張佳，白曉飛，張曉彤，王秀蓮，中國土地勘測規劃院，北京

摘要

面對日益增長和複雜的海量的土地空間資料，傳統的向量資料製圖綜合方法和柵格瓦片技術越來越難以滿足視覺化無縫的資料瀏覽和高效的實時渲染等需求。基於新的向量瓦片資料模型，開發了一種土地空間資料視覺化技術，實現了空間要素的視覺化無損自動合成、向量瓦片的並行生成、資料的高效渲染和服務釋出。實踐表明，向量瓦片技術能夠較好地滿足海量多比例尺土地空間資料視覺化的需要，為自然資源管理和資料應用分析提供技術支援。

關鍵詞

向量瓦片；空間資料；視覺化；資料渲染

1. 簡介

土地資料變化頻繁，變化複雜結構，具有很強的空間性和圖形性[1]。近年來，隨著空間資訊科技與資源管理的深度融合，土地空間資料種類不斷增多，國家土地基礎資料庫中儲存的向量要素數量已達41億個[2]。海量空間資料的高效顯示、瀏覽和視覺化已成為自然資源管理、決策分析和共享服務的迫切需求。同時，面對大規模的空間資料，即使採用先進的分散式計算技術，也很難實現資料的快速渲染和互動視覺化[3]。。地圖瓦片技術通過分層、分塊儲存空間資料，有效地提高了資料顯示和瀏覽的效率。它被廣泛應用於以GoogleEarth為代表的數十個數字地球平臺和地理空間資訊網站[4，5]。然而，基於柵格的地圖瓦片越來越難以滿足海量空間資料視覺化的需要，主要表現在多比例尺資料難以無縫瀏覽、地圖渲染效果單一、互動視覺化不夠靈活等方面。隨著HTML5等新一代網際網路技術的興起，地圖的向量渲染克服了瓶頸，向量瓦片的技術在互動性和靈活性方面開始發揮其優勢[6]。

向量瓦片是一種新型的地圖表達方式，使用者可在客戶端配置地圖符號以滿足個性化製圖需求，為向量資料的多尺度視覺化提供瞭解決方案[7，8]，必須重現柵格瓦片的修改風格。向量瓦片將資料與樣式分開，並且瓦片可以配置多種樣式，大大減少了時間和儲存空間。此外，還提出了從伺服器端到客戶端的向量地圖符號渲染瓦片，響應速度更快，地圖互動更強。鑑於此，根據土地向量要素的資料特點，提出了一種基於向量瓦片的土地空間資料視覺化技術。該技術有效地提高了瓦片資料生產和渲染的效率，為大比例尺國土空間資料的高效視覺化提供了重要的技術支撐。

2. 技術方法

傳統的地圖特徵整合和瓦片製作都是通過人機互動方式進行的，需要大量的人力和時間成本。難以滿足海量空間資料動態、快速視覺化的需求。本文開發的視覺化無損空間特徵自動合成演算法，無需人工干預，在多個尺度上動態細化和簡化空間特徵，實現了空間資料的自動合成。在此基礎上，利用計算機叢集進行分佈，使針對向量特徵的瓦片通過向量瓦片並行生產技術，大大提高了瓦片生產的效率。同時，基於WebGL資料渲染引擎，充分利用GPU的圖形化操作優勢，進一步提高瓦片渲染的效率。

A.空間資料的視覺無損自動合成功能

對向量特徵進行合理快速的簡化和綜合是製作向量瓦片的基礎。傳統的向量瓦片生成只對向量要素的形狀進行了簡化，不能保證圖形的拓撲一致性和語義正確性。土地空間資料對拓撲一致性和語義正確性有嚴格的要求，需要在拓撲和語義約束下進行簡化和綜合。該演算法的基本原理可以抽象為以下公式：

F表示簡化的特徵，T表示拓撲約束，S表示語義約束，Z表示縮放約束，V是最小可視距離約束。可見，向量特徵的簡化形式依賴於由拓撲、語義、尺度和最小視覺距離組成的“四元組”約束函式。為了保持拓撲的一致性，需要將具有空間拓撲和語義關聯的要素分組到待處理的資料集中，以確保每個要素的正確的拓撲和語義關係。

基於可以達到的最小距離通過人眼識別，對多尺度向量特徵進行視覺無損圖形簡化。主要工藝流程如下：

(1)通過地圖投影對向量要素進行變換，將圖形座標從大地座標對映到螢幕畫素座標；

(2)根據地圖比例尺水平，投影的對向量圖形進行縮放，得到縮放後圖形的螢幕畫素座標；

(3)以最小視距為基礎標準情況下，對圖形進行簡化和細化，然後移除重複的座標和碎片要素。如圖1所示，當將道路要素投影並對映到螢幕畫素時，地圖比例在級別11為10個畫素，級別1為3個畫素，級別9為1個畫素。向量要素隨著地圖比例的減小而逐漸減少。由於圖形是隨著比例的變化而自動合成的，因此特徵的細節層次變化平滑，視覺效果流暢。

B.載體瓦片的並行生產技術

向量瓦片的生成演算法要多得多。比柵格瓦片更復雜，以確保特徵位置、形狀和拓撲的一致性。為了提高切片的效率，設計了一個並行向量瓦片的生產系統，計算和排程結構如圖2所示，管理節點發出生產指令，系統根據資料的大小和作業系統程序的繁忙程度確定參與資料處理的計算節點。在瓦片製作過程中，各計算節點同步、分割槽地從向量資料庫中讀取向量資料，並將資料結果(向量瓦片)並行寫入瓦片資料庫。

C.基於WebGL的資料渲染整合和服務引擎

要減少因以下原因導致的資料顯示延遲，請執行以下操作為了提高瓦片資料的視覺化效率，提高地圖資料的資訊傳輸效率，開發了一個基於WebGL語言的資料渲染和服務引擎，可以有效地將地圖渲染從伺服器端傳輸到客戶端。該引擎使用GPU進行圖形處理和計算，至 重建 這個點、線、面要素的渲染演算法。在瀏覽器端，WebGL程式通過JavaScript進行排程，有效地實現了地圖註記之間的避讓。基本流程為：

(1)建立索引/渲染方案。確定需要為渲染ING編制索引的每個向量圖層中的要素定義要素的符號描述，包括線型、寬度、填充顏色和符號化順序。

(2)服務釋出。 這個 客戶端 使然後，引擎根據瓦片格式、渲染的圖形特徵生成渲染的資料資訊和符號化引數，形成向量瓦片。

(3)地圖載入/顯示。客戶端接收由引擎釋出地圖瓦片、瓦片資料資訊和符號引數，並動態渲染並載入到地圖視窗中，形成滿足使用者需求的向量瓦片地圖。

3. 驗證與應用

A.技術驗證

基於上述技術方法，大面積的土地利用空間資料對向量瓦片的資料生產效率、渲染載入效率和資料瀏覽效率進行了測試，驗證了本文開發的向量資料視覺化技術的有效性和先進性。

1)基礎資料和軟硬體環境

測試資料是來自年度土地的土地斑塊變更調查和動態監控，包括約1.49億個向量要素(208GB)。伺服器端主要進行向量瓦片渲染、向量瓦片服務排程等，客戶端主要進行瓦片生產、瓦片服務呼叫顯示、軟體效能測試等，如表1所示。

2)視覺化比較

向量瓦片採用向量瓦片生產工具製作，Mapbox瓦片採用GeoServerTileCache工具製作。如圖4所示，與原始向量資料相比，由於考慮了拓撲規則和語義要求，向量瓦片保留了更多的土地資料特徵。地圖框瓦片更隨機地簡化精細圖形，特徵難以一致表示，這與原始資料和向量瓦片明顯不同。

3)瓦片並行生產率測試

根據測試資料，生成柵格需要25天時間瓦片s.使用向量瓦片的生產工具並行生成向量瓦片，瓦片按規模分為18級，並在7-18級建立索引，記錄如表2所示。由此可見，向量瓦片的生產總共耗時23小時，效率是柵格瓦片的26倍。

4)資料渲染效率測試

使用Jeter模擬多使用者併發呼叫向量瓦片的地圖服務來測試向量瓦片的渲染引擎的計算效率，如表3所示。在不同的比例尺下，渲染引擎可以快速渲染向量瓦片。在80個併發使用者的情況下，在視窗區域執行渲染瓦片資料的平均時間僅為400.5ms。

5)資料瀏覽效率對比

瀏覽多比例向量要素和向量瓦片，並記錄不同比例尺空間資料的平移時間，如表4所示，向量瓦片平移瀏覽的平均時間為2.11s，向量要素的平均平移瀏覽時間為6.03s。可見，採用向量瓦片技術進行空間資料瀏覽，在不同比例尺下瀏覽效率穩定可靠，與傳統的向量要素瀏覽模式相比，效率有明顯提高。

B.實際應用

目前，上述視覺化技術已在全國土地調查資料庫管理系統中得到充分應用。實現了土地基礎資料、行業具體資料等40多億特徵的各類空間資料向量瓦的製作、瀏覽和釋出，應用效果良好。

(1)每年全國土地面積(1.5億)和線狀要素(1.8億)可在2秒內顯示，極大提高了瀏覽效率。同時，實現了從1：5000000(全國)到1：10000(地塊)多比例尺資料的無縫平滑切換。

(2)個性化地圖符號定製為實現的，並且支援源資料的多種表示形式。

(3)基於支援向量瓦片的資料查詢分析，進一步提高了MAP瓦片的實用性。

結論

為了解決使用者瀏覽效率不高的問題，針對大比例尺陸地空間向量資料表達不靈活的問題，開發了視覺化無損空間要素自動合成技術、向量瓦片並行生產技術和資料渲染與服務引擎。經技術驗證，向量瓦片的視覺化效果優於柵格瓦片，利用瓦片資料並行生產和資料渲染技術，可以在24小時內實現全國億級土地利用要素的多尺度實時顯示，與柵格瓦片相比，顯著節省了資料處理時間和儲存空間。同時，與向量特徵相比，向量瓦片的渲染效率較高，資料瀏覽速度明顯提高。

基於向量瓦片的資料視覺化技術深入應用於全國土地資料管理，為大比例尺土地空間資料從微觀到巨集觀的視覺化提供了基礎支撐，進一步增強了海量土地資料的應用和服務能力。