张佳，白晓飞，张晓彤，王秀莲，中国土地勘测规划院，北京

摘要

面对日益增长和复杂的海量的土地空间数据，传统的矢量数据制图综合方法和栅格瓦片技术越来越难以满足可视化无缝的数据浏览和高效的实时渲染等需求。基于新的矢量瓦片数据模型，开发了一种土地空间数据可视化技术，实现了空间要素的可视化无损自动合成、矢量瓦片的并行生成、数据的高效渲染和服务发布。实践表明，矢量瓦片技术能够较好地满足海量多比例尺土地空间数据可视化的需要，为自然资源管理和数据应用分析提供技术支持。

关键词

矢量瓦片；空间数据；可视化；数据渲染

1. 简介

土地数据变化频繁，变化复杂结构，具有很强的空间性和图形性[1]。近年来，随着空间信息技术与资源管理的深度融合，土地空间数据种类不断增多，国家土地基础数据库中存储的矢量要素数量已达41亿个[2]。海量空间数据的高效显示、浏览和可视化已成为自然资源管理、决策分析和共享服务的迫切需求。同时，面对大规模的空间数据，即使采用先进的分布式计算技术，也很难实现数据的快速渲染和交互可视化[3]。。地图瓦片技术通过分层、分块存储空间数据，有效地提高了数据显示和浏览的效率。它被广泛应用于以GoogleEarth为代表的数十个数字地球平台和地理空间信息网站[4，5]。然而，基于栅格的地图瓦片越来越难以满足海量空间数据可视化的需要，主要表现在多比例尺数据难以无缝浏览、地图渲染效果单一、交互可视化不够灵活等方面。随着HTML5等新一代互联网技术的兴起，地图的矢量渲染克服了瓶颈，矢量瓦片的技术在交互性和灵活性方面开始发挥其优势[6]。

矢量瓦片是一种新型的地图表达方式，用户可在客户端配置地图符号以满足个性化制图需求，为矢量数据的多尺度可视化提供了解决方案[7，8]，必须重现栅格瓦片的修改风格。矢量瓦片将数据与样式分开，并且瓦片可以配置多种样式，大大减少了时间和存储空间。此外，还提出了从服务器端到客户端的矢量地图符号渲染瓦片，响应速度更快，地图交互更强。鉴于此，根据土地矢量要素的数据特点，提出了一种基于矢量瓦片的土地空间数据可视化技术。该技术有效地提高了瓦片数据生产和渲染的效率，为大比例尺国土空间数据的高效可视化提供了重要的技术支撑。

2. 技术方法

传统的地图特征集成和瓦片制作都是通过人机交互方式进行的，需要大量的人力和时间成本。难以满足海量空间数据动态、快速可视化的需求。本文开发的可视化无损空间特征自动合成算法，无需人工干预，在多个尺度上动态细化和简化空间特征，实现了空间数据的自动合成。在此基础上，利用计算机集群进行分布，使针对矢量特征的瓦片通过矢量瓦片并行生产技术，大大提高了瓦片生产的效率。同时，基于WebGL数据渲染引擎，充分利用GPU的图形化操作优势，进一步提高瓦片渲染的效率。

A.空间数据的视觉无损自动合成功能

对矢量特征进行合理快速的简化和综合是制作矢量瓦片的基础。传统的矢量瓦片生成只对矢量要素的形状进行了简化，不能保证图形的拓扑一致性和语义正确性。土地空间数据对拓扑一致性和语义正确性有严格的要求，需要在拓扑和语义约束下进行简化和综合。该算法的基本原理可以抽象为以下公式：

F表示简化的特征，T表示拓扑约束，S表示语义约束，Z表示缩放约束，V是最小可视距离约束。可见，矢量特征的简化形式依赖于由拓扑、语义、尺度和最小视觉距离组成的“四元组”约束函数。为了保持拓扑的一致性，需要将具有空间拓扑和语义关联的要素分组到待处理的数据集中，以确保每个要素的正确的拓扑和语义关系。

基于可以达到的最小距离通过人眼识别，对多尺度矢量特征进行视觉无损图形简化。主要工艺流程如下：

(1)通过地图投影对矢量要素进行变换，将图形坐标从大地坐标映射到屏幕像素坐标；

(2)根据地图比例尺水平，投影的对矢量图形进行缩放，得到缩放后图形的屏幕像素坐标；

(3)以最小视距为基础标准情况下，对图形进行简化和细化，然后移除重复的坐标和碎片要素。如图1所示，当将道路要素投影并映射到屏幕像素时，地图比例在级别11为10个像素，级别1为3个像素，级别9为1个像素。矢量要素随着地图比例的减小而逐渐减少。由于图形是随着比例的变化而自动合成的，因此特征的细节层次变化平滑，视觉效果流畅。

B.载体瓦片的并行生产技术

矢量瓦片的生成算法要多得多。比栅格瓦片更复杂，以确保特征位置、形状和拓扑的一致性。为了提高切片的效率，设计了一个并行矢量瓦片的生产系统，计算和调度结构如图2所示，管理节点发出生产指令，系统根据数据的大小和操作系统进程的繁忙程度确定参与数据处理的计算节点。在瓦片制作过程中，各计算节点同步、分区地从矢量数据库中读取矢量数据，并将数据结果(矢量瓦片)并行写入瓦片数据库。

C.基于WebGL的数据渲染集成和服务引擎

要减少因以下原因导致的数据显示延迟，请执行以下操作为了提高瓦片数据的可视化效率，提高地图数据的信息传输效率，开发了一个基于WebGL语言的数据渲染和服务引擎，可以有效地将地图渲染从服务器端传输到客户端。该引擎使用GPU进行图形处理和计算，至 重建 这个点、线、面要素的渲染算法。在浏览器端，WebGL程序通过JavaScript进行调度，有效地实现了地图注记之间的避让。基本流程为：

(1)建立索引/渲染方案。确定需要为渲染ING编制索引的每个矢量图层中的要素定义要素的符号描述，包括线型、宽度、填充颜色和符号化顺序。

(2)服务发布。 这个 客户端 使然后，引擎根据瓦片格式、渲染的图形特征生成渲染的数据信息和符号化参数，形成矢量瓦片。

(3)地图加载/显示。客户端接收由引擎发布地图瓦片、瓦片数据信息和符号参数，并动态渲染并加载到地图窗口中，形成满足用户需求的矢量瓦片地图。

3. 验证与应用

A.技术验证

基于上述技术方法，大面积的土地利用空间数据对矢量瓦片的数据生产效率、渲染加载效率和数据浏览效率进行了测试，验证了本文开发的矢量数据可视化技术的有效性和先进性。

1)基础数据和软硬件环境

测试数据是来自年度土地的土地斑块变更调查和动态监控，包括约1.49亿个矢量要素(208GB)。服务器端主要进行矢量瓦片渲染、矢量瓦片服务调度等，客户端主要进行瓦片生产、瓦片服务调用显示、软件性能测试等，如表1所示。

2)可视化比较

矢量瓦片采用矢量瓦片生产工具制作，Mapbox瓦片采用GeoServerTileCache工具制作。如图4所示，与原始矢量数据相比，由于考虑了拓扑规则和语义要求，矢量瓦片保留了更多的土地数据特征。地图框瓦片更随机地简化精细图形，特征难以一致表示，这与原始数据和矢量瓦片明显不同。

3)瓦片并行生产率测试

根据测试数据，生成栅格需要25天时间瓦片s.使用矢量瓦片的生产工具并行生成矢量瓦片，瓦片按规模分为18级，并在7-18级创建索引，记录如表2所示。由此可见，矢量瓦片的生产总共耗时23小时，效率是栅格瓦片的26倍。

4)数据渲染效率测试

使用Jeter模拟多用户并发调用矢量瓦片的地图服务来测试矢量瓦片的渲染引擎的计算效率，如表3所示。在不同的比例尺下，渲染引擎可以快速渲染矢量瓦片。在80个并发用户的情况下，在窗口区域执行渲染瓦片数据的平均时间仅为400.5ms。

5)数据浏览效率对比

浏览多比例矢量要素和矢量瓦片，并记录不同比例尺空间数据的平移时间，如表4所示，矢量瓦片平移浏览的平均时间为2.11s，矢量要素的平均平移浏览时间为6.03s。可见，采用矢量瓦片技术进行空间数据浏览，在不同比例尺下浏览效率稳定可靠，与传统的矢量要素浏览模式相比，效率有明显提高。

B.实际应用

目前，上述可视化技术已在全国土地调查数据库管理系统中得到充分应用。实现了土地基础数据、行业具体数据等40多亿特征的各类空间数据矢量瓦的制作、浏览和发布，应用效果良好。

(1)每年全国土地面积(1.5亿)和线状要素(1.8亿)可在2秒内显示，极大提高了浏览效率。同时，实现了从1：5000000(全国)到1：10000(地块)多比例尺数据的无缝平滑切换。

(2)个性化地图符号定制为实现的，并且支持源数据的多种表示形式。

(3)基于支持向量瓦片的数据查询分析，进一步提高了MAP瓦片的实用性。

结论

为了解决用户浏览效率不高的问题，针对大比例尺陆地空间矢量数据表达不灵活的问题，开发了可视化无损空间要素自动合成技术、矢量瓦片并行生产技术和数据渲染与服务引擎。经技术验证，矢量瓦片的可视化效果优于栅格瓦片，利用瓦片数据并行生产和数据渲染技术，可以在24小时内实现全国亿级土地利用要素的多尺度实时显示，与栅格瓦片相比，显著节省了数据处理时间和存储空间。同时，与矢量特征相比，矢量瓦片的渲染效率较高，数据浏览速度明显提高。

基于矢量瓦片的数据可视化技术深入应用于全国土地数据管理，为大比例尺土地空间数据从微观到宏观的可视化提供了基础支撑，进一步增强了海量土地数据的应用和服务能力。

标签：20,渲染,矢量,空间数据,可视化,瓦片,数据
来源： https://www.cnblogs.com/flying-birds-xyg/p/16023249.html