■唐海濤劉樹彬

（1中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江杭州 310014；2 ESRI(中國(guó))信息技術(shù)有限公司上海分公司 上海 200030）

基于ArcGIS的終端圖形動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法研究及應(yīng)用

■唐海濤1劉樹彬2

（1中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江杭州 310014；2 ESRI(中國(guó))信息技術(shù)有限公司上海分公司 上海 200030）

ArcGIS的終端在地圖上展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是采用動(dòng)態(tài)繪制Graphic元素的方式，需要依靠終端的能力來(lái)渲染，但是Graphic元素在數(shù)據(jù)量過大時(shí)對(duì)終端的性能影響十分明顯。本文詳細(xì)闡述了一種基于ArcGIS的終端Graphic元素動(dòng)態(tài)優(yōu)化的算法，可以抽稀線或面的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，去掉多余的對(duì)圖形顯示無(wú)貢獻(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)、提高渲染性能的目的。

ArcGIS終端圖形動(dòng)態(tài)優(yōu)化

0 引言

ArcGIS軟件是美國(guó)ESRI公司生產(chǎn)的大型GIS系統(tǒng)軟件，它作為一個(gè)可伸縮的平臺(tái)，無(wú)論是在服務(wù)器，在桌面，在野外還是通過Web或移動(dòng)終端，為個(gè)人用戶也為群體用戶提供GIS的功能。產(chǎn)品包括桌面GIS（ArcGIS Desktop）、嵌入式GIS（ArcGIS Engine）、服務(wù)端GIS（ArcGIS Server）、地理數(shù)據(jù)庫(kù)引擎ArcSDE及其開發(fā)組件ArcObjects（以下簡(jiǎn)稱AO）、地理處理服務(wù)Geoprocessing（以下簡(jiǎn)稱GP）等[1]。

ArcGIS的所有終端（C/S、B/S及各種移動(dòng)終端）在展示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)渲染和查詢高亮等地圖顯示上都依賴于在終端實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制Graphic元素的方式。Graphic一般放在GraphicLayer中，屬于終端維護(hù)的對(duì)象，依靠終端的能力來(lái)渲染和展示，給地圖增加了互動(dòng)和動(dòng)態(tài)效果。但是Graphic對(duì)象在數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜（節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)多的線或面）的情況下實(shí)時(shí)渲染，對(duì)終端的性能影響十分明顯。ArcGIS終端屏幕上有超過一千個(gè)點(diǎn)的Graphic進(jìn)行渲染，有關(guān)地圖的操作就會(huì)變得非常卡，甚至造成瀏覽器無(wú)響應(yīng)。例如，在使用GPS監(jiān)控的應(yīng)用中，其GPS軌跡監(jiān)控展示直接采用讀取數(shù)據(jù)庫(kù)坐標(biāo)，然后以Graphic Line的方式動(dòng)態(tài)展示位置軌跡，但由于GPS監(jiān)控刷新間隔短、監(jiān)控對(duì)象多，具有大數(shù)據(jù)量節(jié)點(diǎn)的Graphic Line復(fù)雜線的渲染大大影響了終端性能。

通常基于大數(shù)據(jù)量節(jié)點(diǎn)的Graphic渲染的應(yīng)用都進(jìn)行了點(diǎn)抽稀，在小比例尺的時(shí)候，相鄰點(diǎn)聚合為一個(gè)點(diǎn)來(lái)顯示，隨著比例尺的放大，再根據(jù)范圍慢慢增加直至顯示所有的點(diǎn)[2]。此方法較好的解決了大數(shù)據(jù)量POI（Point Of Interest）點(diǎn)的Graphic顯示問題，但不能解決線和面的顯示問題。事實(shí)上大數(shù)據(jù)量節(jié)點(diǎn)的線和面對(duì)終端的性能影響更加嚴(yán)重，一條外形簡(jiǎn)單的線或面，其節(jié)點(diǎn)數(shù)也可能超過上萬(wàn)個(gè)。如果說一次渲染上千個(gè)Graphic點(diǎn)，地圖操作性能急劇下降，那么在這種情況下，即使顯示一條線或一個(gè)面，地圖的響應(yīng)都會(huì)非常遲鈍。

實(shí)際上，與大數(shù)據(jù)量POI點(diǎn)的顯示一樣，在小比例尺的時(shí)候，沒有必要顯示線或者面中的所有節(jié)點(diǎn)，只當(dāng)放大到一定比例尺后，才需要高精度顯示線和面的邊線。在線和面中，由于數(shù)據(jù)制作方式的不同，會(huì)存在大量對(duì)顯示無(wú)貢獻(xiàn)的節(jié)點(diǎn)（即超過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一直線上）。所以優(yōu)化Graphic線和面節(jié)點(diǎn)的顯示數(shù)目，去掉多余的對(duì)顯示無(wú)貢獻(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，必將大大提高地圖顯示和操作的效率。

針對(duì)上述問題，本文提出一種基于ArcGIS的終端Graphic圖形元素中動(dòng)態(tài)優(yōu)化抽稀線和面節(jié)點(diǎn)的算法。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 技術(shù)路線

本算法計(jì)算和比較相鄰兩節(jié)點(diǎn)直線之間的斜率來(lái)取舍節(jié)點(diǎn)，斜率大于特定值的為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其余為非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。通過保留關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，來(lái)達(dá)到抽稀優(yōu)化的目的。算法結(jié)果可以自定義控制抽稀的程度，能較好的保留關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從而大大減少不必要的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，提高顯示和操作性能。

圖1 技術(shù)路線圖

算法主要步驟如圖1所示，首選檢查并精簡(jiǎn)坐標(biāo)值相同的相鄰節(jié)點(diǎn)，然后計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)直線的斜率，自定義抽稀程度系數(shù)作為閾值，根據(jù)斜率是否小于此閾值來(lái)取舍節(jié)點(diǎn)，達(dá)到抽稀優(yōu)化線或面節(jié)點(diǎn)數(shù)量的目的。在動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí)整個(gè)計(jì)算過程迭代進(jìn)行，每次迭代最多抽稀線或面節(jié)點(diǎn)數(shù)量的一半，最大限度的保證線或面的平滑度。一般認(rèn)為在抽稀程度系數(shù)為0的條件下進(jìn)行的抽稀對(duì)圖形的構(gòu)造無(wú)任何影響。

1.2 算法簡(jiǎn)介

在線某相鄰的三個(gè)節(jié)點(diǎn)中，計(jì)算第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)連線的斜率，第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)連線的斜率，得到兩斜率之差的絕對(duì)值為result。如果result=0，證明節(jié)點(diǎn)二為多余的，去除之。如圖2所示。

圖2 抽稀程度系數(shù)為0的情況

圖3 自定義抽稀程度系數(shù)的情況

如果設(shè)定了抽稀程度系數(shù)需要進(jìn)行自定義抽稀，那么如果result<抽稀程度系數(shù)，則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)二為非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從線構(gòu)造中去除之。如圖3所示。

K1、K2分別為P1P2和P2P3的斜率，如果|K1-K2|<抽稀程度系數(shù)，則P2為非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵代碼示例如下：

if(Math.abs((P2.y-P1.y)/(P2.x-P1.x)-(P3.y-P2.y)/(P3.x-P2.x)) <=MaxTan)

{

singleline.removePoint(pathsIndex,k+1);

}

備注：代碼中MaxTan為抽稀程度系數(shù)。

圖4 動(dòng)態(tài)抽稀優(yōu)化過程

圖5 抽稀程度系數(shù)為0的效果

1.3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化

通常情況下，選擇合適的抽稀程度系數(shù)對(duì)線或面進(jìn)行抽稀后再在終端進(jìn)行渲染和顯示，既可以使抽稀后的圖形與原圖的構(gòu)造保持一致，又能大大提高終端的渲染速度。為達(dá)到此目的，在比例尺固定且終端界面上Graphic圖形元素?cái)?shù)量不變的情況下，此抽稀程度系數(shù)一般存在一個(gè)最優(yōu)值。但是在比例尺動(dòng)態(tài)變化或者比例尺固定但是終端界面上（由于平移地圖導(dǎo)致）出現(xiàn)的Graphic圖形元素?cái)?shù)量過多的情況下，需要?jiǎng)討B(tài)設(shè)置抽稀程度系數(shù)，以保持終端界面上所有Graphic圖形的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不能超過設(shè)定的閾值。這個(gè)閾值是保證終端的渲染效率和操作流暢性的前提，針對(duì)終端類型多樣性和性能差異，可通過接口提供給用戶設(shè)置。如果Graphic圖形元素的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不超過規(guī)定閾值，可以將抽稀程度系數(shù)設(shè)置為0，精確顯示線、面圖形；如果Graphic圖形元素的節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過了規(guī)定閾值，可視情況處理：

（1）終端上Graphic圖形元素?cái)?shù)量不變，比例尺動(dòng)態(tài)變化。此情況一般在終端上所有Graphic圖形元素已經(jīng)全部顯示，并且地圖進(jìn)行了縮放的操作時(shí)發(fā)生。在大比例尺下可以將抽稀程度系數(shù)設(shè)置為較小的值，使抽稀后的節(jié)點(diǎn)數(shù)量低于閾值，并且保持圖形構(gòu)造不發(fā)生大的變化；在小比例尺下可以將抽稀程度系數(shù)設(shè)置為較大的值，使抽稀后的節(jié)點(diǎn)數(shù)量低于閾值，并且不影響終端上圖形的顯示效果。

（2）比例尺固定不變，終端上Graphic圖形元素?cái)?shù)量過多。此情況一般在地圖平移后終端界面上顯示出了其他的圖形元素時(shí)發(fā)生。將原來(lái)的抽稀程度系數(shù)加大，使抽稀后的節(jié)點(diǎn)數(shù)量低于閾值，并且保持圖形構(gòu)造不發(fā)生大的變化。

實(shí)際操作過程中，可以簡(jiǎn)單的將抽稀程度系數(shù)設(shè)置一個(gè)范圍并以某個(gè)步長(zhǎng)（例如0.1）進(jìn)行累加，迭代抽稀過程，直至Graphic圖形元素的節(jié)點(diǎn)數(shù)量低于規(guī)定閾值。動(dòng)態(tài)抽稀優(yōu)化過程如圖4所示。

2 功能特色

此算法和實(shí)現(xiàn)方式可以在ArcGIS Engine、JavaScriptFlexSilverLight、iOS、Andorid及Windows Phone等幾乎所有ArcGIS終端上運(yùn)行。算法特點(diǎn)包括：

（1）在不影響線和面構(gòu)造的情況下，可以簡(jiǎn)化線和面的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，去掉多余的對(duì)顯示無(wú)貢獻(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù)、提高渲染性能的目的。

（2）根據(jù)地圖顯示比例尺或用戶參數(shù)設(shè)定，可以動(dòng)態(tài)的抽取掉非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在小比例尺下可以將抽稀程度系數(shù)設(shè)大，這樣抽稀的“厲害”，雖可能造成線和面的一些失真，但在小比例下不影響顯示效果；在大比例尺下可以將抽稀程度系統(tǒng)設(shè)小，抽稀算法可以讓抽稀程度無(wú)級(jí)縮小，線和面的顯示精度可以逐級(jí)恢復(fù)。

（3）適合所有ArcGIS模塊中線和面Graphic元素的顯示渲染，包括終端和服務(wù)器端；

（4）ArcGIS AO中Generalize方法及ArcToolbox中的Simplify Line模塊[3]提供相似功能，但即使作為后臺(tái)簡(jiǎn)化FeatureClass來(lái)使用，其效率亦高于AO本身的方法，并且AOGP的方法無(wú)法直接對(duì)客戶端的Graphic元素進(jìn)行優(yōu)化。

3 實(shí)例分析

通過此算法優(yōu)化，可以去掉多余的對(duì)顯示無(wú)貢獻(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)抽稀程度系數(shù)設(shè)為0時(shí)，可在圖形無(wú)任何失真的同時(shí)，大大的精簡(jiǎn)圖形的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。如圖5為一份河流（線）數(shù)據(jù)在抽稀程度系數(shù)為0的條件下去除多余節(jié)點(diǎn)的效果，優(yōu)化過程對(duì)線的構(gòu)造無(wú)任何影響。

根據(jù)不同的場(chǎng)景，通過動(dòng)態(tài)設(shè)置抽稀程度系數(shù)來(lái)優(yōu)化顯示線和面Graphic元素，提高終端渲染效率。如圖6所示，在不同的比例尺下，被抽稀掉的河流線節(jié)點(diǎn)數(shù)量是不同的。在某一大比例尺下，河流的線圖層中所有線的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為225043，優(yōu)化去掉的節(jié)點(diǎn)數(shù)為221432，只剩下3611個(gè)節(jié)點(diǎn)，左邊圖中紅色線條為優(yōu)化后的細(xì)節(jié)效果，藍(lán)色的為真實(shí)線的構(gòu)造。通過優(yōu)化節(jié)點(diǎn)數(shù)量后，圖形的失真程度較小，但節(jié)點(diǎn)總數(shù)大大降低，地圖顯示和操作流暢性更加明顯。

圖6 動(dòng)態(tài)抽稀優(yōu)化的效果

在位置監(jiān)控的應(yīng)用中一般包含獨(dú)立的存儲(chǔ)GPS點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)表[4]，如果通過實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，以Graphic Line的方式動(dòng)態(tài)展示移動(dòng)物體的軌跡，當(dāng)監(jiān)控目標(biāo)超過一定數(shù)量后，地圖操作性能急劇下降。而通過本算法進(jìn)行線節(jié)點(diǎn)抽稀優(yōu)化，根據(jù)比例尺的大小，決定線節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化程度，實(shí)時(shí)去除多余節(jié)點(diǎn)，并在終端對(duì)優(yōu)化后的圖形進(jìn)行動(dòng)態(tài)渲染。實(shí)踐證明，此方法比通過坐標(biāo)創(chuàng)建AO對(duì)象，調(diào)用Generalize進(jìn)行優(yōu)化并生成Graphic的效率高很多。

4 總結(jié)與展望

本算法在需要將線和面Graphic的顯示和渲染通過控制抽稀程度系數(shù)來(lái)提高性能的，以及在GPS軌跡跟蹤展示、大數(shù)據(jù)量查詢和分析結(jié)果展示、復(fù)雜對(duì)象高亮顯示、客戶端直接創(chuàng)建線面對(duì)象等應(yīng)用場(chǎng)景中特別有效。本文中筆者主要在Web客戶端進(jìn)行了算法部署及測(cè)試，后續(xù)工作中還需要做如下工作：

（1）在ArcGIS API for iOSAndroid中進(jìn)行部署和測(cè)試。

（2）進(jìn)一步提高算法穩(wěn)定性，優(yōu)化宏觀上節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)抽稀過程；

（3）用后臺(tái)代碼將算法封裝成一個(gè)檢查多余節(jié)點(diǎn)的GP常用工具，用于減少線和面數(shù)據(jù)源的多余節(jié)點(diǎn)，以供數(shù)據(jù)檢查、處理、優(yōu)化使用。

[1]ESRI中國(guó) （北京）有限公司.ESRI公司ARCGIS系列產(chǎn)品介紹.2004.

[2]陳永劍.基于ArcGIS10的點(diǎn)抽稀應(yīng)用 [J].城市建設(shè)理論研究，2011,(31).

[3]熊萍.3S綜合調(diào)繪法在農(nóng)村土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中的試驗(yàn)研究 [D].西安：長(zhǎng)安大學(xué). 2010.

[4]吳建華.基于ArcGIS Engine的車輛監(jiān)控GIS系統(tǒng)開發(fā) [J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，13（1）：88-93.

P208[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-143-3