■ 文/公安部第一研究所 王超

北京中盾安全技術(shù)開發(fā)公司 李佩虎

呼和浩特市公共安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室 王德清

呼和浩特市公安局科技信息化支隊(duì) 張健

關(guān)鍵字：PGIS 矢量瓦片 地圖樣式 個(gè)性化在線制圖

1 引言

隨著PGIS平臺(tái)的推廣、普及與應(yīng)用，地理信息及電子地圖已被廣泛應(yīng)用于指揮調(diào)度、警情分析、巡防勤務(wù)、社區(qū)警務(wù)等各類公安業(yè)務(wù)領(lǐng)域，成為公安信息化工作不可或缺的一部分。隨著應(yīng)用的不斷深入，各應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電子地圖可視化效果的差異化需求也越來越明顯。目前，PGIS平臺(tái)采用基于柵格瓦片的預(yù)渲染技術(shù)來提供警用電子地圖的瀏覽服務(wù)，數(shù)據(jù)量大，在地圖瀏覽、查詢、分析等應(yīng)用中需要的時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，地圖樣式單一，無法實(shí)現(xiàn)按需設(shè)置的地圖可視化顯示效果，難以滿足實(shí)戰(zhàn)業(yè)務(wù)部門在業(yè)務(wù)開展過程中提出的在線交互制圖需求。

特別是隨著公安“四項(xiàng)建設(shè)”的推進(jìn)，公安警務(wù)工作對(duì)于移動(dòng)端地圖的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多。移動(dòng)端具有存儲(chǔ)有限、對(duì)數(shù)據(jù)量要求高的特點(diǎn)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸量和傳輸速度有較高的要求。同時(shí)，高分大屏在公安指揮中心、交警指揮中心、應(yīng)急指揮等場(chǎng)景中的應(yīng)用日益廣泛，由于PGIS柵格瓦片地圖預(yù)渲染的特點(diǎn)，導(dǎo)致其在高分大屏的應(yīng)用存在諸多問題。因此，尋找一種既能有瓦片地圖分片訪問優(yōu)勢(shì)、同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)矢量地圖動(dòng)態(tài)渲染的技術(shù)，是未來PGIS地圖發(fā)展的一個(gè)方向。

2 研究現(xiàn)狀

近年來，為解決柵格瓦片顯示效果單一、無法交互的問題，國內(nèi)外學(xué)者通過大量探索與研究，提出許多切實(shí)可行的技術(shù)思路與方法。楊梅等提出一種用于大規(guī)模矢量數(shù)據(jù)調(diào)度的策略，引入基于"金字塔"思想的數(shù)據(jù)調(diào)度和工作空間的服務(wù)配置技術(shù)，采用WFS服務(wù)的方式調(diào)度數(shù)據(jù)，將GML數(shù)據(jù)解析為坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。孫璐等提出一種面向服務(wù)器制圖可視化的矢量數(shù)據(jù)多尺度組織方法。基于矢量數(shù)據(jù)瓦片化思想，將矢量數(shù)據(jù)按照全球地理空間金字塔索引模型劃分為層次化瓦片數(shù)據(jù)，將服務(wù)器制圖可視化處理中對(duì)數(shù)據(jù)圖層的空間查詢操作，轉(zhuǎn)化為對(duì)瓦片數(shù)據(jù)的讀取操作。這種方案是谷歌柵格瓦片技術(shù)的一種延伸，將用于傳輸?shù)氖噶繑?shù)據(jù)切分成小的數(shù)據(jù)單元進(jìn)行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)單元只包含一定范圍內(nèi)的要素信息，瓦片攜帶的是用于繪制的數(shù)據(jù)，而不是已經(jīng)繪制出的固定樣式的圖片，從而實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的瓦片化，使數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和傳輸變得更加高效，在客戶端進(jìn)行更快、更靈活的渲染。

實(shí)現(xiàn)基于矢量瓦片的地圖服務(wù)，首先需要完成矢量數(shù)據(jù)的瓦片化處理。王亞平等提出一種基于開源軟件的矢量瓦片生成方法，為矢量瓦片的構(gòu)建提供了可行的技術(shù)參考。在矢量瓦片的數(shù)據(jù)格式與組織方法方面，目前并沒有明確的格式標(biāo)準(zhǔn)和體系標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)有了一些探索和實(shí)際應(yīng)用的成果。孫晨龍等針對(duì)當(dāng)前矢量數(shù)據(jù)組織方法在顯示效率和效果方面存在的不足,提出一種基于矢量瓦片的矢量數(shù)據(jù)組織方法，此外還有GeoJSON、PBF、SVTiles等開源及商用的矢量瓦片數(shù)據(jù)格式定義參考。

在上述理論與技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步開展了基于矢量瓦片的原型系統(tǒng)研究與開發(fā)。周婷通過自行搭建矢量瓦片服務(wù)器，按照瓦片地圖金字塔模型切割并緩存地圖數(shù)據(jù)，完成矢量地圖的渲染工作，基于地圖功能的基本實(shí)現(xiàn)，以用戶軌跡數(shù)據(jù)和手機(jī)通話記錄數(shù)據(jù)為例，在矢量地圖上分別采用網(wǎng)眼和動(dòng)態(tài)弧線的方式進(jìn)行了可視化呈現(xiàn)。朱秀麗等研究了矢量瓦片的圖形數(shù)據(jù)和要素?cái)?shù)據(jù)的編碼、矢量瓦片的組織存儲(chǔ)方式并實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量瓦片的實(shí)時(shí)渲染。周強(qiáng)等、何猛等還將矢量瓦片技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)端地圖中，提出了移動(dòng)地圖中矢量瓦片的組織方法，討論了移動(dòng)終端瓦片技術(shù)的應(yīng)用模式及其業(yè)務(wù)發(fā)展的主要制約因素。

當(dāng)前研究成果表明，矢量瓦片技術(shù)克服了傳統(tǒng)柵格瓦片的缺陷，在交互性、渲染效果、動(dòng)態(tài)制圖及實(shí)時(shí)屬性查詢等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。本文在綜合分析當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，采用矢量瓦片技術(shù)，將警務(wù)空間矢量數(shù)據(jù)與瓦片化的多分辨率“金字塔”數(shù)據(jù)組織模型結(jié)合起來，利用前端實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，研究開發(fā)了交互式警用電子地圖在線制圖與服務(wù)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于呼和浩特市“平安首府”項(xiàng)目中，為各警種警務(wù)空間數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)提供了有效支撐。

3 基于“金字塔”模型的矢量瓦片數(shù)據(jù)處理與組織

“金字塔”模型是當(dāng)前使用最廣泛的多尺度瓦片數(shù)據(jù)組織模型。其主要原理是將空間區(qū)域進(jìn)行不同尺度的劃分，每個(gè)尺度上形成一系列彼此相接、無縫覆蓋的空間瓦片區(qū)域。不同尺度的瓦片數(shù)目規(guī)模按尺度大小呈等比級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，狀若“金字塔”，因此稱之為“金字塔”模型。

3.1 多尺度矢量圖層數(shù)據(jù)預(yù)處理

矢量地圖采用前端實(shí)時(shí)繪圖模式完成地圖渲染，在服務(wù)器端的緩存數(shù)據(jù)為原始的矢量數(shù)據(jù)集。緩存之前需要作數(shù)據(jù)分層處理，即將同類型的需要協(xié)同展示的數(shù)據(jù)分配在一個(gè)圖層中。理論上講，可以直接使用警用基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、警用專用地理信息數(shù)據(jù)庫及公共地理信息數(shù)據(jù)庫中的圖層劃分。但考慮到“三庫”中的圖層劃分是以數(shù)據(jù)管理為目的的，而動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理是以地圖繪制、展示和應(yīng)用為目的，因此需要對(duì)圖層劃分進(jìn)行一定的調(diào)整，形成新的圖層數(shù)據(jù)。調(diào)整方式主要有以下三種：

（1）圖層剔除。將“三庫”中一些在一般繪圖中不需要的圖層剔除，不進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)整理。如高程點(diǎn)、等高線、土地覆蓋、注記、動(dòng)態(tài)目標(biāo)等。

（2）圖層拆分。對(duì)“三庫”中部分承載內(nèi)容較多，各種類型要素表達(dá)方式相差較大的圖層進(jìn)行拆分，盡量做到同一圖層中的數(shù)據(jù)表達(dá)方式一致。如各類場(chǎng)所、管理設(shè)施、管線等。

（3）圖層合并。“三庫”中圖層分類比較細(xì)，圖層數(shù)量較多，為減少客戶端繪圖時(shí)的數(shù)據(jù)獲取次數(shù)，提供地圖繪制效率，需要結(jié)合各業(yè)務(wù)地圖繪制需求，對(duì)“三庫”中的部分圖層進(jìn)行合并操作。

根據(jù)以上原則，將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)劃分為：行政區(qū)劃、交通、水系、居民地及設(shè)施、管線等圖層。將警用公共信息數(shù)據(jù)劃分為交通、場(chǎng)所、單位信息、門牌、警用管理分區(qū)、水系、基礎(chǔ)設(shè)施等。

矢量瓦片采用分層分級(jí)的技術(shù)路線和金字塔數(shù)據(jù)組織方式，在瓦片制作時(shí)需要考慮不同比例尺下的瓦片制作級(jí)別問題。大比例尺矢量數(shù)據(jù)在的直接繪制會(huì)給前端帶來巨大的壓力，需要對(duì)不同比例尺制作不同級(jí)別的瓦片數(shù)據(jù)。概括前，應(yīng)盡量選擇比例尺恰當(dāng)?shù)脑紨?shù)據(jù)，以減少概括的工作量，參考如表1。

表1 矢量地圖切片級(jí)別參照表

在對(duì)圖層進(jìn)行概括時(shí)遵循以下原則與基本規(guī)律：保持事物分布特點(diǎn)；反映事物密度對(duì)比；既尊重指標(biāo)又靈活掌握；制圖對(duì)象的密度越大，其選取標(biāo)準(zhǔn)越高，反之亦然；遵循從主到次、從大到小的順序原則進(jìn)行選取，以使地圖保持原來區(qū)域的基本面貌；在保持各密度去之間具有最小辨認(rèn)系數(shù)的前提下，保持各區(qū)域間的密度對(duì)比關(guān)系。

在對(duì)要素進(jìn)行概括時(shí)，主要表現(xiàn)在對(duì)復(fù)雜地理要素的簡(jiǎn)化處理。對(duì)于點(diǎn)要素的處理，根據(jù)點(diǎn)要素的優(yōu)先級(jí)別，通過抽稀和分級(jí)顯示的方法處理。對(duì)于線狀要素，在要素整體相似性、一致性和精確性的基本要求下，采用目前公認(rèn)的矢量線要素簡(jiǎn)化經(jīng)典算法Douglas-Peucker（D-P算法）對(duì)線要素逐比例尺進(jìn)行抽稀和化簡(jiǎn)處理。針對(duì)面要素，隨著比例尺級(jí)別的縮小，面積較小的圖斑在地圖上顯示時(shí)無法表達(dá)地理要素信息，根據(jù)顯示級(jí)別處理掉面積較小的圖斑。

3.2 矢量瓦片構(gòu)建

為了與PGIS柵格瓦片兼容，參照PGIS柵格瓦片構(gòu)建規(guī)則，某一級(jí)別下，矢量瓦片個(gè)數(shù)、瓦片地面分辨率、顯示比例尺和矢量數(shù)據(jù)源比例尺見表2。

表2 各級(jí)地圖矢量瓦片特征表

根據(jù)與PGIS原有的柵格瓦片兼容的原則，按照PGIS切片規(guī)則逐比例尺逐層的對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，形成矢量瓦片數(shù)據(jù)。矢量瓦片數(shù)據(jù)遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：采用CGCS2000國家大地坐標(biāo)系；切圖原點(diǎn)為（-180，90），向東向南逐漸遞增；地圖分級(jí)1-20，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要可以繼續(xù)擴(kuò)展。某級(jí)單個(gè)瓦片的所表示地面范圍的大?。?/p>

其中：Sn表示單個(gè)矢量瓦片所代表的地面范圍的大小，單位為m2；96為PGIS柵格瓦片像素密度；0.0254為米到英寸的轉(zhuǎn)換系數(shù)；256*0.0254/（96*地圖顯示比例）為某一級(jí)矢量瓦片的寬度，單位為m；地圖顯示比例可以根據(jù)地圖級(jí)別從表2中獲得。

切圖時(shí)，根據(jù)“金字塔”模型，首先通過地圖數(shù)據(jù)源的坐標(biāo)范圍，確定1-20級(jí)各級(jí)矢量切片的行列號(hào)；然后計(jì)算出每一級(jí)切片下每個(gè)瓦片的坐標(biāo)范圍；最后根據(jù)各級(jí)地圖所包含的圖層和圖層中要素的顯示級(jí)別，結(jié)合各瓦片的坐標(biāo)范圍生成選定格式的矢量瓦片數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)

目前主流的矢量空間數(shù)據(jù)交換格式分為基于XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）的地理空間數(shù)據(jù)交換格式（如SVG、GML、KML）和基于JSON（JavaScript對(duì)象表示法）的輕量級(jí)地理空間數(shù)據(jù)交換格式（如GeoJSON、TopoJSON）兩種?；赬ML的數(shù)據(jù)交換格式在面對(duì)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況時(shí)，會(huì)存在大量的數(shù)據(jù)冗余，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時(shí)解析時(shí)在瀏覽器端還會(huì)存在一定的兼容性問題。GeoJSON作為一種基于JSON的數(shù)據(jù)交換格式，遵循OGC簡(jiǎn)單要素規(guī)范，可以對(duì)地理要素進(jìn)行編碼，具有易讀性強(qiáng)、擴(kuò)展新高和通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，有利于地理數(shù)據(jù)的傳輸。結(jié)合PGIS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和主流數(shù)據(jù)交換格式的特點(diǎn)，采用GeoJSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的承載。

每個(gè)矢量瓦片包含若干個(gè)圖層，每個(gè)圖層由若干個(gè)點(diǎn)、線、面等地理實(shí)體的集合組成，每個(gè)實(shí)體集合由若干個(gè)地理實(shí)體組成，每個(gè)地理實(shí)體包含有實(shí)體的位置信息和屬性信息。一個(gè)矢量瓦片就是一個(gè)GeoJSON文件（如圖1所示），包含所有落在該瓦片范圍內(nèi)實(shí)體（點(diǎn)、線、面）的位置信息和屬性信息。位置信息包括要素的類別和實(shí)際地理位置信息。屬性信息以鍵值對(duì)的（key-value）的方式存儲(chǔ)，主要包括屬性名稱和級(jí)別兩個(gè)屬性。GeoJSON字符串如下：

{"features"：[{"geometry"：{"coordinates"：[],"type"："Lin eString"},"properties"：{},"type"："Feature"}],"type"："Feature Collection"}

其中，features是一個(gè)字符串?dāng)?shù)組，包括一個(gè)瓦片中所有地理實(shí)體的位置信息和屬性信息，每一個(gè)元素代表一個(gè)地理實(shí)體；coordinates是由coordinate構(gòu)成的數(shù)組，表示一個(gè)地理實(shí)體的位置信息，數(shù)組元素結(jié)構(gòu)由幾何類型來確定；type為地理要素類型，"Point", "MultiPoint"，"LineString"，"MultiLineString"，"Polygon"，"MultiPolygon"，"GeometryCollection"，"Feature"，或者"FeatureCollection"；properties是由地理要素屬性集合構(gòu)成的一個(gè)對(duì)象。

圖1 矢量瓦片示例圖

地圖樣式采用JSON格式的配置文件進(jìn)行存儲(chǔ)，以配置文件的方式獨(dú)立于矢量瓦片單獨(dú)存在。通過這樣的方式，可以在不改變矢量瓦片的條件下對(duì)樣式屬性信息進(jìn)行修改，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)要素樣式信息的交互性。矢量瓦片的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 矢量瓦片組織結(jié)構(gòu)模型

矢量瓦片在服務(wù)器中以GeoJSON文件格式存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)文件分為三層，Z/X/Y/*.geojson(Z：地圖級(jí)別，X：列號(hào)，Y：行號(hào))，地圖樣式文件采用JSON格式以配置文件的方式單獨(dú)存儲(chǔ)。通過建立瓦片金字塔，確定任意瓦片的邏輯索引和矢量數(shù)據(jù)多尺度組織的邏輯索引之間的映射?？蛻舳嗽诶L制時(shí)，根據(jù)瓦片索引直接讀取矢量瓦片進(jìn)行繪制，不再依賴于原始數(shù)據(jù)。

4 基于樣式描述的交互制圖與動(dòng)態(tài)渲染

與柵格瓦片的預(yù)渲染機(jī)制不同，矢量瓦片技術(shù)通過調(diào)用原始數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)渲染的機(jī)制。當(dāng)用戶在前端進(jìn)行地圖操作時(shí)，矢量瓦片可以根據(jù)樣式配置在前端進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，提升用戶的交互性和靈活性。

圖3 矢量地圖數(shù)據(jù)組織形式

圖3 矢量地圖數(shù)據(jù)組織形式

根據(jù)矢量地圖數(shù)據(jù)組織形式（圖3），每個(gè)地圖對(duì)象由多個(gè)圖層組成。每個(gè)圖層包含一個(gè)數(shù)據(jù)源和一個(gè)JSON格式的樣式文件，然后將所有圖層的樣式文件整合為一個(gè)統(tǒng)一的地圖樣式配置文件。樣式文件用以控制每個(gè)圖層的展示樣式。通過動(dòng)態(tài)修改樣式文件，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)格地圖的在線制作。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，樣式又分為點(diǎn)、線和面樣式。各類樣式屬性見圖4。

圖4 樣式屬性

通過可視化的樣式編輯頁面，對(duì)樣式屬性進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，實(shí)現(xiàn)樣式文件的在線動(dòng)態(tài)編輯。然后采用oPenlayers開源引擎，調(diào)用編輯后的樣式文件，由瀏覽器負(fù)責(zé)進(jìn)行矢量地圖渲染，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量地圖的實(shí)施渲染。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文構(gòu)建一套交互式警用電子地圖在線制圖與服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用矢量瓦片技術(shù)，將警務(wù)空間矢量數(shù)據(jù)與瓦片化的多分辨率金字塔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)緩存結(jié)合起來，利用前端實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，提供個(gè)性化的地圖定制服務(wù)，在交互性、渲染效果、動(dòng)態(tài)制圖及實(shí)時(shí)屬性查詢等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，為各警種警務(wù)空間數(shù)據(jù)可視化和個(gè)性化定制提供有效支撐。系統(tǒng)界面(見后頁)。

為了和PGIS互相兼容，互為服務(wù)，系統(tǒng)參照《警用地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)地圖選用技術(shù)要求》《警用地理信息數(shù)據(jù)分層及命名規(guī)則》《警用地理信息屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》《警用地理信息瓦片地圖規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。系統(tǒng)在提供PGIS原有的柵格地圖服務(wù)的同時(shí)，提供六套不同風(fēng)格的矢量地圖模板。用戶可以基于系統(tǒng)提供的六套模板（湛藍(lán)簡(jiǎn)潔地圖、深黑湛藍(lán)地圖、簡(jiǎn)約地圖、深黑簡(jiǎn)約地圖、全市路網(wǎng)圖、主城區(qū)路網(wǎng)圖），在線進(jìn)行個(gè)性化地圖的定制服務(wù)，定制后的樣式通過定制服務(wù)可同步到地圖樣式數(shù)據(jù)中，用戶可以直接發(fā)布并使用定制好的地圖解決方案。地圖定制化效果如圖6。

圖5 動(dòng)態(tài)矢量地圖展示系統(tǒng)

圖6 在線個(gè)性化定制效果

通過這種方式，可實(shí)現(xiàn)一種所見即所得的地圖配置形式，避免了傳統(tǒng)web地圖每次展示細(xì)節(jié)的調(diào)整均需要專業(yè)人員進(jìn)行配圖、編譯和發(fā)布的過程，明顯提高了個(gè)性化定制與服務(wù)水平。

6 結(jié)束語

矢量瓦片技術(shù)采用“金字塔”模型和高效的切片存儲(chǔ)格式，可以在前端按需靈活繪制、渲染并展示，并且能進(jìn)行地圖樣式的靈活配置，能夠有效解決柵格瓦片地圖存在的切圖體積過大、切圖效率低、地圖樣式單一、對(duì)高分屏支持不足的問題，為今后PGIS平臺(tái)的升級(jí)和發(fā)展提供有益經(jīng)驗(yàn)。