王　柯，王　騰，張文詩，馬宏斌

(1. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052； 2. 光藝微電子有限公司，美國(guó)加州 米爾皮塔斯 95035)

Research on the Data Model of Mobile Terminal GIS Map

WANG Ke，WANG Teng，ZHANG Wenshi，MA Hongbin

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移動(dòng)終端GIS地圖數(shù)據(jù)模型研究

王柯1，王騰2，張文詩1，馬宏斌1

(1. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052； 2. 光藝微電子有限公司，美國(guó)加州 米爾皮塔斯 95035)

Research on the Data Model of Mobile Terminal GIS Map

WANG Ke，WANG Teng，ZHANG Wenshi，MA Hongbin

摘要：介紹了移動(dòng)終端GIS的應(yīng)用概況和發(fā)展前景；研究了移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型的相關(guān)知識(shí)，包括數(shù)據(jù)表達(dá)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一種基于自定義瓦片格式的地圖數(shù)據(jù)模型；通過對(duì)數(shù)據(jù)管理和空間索引等內(nèi)容的研究，提出了一種改進(jìn)的移動(dòng)GIS空間索引結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理模式，并對(duì)其進(jìn)行了比較和分析。該地圖數(shù)據(jù)模型可以為移動(dòng)GIS地圖應(yīng)用提供高效、快速、準(zhǔn)確的操作平臺(tái)和技術(shù)支持，具有較高的實(shí)用性和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)終端；地圖數(shù)據(jù)模型；移動(dòng)GIS；自定義瓦片；空間索引

一、引言

移動(dòng)終端GIS是指運(yùn)行于移動(dòng)終端設(shè)備上的、具備PC版GIS部分功能的、擁有移動(dòng)計(jì)算能力的地理信息系統(tǒng)。隨著嵌入式操作系統(tǒng)、移動(dòng)智能終端、無線互聯(lián)網(wǎng)等軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)GIS逐漸具備了提供地理空間信息公共服務(wù)“4A”的能力，移動(dòng)終端GIS應(yīng)用已經(jīng)成為GIS應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[1]。

傳統(tǒng)GIS主要依托服務(wù)器端硬件和桌面開發(fā)平臺(tái)軟件的強(qiáng)大性能實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖的服務(wù)應(yīng)用，而移動(dòng)GIS的服務(wù)指數(shù)主要取決于硬件配置和嵌入式操作系統(tǒng)性能[2]。面向移動(dòng)終端的移動(dòng)GIS地圖服務(wù)應(yīng)用逐漸得到普及，基于移動(dòng)地圖的數(shù)據(jù)模型成為了研究熱點(diǎn)，相對(duì)于桌面GIS的靜態(tài)GIS和靜態(tài)地圖特性，移動(dòng)GIS的動(dòng)態(tài)GIS和動(dòng)態(tài)地圖在數(shù)據(jù)模型上依托于移動(dòng)式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模式，伴隨著移動(dòng)式信息服務(wù)需求不斷增長(zhǎng)，如何依托移動(dòng)終端有限的平臺(tái)資源實(shí)現(xiàn)移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)、高效檢索與快速應(yīng)用成為了一個(gè)亟待解決的問題[3]。

本文針對(duì)移動(dòng)終端GIS地圖數(shù)據(jù)模型進(jìn)行相關(guān)理論研究和技術(shù)探索，提出了一種實(shí)用、有效的移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)了模型中的數(shù)據(jù)表達(dá)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等理論框架，構(gòu)建了一種移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模式，設(shè)計(jì)了相關(guān)技術(shù)框架，可應(yīng)用于移動(dòng)GIS地圖服務(wù)、移動(dòng)式數(shù)據(jù)采集、路徑動(dòng)態(tài)導(dǎo)航等領(lǐng)域。

二、移動(dòng)終端GIS概述

移動(dòng)終端GIS的描述有狹義與廣義之分。狹義上，移動(dòng)終端GIS特指應(yīng)用于移動(dòng)終端上的GIS，是一個(gè)客戶端即服務(wù)器端的應(yīng)用軟件；廣義上，移動(dòng)終端GIS泛指客戶端為移動(dòng)終端平臺(tái)的各種GIS，既可以是單純的應(yīng)用軟件，也可以是擁有客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)的應(yīng)用組件式平臺(tái)。移動(dòng)終端GIS應(yīng)用平臺(tái)由3部分組成：操作系統(tǒng)(桌面系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng))、應(yīng)用平臺(tái)(移動(dòng)終端和服務(wù)器硬件設(shè)備)和GIS軟件[4]，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1　移動(dòng)終端GIS組成

三、移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型

移動(dòng)終端GIS在應(yīng)用范疇上屬于移動(dòng)GIS應(yīng)用，基于地圖的各種應(yīng)用，尤其是在地理空間信息服務(wù)方面，移動(dòng)終端GIS應(yīng)用得到了普及[5]。移動(dòng)終端硬件資源的有限性使得目前很多移動(dòng)GIS地圖服務(wù)功能受到性能限制，這就需要設(shè)計(jì)出一種高效的移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型，以最大限度發(fā)揮移動(dòng)終端GIS基于地圖服務(wù)的應(yīng)用。

1. 數(shù)據(jù)表達(dá)

移動(dòng)GIS可基于多種地圖服務(wù)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá)，本文主要研究基于自定義瓦片地圖的數(shù)據(jù)表達(dá)。作為移動(dòng)GIS地圖表達(dá)的顯示格式，數(shù)據(jù)模型包含地理實(shí)體與地理實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系。數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)組成，前者以點(diǎn)狀、線狀和面狀等幾何屬性加上描述語言表達(dá)地理要素，其單一要素的空間位置通過有序二維坐標(biāo)值(x，y)進(jìn)行描述，地理實(shí)體間的空間屬性由拓?fù)鋱D決定；后者以網(wǎng)格的形式規(guī)則描述地理實(shí)體，通過每個(gè)網(wǎng)格的屬性值表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)，可根據(jù)網(wǎng)格行列號(hào)，結(jié)合地圖分辨率(行與列)得出當(dāng)前柵格單元的實(shí)體數(shù)據(jù)[6]。如圖2所示，可逐行逐列順序表達(dá)數(shù)據(jù)柵格單元，數(shù)據(jù)柵格單元二維坐標(biāo)值(x，y)的計(jì)算公式為

x=j×GRID_WIDTH+x0

(1)

y=i×GRID_HEIGHT+y0

(2)

圖2　數(shù)據(jù)柵格單元坐標(biāo)計(jì)算

2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

自定義瓦片地圖數(shù)據(jù)采用分層分塊格式，地理實(shí)體依照分辨率按比例顯示，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：①點(diǎn)狀實(shí)體，設(shè)置網(wǎng)格坐標(biāo)、幾何大小與顏色搭配等對(duì)應(yīng)屬性；②線狀實(shí)體，設(shè)置起始二維坐標(biāo)、形狀等級(jí)與色調(diào)融合等對(duì)應(yīng)屬性；③面狀實(shí)體，設(shè)置組成線段二維坐標(biāo)集、網(wǎng)格面特征列表與像素點(diǎn)區(qū)域色調(diào)等對(duì)應(yīng)屬性；④每一地理實(shí)體匹配瓦片層標(biāo)識(shí)、網(wǎng)格坐標(biāo)標(biāo)識(shí)與分層比例標(biāo)識(shí)等，使得對(duì)應(yīng)實(shí)體線或無規(guī)則多邊形中涵蓋的網(wǎng)格像素點(diǎn)依據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)符有序組合；⑤每個(gè)地理實(shí)體可以添加對(duì)應(yīng)語義信息和幾何圖形信息，還可以關(guān)聯(lián)相關(guān)多媒體信息，添加的信息被賦予相應(yīng)地理屬性[7]。

在本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，瓦片層標(biāo)識(shí)符FLayerID表示實(shí)體對(duì)象所處圖層；網(wǎng)格坐標(biāo)標(biāo)識(shí)符GridID表示空間實(shí)體坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)域；像素點(diǎn)標(biāo)識(shí)符PixelID表示地理實(shí)體空間PolylineID；地理實(shí)體標(biāo)識(shí)符SolidID表示地理實(shí)體的點(diǎn)狀、線狀與面狀等屬性；GA標(biāo)識(shí)符表示地理實(shí)體的圖形特征，如幾何形狀、色調(diào)和線寬等；Dir表示面狀地體實(shí)體區(qū)域?qū)傩?內(nèi)/外)；SerialNO表示空間地理實(shí)體的構(gòu)成元素次序號(hào)；X、Y用于表示二維坐標(biāo)值。采用此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖數(shù)據(jù)的多尺度表達(dá)和高效存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

3. 數(shù)據(jù)模型

移動(dòng)終端GIS地圖應(yīng)用面向的主體為地理實(shí)體，這類實(shí)體的數(shù)據(jù)模型基于實(shí)體間的概念抽象與邏輯關(guān)系。有效的數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)機(jī)制既可以準(zhǔn)確表達(dá)地理空間現(xiàn)象，又能提供完整的地理景觀[8]。針對(duì)移動(dòng)終端的軟硬件特性，結(jié)合GIS地圖服務(wù)功能需求，本文提出了一種面向地圖應(yīng)用的移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)模型，此類數(shù)據(jù)模型主要針對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫而設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)終端GIS的地理空間分析功能與空間索引操作。

移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)模型中，每一地物都匹配對(duì)應(yīng)的基類，每一基類衍生出3種地物類別：點(diǎn)、線和面?；诿恳换悾梢悦嫦虿煌瑧?yīng)用需求派生出功能各異的衍生類?；诘貓D數(shù)據(jù)的基類中，根據(jù)圖形操作的要求不同與邏輯關(guān)系的屬性不同，可將同一操作性質(zhì)和應(yīng)用屬性的基類封裝為同一圖層類，這類數(shù)據(jù)既具有地理實(shí)體物理屬性，也具有其邏輯屬性[9]。本文中的數(shù)據(jù)模型是基于數(shù)據(jù)圖層對(duì)地理實(shí)體進(jìn)行操作的，具體運(yùn)作程序如下：

1) 獲取數(shù)據(jù)圖層的對(duì)象集合，然后基于對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)圖層的指針，進(jìn)行遍歷操作。

2) 依據(jù)圖層中實(shí)體對(duì)象的幾何分類，進(jìn)行遍歷操作：對(duì)點(diǎn)實(shí)體集合進(jìn)行遍歷操作，獲取對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)象；對(duì)線狀實(shí)體集合和面狀實(shí)體集合分別進(jìn)行遍歷操作，獲取對(duì)應(yīng)指針對(duì)象，然后取得指針對(duì)象對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集合規(guī)模、形狀、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

對(duì)于屬性相近或數(shù)據(jù)差異不大的數(shù)據(jù)圖層，移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型對(duì)其附帶了一個(gè)復(fù)合圖層，利用其自身包含的唯一標(biāo)識(shí)ID，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)圖層的精確操作，從而避免了誤操作。在移動(dòng)終端平臺(tái)上，GIS地圖數(shù)據(jù)模型采用SQLite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行圖層驅(qū)動(dòng)，與地理實(shí)體相關(guān)聯(lián)的地圖屬性數(shù)據(jù)、圖形圖像數(shù)據(jù)等通過唯一身份標(biāo)識(shí)符ID進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)的高效讀取和快速顯示。移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

四、移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模式

移動(dòng)終端GIS地圖數(shù)據(jù)采用自定義瓦片金字塔模型，按照地理實(shí)體類別與屬性特征進(jìn)行分層顯示，每一圖層依據(jù)分辨率級(jí)別匹配對(duì)應(yīng)參數(shù)。移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模式采用網(wǎng)格式布置，圖層數(shù)據(jù)在同一顯示級(jí)別中以網(wǎng)格形式存在，網(wǎng)格中的每一塊對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的地理實(shí)體數(shù)據(jù)單元，每一個(gè)數(shù)據(jù)單元按分辨系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，以此實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的應(yīng)用功能和多級(jí)表達(dá)。

1. 數(shù)據(jù)管理

移動(dòng)GIS地圖的數(shù)據(jù)管理主要基于瓦片金字塔模型進(jìn)行操作。自定義瓦片地圖數(shù)據(jù)的管理模式采用類似于金字塔形狀的存儲(chǔ)格式，依據(jù)圖層數(shù)據(jù)的LOD(levelofdetail)級(jí)別進(jìn)行地理空間實(shí)體的多重顯示和分層表達(dá)。本文中地圖數(shù)據(jù)管理采用的瓦片金字塔模型如圖5所示。

圖4　移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)模型

地圖數(shù)據(jù)文件在瓦片金字塔模型中主要以數(shù)據(jù)圖層的形式進(jìn)行管理與組織，每一數(shù)據(jù)圖層根據(jù)地理實(shí)體的幾何屬性又劃分為點(diǎn)實(shí)體圖層、線實(shí)體圖層和面實(shí)體圖層等。不同圖層對(duì)應(yīng)不同實(shí)體對(duì)象，如點(diǎn)實(shí)體圖層對(duì)應(yīng)點(diǎn)狀對(duì)象，線實(shí)體圖層對(duì)應(yīng)線狀對(duì)象，面實(shí)體圖層對(duì)應(yīng)面狀對(duì)象，見表1。每一數(shù)據(jù)圖層又包含著對(duì)應(yīng)實(shí)體對(duì)象的幾何、屬性等特征數(shù)據(jù)，特別情況下還包含數(shù)據(jù)拓?fù)涮卣鞯龋姳?。

圖5　瓦片數(shù)據(jù)金字塔模型

數(shù)據(jù)圖層類型實(shí)體對(duì)象類型點(diǎn)數(shù)據(jù)圖層(PointLayer)點(diǎn)狀對(duì)象(PointShape)線數(shù)據(jù)圖層(LineLayer)線狀對(duì)象(LineShape)面數(shù)據(jù)圖層(PolygonLayer)面狀對(duì)象(PolygonShape)

表2　實(shí)體對(duì)象數(shù)據(jù)內(nèi)容

2. 空間索引

移動(dòng)終端GIS地圖數(shù)據(jù)采用網(wǎng)格化管理模式，其網(wǎng)格數(shù)據(jù)的空間索引與數(shù)據(jù)檢索等性能決定著移動(dòng)GIS的整體應(yīng)用效果[10]。作為移動(dòng)GIS的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的空間索引性能取決于數(shù)據(jù)的空間索引結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)空間索引結(jié)構(gòu)對(duì)移動(dòng)GIS應(yīng)用有很大的平臺(tái)局限性，不能有效滿足移動(dòng)GIS地圖應(yīng)用的響應(yīng)速度要求。

移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)采用網(wǎng)格索引，其特征是一個(gè)實(shí)體對(duì)象可能涉及數(shù)個(gè)單元網(wǎng)格，同時(shí)，一個(gè)單元網(wǎng)格也可能包含數(shù)個(gè)實(shí)體對(duì)象。對(duì)于這種數(shù)據(jù)的空間索引結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的網(wǎng)格索引結(jié)構(gòu)，如四叉樹結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)據(jù)的重復(fù)操作和記錄冗余，從而降低了數(shù)據(jù)索引的運(yùn)行精確度，增加了硬件設(shè)備的工作量和能耗[11-12]。面向動(dòng)態(tài)變化的地理實(shí)體數(shù)據(jù)應(yīng)用，本文提出了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)空間索引的高效率運(yùn)行和低能耗操作。針對(duì)新增實(shí)體對(duì)象的空間索引，圖6驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)的高效率和低能耗等特征，虛線部分為新增實(shí)體對(duì)象。

動(dòng)態(tài)四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)的具體算法如下：

1) 依據(jù)首個(gè)插入的實(shí)體對(duì)象，確定索引空間的中心點(diǎn)。

2) 對(duì)實(shí)體對(duì)象的MBR進(jìn)行計(jì)算。

圖6　四叉樹空間索引結(jié)構(gòu)舉例比較

3) 依據(jù)圖6獲取涵蓋新插入實(shí)體對(duì)象的所有葉子節(jié)點(diǎn)。

4)判斷步驟3)中葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)體對(duì)象數(shù)是否超過閾值，如果超值，分兩種情況進(jìn)行操作：

a. 如是開放邊界的節(jié)點(diǎn)，如圖6中的d節(jié)點(diǎn)，則需對(duì)該節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有實(shí)體對(duì)象的MBR值進(jìn)行計(jì)算，并分成4個(gè)新葉子節(jié)點(diǎn)。

b. 反之，如圖6中的e節(jié)點(diǎn)，其為非開放節(jié)點(diǎn)，則只需將其分解成4個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)即可。

5) 對(duì)新出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)中涵蓋的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行重新計(jì)算。

6) 重復(fù)步驟1)—5)的操作。

五、結(jié)束語

移動(dòng)終端GIS地圖在日常生活中逐漸得到普及，尤其是基于LBS的服務(wù)應(yīng)用，基于移動(dòng)終端的移動(dòng)GIS地圖應(yīng)用成為了GIS領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用熱點(diǎn)。雖然移動(dòng)終端硬件配置越來越強(qiáng)大，針對(duì)海量地理實(shí)體數(shù)據(jù)的應(yīng)用操作在一些領(lǐng)域還存在著制約因素，高效的移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型成為一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文提出了一種移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型，該模型在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)管理和空間索引等方面與傳統(tǒng)的移動(dòng)GIS地圖數(shù)據(jù)模型有著明顯的不同，具有較高的技術(shù)參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景。

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引文格式： 王柯，王騰，張文詩，等. 移動(dòng)終端GIS地圖數(shù)據(jù)模型研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(3)：53-57.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0074

作者簡(jiǎn)介：王柯(1986—)，男，博士生，研究方向?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)環(huán)境分析。E-mail:erqitadegushi007@163.com

收稿日期：2014-04-04

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)03-0053-05