分级瓦片地图自动渲染制图规则设计与实现

2015-03-30张令奎梁发宏张小静

测绘通报 2015年2期

杨帆，张令奎，梁发宏，张小静

(西安测绘总站，陕西西安710054)

在Google公司推出瓦片式互联网地图前，Web-GIS产品大都采用实时地图服务模式，客户端发送一次地图浏览请求，服务器根据请求实时生成一张图片，时间长、效率低、出图慢［1］。瓦片式地图服务是当前在互联网上提供公共电子地图服务采用最广泛的服务模式(如Google Maps、百度地图等)，当用户请求某一范围的地图时，服务器只需将预先生成的相应的地图瓦片数据返回给用户即可［1］。由于图片无需实时生成，大大减轻了服务器的负担［2］，并缩短了系统响应时间，进而大大提高了地图发布、显示和浏览的速度效率，极大地改进了客户端和服务器端的交互效率［3］。

瓦片地图自动渲染是指瓦片地图的预生成，即基于多比例尺矢量基础地理信息数据库，按照一定的渲染规则，利用软件工具实现地图数据可视化，并按照指定尺寸和指定格式切成若干行及列的图片的过程。传统的出版地图生产过程周期长、效率低，地图缩编综合耗时间、费体力。制图进入数字化时代以后，整个生产的工艺流程发生了根本性转变［4］。系列比例尺基础地理信息数据库逐步建立完善，地图出版可以在地图数据库基础上完成，但成图自动化程度不高，都是计算机辅助人机交互操作实现，在数据的联动更新上也受到制约。网络地图要求比例尺跨度大、覆盖范围广、现势性好，对瓦片地图的生产更新效率提出了非常高的要求，因此，多级瓦片地图自动渲染技术的研究应用是当前的重要课题。本文研究的多级瓦片地图自动渲染规则在不同区域导航图瓦片试生产中得到了验证，取得了较好效果。

一、分级瓦片地图原理及制作方法

1．瓦片金字塔原理

瓦片金字塔模型是一种多分辨率层次模型［1］，从瓦片金字塔的顶层到底层，分辨率越来越高，但表示的地理范围不变［3］，如图1所示。

图1 瓦片金字塔示意图

金字塔的每层分别对应某个比例尺的数据集，每一个比例尺的数据集可以对应一层或多层的金字塔地图瓦片。最顶层的地图比例尺最小，最底层的地图比例尺最大，从顶到底对地物的描述越来越详细。每层瓦片对应相应的瓦片级别，顶层为0级，向下级数递增。显示地图时按照显示比例尺调用不同级别的瓦片。瓦片按一定的命名规则和组织方式存储在服务器的目录系统或数据库系统中，形成金字塔模型的静态地图缓存。地图瓦片是栅格图像，并不具备坐标信息。但是切片运用了相关切片算法之后，瓦片的行列号隐含了瓦片的角点坐标。

可以根据瓦片的行列号推算出其覆盖的地理坐标及投影坐标范围，也可以通过像素坐标计算出具体定位的位置。反之也能根据显示比例尺和地理经纬度坐标推算出在一定层级中瓦片的行列号。

2．瓦片地图制作流程

基于多比例尺矢量基础地理信息数据库制作瓦片地图的流程如图2所示，大体分为:数据源同化处理—要素取舍—要素符号化—栅格化及切片制作。其中地图的自动渲染制图规则主要包括3部分:多比例尺数据源使用规则、各级要素取舍规则和分级要素符号化规则，它们分别作用于前3步。不同级别的瓦片需分别制作，其自动渲染参数不同。

图2 分级瓦片制作流程

二、分级瓦片自动渲染制图规则设计

1．数据源同化规则

数据源同化规则主要规定了不同比例尺的数据源对应的瓦片地图级别，并规定了多源异构数据同化处理标准，包括坐标系和投影转换、统一数据结构、统一要素分类分级和编码体系。

(1)数据源选取规则

地图的载负量主要取决于地图比例尺。瓦片地图是栅格地图，在瓦片栅格化时图像分辨率已确定，由式(1)可知其显示比例尺与地面分辨率成反比，由式(2)可知地面分辨率与瓦片级别成反比。故瓦片的显示比例尺与瓦片级别成正比，即瓦片级数越大显示比例尺越大。

式中，S为显示比例尺;K=0．025 4 m/inch;φi是图像分辨率，单位为ppi;φs是地面分辨率，单位为m/像素。

式中，φs为地面分辨率;L是地图瓦片级别，最小为0，瓦片大小为256×256;R是地球长半径;π是圆周率。

从视觉感受来说，电子地图的载负量比纸质地图小，而目前的数据库多以纸质地图为基础建立，因此数据源比例尺最好比相应的瓦片显示比例尺小一些，即将数据源地图放大显示，这样可以减少渲染时制图综合的工作量，确保地图载负量适当。尽量选择信息来源一致的数据源，可以确保各级瓦片内容的一致性。表1提供了经过试验的瓦片地图数据源选取方案。

表1 各级瓦片数据源选取方案

(2)几何数据同化规则

几何数据的同化处理主要是坐标系和投影的统一。不同比例尺数据源的数学基础往往是不相同的，如表1中1∶500万为墨卡托投影、1∶100万为等角圆锥投影、1∶25万以上为高斯-克吕格投影，如果按照各自的投影方式显示，不仅同一种比例尺的地图在跨带的位置会有裂隙，不同比例尺同一范围区域由于投影变形大小不一致，很难按四叉树结构模型构建地图瓦片。因此各级数据源要统一坐标系和投影。

瓦片地图坐标系多为WGS-84或CGCS2000。可与数据源一致，或根据需求选择。

瓦片地图投影常用Web墨卡托投影，它与常规墨卡托投影的主要区别就是把地球模拟为球体而非椭球体。赤道作为标准纬线，本初子午线作为中央经线，两者交点为坐标原点，向东向北为正，向西向南为负。当纬度接近90°时，y值趋向于无穷。为了计算方便，将0级瓦片取成正方形，经度取全球范围为［－180°，180°］，纬度取值范围是［－85．051 128 8°，85．051 128 8°］［5］，也可采用经纬度地图投影(任意圆柱投影)，投影变形与前者不同。

(3)属性数据同化规则

属性数据同化处理主要是要素分类分级、编码体系、数据结构的统一。同化后的数据一方面生成用于显示的地图瓦片，另一方面可经过提取、重构生成地理实体和地名地址等用于支撑分析应用的数据。

数据库建库如果遵循不同的规范，要素分类分级标准可能不同。如1∶500万数据中居民地按人口分为5级，而1∶100万以上数据按行政级别分为6级。为保持各级地图瓦片一致性可转换为均按照行政级别分类。

数据源编码体系也可能不同，需建立统一的编码体系。本项目中的编码体系在基础地理信息标准基础上扩充，要素编码与符号类型独立对应，有利于地图要素的可视化。原始数据采用6位编码，试验中建立的编码体系在此基础上增加了2位，并可扩充新编码。如铁路车站在类别字段区分为客运站和货运站，可在原编码后分别加“01”和“02”，由编码直接区分两种车站。公路分为国道、省道、县道、乡道等，高速公路不单独编码，而是在等级字段中赋“高速”以标识，故扩充单独的高速公路编码。

数据同化处理后，仍然分层组织，数据结构按要素层统一，如行政区境界、工农业文化设施、居民地、交通、水系、植被、管线、地貌等，需分别添加所需字段，删除冗余字段。

2．要素取舍规则

瓦片地图采用金字塔层次模型组织，由顶层到底层分辨率逐步增高，要素表达越来越详细。各级地图要清晰美观，载负量适当，过渡连贯自然。一般来说，上一级地图选取的要素，下一级地图也应选取。各级要素取舍规则规定了各级要素选取的具体指标。

(1)强制取舍的要素

要素取舍规则首先规定了各级瓦片必须保留和删除的要素。如对于点状居民地，8级瓦片中首都和一级行政中心均要表示，11级中所有地级以上居民地要表示，14级中县级以上居民地要表示，16级中乡级以上居民地要表示等。水系、交通、管线等线状要素需要保证完整连贯的网状特征，故较高等级均须保留。如河流在保证河网贯通的前提下，可舍去图内最低的1—2级;11级中省道以上公路均保留，14级中乡道以上公路均保留，16级中公路均保留;重要管线(如电力线)全部保留。总之重要要素首先选取，与主题无关的要素需删除。如测控点均不表示，地貌层可不表示或只表示等高线和高程点。

(2)酌情取舍的要素

对于可以取舍的要素，由于数据源比例尺多小于成图比例尺，地图数据放大显示，要素之间一般不会相互压盖，因此主要是标注注记的避让问题。避让不仅限于同一要素层中，也要在不同要素层之间进行。也就是说，不同图层的标注注记优先级不同(如居民地层注记高于交通层注记)，同一层中的要素注记也有权重差异(如居民地按行政等级高低确定取舍权重)，它们共同决定哪些标注将优先放置。不同点、线、面要素要分别确定要素的注记配置方式和优先位置。注记冲突时，通过调整注记位置来解决冲突问题，无法避让时保留高权值要素，删除低权值要素。

在制定取舍规则时要注意相互关联的要素一同取舍，如删除道路，沿路桥梁等附属设施也应删除。

根据上述原则，可制定出各级要素选取方案，其中5、10、18级中部分要素选取原则见表2—表4。

表2 级别为5的地图要素选取内容及要求

表3 级别为10的地图要素选取内容及要求

3．要素符号化规则

分级要素符号化规则是地图可视化表达中最重要的一部分，直接影响地图表达效果。此规则按不同分级确定点线面样式、颜色和尺寸等符号参数，以及注记符号参数和注记自动配置方式，尤其是点状符号和注记不能互相压盖。因此要按重要性确定其权重和注记配置规则，实现自动避让和取舍。

(1)瓦片地图符号设计

瓦片地图通常是作为基础地理信息底图使用，色调应比较淡雅。尤其是大面积的普染色，饱和度要低。由于不用顾及印刷的技术条件限制，瓦片地图的用色可以更多使用复合色，色彩层次更丰富细腻。如果地图底色不为白，还可以在符号外沿套用反白轮廓，这样的符号可以在素色图和影像图通用。

同类要素在各级瓦片中的符号要有一致性，在缩放的过程中要能明显感受到是同一种地物。但由于各级瓦片比例尺相差甚远，符号又不可能完全相同。点状要素样式和颜色可保持不变，符号大小随瓦片级数增加逐渐增大。线状要素线型随瓦片级数增加逐渐加宽，可由单线过渡到双线，甚至三线(如高速公路)，而色彩在同一色系内调整。面状要素通常可保持符号不变。

瓦片地图符号样式和尺度可以充分借鉴成熟的地图图式，如系列比例尺地形图图式规范。一是保持了用户对符号的熟悉度，有利于信息传递;二是这些符号经过充分的实践检验，整体搭配合理。由于屏幕显示和纸图阅读的视觉感受差异，一般需将符号尺寸放大10%～20%，尤其是注记。符号在主体图形的基础上可以加入更多特殊效果，如阴影效果、水晶效果等，尤其可以用于需要突出表达的兴趣点等地物。

为了减少制图综合的压力，在不影响信息传递的前提下，可以根据屏幕地图的特点对传统符号作些改变。如居民地在数据库中会分为依比例尺面状街区、半依比例尺线状房屋和不依比例尺点状独立房，如果房屋街区只是作为背景要素，可将线状和点状房屋与面状街区设置为同色，均无边线。同理可将双线河与单线河同色表示，无边线，这样保留了地物图形特征，而又避免了双线河综合为单线河的工作。

表4 级别为18的地图要素选取内容及要求

(2)注记配置方案

注记位置应能明确说明所标注的对象，不产生异义;注记的配置应能反映所标注对象的空间分布特征;地图注记不应压盖地图要素的重要特征处。

在本次瓦片试生产中主要应用了5种地图注记自动配置方案:水平标注、屈曲压线、平行压线、雁行偏移、雁行标注等。这5种方案适用于大部分地图产品，基本可涵盖所有类别的注记。

水平标注:用于居民地、工农业文化设施等点状要素或面状要素的名称注记。字头向北，水平排列，无字隔。通常环绕点位进行配置，八方向探测顺序如图3所示。

图3 水平标注探测顺序

屈曲压线:用于公路、铁路、街道等线状要素的名称注记。字串压线居中分散配置，间隔不超过4个字的距离，字头朝上，方向与要素中心线平行或垂直。

平行压线:用于公路、铁路等线状要素的代号注记，通常与底片配合使用，有号码牌效果。字串平直压线居中配置，无字隔，字头朝上，方向与要素中心线垂直。

雁行偏移:用于河流等线状要素的名称注记，通常配合左斜字体。字串沿线一侧分散配置，间隔不超过4个字的距离，字头向北。

雁行标注:用于湖泊、水库等点状要素或面状要素的名称注记，通常配合左斜字体。字串中心线平直，水平排列或沿面主轴线排列，字头向北。

还有一类注记可能无实体对应，如山脉、沙漠、草原等，可按照注记层坐标逐字散列配置。山脉注记可用耸肩字体，沙漠、草原等注记可用扁体。

三、分级瓦片自动渲染实现

在本次瓦片试生产中分级瓦片的自动渲染主要利用ArcGIS、Illustrator完成，数据转换利用自主开发的转换工具完成。

1．数据源同化处理

数据源同化处理利用了自主开发的转换工具，实现原始数据向ArcGIS数据库文件的转换。首先根据分层属性字段模板建立分层数据库表，在数据导入的过程中，完成数学基础的转换，并根据要素编码对应表完成代码转换。要素编码对应表中定义了数据一对一、一对多和多对一的对应关系，以及扩展编码的规定。

2．要素取舍

要素取舍在ArcGIS软件中完成，实现数据初步可视化。数据按取舍规则过滤掉不需要的要素后，按分级符号模板符号化，利用Maplex引擎实现注记自动配置。分级符号不必特别精致，重点是尺寸与最终要求一致。此时屏幕上显示的地图就是瓦片地图的雏形，便于人工交互检查和修改数据中的错误，若需要进行数据更新，也在此步骤进行。完成质检的ArcGIS数据一方面用于下一步制作地图瓦片，另一方面可用于检索查询、计算分析等地图服务。

3．要素符号化

要素符号化在Illustrator软件中完成，利用MAPublisher专业制图插件，能将在ArcGIS完成要素取舍和注记配置的数据在属性信息不丢失的情况下导入到传统制图软件Illustrator当中，从而利用其在色彩、设计等方面的优势，生成可与出版地图媲美的瓦片地图产品。此步骤实现了地图符号库制作、根据属性自动匹配符号、注记底片自动添加、路口溶解自动处理、压盖顺序自动调整等。

4．栅格化及切片制作

这部分工作也由自主开发的切片工具完成，将完成编辑的地图按一定的分辨率栅格化生成地图图像，然后按规则切割为256×256的大小，并按瓦片行列号命名，按级别目录组织存放。

试生产瓦片地图效果如图4所示。

四、结束语

本文详细介绍了基于瓦片金字塔原理的多级瓦片地图自动渲染规则和实现途径，此方法在不同区域导航图瓦片试生产中得到了验证，实现了矢量数据到瓦片地图的自动成图，减少人工作业量90%以上，人工作业主要用于完成数据原始错误修改、现势性更新和质量检查等工作。各项规则参数针对从世界图到街道详图各尺度不同比例尺瓦片地图试验调整，并兼顾了发达地区、偏远地区、内陆沿海等地区不同的地物分布特点，形成了一套比较完善的自动渲染规则和流程，尤其适用于导航图底图瓦片制作，也适用于影像图、晕渲图等各图种地物和注记等叠加图层的瓦片制作。自动渲染规则内容有很强的通用性，对于各类矢量电子地图数据可视化工作具有借鉴意义。