖2所示，大體分為:數(shù)據(jù)源同化處理—要素取舍—要素符號化—柵格化及切片制作。其中地圖的自動渲染制圖規(guī)則主要包括3部分:多比例尺數(shù)據(jù)源使用規(guī)則、各級要素取舍規(guī)則和分級要素符號化規(guī)則，它們分別作用于前3步。不同級別的瓦片需分別制作，其自動渲染參數(shù)不同。

圖2 分級瓦片制作流程

二、分級瓦片自動渲染制圖規(guī)則設(shè)計

1．數(shù)據(jù)源同化規(guī)則

數(shù)據(jù)源同化規(guī)則主要規(guī)定了不同比例尺的數(shù)據(jù)源對應(yīng)的瓦片地圖級別，并規(guī)定了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)同化處理標準，包括坐標系和投影轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一要素分類分級和編碼體系。

(1)數(shù)據(jù)源選取規(guī)則

地圖的載負量主要取決于地圖比例尺。瓦片地圖是柵格地圖，在瓦片柵格化時圖像分辨率已確定，由式(1)可知其顯示比例尺與地面分辨率成反比，由式(2)可知地面分辨率與瓦片級別成反比。故瓦片的顯示比例尺與瓦片級別成正比，即瓦片級數(shù)越大顯示比例尺越大。

式中，S為顯示比例尺;K=0．025 4 m/inch;φi是圖像分辨率，單位為ppi;φs是地面分辨率，單位為m/像素。

式中，φs為地面分辨率;L是地圖瓦片級別，最小為0，瓦片大小為256×256;R是地球長半徑;π是圓周率。

從視覺感受來說，電子地圖的載負量比紙質(zhì)地圖小，而目前的數(shù)據(jù)庫多以紙質(zhì)地圖為基礎(chǔ)建立，因此數(shù)據(jù)源比例尺最好比相應(yīng)的瓦片顯示比例尺小一些，即將數(shù)據(jù)源地圖放大顯示，這樣可以減少渲染時制圖綜合的工作量，確保地圖載負量適當。盡量選擇信息來源一致的數(shù)據(jù)源，可以確保各級瓦片內(nèi)容的一致性。表1提供了經(jīng)過試驗的瓦片地圖數(shù)據(jù)源選取方案。

表1 各級瓦片數(shù)據(jù)源選取方案

(2)幾何數(shù)據(jù)同化規(guī)則

幾何數(shù)據(jù)的同化處理主要是坐標系和投影的統(tǒng)一。不同比例尺數(shù)據(jù)源的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)往往是不相同的，如表1中1∶500萬為墨卡托投影、1∶100萬為等角圓錐投影、1∶25萬以上為高斯-克呂格投影，如果按照各自的投影方式顯示，不僅同一種比例尺的地圖在跨帶的位置會有裂隙，不同比例尺同一范圍區(qū)域由于投影變形大小不一致，很難按四叉樹結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建地圖瓦片。因此各級數(shù)據(jù)源要統(tǒng)一坐標系和投影。

瓦片地圖坐標系多為WGS-84或CGCS2000?？膳c數(shù)據(jù)源一致，或根據(jù)需求選擇。

瓦片地圖投影常用Web墨卡托投影，它與常規(guī)墨卡托投影的主要區(qū)別就是把地球模擬為球體而非橢球體。赤道作為標準緯線，本初子午線作為中央經(jīng)線，兩者交點為坐標原點，向東向北為正，向西向南為負。當緯度接近90°時，y值趨向于無窮。為了計算方便，將0級瓦片取成正方形，經(jīng)度取全球范圍為［－180°，180°］，緯度取值范圍是［－85．051 128 8°，85．051 128 8°］［5］，也可采用經(jīng)緯度地圖投影(任意圓柱投影)，投影變形與前者不同。

(3)屬性數(shù)據(jù)同化規(guī)則

屬性數(shù)據(jù)同化處理主要是要素分類分級、編碼體系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。同化后的數(shù)據(jù)一方面生成用于顯示的地圖瓦片，另一方面可經(jīng)過提取、重構(gòu)生成地理實體和地名地址等用于支撐分析應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫建庫如果遵循不同的規(guī)范，要素分類分級標準可能不同。如1∶500萬數(shù)據(jù)中居民地按人口分為5級，而1∶100萬以上數(shù)據(jù)按行政級別分為6級。為保持各級地圖瓦片一致性可轉(zhuǎn)換為均按照行政級別分類。

數(shù)據(jù)源編碼體系也可能不同，需建立統(tǒng)一的編碼體系。本項目中的編碼體系在基礎(chǔ)地理信息標準基礎(chǔ)上擴充，要素編碼與符號類型獨立對應(yīng)，有利于地圖要素的可視化。原始數(shù)據(jù)采用6位編碼，試驗中建立的編碼體系在此基礎(chǔ)上增加了2位，并可擴充新編碼。如鐵路車站在類別字段區(qū)分為客運站和貨運站，可在原編碼后分別加“01”和“02”，由編碼直接區(qū)分兩種車站。公路分為國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道等，高速公路不單獨編碼，而是在等級字段中賦“高速”以標識，故擴充單獨的高速公路編碼。

數(shù)據(jù)同化處理后，仍然分層組織，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按要素層統(tǒng)一，如行政區(qū)境界、工農(nóng)業(yè)文化設(shè)施、居民地、交通、水系、植被、管線、地貌等，需分別添加所需字段，刪除冗余字段。

2．要素取舍規(guī)則

瓦片地圖采用金字塔層次模型組織，由頂層到底層分辨率逐步增高，要素表達越來越詳細。各級地圖要清晰美觀，載負量適當，過渡連貫自然。一般來說，上一級地圖選取的要素，下一級地圖也應(yīng)選取。各級要素取舍規(guī)則規(guī)定了各級要素選取的具體指標。

(1)強制取舍的要素

要素取舍規(guī)則首先規(guī)定了各級瓦片必須保留和刪除的要素。如對于點狀居民地，8級瓦片中首都和一級行政中心均要表示，11級中所有地級以上居民地要表示，14級中縣級以上居民地要表示，16級中鄉(xiāng)級以上居民地要表示等。水系、交通、管線等線狀要素需要保證完整連貫的網(wǎng)狀特征，故較高等級均須保留。如河流在保證河網(wǎng)貫通的前提下，可舍去圖內(nèi)最低的1—2級;11級中省道以上公路均保留，14級中鄉(xiāng)道以上公路均保留，16級中公路均保留;重要管線(如電力線)全部保留。總之重要要素首先選取，與主題無關(guān)的要素需刪除。如測控點均不表示，地貌層可不表示或只表示等高線和高程點。

(2)酌情取舍的要素

對于可以取舍的要素，由于數(shù)據(jù)源比例尺多小于成圖比例尺，地圖數(shù)據(jù)放大顯示，要素之間一般不會相互壓蓋，因此主要是標注注記的避讓問題。避讓不僅限于同一要素層中，也要在不同要素層之間進行。也就是說，不同圖層的標注注記優(yōu)先級不同(如居民地層注記高于交通層注記)，同一層中的要素注記也有權(quán)重差異(如居民地按行政等級高低確定取舍權(quán)重)，它們共同決定哪些標注將優(yōu)先放置。不同點、線、面要素要分別確定要素的注記配置方式和優(yōu)先位置。注記沖突時，通過調(diào)整注記位置來解決沖突問題，無法避讓時保留高權(quán)值要素，刪除低權(quán)值要素。

在制定取舍規(guī)則時要注意相互關(guān)聯(lián)的要素一同取舍，如刪除道路，沿路橋梁等附屬設(shè)施也應(yīng)刪除。

根據(jù)上述原則，可制定出各級要素選取方案，其中5、10、18級中部分要素選取原則見表2—表4。

表2 級別為5的地圖要素選取內(nèi)容及要求

表3 級別為10的地圖要素選取內(nèi)容及要求

3．要素符號化規(guī)則

分級要素符號化規(guī)則是地圖可視化表達中最重要的一部分，直接影響地圖表達效果。此規(guī)則按不同分級確定點線面樣式、顏色和尺寸等符號參數(shù)，以及注記符號參數(shù)和注記自動配置方式，尤其是點狀符號和注記不能互相壓蓋。因此要按重要性確定其權(quán)重和注記配置規(guī)則，實現(xiàn)自動避讓和取舍。

(1)瓦片地圖符號設(shè)計

瓦片地圖通常是作為基礎(chǔ)地理信息底圖使用，色調(diào)應(yīng)比較淡雅。尤其是大面積的普染色，飽和度要低。由于不用顧及印刷的技術(shù)條件限制，瓦片地圖的用色可以更多使用復(fù)合色，色彩層次更豐富細膩。如果地圖底色不為白，還可以在符號外沿套用反白輪廓，這樣的符號可以在素色圖和影像圖通用。

同類要素在各級瓦片中的符號要有一致性，在縮放的過程中要能明顯感受到是同一種地物。但由于各級瓦片比例尺相差甚遠，符號又不可能完全相同。點狀要素樣式和顏色可保持不變，符號大小隨瓦片級數(shù)增加逐漸增大。線狀要素線型隨瓦片級數(shù)增加逐漸加寬，可由單線過渡到雙線，甚至三線(如高速公路)，而色彩在同一色系內(nèi)調(diào)整。面狀要素通?？杀３址柌蛔儭?/p>

瓦片地圖符號樣式和尺度可以充分借鑒成熟的地圖圖式，如系列比例尺地形圖圖式規(guī)范。一是保持了用戶對符號的熟悉度，有利于信息傳遞;二是這些符號經(jīng)過充分的實踐檢驗，整體搭配合理。由于屏幕顯示和紙圖閱讀的視覺感受差異，一般需將符號尺寸放大10%～20%，尤其是注記。符號在主體圖形的基礎(chǔ)上可以加入更多特殊效果，如陰影效果、水晶效果等，尤其可以用于需要突出表達的興趣點等地物。

為了減少制圖綜合的壓力，在不影響信息傳遞的前提下，可以根據(jù)屏幕地圖的特點對傳統(tǒng)符號作些改變。如居民地在數(shù)據(jù)庫中會分為依比例尺面狀街區(qū)、半依比例尺線狀房屋和不依比例尺點狀獨立房，如果房屋街區(qū)只是作為背景要素，可將線狀和點狀房屋與面狀街區(qū)設(shè)置為同色，均無邊線。同理可將雙線河與單線河同色表示，無邊線，這樣保留了地物圖形特征，而又避免了雙線河綜合為單線河的工作。

表4 級別為18的地圖要素選取內(nèi)容及要求

(2)注記配置方案

注記位置應(yīng)能明確說明所標注的對象，不產(chǎn)生異義;注記的配置應(yīng)能反映所標注對象的空間分布特征;地圖注記不應(yīng)壓蓋地圖要素的重要特征處。

在本次瓦片試生產(chǎn)中主要應(yīng)用了5種地圖注記自動配置方案:水平標注、屈曲壓線、平行壓線、雁行偏移、雁行標注等。這5種方案適用于大部分地圖產(chǎn)品，基本可涵蓋所有類別的注記。

水平標注:用于居民地、工農(nóng)業(yè)文化設(shè)施等點狀要素或面狀要素的名稱注記。字頭向北，水平排列，無字隔。通常環(huán)繞點位進行配置，八方向探測順序如圖3所示。

圖3 水平標注探測順序

屈曲壓線:用于公路、鐵路、街道等線狀要素的名稱注記。字串壓線居中分散配置，間隔不超過4個字的距離，字頭朝上，方向與要素中心線平行或垂直。

平行壓線:用于公路、鐵路等線狀要素的代號注記，通常與底片配合使用，有號碼牌效果。字串平直壓線居中配置，無字隔，字頭朝上，方向與要素中心線垂直。

雁行偏移:用于河流等線狀要素的名稱注記，通常配合左斜字體。字串沿線一側(cè)分散配置，間隔不超過4個字的距離，字頭向北。

雁行標注:用于湖泊、水庫等點狀要素或面狀要素的名稱注記，通常配合左斜字體。字串中心線平直，水平排列或沿面主軸線排列，字頭向北。

還有一類注記可能無實體對應(yīng)，如山脈、沙漠、草原等，可按照注記層坐標逐字散列配置。山脈注記可用聳肩字體，沙漠、草原等注記可用扁體。

三、分級瓦片自動渲染實現(xiàn)

在本次瓦片試生產(chǎn)中分級瓦片的自動渲染主要利用ArcGIS、Illustrator完成，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換利用自主開發(fā)的轉(zhuǎn)換工具完成。

1．數(shù)據(jù)源同化處理

數(shù)據(jù)源同化處理利用了自主開發(fā)的轉(zhuǎn)換工具，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)向ArcGIS數(shù)據(jù)庫文件的轉(zhuǎn)換。首先根據(jù)分層屬性字段模板建立分層數(shù)據(jù)庫表，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入的過程中，完成數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)要素編碼對應(yīng)表完成代碼轉(zhuǎn)換。要素編碼對應(yīng)表中定義了數(shù)據(jù)一對一、一對多和多對一的對應(yīng)關(guān)系，以及擴展編碼的規(guī)定。

2．要素取舍

要素取舍在ArcGIS軟件中完成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)初步可視化。數(shù)據(jù)按取舍規(guī)則過濾掉不需要的要素后，按分級符號模板符號化，利用Maplex引擎實現(xiàn)注記自動配置。分級符號不必特別精致，重點是尺寸與最終要求一致。此時屏幕上顯示的地圖就是瓦片地圖的雛形，便于人工交互檢查和修改數(shù)據(jù)中的錯誤，若需要進行數(shù)據(jù)更新，也在此步驟進行。完成質(zhì)檢的ArcGIS數(shù)據(jù)一方面用于下一步制作地圖瓦片，另一方面可用于檢索查詢、計算分析等地圖服務(wù)。

3．要素符號化

要素符號化在Illustrator軟件中完成，利用MAPublisher專業(yè)制圖插件，能將在ArcGIS完成要素取舍和注記配置的數(shù)據(jù)在屬性信息不丟失的情況下導(dǎo)入到傳統(tǒng)制圖軟件Illustrator當中，從而利用其在色彩、設(shè)計等方面的優(yōu)勢，生成可與出版地圖媲美的瓦片地圖產(chǎn)品。此步驟實現(xiàn)了地圖符號庫制作、根據(jù)屬性自動匹配符號、注記底片自動添加、路口溶解自動處理、壓蓋順序自動調(diào)整等。

4．柵格化及切片制作

這部分工作也由自主開發(fā)的切片工具完成，將完成編輯的地圖按一定的分辨率柵格化生成地圖圖像，然后按規(guī)則切割為256×256的大小，并按瓦片行列號命名，按級別目錄組織存放。

試生產(chǎn)瓦片地圖效果如圖4所示。

四、結(jié)束語

本文詳細介紹了基于瓦片金字塔原理的多級瓦片地圖自動渲染規(guī)則和實現(xiàn)途徑，此方法在不同區(qū)域?qū)Ш綀D瓦片試生產(chǎn)中得到了驗證，實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)到瓦片地圖的自動成圖，減少人工作業(yè)量90%以上，人工作業(yè)主要用于完成數(shù)據(jù)原始錯誤修改、現(xiàn)勢性更新和質(zhì)量檢查等工作。各項規(guī)則參數(shù)針對從世界圖到街道詳圖各尺度不同比例尺瓦片地圖試驗調(diào)整，并兼顧了發(fā)達地區(qū)、偏遠地區(qū)、內(nèi)陸沿海等地區(qū)不同的地物分布特點，形成了一套比較完善的自動渲染規(guī)則和流程，尤其適用于導(dǎo)航圖底圖瓦片制作，也適用于影像圖、暈渲圖等各圖種地物和注記等疊加圖層的瓦片制作。自動渲染規(guī)則內(nèi)容有很強的通用性，對于各類矢量電子地圖數(shù)據(jù)可視化工作具有借鑒意義。

圖4 瓦片地圖效果

［1］ 蘇旭明，譚建成．WebGIS中瓦片地圖關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．北京測繪，2012(2):9-12．

［2］ 李海亭，費立凡，彭青山，等．預(yù)生成思想在地理信息服務(wù)中的應(yīng)用研究［J］．測繪信息與工程，2009，34(1):31-32．

［3］ 陳鑫祥，吳錦超．利用ArcGIS Engine實現(xiàn)天地圖瓦片數(shù)據(jù)的切割［J］．北京測繪，2013(4):17-20．

［4］ 趙計環(huán)，薛志忠，張貴俊，等．基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)快速出圖技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］．測繪通報，2014(12):114-117．

［5］ 寇曼曼，王勤忠，譚同德．Google Map數(shù)字柵格地圖算法及應(yīng)用［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22(4):204-206．

［6］ 趙娟．數(shù)據(jù)庫制圖技術(shù)在小比例尺世界地圖出版中的應(yīng)用［J］．測繪通報，2015(3):90-93．

［7］ 王永紅，王政．基于ArcMap配圖的地圖預(yù)生成技術(shù)在WebGIS中的應(yīng)用［J］．地理空間信息，2012，10(3):166-167．

［8］ 王小軍，劉璐．基于ArcGIS Engine進行瓦片式切圖的技術(shù)研究［J］．測繪與空間地理信息，2010，33(4):49-51．

［9］ 王志紅，任金銅，汪華君，等．基于ArcGIS的“天地圖·天水”電子地圖建設(shè)［J］．測繪，2014，37(2):63-67．

［10］ 陸藩藩，劉波，宋法奇，等．“天地圖·常州”電子地圖的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．現(xiàn)代測繪，2014，37(4):55-56．

［11］ 陳鑫祥，吳永靜，萬寶林．“天地圖·廣東”數(shù)據(jù)建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．地理信息世界，2013，1(4):60-64．

［12］ 國家測繪地理信息局．地理信息公共服務(wù)平臺電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范:CH/Z 9011—2011［S］．北京:測繪出版社，2011．